数字仿真假人在游乐设施行业中的应用前景

2018-02-28徐永生邓贵德

中国特种设备安全 2018年1期

徐永生邓贵德张勇

（中国特种设备检测研究院北京 100029）

近几年，随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的大幅提高，大量游乐园、主题公园及个人经营的游乐设施正以每年超20%的增长速度迅猛增加[1]。同时，虽然我国的游乐设施行业在改革开放以来有了长足发展，但整体水平还比较低，时有游乐设施的安全事故发生，社会反响非常强烈。2017年2月3日，一名女子在重庆市丰都县的朝华公园内乘坐名称为“遨游太空”的大型游乐设施时发生事故被甩出，随后被送往医院，经抢救无效身亡。2017年2月11日，一名女性市民在河北邢台市的一个公园游乐中心，在乘坐过山车项目“疯狂老鼠”时发生意外，游客突然与座位脱离，从高空摔下，伤者全身多处骨折，包括头部颅骨、颈椎、胸椎、肋骨等，颅骨内有出血现象，肺部挫伤。

一方面，游乐设施乘员伤亡事故每年都有发生，另一方面，为了迎合乘客追求新奇刺激的消费心理，游乐设施向着更高、更快及更强刺激感的方向发展，运动形式也越来越多样、复杂、新颖，使得游乐设施的乘员安全性日益成为公众和政府关注的重点。在传统的游乐设施设计过程中，无法预知游乐设施运行过程中乘客头部、颈部、腰椎等关键部位的速度、加速度及受力情况，也无法预知小百分位尺寸乘客是否能够被乘员约束系统进行有效约束而不被甩出。因此，把广泛应用于汽车领域和航空航天领域的数字仿真假人引入到游乐设施行业，有望提高游乐设施产品的设计质量，缩短开发周期，进一步保障游乐设施的乘员人身安全。

仿真假人是依据生物力学研究结果构建的，它具有包括尺寸、形状、刚度、质量、能量吸收方式等真人的身体特性。仿真假人的力学响应包括受力后的运动加速度、速度、位移等，与真人的运动自由度和方式相同，能够模拟真人的运动特征。仿真假人分为试验测试假人及数字仿真假人。试验测试假人是在假人身上装有各种用来测量假人速度、加速度、变形及受力的传感器，通过这些传感器的测量数据来分析评判游乐设施的性能。数字仿真假人是对试验测试假人的数字化，可以在产品设计的初期，利用数值模拟评估产品设计是否合理，能否保障乘员安全。

目前，试验测试假人广泛应用在汽车碰撞实验，在高危的载人航空航天动态性能实验及高速列车碰撞实验中也有成熟应用。在游乐设施行业，陈卫卫等人[2]针对实体测试假人在游乐设施检测中的应用前景做了阐述，中国质量报也于2017年11月6日在第3版面刊登了题目为“中国特检院首次在国内开展游乐设施实体假人测试”的文章[3]。但在游乐设施行业还未见有关于数字仿真假人的相关报道。本文将从国外仿真假人发展历程，国内仿真假人研究进展，游乐设施行业乘员安全评估现状，数字仿真假人开发需求及在游乐设施行业的应用前景等方面展开阐述。

1 国外仿真假人发展历程

仿真假人起源于美国。1949年，Sierra工程公司研制出了第一个用来代替飞行员评估弹射座椅的试验用模拟假人——“Sierra Sam”[4]，虽然该假人与真人有着巨大的差异，仅能测试头部加速度响应，但这个假人给人们带来了一种全新的思路，具有里程碑的意义。1950年，军用的仿真假人被用来模拟碰撞试验，从而使得仿真假人在民用方面逐渐得到推广。1960年，由于美国汽车乘员的安全防护问题逐渐受到重视，汽车行业的碰撞试验仿真假人逐渐成为研究的重点。安德森研究所研制了针对汽车碰撞对人体损伤特点的汽车碰撞试验假人VIP[5]。

1971年通用汽车公司开发了Hybrid Ⅰ仿真假人。相比之前的假人，Hybrid Ⅰ仿真假人在头、脖子以及关节的设计上与真人更加的接近，并且该假人装载了更多数量的传感器[6]。通用汽车公司于1973年接着推出了Hybrid Ⅱ仿真假人。Hybrid Ⅱ仿真假人在Hybrid Ⅰ仿真假人的基础上，对肋骨、脊柱和外形等多个部位进行了改进，且形成了包括不同百分位、不同性别、不同年龄的一系列仿真假人[7]。1976年，美国道路交通安全局和通用汽车公司联合推出改进了假人脖子和胸腔等部位的Hybrid Ⅲ假人，该假人装有更多的传感器以便采集更多的人体损伤数据，有了更好的生物逼真度[8]。Hybrid Ⅲ假人的头部是铸铝结构，皮肤是乙烯树脂，腰椎是天然橡胶柱体，肋骨是含有聚合物基阻尼材料的弹簧钢，各关节是具有摩擦力的活动铰，其中膝关节的特殊设计可以模拟韧带损伤。

2003年美国成功研制出了新一代假人THOR，其内部设计了复杂的肋骨、脊柱以及先进的合成肌肉[9]。该假人身上布置了许多的传感器，用来测试假人各关键部位的力学响应数据，还能够利用现代传感技术，定量地测试出人体关键部位受到的冲击力的大小。

20世纪90年代，欧共体的多国政府联合开发了侧面碰撞假人EU ROSID。但西欧国家在汽车检验行业，占据主要市场的始终是美国动态仿真假人。在航空航天行业，也基本上都采用的是美国制造的假人。

日本本田公司分别在1998年和2000年开发了第1代仿真假人POLAR-Ⅰ和第2代仿真假人POLA R-Ⅱ。该假人对人体各个关节做了改进，可以测量头部、颈部、胸部等全身8个关键部位的力学响应。在2008年，本田公司继续推出了仿真假人POLA R-Ⅲ，进一步提高了人体特征的仿真度。POLA R-Ⅲ主要增强了身体下半部位的仿真，大腿、小腿、膝部及腰等部位拥有了更高仿真度，可以更准确的模拟人体的力学响应[10]。

虽然仿真假人一直在发展改进，但Hybrid Ⅲ 50百分位假人是目前世界范围内应用最为广泛的正面碰撞假人，美国在联邦法规中规定了仿真假人的标准，并在联邦机动车安全法规中把Hybrid Ⅲ 50百分位仿真假人认定为汽车碰撞试验中评定乘员安全性能的标准装置[11-12]。并且，欧洲、日本等发达国家在正面碰撞法规中也把Hybrid Ⅲ 50百分位假人作为规定使用的碰撞假人。

试验测试假人能够通过真实试验模拟人体受到的损伤，试验结果直观，试验程序相对成熟。但是试验测试假人每次试验都会对试验假人造成一定程度的损伤，因此每次试验后往往需要进行维修和重新标定。而数字仿真假人是一种虚拟的仿真假人模型，通过更改参数可以较准确的模拟人体组织的材料特性，同时在进行虚拟仿真实验时也不受试验时间、试验条件和时间次数的限制，重复实验的经济成本和时间耗费均比较低，不但可以大大缩短产品开发的周期，降低产品开发的成本，而且可以帮助汽车新产品提高碰撞性能，从而在碰撞试验中拿到比较高的分数。

数字仿真假人目前应用的最为广泛的是汽车领域，汽车整车碰撞的有限元仿真技术已成为汽车产品设计开发过程中一个必不可少的工具。美国FTSS公司及德国DYNA more公司都建立了HybridⅢ假人的有限元模型，并在各大汽车公司中有着广泛的应用[13]。

2 国内仿真假人研究进展

我国仿真假人起步较晚，发展也相对缓慢，主要集中在航空航天和汽车这两个领域。

2.1 航空航天领域

我国的试验仿真假人的研制起始于20世纪70年代，当时的主要目的是试验测试飞行器的弹射座椅性能，这也是我国研发的第一代试验仿真假人。该假人的尺寸及重量参数是依据当时飞行员的第5、50和95百分位人体形状尺寸测量得到的，该假人内部没有设置传感器，只能够测量胸腔位置的三向加速度及角速度，仿真能力有限。

1996年，我国研发了以宇航员为原型的试验仿真假人，身高为168mm，体重为60kg。该假人仿真了包括大腿和小腿、大腿和躯干、小腿和脚之间夹角等主要外形尺寸。该假人是以不锈钢管为骨架，以固化硅橡胶内衬聚氨脂泡沫为肌肉组合构成。由于该假人主要是用来设计与评价航天服，因此体内无传感器，无法用于载荷试验的强度分析和评价。

2006年，空军航空医学研究所柳松杨团队研发了动态仿真假人，该假人也是依据飞行员人体尺寸设计的，分第3、50和97百分位三个外形尺寸。且假人内部安装有载荷、加速度、角速度、角位移和温度等多种传感器，且传感器是作为骨架的一部分嵌入到骨架中。该假人具有独立的骨架系统，高仿真了颈椎和腰椎，骨盆结构具有坐/立两种形态，四肢关节活动范围与人体一致。该假人的响应数据收集采用的是双套体内固态记录器，可实时记录体内信号。该动态仿真假人是为了配合我军相关重点型号研发的，目前已在空军和海军的多个重点型号的研发中起到了重要的作用[14]。

2.2 汽车行业

仿真假人在我国汽车行业的应用起步较晚，我国的正面碰撞法规《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》自2000年4月1日起开始实施，该法规的适用范围为新生产的总质量小于或者等于2500kg的M1类车。并于2002年7月1日，该法规适用范围扩展到所有M1类车。该法规规定的仿真假人类型为Hybrid Ⅲ 50百分位假人。

碰撞测试是检验汽车安全的重要举措。从20世纪70年代开始，美国、欧洲等汽车发达国家和地区，由相关权威机构按照比国家强制标准更严格和更全面的要求，对新开发的车型进行碰撞安全性能测试，评价结果按星级划分，这一测试叫作新车评价规程，英文为New Car Assessment Program (NCAP)。为了提高中国汽车安全技术、促进自主品牌汽车加快提高安全水平，在充分借鉴其他国家NCAP的基础上，中国汽车技术研究中心于2006年创立了C-NCAP，即中国新车评价规程，从此中国有了自己的NCAP评价体系。图1为装载有试验测试假人的汽车碰撞试验[15]。

图1 汽车碰撞试验

各大汽车厂商为了顺利通过碰撞试验并且在试验中拿下五星评价，纷纷引入数字仿真假人。工程师通过对数字仿真假人及汽车约束系统的虚拟碰撞仿真分析，能够在新车型的开发设计阶段获得汽车乘员的安全性能数据，进而依据这些数据优化改进汽车结构，为在碰撞试验中顺利拿下五星评价提供技术保障。数字仿真假人及其约束系统如图2所示。

图2 数字仿真假人及其约束系统

目前，国内各大汽车厂商的仿真假人均采用的是以美国人为原型的Hybrid Ⅲ 50百分位假人。2003年郝霆等人通过对比分析国内外相关正面碰撞试验的标准法规及Hybrid Ⅲ 50百分位假人与中国人体和假人主要尺寸，提出Hybrid Ⅲ假人不符合中国人体型，此问题将导致试验结果评价偏高，我国应研制以中国50百分位人体为基准的仿真假人[16]。2008年陈爽等人基于人体力学和有限元分析法，根据中国人体尺寸，研制了中国95百分位仿真碰撞假人[17]。由于中国的95百分位人体形状尺寸和美国50百分位人体形状尺寸比较接近，所以可以根据美国Hybrid Ⅲ 50百分位假人开发中国95百分位假人，因此相对于开发中国50百分位人体假人，此95百分位人体假人的开发难度要小很多。

2008年白中浩等人结合中国人体尺寸参数，依据国外Hybrid Ⅲ 50百分位多刚体标准假人模型，应用MADYMO软件，通过缩放方法建立了中国50百分位人体尺寸多刚体假人模型，并进行了以某款量产车为基础的正面碰撞仿真研究。结果表明，中国成年男性50百分位假人模型的头部和颈部这两个关键部位的损伤数据与Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型的相应数据明显要大[18]。

2012年黄新刚基于Hybrid Ⅲ 50百分位标准数字仿真假人模型，分别采取全体段缩放和部分体段缩放两种方法构建了中国50百分位尺寸数字仿真假人模型，如图3所示，并进行了正面碰撞数值模拟研究[19]。结果表明，在同样的工况条件下，通过全体段缩放得到的中国50百分位仿真假人和Hybrid Ⅲ 50百分位假人在力学响应上存在显著的差异，而部分体段缩放和全体段缩放得到的中国50百分位假人的响应差异不大，在可接受的范围内，且响应随约束系统改变的变化趋势也基本一致。

图3 全体段缩放模型（左）和部分体段缩放模型（右）

3 游乐设施行业乘员安全评估现状

目前，针对游乐设施乘员安全问题，国内外的标准规范中，均采用的是G加速度的安全评价标准。同样是针对G加速度的安全评定，美国标准与欧盟标准的判断方法又有一定的差异[20]。在数据处理的要求方面，美国标准要求采用5Hz的低通滤波器对采集到的加速度数据进行滤波，欧盟标准则要求采用10Hz的低通高频滤波器进行滤波，显然，欧盟标准对低通滤波器的要求更加的严格。在G加速度的方向选择方面，美国标准规定了X、Y、Z三个方向加速度的要求，而欧盟标准仅规定了Y、Z两个方向的加速度要求，X方向是乘员的运行方向，主要依靠惯性运动，乘员所受的X方向G加速度相比乘员的可承受力要小得多，所以欧盟标准中没有对X方向进行要求亦有其道理。在加速度合成判定安全性方面，欧盟标准给出了持续时间分别为0.05s、0.10s及大于等于0.20s时加速度的安全允许值及安全合成范围，而美国标准仅给出了持续时间大于等于0.20s时的安全允许值及安全的合成范围。

我国游乐设施行业针对乘员安全的标准起草的相对较晚，且主要参考的是欧盟G加速度安全评定标准，最终于2008年颁布了GB 8408—2008《游乐设施安全规范》[21]，增加了对加速度的要求。此标准，结合我国的实际情况，强调了加速度允许值的持续时间及大小，并给出了相应的坐标图作为参考。标准中规定“计算或者测量加速度的参考点一般应在座席上方600mm处”，且规定“冲击加速度为持续时间小于等于0.1s的加速度，稳态加速度为持续时间大于0.1s的加速度”。

根据GB 8408—2008标准要求，游乐设施在设计阶段进行虚拟仿真计算时，仿真分析工程师往往把乘员作为一个质量点或质量块，在运动学仿真结束后，提取座椅上方600mm处的加速度即可。此种做法满足现阶段的标准要求，但是不能对乘员的各个部位实际受力状态进行准确描述，从而得不到乘员关键部位真实的力学响应，进而不能有效地对游乐设施乘员及乘员约束系统进行安全性和可靠性评估。

4 游乐设施数字仿真假人开发需求

目前，通过查阅国内外文献，尚未发现有适用于游乐设施行业的数字仿真假人的相关报道。目前，已经写入国内外汽车行业法规的Hybrid Ⅲ 50百分位假人是基于欧美人体统计学参数设计和开发出来的，50百分位代表了人体统计学里的中等体型参数，其对应的身高是177cm，体重是77.7kg。但是，我国50百分位男性的身高是167.8cm，体重为59kg，相比Hybrid Ⅲ 50百分位假人有较大的差异。基于人机工程学，人体各关键部位的重心、转动惯量、旋转半径等参数和人的身高、体重关联密切。并且，不同于汽车行业的安全带约束方式，游乐设施乘员束缚装置有安全带、安全压杠、档杆等多种约束形式。因此，基于欧美尺寸开发的Hybrid Ⅲ 50百分位数字仿真假人不能直接应用在我国的游乐设施行业。为了有效地对游乐设施乘员及乘员约束系统进行安全性和可靠性评价，一方面需要开发适合中国人体尺寸和人体特征的数字仿真假人；另一方面需要针对游乐设施的运行方式及乘员安全束缚装置的特点，开发适用于中国游乐设施行业的数字仿真假人。

开发中国50百分位数字仿真假人可以参照Hybrid假人家族开发工作小组提出的全体段缩放方法。Hybrid Ⅲ 5百分位女性假人和Hybrid Ⅲ 95百分位男性假人均是基于Hybrid Ⅲ 50百分位假人利用全体段的缩放方法开发出来的，这些数字仿真假人已广泛应用在汽车行业中。开发中国50百分位数字仿真假人也可以采用湖南大学曹立波科研团队提出的部分体段缩放法。这种方法仅对四肢、肋骨、腰椎等对假人碰撞响应有重大影响的零部件进行了缩放，对其他的一些简单部件只作了简单调整，从而避免了对盆骨、肩部、头颈等许多的复杂部件进行改动，相对于全体段缩放法极大地节约了开发的成本。

游乐设施按照运动形式可分为转马类、滑行车类、陀螺类、飞行塔类、赛车类、碰碰车类等十五大类，其乘员安全束缚装置也有安全带、安全压杠、档杆等多种约束方式。在开发游乐设施数字仿真假人时应针对游乐设施的运行方式及乘员束缚装置，选择合适的部件连接方式。同时，需要建立适用于游乐设施行业的系列数字仿真假人，一方面为了验证游乐设施的适用人群；另一方面可以有效地评估游乐设施乘员约束系统的安全性和可靠性。

数字仿真假人可以应用于游乐设施的设计、安装、改造、检验等各个阶段，尤其是在产品还未定型的设计研发阶段，利用数字虚拟仿真技术不但可以有效地评估游乐设施的性能及乘员约束装置的安全性，而且可以优化产品设计，缩短产品的开发周期，降低产品的开发成本。数字仿真假人由于是在虚拟的环境中进行试验，它不受试验条件、时间等的限制，费用低，重复性好。但数字仿真假人的开发必须基于试验测试假人，这样数字仿真假人才会有真实的数据基础。同时试验测试假人可以为数字仿真假人提供一定程度的验证服务。

5 游乐设施数字仿真假人应用前景

由于游乐设施具有多变向、高变速、强刺激等特点，游乐设施的乘员安全逐渐成为普通大众和政府关注的重点。把数字仿真假人成功的应用在游乐设施行业，一方面可以较精确的评估游乐设施新产品的质量，消除安全隐患，减少安全事故的发生，产生良好的社会效益；另一方面将研制的数字仿真假人提供给游乐设施设计单位，使得游乐设施在设计初期，就可以模拟人体的运行状态，得到游乐设施运行时乘客头部、颈部、腰椎等关键部位的速度、加速度及受力情况，得到游乐设施乘员约束系统对不同百分位人群的束缚状态，使得设计人员根据这些人体响应数据在设计阶段就可以逐步优化产品结构，这样不但可以提高我国游乐设施产品品质，而且可以缩短产品开发周期，降低产品开发成本。此外，数字仿真假人的研究成果还可以为规范标准的制修订提供技术支撑。

[1] 宋伟科，林伟明，郭俊杰. 大型游乐设施典型案例[M].上海：同济大学出版社，2015．

[2] 陈卫卫，田博．实体测试假人在游乐设施检测中的应用前景[J]．中国特种设备安全，2017，33 (01) ：6-11.

[3] 王成竹，孙圆. http://epaper.cqn.com.cn/images/2017-11/06/03/ZLB03B20171106C.pdf. 中国质量报.

[4] 孙立清，王望予，林逸，等．国外汽车碰撞中人体损伤及人体模拟研究概述[J]．中国公路学报，1995，8(0l)： 58-62.

[5] 柳松杨，吴铨．仿真假人研究的发展与展望[J]．医用生物力学，2014，29(05)：475-480.

[6] 刘栋，林大全，郭祚达．汽车安全现状与智能化仿真假人[J]．中国测试技术，2003，29(06)：33-35.

[7] 秦永刚，李艳松．新一代智能化假人[J]．安全技术，1998(05)：17-18.

[8] Martin Heinz. An Advanced 50th Percentile Hybrid III Dummy Database validation. SAE Paper, No.910658,1991.

[9] News Line 2003 Fall Edition. http://www.tfss.con /newsline.emf, 2003.

[10] 国内进行首次行人碰撞试验，专访本田技术专家[EB/OL]. http://auto.ifeng.com/news/domesticindustry/20090823/88215. shtml.

[11] History of Crash Test Dummies. http://www.ftss.com, 2006-07-30.

[12] Robert A, Denton. History of Anthropomorphic Test Devices, 2008, 18(3): 190-193.