基于汽车-自行车碰撞事故重建的骑车人动力学响应和损伤研究*

聂 进，杨济匡

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；2.娄底职业技术学院，娄底 417000；3.查尔摩斯理工大学应用力学系,瑞典 41296)



2015029

基于汽车-自行车碰撞事故重建的骑车人动力学响应和损伤研究*

聂 进1,2，杨济匡1,3

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；2.娄底职业技术学院，娄底 417000；3.查尔摩斯理工大学应用力学系,瑞典 41296)

首先从深入调查的交通事故数据库中挑选出与轿车碰撞的自行车事故案例24例，运用轿车-自行车/骑车人碰撞的多体动力学模型进行了事故重建。然后在此基础上分析了典型碰撞形态下自行车骑车人的动态响应过程和骑车人头部碰撞条件(如头部碰撞速度、碰撞时间和碰撞角度)与车辆碰撞速度的关系，并进一步研究了骑车人身体各部位损伤分布和头部损伤与下肢骨折风险。结果表明：自行车骑车人头部绕转距离(WAD)、碰撞速度、碰撞时间、碰撞角度和骑车人的抛出距离与车辆碰撞速度之间存在较强的相关性；车辆碰撞速度和抛出距离对骑车人损伤有明显影响；骑车人头部AIS 2+、AIS 3+损伤风险和下肢骨折风险与车辆碰撞速度显著相关。

事故重建；自行车骑车人；动力学响应；损伤

前言

我国拥有自行车数量超过4亿，是世界上拥有自行车最多的国家，每天大约有600万人选择自行车作为日常交通方式出行[1]。与行人一样作为易受伤害的道路使用者，自行车骑车人在与车辆的碰撞中很容易遭受严重损伤[2]。据我国公安部统计数据表明：2004-2010年，我国机动车-自行车交通事故导致约5.7万自行车骑车人死亡，超过250万人受伤，分别占道路交通事故总死亡和受伤人数的9.8%和8.6%[3]。我国的自行车骑车人的死亡和受伤人数仅次于行人，成为第二大易受伤害的道路使用者群体。因此，基于深入事故调查的机动车-自行车事故数据，研究自行车骑车人在碰撞中动力学响应和损伤机理，以减少交通事故中自行车骑车人死亡人数和受伤程度在我国具有特别重要意义。

国外基于真实的机动车-自行车事故，针对自行车骑车人的安全已做过大量的相关研究。文献[4]中通过对德国深入事故研究(GIDAS)数据库中机动车-自行车事故分析得出发现车辆碰撞速度对自行车骑车人的损伤严重性有很大影响。文献[5]中基于对瑞典哥德堡自行车事故的研究结果指出，斜碰撞是机动车-自行车事故中最常见的碰撞类型。文献[6]中的研究表明，头部是自行车骑车人最容易受伤的部位。文献[7]中的研究则着重于汽车-自行车事故和汽车-行人事故的对比分析。

近年来，尽管我国针对自行车骑车人安全的研究也日益增多[1,8-9]，但很少有研究基于深入调查机动车-自行车事故中对自行车骑车人的动力学响应及损伤严重性分析。并且，由于我国混合交通的道路环境、自行车尺寸及机动车前部结构与其他国家的差异等因素，其他国家的研究成果并不完全适合我国的实际情况。

本文中根据长沙地区通过深入调查采集的24例轿车-自行车事故，运用多体动力学数学模型进行事故重建。基于重建结果，分析典型的碰撞形态下自行车骑车人的动态响应过程，以及骑车人损伤与车辆碰撞速度的关系。

1 方法和材料

1.1 深入的事故调查

本文中所有自行车事故案例均选自长沙深入调查交通事故数据库(IVAC)。2006年，湖南大学与当地交警部门和医院合作，成立了车辆交通事故调查小组，在长沙市开展了深入的交通事故调查活动。当接到事故报警，调查小组的研究人员便与交警一起赴事故现场采集数据，采集方式包括现场测量、拍照和询问事故当事人与目击者，并通过事故回勘和当事人回访进一步采集详细的事故信息。与事故重建相关的事故信息主要涉及事故发生的3个阶段，如表1所示。IVAC数据库中深入调查的行人事故数据，已被用于行人颅脑损伤和行人伤亡风险的研究中[10-11]。

表1 重建事故数据概括

本文中从IVAC数据库中选取24起真实轿车-自行车事故案例进行了事故重建，事故具体数据如表2所示。取样标准：(1)事故时间为2004-2011年；(2)事故车辆为轿车；(3)自行车骑车人年龄大于14岁，身高大于150cm；(4)骑车人损伤类型为AIS 1+；(5)轿车碰撞速度大于20km/h；(6)骑车人没有配戴头盔。

1.2 事故重建

1.2.1 重建模型

本文中自行车骑车人模型采用由瑞典查尔摩斯大学开发和验证的多体动力学人体模型[12-13]。该模型已被广泛用于在事故重建中模拟行人和自行车骑车人[8,10]。事故重建中的自行车骑车人模型是根据骑车人真实的身高和体质量调用MADYMO中的GEBOD模块缩放得到(图1)。自行车骑车人真实身高和体质量见表2。

自行车和车辆模型根据事故中车辆的具体结构和几何尺寸在MADYMO中用椭球模拟建立。车辆前部结构各部分的机械特性分别根据Euro-NCAP相似车型的碰撞试验结果定义[14]。自行车各个部件的相对转动由转动铰链模拟，各部件机械特性从碰撞测试得到[15-16]。图2为一起轿车-自行车骑车人事故的碰撞模型。

表2 事故数据

注：WAD为头部绕转距离；Hcyclist为骑车人坐高。

1.2.2 重建方法和参数定义

采用因子设计方法，对汽车和自行车速度以及两者碰撞前的相对位置等参数进行优化，将仿真与真实事故的WAD、行人抛出距离或车辆、行人最终位置的误差作为优化函数，通过一组全因子试验获得最优的仿真结果。仿真结果与真实事故数据误差在20%范围之内，认为仿真结果可以接受。

汽车和自行车的碰撞速度、两者的相对位置和骑车人姿态是根据深入的事故调查记录相关事故信息进行估算，并在各自估算值的基础上确定输入参数的因子范围。如车辆碰撞速度的输入基值可根据记录的制动距离，按照式(1)进行估算[17]，因子范围为估算值±5km/h。

(1)

式中：μ为路面摩擦因数；L为制动距离；θ为路面坡度角；计算速度的单位为km/h。

不同接触面的摩擦因数的定义如表3所示。具体数值根据接触面的实际情况(干燥、湿滑等)而定[18]。

表3 不同接触面摩擦因数

1.3 统计方法

车辆碰撞速度与骑车人动力学响应参数之间的相关性利用非线性回归方法描述。参数之间的关系采用二次多项式函数和幂函数回归模型表达。函数表达式为

y=ax2+bx+c

(2)

y=axb

(3)

式(2)和式(3)的系数通过最小二乘法确定，变量x与y之间的相关性由决定系数R2确定，一般认为R2>0.9时，两参数显著相关；0.9>R2>0.6时，两者相关性较强。

基于逻辑回归分析方法分析了骑车人头部和下肢损伤风险与车辆碰撞速度的关系。风险模型P(v)由以下公式得到：

(4)

式中：v为车辆碰撞速度；α和β分别为通过最大似然估计法计算得到的系数[19]。

回归模型中，死亡风险和车辆碰撞速度的相关性通过卡方检验确定。本文中设定检验值p的显著水平为0.05。通过计算得到卡方值和与之相对应的检验值p。当p<0.05时，认为车辆碰撞速度与损伤风险显著相关；反之，则相关性不显著。

1.4 事故重建举例

1.4.1 案例描述

一辆大众桑塔纳与一位58岁的男性自行车骑车人在直线道路上发生碰撞。事故发生前，轿车以大约40km/h的车速沿道路行驶，自行车在轿车前面沿相同方向行驶。自行车骑车人突然左转弯试图横穿马路，尽管轿车驾驶员紧急制动，但轿车前部仍与自行车左侧发生碰撞。整个过程轿车的制动距离约8.2m，自行车骑车人与自行车的抛出距离(TOD)分别约为5.5和6.5m。骑车人WAD值为1 980mm。事故现场草图见图3。

轿车风窗玻璃因与骑车人头部碰撞有明显破损痕迹(图4)。骑车人损伤为脑震荡(AIS 1)和全身多处软组织挫伤(AIS 1)。

1.4.2 事故重建

根据事故现场调查和问询记录得知，轿车制动后碰撞。仿真中设定车辆速度为26.3km/h，自行车速度为5.6km/h。车辆碰撞骑车人左侧。真实事故与仿真车辆碰撞痕迹的比较如图4所示，骑车人WAD和抛出距离的比较见表4。

表4 真实事故和仿真的骑车人WAD和抛出距离对比

2 结果

2.1 骑车人动态响应过程

在车辆-自行车碰撞事故中，车辆碰撞自行车骑车人侧面是最常见的碰撞类型[1]。图5为一例典型的轿车碰撞自行车左侧事故重建中骑车人的动态响应过程。仿真结果显示：自行车骑车人小腿与轿车保险杠首先接触，紧接着大腿与发动机罩前沿发生碰撞。在此过程中，骑车人上半身几乎保持不动。之后，骑车人下肢继续被轿车推着向前运动，但上半身沿发动机罩往后滑移直至骨盆与车辆发动机罩发生接触。然后，骑车人上半身开始绕骨盆向风窗玻璃绕转，最后骑车人头部与风窗玻璃下端发生碰撞。

2.2 骑车人头部碰撞条件

头部绕转距离(WAD)可以用来定义骑车人头部在车上的碰撞位置。由表2可知，24例事故中有10例事故骑车人头部绕转距离超过2 100mm。骑车人绕转距离和坐高比值与车辆碰撞速度的关系如图6所示。

随着车辆碰撞速度的增大，WAD与骑车人坐高的比值ω从1.08增加到1.69。两者二次多项式函数回归模型的决定系数R2=0.804。这表明绕转距离与骑车人坐高和车辆碰撞速度有关，且车辆碰撞速度与绕转距离和骑车人坐高的比值有较强相关性。

骑车人头部碰撞时间与碰撞速度之间的关系如图7所示。骑车人头部碰撞时间在110～200ms之间，且随着车辆碰撞速度的增大而减小。

图8描述了事故中车辆碰撞速度与骑车人头部碰撞速度的关系。从图中可以看出，骑车人头部碰撞速度随着车辆碰撞速度的增大而增大，且两者具有较强的相关性(R2=0.863)。自行车骑车人头部碰撞速度与车辆碰撞速度的比值处于0.6～1.1之间，两者平均值分别为：车辆碰撞速度43.5km/h、头部碰撞速度33.9km/h。

自行车骑车人头部碰撞角度分布如图9所示。随着车辆碰撞速度的增大，骑车人头部碰撞角度从83.5°减少至10.9°，平均角度为45.7°。

2.3 抛出距离与车辆碰撞速度的关系

抛出距离可用来估算车辆碰撞速度，特别是对于事故现场没有留下制动痕迹的案例，骑车人和自行车的抛出距离对估算碰撞速度尤为重要[20]。

基于事故重建结果，利用幂函数回归模型分别描述骑车人和自行车抛出距离与车辆碰撞速度的关系(图10)。骑车人和自行车抛出距离都随着碰撞速度的增大而增大，且回归模型的决定系数分别为0.86和0.704，这说明两者抛出距离与车辆碰撞速度都有较强的相关性。从图10中还可以看出，在相同的碰撞情况下，自行车的抛出距离大于骑车人的抛出距离。

2.4 骑车人损伤分析

基于重建的24例车辆-自行车事故，分析骑车人各身体部位损伤的分布和损伤严重性与车辆碰撞速度和骑车人抛出距离等因素的关系。

骑车人身体各部位损伤分布如图11所示。头部和下肢是自行车骑车人在交通事故中最易受伤部位，其次为上肢和胸部。

图12为自行车骑车人受MAIS 1-2和MAIS 3+损伤时车辆碰撞速度的累积分布图。从图中可以看出，骑车人MAIS 1-2损伤大多发生在车辆碰撞速度低于40km/h时，当车辆碰撞速度超过50km/h时，骑车人MAIS 3+损伤的频率迅速增大。骑车人MAIS 1-2和MAIS 3+损伤所对应累积频率为50%时的车辆碰撞速度分别约为38和55km/h。

头部是自行车骑车人最容易受伤的部位。图13为自行车骑车人头部碰撞点在车辆上分布的示意图。24例事故中，有75%的自行车骑车人头部与车辆的碰撞点处于车辆风窗玻璃或其边框上，只有4例事故骑车人头部与车顶发生碰撞，2例事故骑车人头部与发动机罩后端接触。并且，在头部受到AIS 3+损伤的4例事故中，骑车人头部碰撞点全都处于风窗玻璃靠近A柱区域或车顶靠近风窗玻璃上边框区域内。

目前基于线性合成加速度积分得到的头部损伤指标HIC值被广泛采用于行人和自行车骑车人头部损伤风险和设计分析发动机罩结构与风窗玻璃的安全防护性能[8-10,20]。图14显示了自行车骑车人HIC值与车辆碰撞速度的关系。尽管骑车人HIC值在不同的车辆碰撞速度下有较为明显的波动，但其整体趋势是随着车辆碰撞速度的增大而增大。当车辆碰撞速度低于45km/h时，绝大部分骑车人HIC值低于1 000。

表5列出车辆碰撞速度与自行车骑车人头部AIS 2+和AIS 3+损伤风险的逻辑回归分析结果。两者的检验值p全都小于0.05，因此，骑车人头部AIS 2+和AIS 3+损伤风险与车辆碰撞速度显著相关。风险曲线如图15所示。头部损伤风险随着车辆碰撞速度的增大而增大。车辆碰撞速度在50～70km/h时，头部AIS 2+和AIS 3+风险增长速度最快。头部AIS 2+和AIS 3+风险为50%时所对应的车辆碰撞速度分别为53.8和58.9km/h，这与文献[21]中基于德国GIDAS数据库中自行车案例的分析结果非常接近。

表5 头部损伤风险逻辑回归分析结果

下肢是除头部外自行车骑车人最易受伤的部位，在骑车人下肢AIS 2+损伤中，股骨、胫骨、腓骨和踝关节处等骨头骨折较为常见(表2)。表6列出车辆碰撞速度与自行车骑车人下肢骨折风险的逻辑回归分析结果。检验值p小于0.05，因此，骑车人下肢骨折风险与车辆碰撞速度同样显著相关。图16为下肢骨折风险曲线图。从图16可以看出，骑车人下肢骨折风险随着车辆碰撞速度的增大而增大。车辆碰撞速度在30～50km/h之间时，骨折风险增长最快。50%下肢骨折风险所对应的车辆碰撞速度为41.2km/h。

表6 下肢骨折风险逻辑回归分析结果

3 讨论

利用多刚体动力学软件MADYMO对IVAC数据库中24例自行车碰撞事故进行重建。仿真得到的自行车骑车人与车辆的碰撞位置、骑车人抛出距离和车辆与骑车人最终落地位置均与采集真实事故数据吻合很好，这保证了事故重建的可靠性。

图6显示，骑车人WAD与坐高的比值ω与车辆碰撞速度有较强的相关性，且比值随着车辆碰撞速度的增大而增大。这主要与骑车人在轿车发动机罩表面的滑行距离相关。车辆碰撞速度越大，骑车人在车辆发动机罩上的滑行距离就会越大，从而导致骑车人的绕转距离变大而增大比值。同时，24例自行车事故中有10例事故骑车人头部绕转距离超过我国现有推荐性行人保护法规中头锤碰撞试验区间的最大极限2 100mm[22]。因此，若使用头锤碰撞试验来评估车辆前部结构对自行车骑车人头部保护性能时，碰撞测试区域应适当扩大。

事故重建结果显示，骑车人头部碰撞速度与车辆碰撞速度存在较强的相关性，这与Otte的研究结果一致[17]。从图8可以看出，其比值分布在0.6～1.1之间。比值超过1的多为车辆碰撞速度较低的情况下，这主要是由于低速碰撞时，自行车速度对骑车人头部碰撞速度的影响相对较大，当车辆速度与自行车速度方向垂直时，自行车的行驶速度可以明显增大头部碰撞时刻的分速度，从而起到增大骑车人头部与车辆碰撞速度的效果。随着车辆碰撞速度的增大，自行车速度的影响减小，在碰撞后的滑行过程中，由于摩擦力的作用，骑车人头部在与车辆碰撞前就会具有一定的与车辆同方向的速度，这在一定程度上会减小骑车人头部的碰撞速度。因此，随着车辆碰撞速度的增大，骑车人头部碰撞速度与车辆碰撞速度的比值在多数情况下小于1。

4 结论

车辆-自行车碰撞事故中，骑车人头部绕转距离WAD与坐高的比值和头部碰撞速度与车辆碰撞速度存在一定的相关性。WAD与坐高的比值随着车辆碰撞速度的增大而增大，分布范围为1.0～1.7。头部碰撞速度与车辆碰撞速度比值分布在0.6～1.1之间。

骑车人和自行车的抛出距离与车辆碰撞速度相关，抛出距离与车辆碰撞速度的回归模型可用于估算车辆碰撞速度。

头部和下肢是自行车骑车人最易受伤的两个身体部位。逻辑回归模型分析表明：50%头部AIS 2+和AIS 3+损伤风险所对应的车辆碰撞速度分别为53.8和58.9km/h；50%下肢骨折风险所对应的车辆碰撞速度为41.2km/h。

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A Study on the Dynamic Response and Injury of Cyclist Basedon Car-bicycle Accident Reconstruction

Nie Jin1,2& Yang Jikuang1,3

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.LoudiVocationalandTechnicalCollege,Loudi417000; 3.DepartmentofAppliedMechanics,ChalmersUniversityofTechnology,Sweden41296

Firstly 24 car-bicycle crash accident cases are chosen from traffic accident database built up by in-depth survey to conduct accident reconstruction based on multi-body dynamics model for car-bicycle crash.Then on this base the correlations of the dynamic response process and head impact conditions (speed, duration and angle of head impact) of cyclist with car impact speed under typical crash pattern are analyzed, and the injury distribution of different parts of cyclist body and the risks of head injury and lower limb fracture are further studied.The results indicate that the head wrap around distance, the speed, duration and angle of impact of cyclist have a rather strong correlation with car impact speed.Car impact speed and throw out distance of cyclists has a great effect on cyclist's injury.The risks of head AIS 2+, head AIS 3+ injury and lower limb fracture of cyclist have a significant correlation with car impact speed.

accident reconstruction; cyclist; dynamics responses; injury

*湖南省科技计划项目(2014SK3213)、国家863计划项目(2006AA110101)、国家自然科学基金(51205119)和湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主研究课题(61075004)资助。

原稿收到日期为2013年3月24日。