轿车 自行车事故中骑车人头部损伤的影响因素研究∗

胡 林，程启寅，黄 晶，陈 强，张 新

(1.长沙理工大学汽车与机械工程学院，长沙 410114；

2.长沙理工大学，工程车辆安全性设计与可靠性技术湖南省重点实验室，长沙 410114；

3.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 4.中国汽车技术研究中心，天津 300162)

前言

我国的自行车保有量位居世界第一，总量超过4亿辆[1]，是名副其实的“自行车大国”，而且在最近几年时间里，共享单车行业的快速发展再次极大地提升了自行车的使用人数。据调查，在使用过共享单车的人群中，有超过80%的人每周使用共享单车超过3次。在许多城市中，近半数人会优先选择共享单车作为“最后一公里”的交通工具[2]。但在过去的8年里，汽车-自行车事故中的骑车人死亡率对比往年不但没有降低，反而在近几年呈现上升趋势。与其它二轮车(摩托车、电动车、电动自行车等)事故相比，自行车骑车人在交通事故中的死亡率是最高的。根据中华人民共和国道路交通事故统计年报数据，从2008年至今，自行车骑乘人员在交通事故中的死亡率一直在20%左右浮动。另一方面，自行车骑车人在交通事故中受到伤害的比例也一直保持在80%以上，这一比例从2008年的81.54%到2015年的80.12%[3]，改善甚微。据研究，事故中骑车人头部的损伤风险是最高的[4]，且80%道路使用者的致命损伤为头部损伤[5]。因此，通过研究自行车骑车人在交通事故中的动力学响应和损伤机理，将有助于降低弱势道路使用者在交通事故中的伤亡风险，具有重要意义。

目前，国内外学者针对汽车-自行车事故完成了大量相关研究，且对骑车人的人体损伤进行深入分析。Stipancic[6]采用logit模型评价汽车-自行车事故的严重性，并评估不同因素，包括性别、车道和路口等风险因素的影响。Klassen[7]对道路设计、汽车驾驶员年龄、骑车人性别和年龄、时间、环境等因素建立了风险模型。文献[4]中通过24例汽车-自行车事故给出与车速相关的AIS2+，AIS3+头部损伤风险曲线和下肢骨折风险曲线。文献[8]中基于CIDAS数据库细分了自行车骑车人头部在车辆前部的碰撞区域分布，并研究了车速与损伤程度的关系。文献[9]中针对不同车型的前部结构进行研究，指出骑车人头部损伤与前部机构有关。文献[10]和文献[11]中通过建立骑车人身体各部位的有限元模型对损伤情况进行分析。文献[12]和文献[13]中基于汽车-电动自行车实际案例，将车型、碰撞类型、碰撞重叠率等作为研究对象，对骑车人头部损伤进行研究。文献[14]中基于骑车人的头部接触时间、撞击点、绕转距离、相对速度和碰撞角度进行研究。文献[15]～文献[17]中基于正交实验和逻辑回归对汽车-两轮车碰撞事故再现的参数影响进行研究。文献[18]～文献[21]中对比行人和骑车人在事故中的碰撞参数和损伤程度，并进一步探究了骑车人身体各部位损伤情况或骨折风险。文献[22]中探究自行车和摩托车骑车人在交通事故中头部碰撞响应的区别。尽管目前已有许多学者对自行车事故中的动力学响应和骑车人损伤进行研究，但从骑车人骑行姿态的角度做进一步分析的研究并不多见，因此本文中拟在通过仿真和实际案例来说明骑车人的骑行姿态对骑车人运动和损伤的影响。

本文中基于PC-Crash软件对轿车-自行车事故进行碰撞仿真，对轿车-自行车事故实际案例进行重建。深入研究骑车人的头部碰撞条件和损伤情况。其研究结果可为制定自行车骑车人的保护措施和法律法规提供参考，同时指导自行车的设计与生产，并从骑车人姿态的角度指导人们选购相应的自行车规格和型号。

1 模型建立与验证

1.1 多刚体建模基本理论

PC-Crash软件基于kudlich Slibar模型进行碰撞仿真，能够进行多刚体动力学计算。PC-Crash可以通过多组模型，准确、有效地对事故过程进行重建和复现。

为研究人体各部位在碰撞过程中的运动状态和生物力学数值，通常把人体作为一个由有限刚体铰接组成的多刚体系统进行研究。在多刚体系统中，刚体的运动方程可由牛顿-欧拉方程得到，系统内某一刚体i的力和力矩方程为

通过虚功原理，可得到无阻尼的多刚体系统运动方程为

式中:ri，ω0分别为刚体i的位移和初始角速度。

通过拉格朗日或矩阵变换方法对系统方程进行求解，即可得到系统内各刚体的动力学数值。

1.2 事故重建模型与参数设置

从CIDAS数据库调取事故信息，并结合PCCrash车辆数据库中的相应模型，建立一整套能够满足实际情况的事故仿真场景。其中，车辆为刚体模型，而自行车与骑车人为多刚体模型。多刚体模型中各个刚体之间的摩擦因数和接触刚度等参数采用PC-Crash默认值，而人-车-地面间接触面的摩擦因数如表1所示。

表1 人-车-地面间接触面的摩擦因数

1.3 统计方法

采用非线性回归方法对骑车人动力学响应参数与自行车座椅高度之间的相关性进行描述，参数之间的关系采用二次多项式函数回归模型表达:

式中的系数a，b，c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∈[0.9，1]时，两参数显著相关；R2∈[0.6，0.9]时，两者相关性较强。

在逻辑回归分析的基础上，分析了骑车人头部和下肢损伤风险与车辆碰撞速度之间的关系。风险模型p(v)为

式中v为车辆碰撞速度；系数α和β采用极大似然估计法计算。本文设置检验值p的显著水平为0.05。当p＜0.05时，认为车辆碰撞速度与损伤风险显著相关。

1.4 头部损伤评价指标

头部损伤评价指标HIC定义为

式中:a(t)为头部质心合成加速度；t2-t1表示HIC达到最大值时的时间间隔，在实际应用中最大时间间隔取15ms。

1.5 仿真可靠性验证

图1 自行车、骑车人抛距及最终位置

如图1所示，轿车沿道路由北往南行驶至斑马线，由于行驶速度过高且视线较差，轿车驾驶员未能及时采取避让措施，导致车辆前部与在斑马线上由西往东行驶的自行车的右部相撞，造成33岁骑车人受伤和两车受损的事故。交通事故发生于水泥路面，事故发生时正下小雨，路面平坦但湿滑，确定事发时轿车与自行车的碰撞车速为44km/h。汽车尺寸和质量等参数见表2；骑车人身高和体质量见表3。

表2 汽车模型主要参数

表3 骑车人模型主要参数

骑车人头部和躯干与轿车风窗玻璃碰撞，导致玻璃破损；自行车与轿车左前部碰撞，导致轿车左前部破损，如图2所示。自行车和骑车人抛距见表4。

图2 事故痕迹与仿真情况比对

表4 自行车和骑车人抛距与仿真误差

以上误差均低于5%，可认为该仿真模型能与实际情况很好吻合。

2 仿真结果与分析

2.1 仿真方案

骑车人的骑行姿态取决于自行车的零部件尺寸和骑车人的体态特征，主要由自行车把手的高度、座椅的高度、把手与座椅的间距和骑车人身高等参数决定。根据背角α(见图3)的大小，定义4组骑行姿态，分别为 0°-5°，5°-12°，12°-20°和＞20°组，并进行仿真。

图3 骑车人背角α

2.2 骑车人动态响应过程

图4 为骑车人侧面受到轿车不同车速撞击后1s内的运动形态示意图。从图 4可见，当车速为20km/h时，50百分位男性骑车人与轿车的主要接触点为下肢，骑车人头部与轿车发动机盖发生轻微碰撞；当车速为30km/h时，骑车人头部与轿车的接触点已由轿车发动机盖上移至风窗玻璃下边缘；当车速为40km/h时，骑车人头部与轿车风窗玻璃的中部接触，四肢在空中小幅摆动；当车速为50km/h时，骑车人头部直冲风窗玻璃，四肢大幅度摆动；当车速为60km/h时，骑车人头部将撞击风窗玻璃上边缘，四肢的摆动和翻滚更加剧烈，相同时间内碰撞距离更远。

图4 骑车人碰撞后1s内的运动形态

2.3 骑车人头部损伤分析

人体损伤主要来自于车辆撞击和地面冲击，HIC值将考虑与车辆撞击导致的HIC值和地面冲击造成的HIC值，并取两者中的较大值。

通过仿真，使50百分位男性假人以10km/h的速度骑行，并将在骑行过程中分别受到车速为20，30，40，50和60km/h车辆的碰撞；而根据车身前部碰撞位置的不同，还可大致分为左侧碰撞、中部碰撞和右侧碰撞3种情况，如图5所示。

图5 碰撞位置示意图

图6 HIC值与碰撞车速的关系

HIC值对比如图6所示。图中4条曲线分别代表 4 个骑车人背角分组:0°-5°组、5°-12°组、12°-20°组和＞20°组。 由图可知，无论是在 30，40还是50km/h的车速冲击下，HIC总是随着背角的增大而减小；而在较低车速20km/h时，＞20°组的HIC值也小于其它3种背角情况。

需要指出的是，在左侧碰撞中，轿车车速为20和30km/h时骑车人头部并未与车辆接触，因此其HIC值来自于地面冲击；在这种情况下，由于轿车车速与骑车人骑行速度相差不大，使HIC值更加显著地受到骑行速度的影响。

4种不同背角的头部质心位移的仿真结果如图7所示。由图可见:在骑车人背角为5°-12°时，其头部与车辆接触后的弹起瞬间，出现了头部加速度峰值；在骑车人头部从弹起到最高点再到与地面接触的过程中，＞20°背角的头部位移曲线最为平缓；而在0°-5°背角下的骑车人则明显受到了更为强烈的地面冲击，其头部在与地面接触后再次弹起约0.7m。

图7 头部质心位移曲线

3 实际案例重建结果与分析

3.1 案例特征

从中国交通事故深入研究(CIDAS)数据库选出79例轿车-自行车碰撞事故。事故选取标准:(1)事故时间为2012-2017年；(2)事故为轿车与自行车相撞；(3)自行车骑车人为成年人，身高大于1.5m；(4)可测得关键参数的自行车；(5)轿车碰撞速度位于10～80km/h之间；(6)骑车人未戴头盔。4组不同背角的事故数量见表5。

表5 4组不同背角的事故数量

3.2 头部绕转距离

分别对背角为 0°-5°，5°-12°，12°-20°和＞20°4组的绕转距离(WAD)与碰撞速度的关系进行拟合，结果如图8所示。由图可见:对于每个背角分组，WAD都随碰撞速度升高而增大；而车速一定时，WAD 随着背角的增大而减小。 0°-5°，5°-12°，12°-20°和＞20°组的拟合函数决定系数 R2分别为0.859 9，0.908 8，0.881 3 和 0.932 2。

图8 WAD与碰撞速度的关系

3.3 头部碰撞速度

分别对 0°-5°，5°-12°，12°-20°和＞20°4 组的头部碰撞速度与车速的关系进行拟合，结果如图9所示。从图中可以看出，头部碰撞速度随着车速的升高而增大。骑车人头部碰撞速度与车速比值最低的是＞20°组，介于 0.869～1.219之间；同时，车速与头部碰撞速度的均值最低的也为＞20°组，均值为38.95km/h。

图9 头部碰撞速度与车速关系的拟合曲线

4个分组的拟合函数决定系数R2和骑车人头部碰撞速度与车速比值范围如表6所示，各组车速与头部碰撞速度的均值如表7所示。

表6 决定系数R2和骑车人头部碰撞速度与车速比值范围

表7 车速与头部碰撞速度的均值

3.4 头部损伤分析

4个分组的骑车人HIC值与车速的关系如图10所示。重建结果显示，虽然HIC值在不同的碰撞速度下存在一些波动，但4组拟合曲线的整体趋势是随着车速的增大而增大。＞20°组的HIC值几乎在各个车速下都低于其它3个分组，说明背角大于20°时骑车人头部损伤风险最低。而背角为12°-20°时也具有相对较低的头部损伤风险，其安全性仅次于＞20°组。 当车速超过 60km/h时，5°-12°组的 HIC将远超过其它分组，成为风险最高的分组。

图10 4组HIC值与车速关系的拟合函数

各个分组的骑车人HIC值达到1 000时所对应的车速见表8。

表8 各分组HIC值达到1 000时的对应车速

3.5 损伤风险分析

根据79例轿车-自行车事故重建结果可知，骑车人头部损伤为AIS 0～2或AIS3+损伤时，车速的累积分布及其线性拟合分别如图11和图12所示。从图中可以看出，0°-5°，5°-12°和 12°-20°组的 AIS 0～2风险相差不大，而在骑车人背角大于20°的情况下，头部损伤达到AIS 0～2风险低于其它的背角情况。 同样，AIS 3+风险最低的也是＞20°组，而 5°-12°组成为AIS3+风险最高的分组。

图11 头部损伤为AIS 0～2的车速频率累积分布

图12 头部损伤为AIS 3+的车速频率累积分布

骑车人头部AIS 0～2和AIS 3+损伤的累积频率达50%时所对应的车速见表9。

表9 骑车人头部损伤为AIS 0～2和AIS 3+的累积频率达50%时所对应的车速

4个背角分组的AIS 3+风险曲线如图13所示。 其中，0°-5°组在车速 30～60km/h的风险增长最快，而其它分组则是在车速40～70km/h时增长最快。

图13 骑车人头部损伤AIS 3+风险与车速的关系

0°-5°，5°-12°，12°-20°和＞20°组的头部 AIS 3+风险为50%时所对应的车辆碰撞速度分别为48.8，50.1，54.4 和 63.3km/h。

4 讨论

骑车人在与轿车发生左侧碰撞时，自行车运动速度与轿车车速相差不多的情况下，在碰撞后由于骑车人自身惯性，其头部与轿车前部的接触较为轻微，甚至未发生接触，因此主要损伤原因是来自于头部与地面的冲击。中部碰撞的头部损伤情况在整体上要高于左侧碰撞和右侧碰撞。这是因为在中部碰撞中，骑车人头部碰撞点更接近轿车A柱区域，而该区域为导致严重损伤的高风险区域。但无论碰撞位置如何，在骑车人头部与轿车直接碰撞的情况下，骑车人背角对其头部损伤的影响是非常显著的。当背角大于20°时，骑车人头部损伤相对于其它背角情况总是最轻微的。另外，若骑车人背角越大，其碰撞瞬间的头部高度也就越低，事故中撞击风窗玻璃上边缘的风险也就越小。

通过对CIDAS数据库中79例轿车-自行车事故进行重建分析可知如下结果。

WAD与轿车车速和骑车人背角相关。当车速越大，骑车人在发动机罩上滑动距离就越长，因而WAD就越大；而背角越大，骑车人头部在车辆前部的碰撞点就越靠前，WAD则越小。

骑车人头部碰撞速度同时受到轿车车速和背角的影响。显然，轿车车速越大，骑车人头部碰撞速度与车速比值的平均值就越大。对比不同背角分组的头部碰撞速度可以发现，骑车人头部碰撞速度与车速比值最低的为＞20°组，介于0.869～1.219之间；而这一比值范围的上限值最大的为5°-12°组，其范围介于1.060～1.444之间。

通过头部损伤分析可以发现，在背角大于20°时，骑车人HIC值曲线位于其它3条曲线之下，说明背角超过20°时骑车人头部损伤AIS等级超过3级的风险会进一步降低。而背角为12°-20°时，依然具有相对较低的头部损伤风险，其安全性仅次于＞20°组。 当车速超过 60km/h 时，5°-12°组的 HIC将远超过其它分组，成为风险最高的分组，该组骑车人头部损伤等级AIS超过3级的风险也是最高的。

5 结论

在车速一定时，随着背角的减小也将导致WAD逐渐增大。骑车人头部碰撞速度与车速比值最低的为背角＞20°组，介于0.869～1.219之间。自行车骑车人的骑行姿态将会在事故中影响骑车人的头部损伤情况。骑车人背角过小，会导致骑车人头部与汽车碰撞点上移至风窗玻璃上沿区域，从而增大头部受损风险。 0°-5°，5°-12°，12°-20°和＞20°组的头部AIS 3+风险为50%时所对应的车辆碰撞速度分别为48.8，50.1，54.4 和 63.3km/h，即背角较大时，骑车人的头部损伤风险较低。