对弱势道路使用者保护的研究

徐世平，李充，张帆，黄诗雯

(中汽研汽车检验中心(武汉)有限公司，湖北武汉 430050)

0 引言

为了减少汽车对弱势道路使用者(Vulnerable Road Users, VRU)的伤害，各国法规及NCAP新车评价体系均将弱势交通道路使用者的保护列入汽车安全性能重点考核指标。欧洲对此更为重视，欧盟委员会在2003年通过了《行人保护法规2003/102/EC》；在2005年通过《前部防护系统关于行人保护的法规2005/66/EC》；并于2009年推出《关于保护行人和其他弱势道路使用者的机动车类型批准的法规EC 78/2009》，以代替法规2003/102/EC和2005/66/EC[1]。欧盟新车评价规程E-NCAP在2002年将行人保护纳入评价内容，并在2014—2018年间通过更新Grid评分方法和小腿冲击器及增加行人及骑行者保护紧急刹车制动测试等措施逐步完善对弱势道路使用者保护的评价方法[2]。此外，联合国欧洲经济委员会汽车法规ECE R127及全球技术法规GTR9也相继发布并逐步得到完善[3]。国内C-NCAP在2018年也将行人保护纳入到评价规程中，行人保护法规GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》于2009年发布，目前该法规仍处于推荐阶段[4-5]。综上，目前国内对于行人碰撞保护还未形成统一成熟的评价标准，还需要开展行人保护相关的研究和探索，以进一步完善我国的行人保护法规。

本文作者在阐述行人碰撞损伤机制的基础上，对比分析了各国行人保护法规以及NCAP评价规程，为中国行人保护法规的优化提出合理性建议，最后从被动安全和主动安全两个方面提出汽车针对 VRU保护法规的应对策略。

1 行人碰撞人体损伤机制

在发生人车碰撞事故时，人体腿部首先与汽车的前保险杠碰撞接触，紧接着，人体大腿、骨盆和胸部等部位与发动机罩前缘发生碰撞，与此同时，人体上身相对于车辆前部发生转动，最终人体头部与汽车发动机罩或前风窗发生碰撞。

如图1所示，汽车最前端凸起的保险杠从侧面撞击行人胫骨处，碰撞接触的一侧将对胫骨产生压应力，而另一侧则会对胫骨产生拉应力，当这些应力超过胫骨的损伤极限时，就会引起胫骨骨折。股骨与发动机罩前缘碰撞引起骨折的机制与胫骨骨折机制相同。因此，弯矩载荷是引起胫骨、股骨骨折的主要因素[6]。

如图2所示，在碰撞力的作用下，胫骨上端向内侧移动，与股骨内侧髁接触产生集中应力，若集中应力超过损伤阈值，则会引起膝部骨折；随后，膝关节向内弯曲，内侧副韧带拉长并产生张力，当此张力达到一定限值时，就会产生韧带撕裂。因此，膝部损伤是由剪切和弯曲载荷共同作用的结果。

图1 行人胫骨、股骨损伤机制

图2 行人膝关节损伤机制

表1、表2分别给出了不同研究机构给出的行人腿部及头部的损伤耐受限度。

表1 行人腿部的损伤耐受限度

表2 行人头部的损伤耐受限度

在人车碰撞事故中，致命伤害一般发生在头部碰撞，表现形式为头骨骨折和脑部损伤。颅骨骨折与冲击能量、作用面积及受力耐受程度有关，当碰撞力超过颅骨承载能力时，颅骨就会受到伤害；在角速度场内，当头部受到惯性载荷时，头盖骨与脑部之间会发生相对运动，此时在头盖骨内表面将产生很大的剪切力，从而导致脑损伤[7]。

2 VRU保护法规及评价规程

2.1 基于被动安全的VRU法规及评价规程

联合国欧洲经济委员会、国际标准组织ISO、欧盟、中国、E-NCAP、C-NCAP已先后推出一些行人保护相关的试验规程及评价办法。

目前，行人保护主要采用局部模块试验。通过头型与腿型的冲击试验来模拟真实情况中行人与车辆发生碰撞时人体受到的伤害。其中，头型冲击试验分为成人头型试验和儿童头型试验；腿型冲击试验又分为上腿型试验和下腿型试验。

行人头部保护试验参数如表3所示，对比分析可知：

(1)随着全球技术法规GTR9的颁布，各国法规中对于行人头型试验的评价方法趋于统一。

(2)E-NCAP及C-NCAP对碰撞速度的要求为11.1 m/s，与法规中相应指标的要求值9.7 m/s相比，其条件更加苛刻。此外，E-NCAP及C-NCAP对人体头部损伤指标(Head Injury Criterion, HIC)的要求也相对法规更加严格。

(3)基于两轮车伤害特征，E-NCAP及C-NCAP拟扩大头部撞击区域，并采用多种碰撞角度，以此充分考虑对骑行者的安全防护。

行人腿部保护试验参数如表4所示，对比分析可知：

(1)基于人车碰撞时股骨的损伤机制，欧洲法规EC 78/2009以及E-NCAP中均引入了上腿型与发动机罩前缘碰撞试验，以此充分考虑碰撞中行人上腿的安全防护。而我国推荐性标准GB/T 24550—2009目前还没有关于发动机罩前缘对上腿损伤的相关评价。

(2)我国推荐性标准GB/T 24550—2009及欧洲法规EC 78/2009目前仍采用刚性下腿型，其评价指标包括胫骨加速度、膝部位移和弯曲角，而根据胫骨损伤机制，在行人腿部与车辆发生碰撞时，需要重点考虑膝部韧带拉伸损伤和胫骨/股骨骨折，因此刚性腿型生物力学逼真性较差；GTR9、UN-R127及NCAP中则引用“FlexPLI柔性下腿型+上腿型”的组成形式，对膝部韧带伸长量和胫骨/股骨弯矩进行考核；APLI腿型在柔性下腿型的基础上加入了上肢运动模块，充分考虑了人体上肢质量对腿型碰撞试验的影响，因此采用APLI腿型在表征人体股骨和膝部韧带方面有更好的生物力学逼真度。E-NCAP及C-NCAP拟在2021年采用APLI腿型，替代FlexPLI柔性腿型和上腿型冲击器。

表3 行人头部保护试验要求对比

表4 行人腿部保护试验要求对比

2.2 基于主动安全的VRU法规及评价规程

行人或骑行者与车辆发生碰撞的交通事故很多是由于驾驶员制动不及时或车辆制动力不足所致。欧洲E-NCAP通过对交通事故的分析发现，90%的交通事故是由于驾驶者注意力不集中引起的，而自动紧急制动(Autonomous Emergency Braking，AEB)系统可以有效减少或避免事故的发生。

E-NCAP于2016年将紧急刹车制动系统的性能要求纳入行人保护测试评价规程中，于2018年增加了车辆对于儿童和骑行者保护的紧急刹车制动测试，并在2020年引入倒车、交叉路口以及迎面多种场景下AEB对行人主动保护的测试。表5和表6分别给出了E-NCAP关于AEB对行人和骑行者保护的试验矩阵[7]。国内C-NCAP于2018年将紧急刹车制动系统的性能要求纳入行人保护测试评价规程，目前包含左侧成人25%、50%偏置碰撞和右侧成人25%、75%偏置碰撞这4种AEB行人保护测试场景。而各国法规目前均没有关于AEB行人保护的强制性要求。

结合主动安全和被动安全法规及评价规程的对比分析，针对中国行人保护法规的优化提出以下建议：

(1)中国交通情况复杂，考虑汽车对骑行者头部的安全防护，建议扩大头型实验考核区域，并采用多种碰撞角度。

(2)考虑柔性下腿型碰撞测试更加趋近于真实交通事故，并结合对发动机罩前缘对上腿型的损伤评价，建议将刚性下腿型替换为APLI柔性腿型。

(3)鉴于主动安全的行人保护技术是被动安全的有效补充，可极大减少行人受伤害程度，建议增加AEB行人保护测试要求。

表5 AEB行人保护试验矩阵

表6 AEB骑行者保护试验矩阵

3 VRU保护的汽车设计

根据行人保护法规以及NCAP评价规程的对比分析，未来我国法规可考虑在测试区域、冲击模块、测试项目上进行完善，而新增的测试区域、改进的APLI腿型冲击模块、引入的AEB测试项目都将给国内现有的主机厂带来全新的挑战，针对这些变化，主机厂需要深入研究应对策略和调整措施。

3.1 基于被动安全的VRU保护设计

车辆与行人或骑行者发生碰撞时，与行人碰撞接触的区域包括前保险杠区域、前大灯区域、发动机罩区域和前挡风玻璃区域，基于被动安全的汽车行保设计主要是针对这些区域的零部件进行结构形式和材料的改进。

前保险杠区域结构形式的改进可以从以下3个方面考虑：(1)在保险杠与防撞梁之间预留足够的变形间隙，以保证足够的吸能空间；(2)将前保险杠设计成掠形结构，使保险杠的底部尽量向前平移，并增加副防撞梁，使腿部受力均衡，以降低腿部骨折的风险，同时防止小腿卷入车辆底部；(3)抬高保险杠的碰撞点，减少尖锐的突起，使车辆的前脸造型更加圆润，从而降低发动机罩前缘造成股骨骨折的风险。此外，前保险杠可选用新的吸能材料，如高密度泡沫，从而延长腿部的吸能过程，以达到减小腿部损伤的目的。

前大灯采用弱化的大灯安装支架如图3所示，在行人与前大灯发生碰撞时，安装支架会发生溃缩，从而起到缓冲作用，在此过程中能够吸收更多碰撞产生的能量，进而减小对行人的伤害。

图3 弱化的大灯安装支架

发动机罩区域的结构改进可以从以下2个方面考虑：(1)采用弹起式发动机罩，在行人或骑行者与车辆发生碰撞时，发动机罩会自动弹升一定的高度，从而增加机罩与机舱内刚性零部件的间隙，如图4所示，这样可以有效规避行人头部与机罩下方硬点发生2次碰撞，从而减少对头部的伤害；(2)弱化发动机机罩与车身关联的支撑硬点，如采用压溃式机罩铰链、溃缩式机罩锁扣、镂空的机罩垫块支撑件及在翼子板机罩与搭接处增加台阶等方式，以给予人体头部必要的缓冲，达到降低头部损伤的目的。发动机罩采用铝合金或复合材料取代高强度钢，能够延长碰撞过程中头部的吸能过程，从而减少行人头部的损伤。

图4 弹起式发动机机罩

挡风玻璃区域对人体头部伤害主要源于雨刮，可设计一种压溃式的雨刮衬套座，结构如图5所示。当人体头部碰到雨刮输出轴并达到一定碰撞力时，雨刮整体会压溃下沉，从而减少对行人头部的伤害。

图5 压溃式雨刮结构

3.2 基于主动安全的VRU保护设计

基于主动安全的VRU保护设计主要通过各种感应器对车辆周围的环境和驾驶者的行为进行实时监测和分析，以帮助驾驶者规避或减轻交通事故后果。该类行人保护设计通过各类传感器的综合应用，如红外线传感器、热传感器、盲点探测器、激光扫描、雷达、影像系统等，实现对人、车的精确探测，并及时将监测到的信息通过声音或者图像警告反馈给驾驶者，以便驾驶者根据安全要求作出相应反应，进而避免或减少碰撞事故的发生，保障行人安全。当警告发出给驾驶者，若驾驶者仍然没有采取措施，则辅助制动系统会自动接管车辆，在车辆与行人即将发生碰撞时采取紧急制动或转向规避，从而避免碰撞的发生或降低碰撞伤害[8]。

4 结束语

文中在阐述行人碰撞损伤机制的基础上，对比分析了行人保护法规及NCAP评价规程，为中国行人保护法规的优化提出合理性建议：(1)扩大行人头部碰撞测试评价区域并采用多种碰撞角度；(2)引入生物力学逼真性更好的A-PLI柔性腿型替代刚性下腿型；(3)增加基于主动安全的AEB行人保护测试评价。最后，从被动安全和主动安全两个方面提出针对行人保护的汽车设计应对策略。