全球NCAP行人保护测评的对比研究及展望*

李海岩，杨 振，贺丽娟，吕文乐，崔世海，阮世捷

（天津科技大学，现代汽车安全技术国际联合研究中心，天津 300222）

前言

据世界卫生组织统计，2018年死于交通事故的人数增加到135万，受伤人数达5 000万［1］。道路交通伤害是5~29岁人群死亡的主要原因，世界上每天有近3 700人死于交通事故，每年还有数千万人受伤或致残，其中死亡人数中有超过一半的是行人和骑行者，行人在全球交通事故死亡中的平均比例达到23%。与低收入国家相比，高收入国家有着更高的汽车保有量，但是低收入国家在交通事故中的人口死亡率是高收入国家的3倍。非洲和东南亚国家的道路交通死亡率在每100 000人中分别高达26.6人和20.7人，而美洲和欧洲国家每100 000人中分别只有15.6人和9.3人死亡。

快速的城市化、安全标准的不完善、分心或疲劳驾驶、酒驾和服药驾驶等都是造成这一问题的原因。在落实联合国8项车辆安全标准方面只有40个高收入国家实施了其中的7~8项标准，11个国家采用了2~6个标准，124个国家仅采用1个或没有采用标准。部分国家和地区交通事故中行人死亡比例、车辆安全标准和死亡总人数趋势如表1所示。由表可见，在中国、巴西、泰国、印度等中等收入国家交通事故中的人口死亡率明显高于英国、美国、韩国、日本等高收入国家。在拥有完善或大部分车辆安全设计标准的国家交通事故死亡率明显呈下降趋势。此外，绝大多数国家行人在交通事故中死亡占有很大的比例，虽然印度在交通事故中行人死亡比例只有10%，但是同作为弱势道路使用者的骑车者死亡比例超过了40%。因此随着科技的发展和汽车制造水平的提高，更多的车企和评估机构应该重视在交通事故中的行人保护，提高车辆的安全水平，完善评价标准，以在最大程度上减少交通事故中的人员伤亡，避免不必要的损失。

表1 WHO2018年报告部分国家交通事故行人死亡比例、车辆安全标准和交通事故死亡总人数趋势

1 行人保护试验方法

各国和地区的行人保护试验方法基本原理是一致的，都是在特定的条件下尽可能模拟典型的交通事故。由于目前尚未开发出能投入使用的行人碰撞假人，所以，行人碰撞测试中一般使用3种人体测量装置（ATD）来模拟一个被撞行人的头部、大腿和小腿发生碰撞的场景。车辆在测试期间保持静止，ATD以测试协议要求的速度（一般为40 km∕h）和角度（根据不同国家要求略有差别）撞击到车辆上。在测试方案中一般有两个头型，两个腿型：较大的成人头型用于测试发动机盖后部和风窗玻璃底部，较小的儿童头型用于测试发动机盖前部，如图1所示。腿型的使用与头型相似，上腿型用于测试前部保险杠较高的车辆，下腿型用于测试保险杠较低的车辆。汽车前部的测试区域一般以100 mm的间隔标记一系列网格点，并根据汽车前部碰撞包绕长度的不同划分成人和儿童头型测试区域。汽车制造商为每个标记的网格点提供预测的试验结果，评测机构对每个网格点随机选择进行测试，确认制造商的数据是否正确。

图1 C-NCAP行人保护冲击试验

2 试验方式对比

NCAP头型试验和腿型试验一般都包括：基准线的测量，碰撞包绕长度的测量、网格点的划分、试验区域的划分和冲击试验。

2.1 头型试验的对比

各国和地区NCAP中规定头型试验区域基准线一般包括发动机罩前部基准线（见图2）、发动机罩侧面基准线和发动机罩后面基准线，3条基准线在各国NCAP测量标准统一，此外日本JNCAP还规定进行前风窗玻璃基准线的测量，基准线测量方式如表2所示。

图2 发动机罩前部基准线和碰撞包绕长度的测量

碰撞包绕长度（WAD）用于确定碰撞时的相对位置，具有确定汽车前端高度、碰撞位置，以及划分成人与儿童碰撞区域和网格点的作用。其测量方法是在车辆处于正常姿态时，使用皮尺让其贴合发动机罩和风窗玻璃表面，并保持在车辆纵向垂直对称平面内，使其端头自然下垂至刚接触地面，读取头型撞击点在皮尺上的读数即得。

基准线和碰撞包绕长度测量完毕后，对网格点划分，以规定冲击器具体的冲击区域。在车辆保险杠、发动机罩上部、风窗玻璃等部位标记出车辆的纵向中心线，在车辆纵向中心线上，从WAD1000开始到尽头以100 mm为间隔进行包绕长度标记。然后，将车辆中心线上的网格点间隔100 mm向车辆两侧延伸，直到车辆边界线，如图3所示。由于儿童和成人身高差距较大，在交通事故中与车辆发生碰撞时头部与车辆的接触位置会有很大不同。为使试验更加贴近真实的交通事故，各国和地区NCAP头型试验均分为儿童头型试验和成人头型试验，根据汽车前部结构以不同的碰撞包绕长度为界限选用成人头型或儿童头型冲击车辆头型试验区域的指定位置。碰撞速度均为40 km∕h，一般使用成人头型时冲击角度为65°±2°，使用儿童头型时冲击角度为50°±2°。根据汽车前基准线位置的不同进行两种角度的儿童头型冲击器冲击试验。C⁃NCAP在2021版中增加了不同角度的成人头型冲击试验。具体试验设置和试验区域如表3所示。

表2 各国家和地区头型试验区域基准线测量方式和包绕长度

图3 网格点的划分

2.2 腿型试验的对比

腿型试验区域基准线的测量一般包括保险杠上部基准线、保险杠下部基准线和保险杠角的测量。保险杠上部基准线为700 mm直尺在车辆纵向平面内向后倾斜20°，在车辆前部横向移动并与车辆保险杠接触时，直尺与保险杠接触点的几何轨迹（图4（a））；保险杠下部基准线为700 mm直尺在车辆纵向平面内向前倾斜25°，在车辆前部横向移动并保持地面和车辆保险杠接触时，直尺与保险杠接触点的几何轨迹（图4（b））；保险杠角的测量为与车辆纵向平面成60°的方板与保险杠相切时的接触点（图4（c））。腿型试验网格点划分方式与头型试验相同。

表3 头型试验设置与区域划分

图4 腿型试验区域基准线测量

由于车辆前端高度存在差异，所以在车辆与行人下肢发生碰撞时的接触位置会有所不同。因此，在腿型试验方面，欧洲、澳大利亚、韩国的NCAP均以425和500 mm为界限划分区域，可选用不同冲击器进行冲击试验。保险杠下部基准线低于425 mm的车型选用下腿型冲击器，高于500 mm可选用上腿型冲击器，在这个范围内的可自由选择。我国在2021版C⁃NCAP中改用能同时测量大腿和小腿的aPLI腿型冲击器。日本JNCAP只进行使用FLEX⁃PLI冲击器的下腿型冲击器冲击试验。腿型冲击器冲击速度各国和地区标准均统一，为40 km∕h。

2.3 腿型冲击器

人体测量装置（ATD）是行人保护试验中重要的部分，在aPLI腿型冲击器被应用之前FLEX⁃PLI腿型冲击器是各国在进行下腿型试验时普遍使用的高度仿生试验仪器。FLEX⁃PLI以生物力学为基础，由具有生物力学基础和生物仿真弯曲度的3部分组成：股骨、膝关节和胫骨，并利用连接在其上的应变计承受大部分载荷并能输出弯矩，如图5（a）所示。然而由于FLEX⁃PLI缺少与车辆碰撞时上半身的表现，所以仅能孤立地模拟行人的下肢。在对于具有高保险杠的车辆进行试验时，其无法充分模拟下肢所产生的弯矩。aPLI腿型冲击器通过调整下肢质量分布，并增加了11.3 kg的上体模块质量，用来模拟碰撞时上体对全身运动所带来的影响，如图5（b）所示。据Takahiro等［17］研究表明，相比FLEX⁃PLI模型，在与不同车辆碰撞时，aPLI模型与人体全身模型损伤量有更高的相关性，尤其是股骨弯矩和MCL伸长量的输出。因此C⁃NCAP对aPLI腿型冲击器的最先应用大大提高了车辆对行人保护的安全标准。

(3) 根据实验结果可以得出的实验结论： 在一定范围内，随光照强度增强，光合作用速率____________。

图5 腿型冲击器结构图

2.4 试验方式差异分析

各国头型试验方式大致相同，在最新的C⁃NCAP（2021版）中将包绕长度延伸至2 300 mm，并在WAD2100⁃WAD2300区域进行60°（非65°）的成人头型冲击试验。试验区域的精细划分和采用不同角度的冲击试验能够对不同形状和长度的发动机盖在一定程度上提供更精确的测试结果。此外在腿型试验方面，日本JNCAP则只使用下腿型冲击器FLEX⁃PLI的冲击试验。我国C⁃NCAP在2021版中改变了之前的由保险杠高度选择上腿型试验或下腿型FLEX⁃PLI试验，而选用新型aPLI腿型冲击器进行整体的腿型冲击试验。Euro NCAP等其他国家NCAP根据车辆前保险杠高度选用上腿型试验或下腿型FLEX⁃PLI试验。JVCAP在此项中可能会处于劣势。

3 试验评分

行人保护试验的评价包括头型试验的评分和腿型试验的评分。在C⁃NCAP（2021版）中可得到的最高分数为15分，头型试验最高可得10分，腿型试验最高可得5分。此项其他国家NCAP中评分所占比例有所不同，如表4所示。

汽车制造商为每个标记的网格点提供预测的得分结果，评测机构对汽车制造商提供网格点的预测结果随机选点进行测试，确认制造商的数据是否正确。评测机构将测试网格点的得分之和除以这些网格点的最高得分之和，得到一个百分比，用该百分比乘以头型或腿型试验总分，得到测试成绩。

3.1 头型试验得分标准

头型试验的得分均为划分网格区域得分，以头部损伤指数（head injury criterion，HIC）进行评分。根据测得HIC值大小所处区间不同，得分不同，每区域点最高得分为1分，最低得分为0分。此项HI C15值区间评分标准在不同国家的NCAP中一致，具体参数如表4所示。

3.2 腿型试验得分标准

腿型试验一般分为上腿型试验和下腿型试验，其评分标准与头型试验类似，均为划分网格点区域的形式进行评价，每区域点最高得分为1分，最低得分为0分。下腿型试验的评测项目为小腿弯矩和膝部韧带伸长量，当ACL∕PCL均小于限值（10 mm）时根据MCL评分。上腿型试验的评测项目为弯矩和合力。而最新C⁃NCAP（2021版）引进的aPLI腿型冲击器测量大腿弯矩、小腿弯矩和MCL伸长量。冲击器的得分根据高限性能值和低限性能值采用线性插值的方法计算网格点得分。各国和地区NCAP腿型冲击试验的评价标准如表4所示。

表4 NCAP行人保护试验评分准则

3.3 评分方式差异分析

在各国和地区的NCAP头型冲击试验中，HI C15作为一个普遍适用的头部损伤准则被各国头型试验所采用，腿型试验也均采用弯矩、合力和韧带的伸长量作为评价标准。在头型试验和腿型试验的分值比例方面，C⁃NCAP（2021版）调整头型试验与腿型试验得分比值和除JNCAP外的其他国家相同，均为2∶1，JNCAP在此项中头型试验分值所占比例超过了86%。

在腿型试验评价方面，C⁃NCAP（2021版）中改变之前与其他国家相同的上腿型和下腿型选择性进行的腿型冲击试验，而采用了更加先进准确，且能够同时测试大腿和小腿的aPLI冲击器进行腿型冲击试验，提高了车辆对行人腿部保护的要求。在其他国家NCAP中，JNCAP只进行下腿型试验，此项对于保险杠前端较高车辆来说得分可能会不够准确。在下腿型试验的得分标准方面，JNCAP的标准与其他国家相比略有不同，其对腿部的弯矩要求更为严格，而对于膝部韧带伸长量要求略低。此外，KNCAP相对其他国家在上腿型试验中的各项标准也相对较低。

4 未来行人保护评测方式的展望

4.1 冲击器的升级和行人假人的开发

人体测量装置（ATD）是行人保护试验中重要的一部分，C⁃NCAP（2021版）对aPLI腿型冲击器的最先应用大大提高了国内车辆对行人保护的安全标准。目前的人体测量装置虽然在一定程度上能模拟出整人碰撞时的运动学响应，但相比于整人，在碰撞动力学响应和运动姿态方面还存在一定差距。由于目前世界上没有明确的行人假人安全法规，鲜有研究机构对行人假人进行开发，所以目前在碰撞试验中应用的多为乘员假人。早在1998年本田公司研发出第一代用于碰撞的行人假人POLAR I，在2008年该假人升级到第三代POLAR III，并在2009年由广汽本田使用该行人假人进行了全球首次碰撞［22］。POLAR行人以Hybrid III型假人为蓝本，上肢可以测量头颈部和胸腹部的加速度和位移，下肢可以测量胫骨、股骨和膝部韧带等部位的力矩等基础数据。但是，随着未来行人保护要求的不断提高和行人安全法规的完善，对行人假人的需求将进一步提升。因此，除冲击器不断升级，行人假人的开发和应用也是未来行人保护测试的主要发展趋势。

4.2 冲击器有限元模型仿真试验

随着有限元技术的不断发展，通过有限元仿真也能部分替代NCAP的碰撞试验。有限元仿真试验通过模型建模、网格划分和材料属性的赋予和边界条件的设置，然后提交计算机进行仿真计算。有限元模型仿真试验在一定程度上得到与实物试验接近的结果，同时还能最大程度地降低试验成本。所以，有限元仿真冲击器试验也是未来一段时期内车辆碰撞试验的一种替代方式。图6为LSTC公司开发的头型冲击器和腿型冲击器有限元模型。

图6 冲击器有限元模型

4.3 高生物保真度人体计算模型的开发应用

相比人体冲击器有限元计算模型和多刚体计算模型，具有高生物保真度的人体整人有限元计算模型，包括精细的人体组织、器官和解剖学结构特征，能提供更接近真实的材料属性，得到更加真实的碰撞数据，可以在汽车碰撞仿真分析中得到更真实的损伤评价，例如不同脑组织的损伤情况、身体器官的损伤、关节的损伤、韧带的撕裂、骨骼的断裂等等。构建具有高生物保真度的人体有限元模型一直是国内外各大高校和科研机构在汽车安全领域的主要研究内容之一。2000年丰田公司发布了第一代用于碰撞仿真的THUMS假人模型，2019年该系列假人模型已升级到第六代。此外，天津科技大学［23-24］、湖南大学、华南理工大学等高校一直致力于开发用于碰撞仿真的具有高生物保真度的儿童和成人人体有限元计算模型，如图7所示。目前Euro NCAP也开始有限元人体模型的研究工作［25］，并对研究有限元模型的高校和企业提供了用于模型对标的数据［26］。因此，随着Euro NCAP有限元假人模型的对标工作顺利进行，有限元模型的应用也必定会加入到各国和地区的NCAP评测中。

图7 有限元人体模型

4.4 主被动安全一体的行人保护

自动紧急制动系统（AEB）是一种可以通过摄像机、激光测距和雷达系统来检测即将发生的碰撞，当检测到碰撞即将发生时，车辆会根据具体的工况进行自动制动保护［27］。使用ATD或碰撞假人时车辆只能使用单一的测试速度进行性能判断。但在主动安全技术的应用下，车辆在与行人发生碰撞时碰撞车速的降低有可能降低碰撞的损伤。目前部分国家NCAP中主动安全部分已经包括车辆追尾（car to car rear，CCR）和车辆对弱势道路使用者（vulnerable road users，VRU）等多个用于评测AEB的项目，并通过提高主动安全部分分值来鼓励厂商安装AEB系统。AEB应用会降低发生碰撞时的速度，在一定程度上能降低碰撞所带来的损伤影响。但是，在车辆与行人发生碰撞时，行人的损伤降低是主动安全与被动安全共同作用的结果。目前的主动安全与被动安全均为分别进行测试，两者是否能够很好结合也是汽车安全领域发展的方向。

5 结论

目 前 我 国C⁃NCAP、欧 洲Euro NCAP、日 本JNCAP、韩国KNCAP、拉丁美洲Latin NCAP和澳洲ANCAP都拥有各自相对完善的行人保护测试评估试验。由于各国的主要车辆类型、交通状况和对损伤保护要求的不同，在行人保护试验和行人保护评估方面存在一定差别。各国应针对各自的交通状况以及人文环境完善并更新各自的评价标准，车辆企业也应针对各自车型的使用环境和要求来确保车辆的安全性能。

ATD和碰撞假人都是在汽车碰撞中重要的试验装置，随着科技的发展和车辆安全标准的提高，FLEX⁃PLI和aPLI等高保真度的人体测量装置能为车辆碰撞仿真的损伤情况提供更加真实的评估结果。此外，行人假人的开发也是行人保护发展的趋势之一。具有高生物保真度有限元模型的开发和应用也能在降低成本的同时提供可供试验参考的仿真结果。此外AEB系统能有效降低车辆发生碰撞时的速度甚至避免碰撞，目前许多国家的评测机构已经将AEB纳入其中。伴随着车辆安全性能的提高与评估标准的完善，未来在减少人员伤亡甚至减少交通事故等方面定会取得巨大进步。