基于NAIS 数据库中电动两轮车—车事故特征分析

朱雪静

（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）

0 引言

近年来，行人交通安全成为不可忽视的社会热点问题，我国汽车—电动自行车交通事故死伤人数同样一直居高不下，中国国家统计局的统计数据表明，含有电动两轮车参与的道路交通事故占非机动车事故的59%以上，且弱势群体死亡率达14.6%以上[1]。汽车主、被动安全的研究与发展在很大程度缓解了道路交通事故的伤害，对道路弱势群体保护设计成为汽车安全领域研发的热点。

文献[2]使用司法鉴定中心的交通事故数据，对导致道路交叉口驾驶员死亡的9 个因素进行综合分析，通过主成分分析得到4 个主要因子以分析两轮车驾驶员在交叉路口致命伤害的主要因素；文献[3]为调查两轮车碰撞中影响两轮车运动和头部损伤风险的因素，对两轮车车辆类型及骑手状态进行多体建模并对两轮车车手头部受伤风险进行分析；文献[4-5]基于德国交通事故深度调查研究数据库，通过对典型事故案例深入分析进一步研究AEB 系统对人员的保护作用；文献[6]基于49 个人—车事故案例，探究了人—车事故中道路、初始碰撞位置、碰撞车速、伤情等特征；文献[7]通过对中国道路交通事故深入研究（CIDAS）数据库中469 起汽车与电动两轮车的碰撞事故数据进行了整理，并结合PC—Crash软件的事故重建结果，对事故规律进行了描述；文献[8]采集了上海道路中典型的行人危险场景，统计了各种危险工况，利用聚类分析建立典型危险场景。

本文对国家车辆事故深度调查体系（National Automobile Accidennt In_Depth Investigation System，NAIS）中上海松江地区的电动自行车—车碰撞典型事故案例的数据展开分析研究，从NAIS 数据库中选取200 例包含视频及交警资料的典型十字路口电动两轮车—车碰撞事故案例，分析了碰撞事故机动车车型、电动两轮车—车碰撞危险场景、碰撞前两车相对位置、骑车人在碰撞中易受伤部位及碰撞后运动轨迹等。本文采用录用事故发生视频及交警资料，可较准确地还原事故发生场景，确定碰撞前电动自行车—车相对位置，从而提取出典型危险场景，为汽车自动紧急制动系统（Autonomous Emergency Braking）中传感器的选型提供有价值的参考。通过对典型碰撞事故中骑车人受伤的特点等一些客观规律特征的分析，研究结果为车辆弱势群体保护技术的研发和应用提供参考依据。

1 事故样本的选取及碰撞事故数据分析

NAIS 主要采集中国严重道路交通事故。为提高对事故特征分析的准确性，事故案例的录入要求满足重伤或死亡1 人及以上，每个事故案例均包括人、车、路及相关环境信息，包含高达2 200 以上的参数，以NAIS 中事故数据案例为基础，研究我国实际交通事故中电动自行车—车碰撞形态与位置，总结该类事故中电动两轮车骑车人碰撞后的运动状态与损伤特点。

1.1 事故样本的选取

本文选取的真实事故案例来源于NAIS 上海松江站点，事故数据从2019 年1 月截至2020 年7 月底445 起机动车碰撞事故案例。机动车与电动两轮车碰撞事故200 起，占总体机动车交通事故数量的44.9%。统计图如图1 所示。

图1 事故案例统计图Fig.1 Statistical chart of accident cases

在选取的200 起典型电动两轮车—车碰撞事故案例中，包含乘用车与电动两轮车的碰撞事故，也包括卡车及商用车与电动两轮车的碰撞事故，本着提高事故特征分析准确性的原则，提出了下列筛选条件：

（1）机动车辆为轿车、多用途车（Multi-Porpose Vehicles，MPV），以及运动型多功能车（Sports Utility Vehicle）3 种的乘用车；

（2）仅涉及一辆中型电动两轮车；

（3）案例中具备事故发生时的视频及交警资料。

基于以上筛选条件，选取了15 例典型的电动两轮车—车碰撞事故样本，通过事故照片、碰撞视频及交警资料的描述对事故发生前两车的运动状态及方位、碰撞时电动自行车驾驶员的运动响应等事故特征的分析具有较大的帮助。事故数据样本如表1 所示。碰撞位置为碰撞点与车头正中间的横向距离，碰撞点处向左为正值，向右为负值。碰撞角度为两车在速度方向的矢量夹角。

表1 车辆碰撞参数Tab.1 Vehicle collision parameters

在选取的事故案例中，3 种车型与电动自行车发生碰撞事故的比例分别为64.8%，21.3%，13.9%。车速按照基于视频图像的车辆行驶速度技术鉴定[9]，采用视频计算方法计算碰撞车速，通过帧数精确定位，可获得准确的车辆碰撞车速。计算碰撞车速后进行概率分布统计，结果如图2所示。可以看出，80%的车辆碰撞速度都不大于75 km/h。为汽车主动安全AEB 控制策略的设计提供了依据。

图2 碰撞车速区间概率分布Fig.2 Probability distribution of collision speed interval

1.2 行人与车辆碰撞时的位置特征

电动两轮车骑行者与车辆第一碰撞位置如图3 所示。由图3 可知，电动两轮车—车碰撞事故中，骑车人与车辆的第一碰撞点位于车头两侧的碰撞案例约占55.5%，20.5%发生在车头中间区域。其中有34 个案例发生在车头两侧的翼子板。通过查阅资料，中国人体的膝关节高度平均在470～490 mm 之间，电动自行车坐垫高度在600～800 mm 之间，骑车人坐在电动自行车上的膝关节高度在610～810 mm 之间，车头最突出部分的高度在530～550 mm 之间。由此可得，大部分车辆对电动两轮车骑车人的第一碰撞点是小腿位置。这为研发保护弱势群体的汽车头部造型提供了参考依据。

图3 骑行者碰撞区域位置统计Fig.3 Location statistics of cyclist collision area

1.3 碰撞事故基本数据分析

通过事故发生时的道路监控视频及交警资料等信息的描述，可还原碰撞整个过程和碰撞发生后车辆及人员的运动情况。本文通过结合200 例电动自行车—车碰撞事故深度数据，对碰撞危险场景、行人损伤及车辆碰撞速度进行分析，为后续电动两轮车—车碰撞事故特征分析提供参考依据。

骑车人受到碰撞后其运动姿态各异，由于碰撞受力的大小角度不同，骑车人在碰撞后也会呈现不同的运动形态。本文选取PC—Crash 软件对事故进行重建，通过对不同碰撞类型事故的分析，对十字路口典型的电动自行车驾驶员碰撞类型及碰撞后的运动轨迹分为5 类，如表2 所示。两车碰撞角度为两车行驶方向矢量夹角，以其中一辆车的速度矢量为参考方向，逆时针为正，碰撞角度0°及360°即两车追尾。碰撞角度对应的碰撞类型如图4 所示。本文将碰撞类别1，2，3 归结为正碰；碰撞类别4 归结为侧碰；迎面碰撞相对于侧碰而言为骑行者面向汽车的一种碰撞类型；碰撞类别5 归结为追尾碰撞。

表2 骑车人的6 类运动学轨迹Tab.2 Six kinds of kinematic trajectories of cyclists

图4 碰撞角度对应的碰撞类型Fig.4 Collision type corresponding to collision angle

1.4 电动自行车骑行者—车碰撞损伤分析

目前对骑车人发生碰撞后的损伤评价标准较多，研究的侧重点也有所偏差，简明损伤定级法（Abbreviated injury scale，AIS）是对人体器官、组织的损伤进行量化的手段，一共分为6 个等级，由低到高代表损伤程度逐渐增加，便于统计，记0 ≤AIS ≤2 为损伤程度为中度及以下；记3 ≤AIS ≤5 为损伤严重；AIS=6 表示致命伤。将选取的事故案例中行人损伤AIS 值分为3 组，如表3 所示。

表3 行人损伤程度分类Tab.3 Pedestrian damage classification

通过对200 起电动自行车—车碰撞事故样本的分析，选取了交通事故中最容易造成伤害的部位，即头部、上臂、胸部、腿部。损伤占比如图5 所示。

图5 碰撞角度对应的碰撞类型Fig.5 Collision type corresponding to collision angle

由图5 知，导致人员死亡占比最大的部位是头部，其次是胸部，由于在事故碰撞过程中第一接触部位是腿部，因此腿部受中轻度伤的占比较大。

2 电动自行车骑行者的二次碰撞损伤分析及动力学响应

车与电动自行车碰撞过程中产生的能量传递、散失过程是造成电动自行车骑行者伤亡的根本原因。事故调查统计表明，电动自行车骑行者与车辆碰撞抛出后与地面间的二次碰撞所引起的伤亡远高于一次碰撞，且骑车者与地面的第一接触点时，往往更容易致命[9]。

2.1 头部及下肢损伤评价

电动自行车骑车人在碰撞过程中，当碰撞冲击强度过高，达到颅脑承受极限，就会造成头骨破裂或头骨位移，从而损伤大脑。头部损伤程度值由头部伤害指数HIC（Head Injury Criterion）来描述，HIC 计算公式如下：

式中:t1——碰撞过程中加速度作用时间点；t2——相对于t1使指数HIC 达到最大值的时间点；a——人体头部中心加速度。

下肢是电动自行车—车碰撞事故中仅次于头部的易受伤部位，当电动两轮车骑车人与汽车碰撞时，腿部直接与汽车前部保险杠接触；此外，在骑行者碰撞抛出后，下肢与地面的第2 次接触碰撞更加提高了下肢受伤概率和程度。欧洲行人保护法规将小腿加速度作为下肢损伤的评价指标，且小腿加速度的人体耐受极限值为150 g[10]。

2.2 骑行者抛距及与地面接触点统计分析

不同的车型对电动两轮车骑车人碰撞后的抛出距离有影响。如图6 所示，当碰撞角度为90°时，骑行者的抛距与车速成正比，在相同的车速下，MPV 车对骑行者碰撞后的抛距明显大于SUV 及轿车，随着车速的增加，车型对抛距的影响更加显著。

图6 碰撞角度对应的碰撞类型Fig.6 Collision type corresponding to collision angle

本文统计了200 例电动自行车骑行者碰撞后跌落与地面第一接触点位置及二次碰撞直接导致骑行者死伤的概率，如图7 所示。

图7 骑行者与地面第一接触点位置统计Fig.7 Statistics of the first contact position point between the rider and the ground

在汽车与电动两轮车的碰撞事故中，电动两轮车骑车人的头部是最容易受重伤的部位，第1次碰撞导致的头部损伤是由于碰撞过程中头部与汽车发动机罩或前挡风玻璃的接触所造成的，第2 次碰撞受伤是由于骑行者与车辆碰撞后跌落地面，头部为与地面的第一接触点所造成的。其次，电动自行车骑车人的腿部也是碰撞过程中易受伤的部位，案例中电动自行车骑车人与车辆第一次碰撞中，由于与车辆的接触点在电动车上，骑行者并未受伤，最终导致骑行者受伤的原因为骑行者被碰撞抛出后，腿部与地面直接碰撞。

2.3 仿真参数设置

车辆类型、碰撞速度（汽车瞬时速度）、碰撞角度对电动自行车骑车人的损伤影响最大，而骑车人头部损伤往往为致命损伤。根据实际事故中采集的车辆信息建立模型，由典型事故车辆参数对车辆模型的前部几何参数进行调整，主要分为轿车、SUV、MPV 三种车辆模型，结果表4 所示。

电动自行车—骑车人模型选用多刚体组合模型，多缸体组合模型由20 个刚体和19 个铰链组成，不同部分的刚体代表人体不同部位。每个刚体的几何参数及特征都可在PC——Crash 软件中根据真实测量数据进行设定，如图8 所示。

2.4 骑车人动力学响应分析

运用PC-Crash 软件中的汽车模型和电动自行车骑车人组合模型对真实事故数据进行仿真重建分析，进行了多组试验。通过改变运动学参数，可分析不同运动状态、不同因素对模型的影响。以轿车为例，分析在不同碰撞类型及不同车速的情况下，对骑车人的动力学响应的影响规律。如图9 与图10 所示，在不同的碰撞类型下，骑车人头部加速度与左小腿加速度随着汽车的碰撞车速的增大而增大，但不同碰撞类型的变化趋势有所差异。相同碰撞车速下，骑车人头部响应在侧碰情况下表现更明显，其次是正碰，迎面碰撞和追尾碰撞对骑车人头部响应的影响类似，是由于在追尾碰撞和迎面碰撞中，电动车首先与汽车接触，骑车人头部及腿部加速度相对较小，但汽车对电动二轮车的冲击力使骑车人头部及腿部加速度变幅大于正碰和侧碰。而加速度的大小直接影响骑车人碰撞后与地面的接触速度。由此可以看出，在汽车与电动二轮车的不同碰撞类型中，侧面碰撞是对骑车人损伤影响最为严重的一种类型，迎面碰撞和追尾碰撞时损伤较轻。

图9 汽车碰撞车速与骑车人头部加速度关系Fig.9 Relationship between vehicle crash speed and rider's head acceleration

图10 汽车碰撞车速与骑车人腿部加速度关系Fig.10 Relationship between speed of a car crash and acceleration of rider's legs

以样本中39 起真实碰撞事故案例，结合汽车碰撞速度和碰撞角度，分析对骑车人损伤的影响，可以得出3 种影响因素与骑车人AIS 之间的关系。如图11 所示，相同速度下，MPV 车对骑车人的影响最大，AIS 等级最高，其次是SUV 车，最后是轿车。是由于3 种车型前部结构的差异，导致骑车人碰撞时身体部位与汽车接触位置与响应时间有所区别，轿车前部相对较低，使骑车人头部撞上汽车前部的响应时间相对延长。

图11 碰撞位置与碰撞车速与AIS 关系Fig.11 Relationship between collision location and collision speed with AIS

不同的碰撞类型对骑车人动力学相应的影响有所不同，但骑车人损伤均随着碰撞车速的增加而增大，轿车和SUV 车型与电动二轮车发生侧碰时，骑车人头部损伤较为严重，追尾碰撞（碰撞角度为0°和360°时）对骑行者造成的损伤最轻。而对于MPV 车型，在正面碰撞时，骑车人头部损伤最严重。

3 结轮

本文基于NAIS 数据库松江站点采集的典型十字路口电动自行车—汽车碰撞事故案例，对事故特征进行深度分析，选取了事故重建所需的事故采集信息，运用仿真软件PC-Crash 对事故案例进行重建，根据事故碰撞视频与交警资料的描述可获得更为准确的事故发生整个过程，研究结果对车身设计、电动自行车骑车人保护设计、AEB 避撞策略设计等具有更直观的参考价值。所得到的结论如下：

（1）在十字路口电动自行车—车碰撞事故中，大部分车辆与行人的第一碰撞点在车头两侧，其中行人从车辆左侧穿行的概率占59.7%，从车辆右侧穿行的概率为31.5%。该结论为道路交通管理及车辆的主动安全系统的设计提供了重要参考依据。

（2）事故造成电动自行车骑车人损伤部位的特征，受伤害最多的部位是头部，其次是大腿、臀部。因此，在车头部设计时，有必要考虑到骑行人的腿部和臀部的保护。

（3）骑车人动力学响应与汽车碰撞速度有关，碰撞速度越大，人头部加速度越大。车型对骑车人的抛出距离有一定影响，其中MPV 车影响最大。

（4）不同的碰撞类型对骑车人动力学相应的影响有所不同，整体来说侧碰和正碰对骑车人的损伤较严重，追尾和迎面碰撞次之，但骑车人的损伤均随着碰撞车速的增加而增大。