汽车—摩托车碰撞事故中骑乘人员损伤差异对比研究*

邹铁方，王 冠，胡 林，武和全

（1.长沙理工大学汽车与机械工程学院，长沙 410114； 2.湖南省工程车辆安全性设计与可靠性技术重点实验室，长沙 410114；3.长安大学，汽车运输安全保障技术交通行业重点实验室，西安 710064）

前言

在道路交通事故中，两轮车（主要包括摩托车、电动车和自行车）的骑车人和后座乘员由于身体直接暴露在外，缺乏车身保护，成为损伤风险最高的群体之一。公安部道路交通管理局的数据显示，2017年我国共发生两轮车事故59 500起，导致67 573人受伤，14 594人死亡。其中摩托车事故为39 780起，伤亡人数分别为46 504和10 991，分别占两轮车事故总数的66.86%、68.82%和75.31%［1］。

为揭示事故机理，更好地保护两轮车骑乘人员，国内外相关学者就两轮车事故展开了广泛且深入的研究。在国外，OTTE［2］通过研究德国深度事故调查数据库（GIDAS）发现汽车与自行车碰撞事故中车速对骑车人损伤严重性具有很大影响；Maki等［3］通过对比分析日本汽车碰撞自行车和行人事故发现，自行车骑行者头部是否与汽车发生碰撞与自行车和汽车的初始位置、汽车前端的几何形状以及自行车的行驶速度等因素有关；Alexandro等［4］通过对英国205例汽车与行人、自行车的碰撞事故深入研究后发现，骑车人头部损伤是导致骑车人伤亡的最主要因素之一，且骑车人运动学响应和人体损伤受碰撞形态的影响较大；JOSHUA等［5］和 JEANA等［6］通过logit模型评价不同因素对骑车人的影响，并建立了分析模型，以此评价汽车与自行车碰撞事故的严重性。在我国，聂进等［7］通过自行车事故重建，分析了自行车骑行者的头部碰撞条件，并得到了骑行者关于车速的头部损伤风险曲线和下肢骨折风险曲线；邹铁方等［8］对比研究电动自行车骑车人和行人在事故中的损伤差异后发现，行人头部的损伤风险高于骑车人，而骑车人下肢损伤风险较行人更高；彭勇等［9］基于CIDAS数据库通过逻辑回归模型获得了行人和自行车骑行者关于车速的头部损伤风险曲线，并进一步分析了两者在交通事故中头部动力学响应和损伤机理；夏勇等［10］对比头部碰撞前的骑车人和行人的运动轨迹和速度后发现，碰撞中骑车人和行人的头部绕盆骨的相对运动几乎重合，在头部碰撞时刻，骑车人的头部速度小于行人；王兴华等［11］对比分析不同条件下摩托车和自行车骑车人的头部与小腿动力学响应后发现，不同车速和碰撞位置对两者头部和撞击侧小腿的动力学响应差异的影响较为显著。

如上所述，相关学者针对两轮车事故开展了大量研究，并取得丰硕成果，但摩托车事故在两轮车事故中占比很大，且载人现象非常普遍，甚至还衍生出了“摩的”这一职业，因此研究摩托车事故中骑乘人员损伤的差异具有重要价值。研究成果不仅可为骑乘人员损伤防护提供支持，还能为驾乘关系认定提供保障。邱金龙等［12］通过统计重庆地区涉及骑乘人员的摩托车事故后发现，摩托车骑车人的死亡率高于后座乘员且两者会阴部损伤有显著差异，并指出会阴部损伤差异可作为判断驾乘关系的依据。除此之外，已有研究成果中对骑乘人员损伤差异的探索尚不多，亟需更多研究。

为此，本研究基于事故再现中应用率极高的PC-Crash仿真软件，设计147组汽车碰撞载人摩托车的仿真试验，并对其结果进行统计分析，研究不同碰撞条件下骑车人和后座乘员头部、胸部与撞击侧下肢等主要部位损伤的差异。

1 试验方案

PC-Crash为奥地利DSD公司开发的软件，其可靠性和精度已在事故再现领域得到了广泛且充分的验证［13-15］，目前已成为我国应用率最高的事故再现软件之一。故本文中基于PC-Crash建立仿真平台以探索交通事故中骑乘人员的损伤差异。

1.1 汽车、摩托车与骑乘人员模型

本研究中，汽车、摩托车与骑乘人员模型均在PC-Crash中直接调入并根据真实数据进行修正，模型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［16］。与文献［17］类似，本文中主要考虑3类车型：轿车、SUV和微型厢式车。从PC-Crash中调入“VW-Passat”代表轿车、“BMW-X5”代表SUV和“VW-Multivan”代表微型厢式车。为增加所选车型在同类车型中的代表性，对其外形尺寸和车质量等参数进行适当调整，其中轿车的长宽高和车质量分别为4 933、1 836、1 469 mm和1 575 kg；SUV分别为4 712、1 839、1 673 mm和1 615 kg；微型厢式车分别为4 692、1 794、1 626 mm和1 500 kg；调入mot+driver+occupant 010910模型后根据事故中常见的普通跨骑摩托车对其尺寸参数和车质量进行调整，其中摩托车的长宽高和坐高分别设置为1 930、740、1 100和 780 mm，质量为126.5 kg；骑车人和后座乘员的身高和体质量均根据中国人体实际参数设置为 169 cm和 69 kg［18］。轿车、SUV、微型厢式车与摩托车— 骑乘人员模型三维视图见图1。

图1 汽车、摩托车与骑乘人员模型

1.2 仿真参数设计与碰撞形态

由于城市限速、交通拥堵且事发前大部分驾驶员都会采取制动措施［19］，汽车和两轮车在碰撞时的速度常处于中低速范围，故仿真中将车辆碰撞速度设置为 30、35、40、45、50、55和 60 km／h且车辆完全制动，摩托车的速度设置为15 km／h［20］。参照《典型交通事故形态车辆行驶速度技术鉴定》，将汽车与地面的摩擦因数设置为0.8，摩托车与地面的摩擦因数设为0.65，摩托车骑乘人员与地面的摩擦因数均为0.5，其余参数均保留PC-Crash默认值。据统计，前碰撞（即两车碰撞点为车辆前端）是两轮车事故中最为常见的碰撞类型［21］，而前碰撞又可根据汽车与两轮车的碰撞角度［22］（指汽车与两轮车行驶方向的夹角）分为正面碰撞、侧面直角碰撞、侧面斜角碰撞和追尾碰撞。因此，本研究将汽车与摩托车的碰撞形态设置为侧面直角碰撞（包括汽车侧面直角碰撞摩托车前部、中部和后部）、侧面斜角碰撞（包括同向斜角碰撞和对向斜角碰撞）、正面碰撞和追尾碰撞。各碰撞形态下两车相对位置如图2所示，以轿车为例，图中前部、中部和后部均指侧面直角碰撞，下同。

图2 各碰撞形态下汽车与摩托车的相对位置

1.3 损伤参数与评价指标

（1）头部损伤评价指标 采用1971年美国运输部提出的头部损伤标准（head injury criterion，HIC）进行评价，HIC定义为

式中：a（t）为头部重心合成加速度；t2-t1为 HIC达到最大值的时间间隔，在实际应用中最大时间间隔一般取 15 ms，HIC15的安全界限为 700［23］。

（2）胸部损伤评价指标 采用3 ms合成加速度评价，其最大值不应超过60g［23］。

（3）下肢损伤评价指标 其中大腿股骨耐受极限为 6.3 kN［24-25］，小腿胫骨耐受极限为 4 kN［24-26］。

1.4 统计方法

采用Mann-Whitney U检验的方法对摩托车骑乘人员各主要部位损伤差异进行显著性检验，检验水准α＝0.05。将损伤参数的相关数据导入SPSS软件后得到P值，根据P值的大小即可判断骑乘人员各主要部位的损伤是否具有显著性差异。一般来说：当P＜0.01时，认为两者具有极显著差异；当0.01≤P＜0.05时，认为两者具有显著性差异；当P≥0.05时，认为两者不具有显著性差异。

2 结果分析

2.1 不同碰撞形态下骑乘人员各主要部位损伤的对比

2.1.1 头部

图3给出了不同碰撞形态下骑乘人员HIC15对比的箱型图，图中横虚线表示骑车人，竖虚线表示后座乘员，下同。统计结果显示，除汽车侧面直角碰撞摩托车中部以外，其余6种碰撞形态下骑车人和后座乘员的HIC15均具有显著差异（P＜0.05）。其中在汽车侧面直角碰撞摩托车前部、对向斜角和正面碰撞的情况下（N＝21，N为仿真样本数，下同），骑车人HIC15高于后座乘员的仿真分别为16组、18组和19组，所占比例分别为76.19%、85.71%和90.48%，这表明在这3种碰撞形态下，骑车人的头部损伤比后座乘员更为严重。而对于在汽车侧面直角碰撞摩托车后部、同向斜角和追尾碰撞的情况下（N＝21），后座乘员的HIC15显著高于骑车人，这3种碰撞形态下后座乘员HIC15高于骑车人的仿真分别为18组、17组和19组，所占比例依次为85.71%、80.95%和90.48%。这表明在这3种碰撞形态下，后座乘员更有可能受到严重的头部伤害，此差异形成的原因可能与骑乘人员初始碰撞位置至头部碰撞点（车辆发动机盖或前风窗玻璃）的距离有关。

2.1.2 胸部

图4给出了不同碰撞形态下骑乘人员胸部3 ms合成加速度对比的箱型图。如图所示，除汽车侧面直角碰撞摩托车中部外（N＝21），其余碰撞形态下骑乘人员的胸部3 ms合成加速度均具有显著差异（P＜0.05）。统计显示，汽车侧面直角碰撞摩托车前部、同向斜角、对向斜角和正面碰撞4种碰撞形态下，摩托车骑车人的胸部3 ms合成加速度高于后座乘员的仿真分别有17组、16组、20组和18组，占比分别为80.95%、76.19%、95.24%和85.71%，这表明在这4种碰撞形态下骑车人遭受严重胸部损伤的可能性比后座乘员更大。此外，由对向斜角和正面碰撞导致的骑乘人员胸部损伤明显大于其他碰撞形态，且大多数仿真中骑乘人员的胸部损伤已超过其损伤极限（60g），其中在对向斜角碰撞（N＝21）时，骑乘人员胸部损伤超过其安全界限的仿真分别为19组和14组，占比90.48%和66.67%。正面碰撞（N＝21）时分别有17组和11组，占比80.95%和52.38%。这表明对向斜角和正面碰撞导致骑乘人员的胸部损伤比其它碰撞形态更为严重，这可能是因为在这两种碰撞形态下两车的相对碰撞速度更大。

图4 不同碰撞形态下骑乘人员胸部3 ms合成加速度对比的箱型图

2.1.3 撞击侧大腿

图5给出了不同碰撞形态下骑乘人员撞击侧大腿所受峰值碰撞力对比的箱型图。除正面和追尾碰撞外，其余碰撞形态下骑车人撞击侧大腿所受的碰撞力峰值远远高于后座乘员且两者具有极显著性差异（P＜0.01）。对于侧面直角（包括前部、中部和后部，N＝63）、同向斜角（N＝21）和对向斜角（N＝21）碰撞而言，骑车人撞击侧大腿所受的碰撞力峰值高于后座乘员的仿真分别为60、18和20组，占比分别为95.24%、85.71%和95.24%，这表明在此碰撞形态下骑车人撞击侧大腿受到严重伤害的可能性远高于后座乘员，其中在侧面直角碰撞时骑车人撞击侧大腿超过其股骨耐受极限的仿真共49组，占比77.78%，而后座乘员仅为2组，占比3.17%。这表明骑车人很有可能发生大腿股骨骨折，后座乘员发生骨折概率不大。此外，对于追尾碰撞（N＝21）而言，由于后座乘员的大腿直接与汽车前端接触，而骑车人大腿距离车辆前端较远且以后座乘员身体作为缓冲，因此导致骑车人大腿损伤低于后座乘员，其撞击侧大腿碰撞力的平均值分别为2.47和3.12 kN，均低于股骨耐受极限。

图5 不同碰撞形态下骑乘人员撞击侧大腿所受碰撞力峰值对比的箱型图

2.1.4 撞击侧小腿

图6给出了不同碰撞形态下骑乘人员撞击侧小腿所受碰撞力峰值对比的箱型图。统计结果显示，所有碰撞形态下骑车人和后座乘员撞击侧小腿所受的碰撞力峰值均具有显著性差异（P＜0.05），其中对于侧面直角（前部、中部和后部，N＝63）和对向斜角碰撞（N＝21）而言，摩托车骑车人撞击侧小腿所受的碰撞力峰值远高于后座乘员且两者具有极显著性差异（P＜0.01），在此碰撞形态下，几乎在所有仿真中骑车人小腿损伤均已超出其胫骨耐受极限，而后座乘员均低于其耐受极限值，这表明在这些碰撞形态下，骑车人极有可能发生胫骨骨折，而后座乘员胫骨骨折的概率较低。此外，对于同向斜角和正面碰撞而言（N＝21），骑车人撞击侧小腿损伤高于后座乘员的仿真均为19组，占比均为90.48%。但在追尾碰撞时，后座乘员的小腿由于直接与汽车前端发生碰撞，导致其小腿所受碰撞力峰值大于骑车人，此时后座乘员小腿损伤高于骑车人的仿真为18组，占比85.71%，这表明追尾碰撞将导致后座乘员的小腿损伤更为严重，但一般不会超过其胫骨耐受极限。

图6 不同碰撞形态下骑乘人员撞击侧小腿所受碰撞力峰值对比的箱型图

2.2 不同车型时骑乘人员各主要部位损伤的对比

2.2.1 头部

图7给出了不同车型碰撞下骑乘人员HIC15的对比情况，图中综合为不分车型的数据，下同。统计结果显示，在涉及到3类车型的147组仿真中，骑车人达到头部损伤极限的有112组，占比76.19%，后座乘员有107组，占比72.8%。在轿车和SUV碰撞的情况下（N＝49），骑车人HIC15高于后座乘员且两者具有显著性差异（P＝0.019和P＝0.02），这两类车型碰撞下导致的骑车人HIC15高于后座乘员的仿真分别有39组和40组，所占比例为79.6%和81.63%。这表明轿车和SUV碰撞可能导致骑车人的头部损伤更为严重。而在微型厢式车（N＝49）碰撞时，骑车人HIC15的平均值低于后座乘员，分别为1 020.03和1 168.66，但不具有显著性差异（P＝0.116）。此外，轿车和SUV分别与微型厢式车之间导致骑乘人员的HIC15也具有显著性差异（P＝0.037和P＝0.043），这可能是因为轿车、SUV与微型厢式车的车头外形轮廓相差较大。

图7 不同车型时骑乘人员HIC15对比的箱型图

2.2.2 胸部

图8给出了不同车型碰撞下骑乘人员胸部3 ms合成加速度的对比情况。结果显示，骑车人和后座乘员的胸部3 ms合成加速度在3类车型碰撞下均具有显著性差异（P＜0.05）。147组仿真中，骑乘人员达到其胸部损伤安全界限的分别为78组和60组，占比分别为53.06%和40.82%。在轿车和SUV碰撞的情况下（N＝49），骑车人的胸部3 ms合成加速度高于后座乘员的仿真均为40组，占比81.63%，这表明在轿车和SUV碰撞的情况下，摩托车骑车人更有可能遭受严重的胸部损伤。而对于微型厢式车碰撞而言（N＝49），后座乘员胸部3 ms合成加速度高于骑车人的仿真有37组，所占比例为75.51%，这表明在微型厢式车碰撞下后座乘员更可能遭受严重的胸部伤害。此外，微型厢式车碰撞下导致骑乘人员胸部损伤超过其安全界限的仿真分别有37组和39组，占比分别为75.51%和79.59%，均远高于轿车和SUV（轿车分别为17组和5组，SUV分别为24组和16组），这表明在微型厢式车碰撞下骑乘人员胸部的损伤更加严重，且各车型之间导致骑乘人员的胸部损伤均具有极显著性差异（P＜0.01）。2.2.3 撞击侧大腿

图8 不同车型时骑乘人员胸部3 ms合成加速度对比的箱型图

图9 给出了不同车型下骑乘人员撞击侧大腿所受碰撞力峰值的对比情况。如图所示，在3类车型碰撞下，摩托车骑车人撞击侧大腿所受的碰撞力峰值均明显高于后座乘员，且两者具有极显著差异（P＜0.01）。在147组仿真中，骑车人撞击侧大腿达到股骨耐受极限的有75组，占比51.02%，而后座乘员达到股骨耐受极限的只有6组，占比4.08%，这表明骑车人撞击侧大腿发生股骨骨折的概率远高于后座乘员。在3类车型碰撞时，骑车人撞击侧大腿损伤高于后座乘员的仿真分别为42组、45组和43组，所占比例分别为85.71%、91.84%和87.76%，这表明骑车人遭受的大腿损伤远比后座乘员更加严重。此外，在轿车与 SUV（P＜0.01）、SUV与微型厢式车（P＝0.038）碰撞下导致的摩托车骑乘人员撞击侧大腿的损伤也分别具有（极）显著性差异。

图9 不同车型时骑乘人员撞击侧大腿所受碰撞力峰值对比的箱型图

2.2.4 撞击侧小腿

图10给出了不同车型下骑乘人员撞击侧小腿所受碰撞力峰值的对比情况。统计结果显示，在与轿车、SUV和微型厢式车碰撞（N＝49）时，摩托车骑车人撞击侧小腿所受的碰撞力峰值均远远高于后座乘员且两者具有极显著性差异（P＜0.01）。在147组仿真中，骑车人撞击侧小腿超过小腿胫骨耐受极限的有101组，占比68.71%，而后座乘员达到胫骨耐受极限的只有13组，占比8.84%，这表明骑车人发生小腿胫骨骨折的概率要远远高于后座乘员。此外，在轿车、SUV和微型厢式车碰撞下骑车人撞击侧小腿损伤高于后座乘员的仿真分别为42、45和43组，所占比例分别为85.71%、91.84%和87.76%。这表明与后座乘员相比，摩托车骑车人更容易遭受严重的小腿伤害。此外，在轿车与SUV（P＝0.011）、SUV与微型厢式车（P＝0.001）之间导致的摩托车骑乘人员撞击侧大腿损伤也分别具有（极）显著性差异。

图10 不同车型时骑乘人员撞击侧小腿所受碰撞力峰值对比的箱型图

2.3 不同车速下骑乘人员各主要部位损伤的对比

表1为不同车速碰撞下骑乘人员各主要部位损伤参数的均值，括号内为后排乘员损伤参数。由表可见，骑乘人员的HIC15和胸部3 ms合成加速度均随着车速的增加而明显增大，在碰撞车速相同的情况下，骑车人各主要部位的损伤参数均值均高于后座乘员，当车速达到45 km／h时，骑车人的头、胸部损伤达到其安全界限，而后座乘员头、胸部在50 km／h时超过其安全界限。此外，对于骑车人而言，其撞击侧小腿在所有车速下均已超过胫骨耐受极限，当车速达到45 km／h时，撞击侧大腿开始超过其股骨耐受极限，但对于后座乘员而言，在所有车速下撞击侧下肢所受碰撞力的均值都未超过其耐受极限。

表1 不同碰撞车速下骑乘人员各主要部位损伤参数的对比

3 结论

基于PC-Crash仿真软件，以车型、车速和碰撞形态为设计变量，仿真147组汽车碰撞载人摩托车，进而统计分析了不同碰撞条件下摩托车骑车人和后座乘员头部、胸部和撞击侧下肢损伤的差异，并对其进行显著性检验，得出如下结论。

（1）大多数碰撞形态下，骑乘人员的头部和胸部损伤具有显著性差异，而撞击侧大小腿具有极显著性差异。在汽车侧面直角碰撞摩托车前部、对向斜角和正面碰撞的情况下，骑车人头部和胸部损伤显著高于后座乘员；而在侧面直角碰撞摩托车后部和追尾碰撞时，后座乘员头、胸部损伤更为严重；除正面和追尾碰撞外，骑车人撞击侧下肢的损伤远高于后座乘员且两者一般具有极显著性差异。

（2）在轿车和SUV碰撞的情况下，骑车人的头、胸部损伤高于后座乘员且两者具有显著性差异；在微型厢式车碰撞时后座乘员的头、胸部损伤更为严重。3类车型碰撞下导致骑车人撞击侧下肢的损伤均远高于后座乘员且两者具有极显著性差异。此外，各车型之间导致骑乘人员主要部位的损伤也一般具有显著性差异。

（3）不同碰撞车速下，骑车人头部、胸部和撞击侧下肢损伤参数的均值均高于后座乘员，当碰撞速度分别为45和50 km／h时，骑车人和后座乘员的头、胸部损伤分别超过其耐受极限。因此有必要在摩托车事故多发路段将车辆行驶速度限制在45 km／h以下。

（4）统计结果发现，骑乘人员不同部位损伤有显著性差异，这种差异能为骑乘关系认定和损伤防护措施制定提供指导，在实践中极具价值。但导致这种差异的原因以及如何基于此差异进行事故鉴定或保护骑乘人员，尚需更多后续研究。