实体测试假人在游乐设施检测中的应用前景

陈卫卫 田 博

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

实体测试假人在游乐设施检测中的应用前景

陈卫卫 田 博

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

针对传统游乐设施测试方法无法获取乘坐过程中的乘客受力、加速度和挤压变形等问题，开展了实体测试假人在游乐设施检测中的应用前景预研工作。本文充分调研了实体测试假人发展历程，分析了游乐设施测试假人应用现状，指出了传统游乐设施测试假人存在的问题，进行了实体测试假人在游乐设施测试中的应用探索。最后，对游乐设施测试假人开发提出了几点建议。

假人 游乐设施 生物力学

近年来，我国游乐产业发展迅速，游乐设施数量逐年递增。同时，大量具有新奇结构及复杂运动型式的游乐设施逐渐进入市场，传统检验检测方法已无法完全满足该类新产品安全性与可靠性验证实验的要求，新技术和新产品亟待开发以作为传统方法的有益补充。实体测试假人作为一种全尺寸仿造真人制造的测试装置，它能反映真实人体尺寸比例、重量分布和关节自由度，并在人体重要部位安装传感器记录实验过程中的数据响应。目前，实体测试假人已被广泛应用于汽车碰撞实验，研究人员通过实验数据预测人体的生物力学响应与各部位损伤程度从而进行新车评价[1-3]。实体测试假人虽然在航空、航天和汽车行业中已有成熟应用，但是在游乐设施行业中还处于起步阶段。本文从实体测试假人发展历程、游乐设施测试假人发展历程、实体测试假人开发需求及在游乐设施检测中的应用前景等方面展开论述。

1 实体测试假人发展历程

1.1 发展早期

1949年，Sierra工程公司受美国空军委托开发了世界上第一个实体测试假人——Sierra Sam，如图1所示，这是一款第95百分位成年男性假人（身高和体重超过95%的成年男性），它被用于代替飞行员进行弹射座椅测试。虽然Sierra Sam仅能测试头部加速度响应，但是毋庸置疑其具有开创性的里程碑意义。1952年，Alderson实验室开发了一款第95百分位成年男性假人——Mark 1，其结构和关节和SierraSam比与真人更为近似，被用于美国和欧洲空军测试。1956年，Alderson实验室开发了一款模块化假人——Models F，其具有更多的关节自由度，能够适应不同的测试要求。1960年，Alderson实验室与Grumman飞机公司合作开发了名为Gard Dummy的系列假人，其中包含从第3百分位到第98百分位的8种尺寸，该系列假人配置了大量传感器以获得座椅弹射时更多的重要参数。1966年，Alderson实验室开发了VIP (Very Important People)系列假人，其中包含第5百分位成年女性假人、第50百分位成年男性假人和第95百分位成年男性假人各1名，VIP系列假人被首次用于标准的汽车实验。1967年，Sierra工程公司开发了一款满足H．E．W． (Health and Education Welfare)人体测量数据的第50百分位成年男性假人——Sierra Stan，其专门设计用于汽车测试[2-8]。

图1 世界第一个实体测试假人和弹射座椅测试系统

1.2 Hybrid假人

1971年，通用汽车公司认为Alderson实验室开发的VIP系列和Sierra工程公司开发的Sierra Stan假人均不能同时满足汽车测试所要求的可靠性与耐用性两个指标，工程师们决定将两种假人的优秀品质进行混合。于是Hybrid I代诞生了，它是一款第50百分位成年男性假人。1972年，改进了肩膀、脊柱和膝盖响应的Hybrid II代面世，并成为第1个满足美国联邦机动车安全标准FMVSS (American Federal Motor Vehicle Safety Standard)的汽车安全带测试假人[2，3]。

1976年，通用汽车公司开发了Hybrid III代第1个第50百分位成年男性假人，见图2，这也是迄今为止应用范围最为广泛的测试假人。该假人如果能够站立，其身高将有168c m，体重77kg。在美国高速公路安全保险协会IIHS (Insurance Institute for Highway Safety)规定的汽车偏置正面碰撞测试(65km/h)中，将其放置于驾驶员位置。通用汽车公司还陆续开发了Hybrid III代家族的其他4个假人，分别为：第95百分位成年男性假人，身高188cm，体重100kg；第5百分位成年女性假人，身高152c m，体重50kg；6岁儿童假人，体重21kg；3岁儿童假人，体重15kg。两个Hybrid III儿童假人是最近新加入的，因为儿童在事故中的伤害数据很少，类似数据难以获得，所以儿童假人开发中有很多近似和估计[2-4]。

图2 Hybrid III 第50百分位成年男性假人和Hybrid III假人家族

1.3 SID (Side Impact Dummies)假人

Hybrid III代家族假人被设计用来进行汽车正面碰撞测试，在其他种类的碰撞中将不太有效。SID假人家族主要用于测试在汽车发生侧面碰撞时对肋骨、脊柱和内脏器官的影响，以及对肋骨与脊柱的加速度和胸腔的压缩量进行评估，SID假人依据美国政府测试标准设计。1979年~1982年，SID假人由美国密歇根大学高速公路安全研究中心受美国高速公路安全管理局NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration)委托开发完成。1983年~1985年，欧洲提高车辆安全委员会EEVC (European Enhanced Vehicle-safety Committee)联合数个研究实验室开发了EUROSID假人的原型，通过前期验证，经过进一步修改于1989年完成了目前广为人知的EUROSID-1型假人。同时，BIOSID假人的主要部件由通用汽车公司进行开发，并最终由美国汽车工程师协会SAE (Society of Automotive Engineers)侧面碰撞假人研究组完成开发[2-3]。2001年，WorldSID第一个原型假人由ISO TC22/SC12组织所辖的WorldSID任务组试制成功，并经过长达十年的发展完善，目前已成长为所有中等尺寸成人男性假人中生物仿真度最好的一款[2，3]。

图3 SID汽车侧面碰撞测试假人家族

此外，还有用于汽车后方碰撞的测试假人BioRID II和RID2等，这里不一一展开赘述。

2 游乐设施测试假人应用现状

游乐设施具有机械构造复杂化、运动型式多样化和乘客约束系统差异化等主要特征，给检验检测工作带来了巨大挑战。在国内外游乐设施测试行业，实体测试假人技术发展非常滞后。

2.1 传统游乐设施测试假人

目前，国内外游乐设施生产厂家和使用单位一般采用沙袋、柔性橡胶水人和硬质人形水箱等作为载荷测试，如图4所示[9，10]，对于人体响应的研究几近空白。图中假人严格来说只能定义为配重或载荷，不能充分验证游乐设施乘客约束系统性能和人-车交互作用。使用图4（a）沙袋进行测试，将其牢牢固定在座椅上，无法体现安全压杠或者安全带的束缚作用，下雨或漏沙容易造成载荷变化、污染座舱甚至破坏润滑表面。使用图4（b）柔性橡胶水人进行测试，如果未将其牢牢固定在座椅上，存在运行中易被甩出、易破损、漏水造成载荷变化和浪费水资源等弊端。使用图4（c）硬质人形水箱进行测试，如果未将其牢牢固定在座椅上，存在安全压杠或者安全带约束困难、运行中易被甩出和浪费水资源等弊端。图4（d）所示人形充水实体测试假人包含大臂、肘部、髋部和膝部关节等自由度，如果其尺寸比例严格按照真实人体设计制造，应用该假人进行测试能够在一定程度上反映安全压杠或者安全带约束状态，但是仍然存在无法获取人体响应和浪费水资源等弊端。图4（e）所示人形充水实体测试假人没有手臂，应用于不考虑手臂活动的测试场合，缺点与图4（d）类似。图4（f）所示人形玻璃钢假人，只能应用于游乐设施运行区域安全包络线及乘客约束系统测试，其具有重量轻、不能模拟载荷试验和一次性使用、易于损坏等特点。图4中部分图片来源于美国Roto West Inc公司官网以及Google图片搜索。

图4 游乐设施测试假人

2.2 汽车碰撞假人在游乐设施测试中的应用

图5 美国GMH Engineering公司采用汽车碰撞假人进行过山车测试

美国GMH Engineering公司在游乐设施检测中创新性的应用了内置多处传感器的实体测试假人(Hybrid III 50th假人)[11]，主要应用于过山车测试，如图5所示。应用汽车碰撞假人进行游乐设施测试具有很多优点，如：假人尺寸比例和重量分布与真人具有高度相似性，假人骨骼、肌肉和皮肤材料与真人具有生物力学一致性，多自由度和多传感器布置方案能够真实反映乘客乘坐过程中的力学响应时间历程，实现对游乐设施舒适性与安全性的预测功能。缺点同样存在，如：价格昂贵，针对汽车碰撞设计，传感器布置方案、量程与精度不适应游乐设施运行工况等。但是，GMH Engineering公司进行类似尝试，积累经验，可以为开发游乐设施实体测试假人提供参考。图5中图片来源于美国GMH Engineering公司官网。

3 实体测试假人开发需求

实体测试假人是真人的1∶1复制品，需要安装足够多的传感器以获得尽可能多的人体响应数据。要开发一款能够反映并预测真人响应的测试假人，需要进行大量的实验，以获取人体尺寸、重量分布、材料属性和关节自由度等信息。

3.1 生物力学测试

20世纪30年代晚期，人体承受极端身体伤害后人体响应的可靠数据还没有收集，也没有相应的测试工具，底特律韦恩州立大学最早开始进行人体高速碰撞后响应数据的收集。最早的测试对象是死尸，利用死尸来获取人体承受冲击载荷时破碎力和撕裂力的基础数据。测试方法也很落后，比如：用钢球从高处抛下撞击骷髅，把尸体从废弃的电梯井中扔下，在尸体上安装加速度测试仪承受汽车撞击等。用尸体来做实验有一些局限性，如：实验对象一般为自然死亡的老年白人；尸体承受冲击后将产生伤害，无法进行第二次重复实验；没有相同的两具尸体可以用来实验；实验对象数量有限、种类有限，无法获得足够数据。

一些研究者用他们自己的身体作为实验对象。Colonel John坐在火箭滑撬上加速到1010km/h并在1s内停下。Lawrence Patrick，目前是韦恩州立大学的退休教授，曾经进行过大约400次火箭滑撬实验来测试快速减速对人体的影响，他和他的学生们为人体生物力学做出了巨大贡献。但是志愿者数量有限、类型有限，仍然无法获得全面的实验数据。

20世纪50年代中期，已经积累大量的尸体测试数据。还需研究事故中的生还可能，尸体实验已不能满足研究要求。有学者提出用动物代替人类来进行实验的想法，在舱内碰撞研究中最常用的动物是猪，主要是因为他们的内部结构类似于人类，而且猪也可以被很好的放置在驾驶员座椅上。

尸体测试和动物测试逐渐受到宗教人士和动物保护主义人士的抵制，但是也已为假人设计制造积累了大量数据，汽车制造商逐渐开发出能够很好模拟人体响应的实体测试假人。

3.2 假人主要参数

实体测试假人的主要用途是建立一个能够模仿人体的测试环境，如果人体参数有误，将造成测试结果的不准确和不可信。目前国内多采用Hybrid III 50th假人进行测试，但是Hybrid III 50th假人是参照美国人体测量参数所设计的，由于中美人种的差异，中美人体尺寸及体重参数相差较大，见表1。中国国家标准GB 8408—2008《游乐设施安全规范》中第4．2．2．1节“活载荷”中规定“乘坐成人1~2人时按750N/人计算，2人以上按700N/人计算。儿童（身高不超过1．2m或10岁以下）按400N/人计算。”，近似换算为成人70~75kg/人，儿童40kg/人，与表中数据有较大不同。因此，开发基于中国人体测量数据的实体测试假人工作至关重要。表1中数据主要来源于Humanetics公司网站和中国国家标准GB/T 10000—1988《中国成年人人体尺寸》。

表1 中美人体尺寸及体重参数对比

3.3 主要测试传感器选择及布置方案

根据不同测试工况选择主要测试传感器及确定布置方案。Hybrid III 50th假人传感器布置方案[12]如图6所示，包括头部三轴加速度传感器、颈部力/力矩传感器、腹部位移传感器、膝盖位移传感器、小腿上部力/力矩传感器以及小腿下部力/力矩传感器等，基本满足汽车正面碰撞测试要求。中国国家标准GB 8408—2008《游乐设施安全规范》中第4．7节“加速度允许值”中规定“计算或测量加速度的参考点一般应在坐席上方600mm处。”，测试人体坐标系下的三轴加速度数据，图6中传感器布置方案不能满足要求，需改进设计。

图6 Hybrid III 50th假人传感器布置方案

4 结论

通过调研大量的国内外文献与研究报告，结合本部门丰富的游乐设施检验经验，针对游乐设施测试假人开发提出以下注意事项：

1）游乐设施测试假人研究基础薄弱，起点很低。根据GB 8408要求，Hybrid III第50百分位男性假人比较符合游乐设施测试工作，可以从对现有Hybrid III 50th假人改造着手，快速形成检测能力。

2）深入研究游乐设施运动特点，掌握游乐设施运行规律，简化Hybrid III 50th假人模型，去除不必要的关节自由度，减少传感器数目并优化传感器布置，进一步增加具有游乐设施检测特色的新型传感器。

3）基于中国人体测量数据，修正Hybrid III 50th假人模型，使之适应中国需求。

4）开发系列假人，用于乘客约束系统验证、游乐设施型式试验等不同实验环境。

[1] Nahum A M，Melvin J W．Accidental injury：biomechanics and prevention[M]．Springer-Verlag，2015．

[2] Crash test dummy-Wikipedia[EB/OL]．https：// en．wikipedia．org/wiki/Crash_test_dummy， 2016-05-15．

[3] Crash test dummy[EB/OL]．http：//www．cs．mcgill．ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/c/Crash_test_dummy．htm， 2016-05-15．

[4] 假人|汽车碰撞试验用假人的生产销售-Jasti Co．，Ltd[EB/OL]．http：//www．jasti．co．jp/cn/product/dummy．html #hybrid-III50th， 2016-05-15．

[5] History of Crash Test Dummies | Humanetics ATD[EB/OL]．http：//www．humaneticsatd．com/about-us/dummy -history， 2016-05-15．

[6] Advisory Group for Aerospace Research and Development (AGARD)． Advisory Report 330：Anthropomorphic Dummies for Crash and Escape System Testing[R]． Canada Communication Group， 1996．

[7] Euro NCAP．Assessment Protocol，Child Occupant Protection，Version 5．2[R]．Brussels： Euro NCAP， 2010．

[8] Insurance Institute for Highway Safety．Safety Belt Use During Pregnancy Urged[J]．The Highway Loss Reduction Status Report，1972，7 (16)：2．

[9] Test-dummies[EB/OL]．http：//www．test-dummies．com/， 2016-05-17．

[10] Thorpe Park： The Swarm ride test run sees dummies return with limbs snapped off | Daily Mail Online[EB/OL]．http：//www．dailymail．co．uk/news/article-2091480/ Thorpe-Park-The-Swarm-ride-test-run-sees-dummiesreturn-limbs-snapped-off．html， 2016-05-17．

[11] GMH Engineering Service[EB/OL]． http：//www．gmheng．com/service_coaster．php， 2016-05-17．

[12] First Technology．European Frontal Regulation Instrumentation[R]．2008．

Application Prospect of Test Dummy in the Amusement Rides’ Inspection

Chen Weiwei Tian Bo
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

As the traditional test methods of amusement ride cannot get the reaction force, acceleration and extrusion deformation of passengers, the pre-research on application prospect of test dummies in amusement rides' inspection was carried out in this paper. The development process and application status of test dummy were studied, and we pointed out the problems which were existed in the traditional test dummy and forecasted the application of test dummy in amusement rides’ inspection. Finally, several suggestions of amusement rides’ test dummy development were summarized.

Dummy Amusement ride Biomechanical

X924

B

1673-257X(2017)01-0006-06

10．3969/j．issn．1673-257X．2017．01．001

本文由国家重点研发计划项目“游乐园和景区载人设备全生命周期检测监测与完整性评价技术研究”（2016YFF0203100），课题2“典型游乐设施虚拟仿真、质量预测和虚拟体验技术研究与系统开发”（2016YFF0203102）和中国特检院博士科研基金“高大游乐设施的振动测试与数值模拟研究”（BSJJ-2015-09）资助]

陈卫卫(1982～)，男，博士，工程师，从事游乐设施检验检测新技术开发研究工作。

2016-11-11）