（车辆工程专业论文）摩托车自行车行人碰撞事故形态分析及行人伤害保护的研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 摩托车、自行车、行人与汽车碰撞的研究是目前国内外极为关注的新颖课 题。而在我国，摩托车、自行车、行人与汽车碰撞事故的伤亡人数远大于车内 乘员伤亡人数，因而在我国开展摩托车、自行车、行人碰撞事故的形态分析及 人员伤害保护的研究尤为重要。本文针对我国交通事故的实际特点，对摩托车、 自行车、行人碰撞的事故形态和人员伤害保护进行了分析和研究。 论文通过对碰撞事故损伤流行病学、碰撞生物力学等问题进行了讨论和分 析，较系统地研究了摩托车、自行车、行人碰撞主要事故形态的运动学特性、 流行病学分布规律和人员伤害的机理等问题。论文中对摩托车、自行车、行人 碰撞事故从运动状态、碰撞过程、碰撞速度等方面进行了运动学分析，得出碰 撞过程中人员的运动学特性和伤害原因，并以事故数据库为依据，分析了摩托 车、自行车、行人碰撞事故的分布特征，得出各因素对碰撞伤害的影响规律。 论文针对行人与汽车碰撞的特点，利用多刚体力学原理和计算方法分析了 碰撞过程中行人的运动状态和响应特点，建立了行人与汽车碰撞的多刚体模型， 并利用建立的模型及其相互间的力学关系进行了汽车一行人碰撞的仿真试验， 对仿真试验中行人伤害参数的变化进行了分析。结果表明不同的碰撞速度、不 同的车辆类型和不同的车辆前部结构参数都将对行人伤害有不同的影响。根据 这样的结果，可以帮助人们寻求减小行人伤害的措施和方法，从而为行人碰撞 中保护措施的研究提供一定的依据。 论文基于球体与薄板撞击理论、有限元方法分别建立了头部与汽车发动机 罩撞击的数学方程和有限元模型，并利用e e v c 行人头部撞击器试验对所建模 型进行了试验验证，结果比较吻合一致。接着利用有限元模拟方法和数学计算 方法分析了发动机罩板参数的变化对行人头部伤害的影响，得出影响头部伤害 的主要发动机罩板结构参数。最后根据其分析结果，提出保护行人头部的具体 结构措旖，从而为行人头部保护的进一步研究打下坚实的基础。 【关键词l 碰撞，伤害，流行病学，多刚体动力学，计算机仿真，头部，保护 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t i ti so n eo ft h en e wi m p o r t a n ta s p e c t st os t u d yt h ec o l l i s i o n sb e t w e e n m o t o r c y c l e ，b i c y c l e ，p e d e s t r i a na n dv e h i c l e si nt h ew o r l d i no u rc o u n t r y , t h e r ea r e s u c hi n c l e m e n tf a c t st h a tt h ep e o p l ek i l l e di nm o t o r c y c l ec o l l i s i o n ，b i c y c l ec o l l i s i o n a n dp e d e s t r i a nc o l l i s i o na r em o r et h a nt h ep e o p l ek i l l e di nc a r sa ta c c i d e n t s oi ti s v e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pt h es t u d ya n da n a l y s i so ft h ea c c i d e n tm o d a l i t i e sa b o u t m o t o r c y c l ec o l l i s i o n ，b i c y c l ec o l l i s i o n ，p e d e s t i o nc o l l i s i o na n dp r e v e n t i n gi n j u r y t h i sp a p e ra n a l y s e sa n dd i c u s s e st h ep r o p l e m sa b o u te p i d e m i o l o g i c a lm e t h o d s o nc o l l i s i o na c c i d e n t sa n dt h ec o l l i s i o nb i o m e c h a n i c s ，a n dr o u n d l yw o r k so v e rt h e k i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ee p i d e m i o l o g i c a ld i s t r i b u t i n gr u l e sa n dt h eh u m a n i n j u r ym e c h a n i s ma b o u tt h ec o l l i s i o na c c i d e n t sb e t w e e nm o t o r c y c l e s ，b i c y c l e s ， p e d e s t r i a n sa n dv e h i c l e s a c c o r d i n gt ot h ei m p a c tc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e np e d e s t r i a na n dv e h i c l e ，b a s e d o nt h ed a n y m i ct h e o r yo fm u l t i b o d ya n dm a t h e m a t i c a lm e t h o d ，t h i sp a p e ra n a l y s e s t h ek i n e m a t i cs t a t e sa n dr e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，s i m u t a t sa n da m a l y s e st h e i m p a c t t e s to f v e h i c l e p e d e s t r i a nb yu s i n g t h e m u l t i - b o d y m o d e l s o f v e h i c l e p e d e s t r i a nb u i l t t h er e s u l t sa r eo b t a i n e dt h a tt h e r ea r ed i f f e r e n tt e s tr e s u l t s i nd i f f e r e n tv e l o c i t i e s ，d i f f e r e n tv e h i c l et y p e sa n dd i f f e r e n tv e h i c l ef o r e p a r t s t h e s e r e s u l t sc a l ll e n du st of i n dt h em e a s u r e sa n dm e t h o d sf o rr e d u c i n gp e d e s t r i a ni n j u r i e s ， a n d p r o v i d et h et h e o r yb a s i sf o rt h es t u d yo f p r o t e c t i v em e t h o d s a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e md i s c u s s e di nt h ep a p e r , t h ei m p a c tt h e o r yb a s e do n h e r t zr u l ei sa n a l y s e da n de x p a n d e dt oe n s u r et h a tc a nb eu s e dt os o l v e t h ei m p a c t p r o b l e mb e t w e e nab o l la n dal a r g ed e f l e c t i o np l a t e b a s e do na l lr e q u i r e m e n t so f e e v c am a t h m a t i cm o d e la n daf i l l i t ee l e m e n tm o d e la b o u tt h eh e a d f o r l t la n dt h e e n g i n eh o o da r eb u i l ta n dv a l i d a t e db yt h eh e a d f o r mi m p a e t o rt e s t s s i m u l a t e c a l c u l a t i o n ss h o wt h a tt h ef e am o d e la c h i e v e sg o o da g r e e m e n tw i t i lt h et e s tr e s u l t s t h ev a l u e so fh i ca r ec a l c u l a t e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sb ys i m u l a t i n gt h ei m p a c t b e t w e e nh e a da n de n g i n eh o o du s i n gb o t hm a t h e m a t i cm o d e la n df e am o d e lb u i l t a b o v e t h ef a c t o r si n f l u e n c eh i ca n dt h e i rm e a n st od om a ta r es u m m a r i z e dw h i c h i n c l u d et h ep o s i t i o no fi m p a c t ，t h et h i c k n e s so ft h eh o o d ，c u r v a t u r er a d i u so ft h e h o o d ，t h el e n g t ho ft h eh o o da n dt h em a t e r i a lo ft h eh o o da n ds oo n f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s e sa n dd i s c u s s e sa b o v e ，s o m en e w s t r u c t u r e so fh o o da n d n e ws a f e t ye q u i p m e n t sa r eg i v e nf o rr e d u c i n ga n dp e r v e r t i n gp e d e s t r i a nh e a di n j u r y i k e yw o r d s 】c o l l i s i o n ，i n j u r y , e p i d e m i o l o g i c a l ，m u l t i b o d yd y n a m i c s ，c o m p u t e r s i m u l a t i o n ，h e a d f o r m ，p r o t e c t i o n i r 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文字特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名触同期：乏塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名孵导师签名： 同期：! 壁! 1 2 武汉理上人学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 交通事故形态及乘员伤害研究的背景和意义 随着汽车工业及交通运输的飞速发展，世界各国汽车碰撞交通事故日益严 重。交通事故不仅威胁着人类的生命，同时也给人们带来诸如心理、精神、法 律诉讼等多方面的问题。道路交通事故已成为严重的全球性的社会问题。 道路交通事故是涉及千家万户且人人关注的社会问题。据有关报导表明， 自从有了机动车道路交通事故死亡记录以来，全世界死于道路交通事故的人数 已超过3 2 0 0 万，是箔一次世界大战死亡人数的两倍，比第二次世界大战死亡人 数的一半还多。到2 0 0 0 年，因道路交通事故受重伤而住院的人数每年达5 0 0 万人，受伤总人数达3 0 0 0 万人聊j 。 美国是汽车保有量最多的国家之一，在2 0 0 1 年，其交通事故死亡人数为 4 2 万人。据研究表明，全世界范围内每年因交通事故死亡人数为7 0 万人，受 伤人数为1 5 0 0 万人，其中5 0 0 万人需要住院治疗。 由此造成的巨大经济损失给千万个家庭带来的灾难以及残疾人口之增长引 发的社会问题已日渐严重。 全世界汽车保有量约6 亿多辆，我国仅占1 6 ，而每年死于交通事故的人 数却占全世界的1 9 。随着国民经济大幅度增长，我国汽车保有量迅猛增加( 图 1 1 ) ，但随之而来的道路交通事故也日趋严重。1 9 9 9 年，我国公安交通管理部 1 5 0 0 薜 k l o o o 缸 雀 婪 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 1 武汉理j 二大学博士学位论文 国道路交通情况，道路交通死亡人数及万车死亡率情况。由此可见，我国道路 交通事故次数及死亡人数仍呈逐年上升趋势，且上升幅度逐年增加，这种趋势 在随后几年中仍将持续。我国万车死亡率虽由1 9 9 5 年的6 8 1 降至2 0 0 1 年的 5 7 2 ，但与发达国家及许多发展中国家相比，仍然很高。表1 1 显示了我国及 声 、 一y t 、 - - o - 事故数( 万起) 、j -+ 死亡人数( 万人) + 万车死亡率( 人万辆) 1 9 9 51 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 92 0 0 02 0 0 l 图1 2 我国道路交通情况 其它国家事故数与死亡人数的比率，由此可看出，美国每2 8 起事故有1 人死亡， 德国2 1 6 起事故中有1 人死亡。而我国6 起事故中就有1 人死亡。因此，目前 我国已成为世界各国中道路交通事故死亡人数最多的国家。 表1 1 事故数与死亡人数之比率 l国家美国德国日本韩国中国 l l 事故数死亡人数 2 82 1 6 1 7 92 16 我国的道路交通具有人与车平均道路少、道路等级低、混合交通比例大等 特点，在我国每年6 0 多万起道路交通事故中，车内人员的死亡人数只占3 2 左右，而车外无防御能力的道路使用者( 包括摩托车、自行车、行人) 的死亡 人数占6 5 以上。因此，针对我国道路交通的特点，对汽车碰撞时车外无防御 能力的道路使用者的安全性及防护措施的研究尤为重要。 因此，开展对摩托车、自行车、行人与汽车碰撞的安全性和防护措施的研 究，有利于我国汽车、摩托车和自行车行业质量水平的提高，促进摩托车、自 行车、行人安全及防护措施的研究与开发，减小我国道路交通事故死亡人数和 死亡率，同时推进我国相关安全法规的健全。 1 2 国外研究概况分析 目前，无论是国外还是国内，对汽车碰撞及车内乘员伤害和保护的研究比 伯册如加加0 武汉理工大学博士学位论文 较普及，但对车外无防御能力的道路使用者( 摩托车、自行车、行人) 与汽车 碰撞之事故形态及其安全保护措施的研究相对较少。 1 2 1国外摩托车碰撞研究概况 欧美日等发达国家从上世纪七、八十年代开始就对摩托车被动安全性的研 究进行了关注。从7 0 年代起，在美国每年定期召开的s t a p p 汽车碰撞研究会上， 国际安全试验车( e s v ) 会议上及s a e 的一些文献中，有部分是涉及摩托车被 动安全性的研究，这些研究包括：基于统计数据制定的安全法规和试验规程标 准；针对摩托车碰撞安全的保护措施和装置( 如对摩托车驾驶者腿部的保护等) ； 摩托车被动安全研究中心试验装置的开发和计算机辅助手段的研究等。 摩托车被动安全的研究与汽车被动安全性的研究尽管在具体的问题上不尽 相同，但两者研究的目标是相似的，都是通过控制驾乘人员在碰撞后的运动抛 迹和能量耗散过程，以达到人体的最低伤害水平。如图1 3 所示为摩托车被动 安全研究体系的简图。 t 图1 3 摩托车被动安全的研究体系 从上图可以看出，与汽车安全问题相同，摩托车安全问题也可分解为三大 因素，即人、车和环境。这三个因素主要是从技术和工程的角度来综合考虑的 系统工程，而法规则是上述三个直接因素以外规范人的行动、规范车辆设计准 则并协调以上三者之间关系的因素，起着举足轻重的作用。所以，实际考虑中 的第四个因素法规的建立是一件细致而重要的工作。 欧洲国家为制定摩托车安全法规和摩托车被动安全试验规程，对现实碰撞 武汉理工大学博士学位论文 事故进行了整理和分类，以便以此为基础开展有针对性的深入的研究。碰撞类 型是事故分类的重要标准，通过大量碰撞事故案例，可以总结出主要的碰撞类 型，然后通过试验室模拟试验或计算机仿真，进行深入的研究。 因此，应联合国欧洲经济委员会车辆结构工作组( u n e c e w p 2 9 g r s g ) 的要求，i s o 组织中的道路车辆技术委员会摩托车分委员会下属的第2 2 工作组 ( t c 2 2 s c 2 2 w g 2 2 ) 曾用1 8 个月的时间在1 9 9 4 年4 月完成了1 s 0 1 3 2 3 2 摩 托车研究性碰撞试验规程的草案，该标准是基于摩托车事故分析数据库、与碰 撞事故相关的碰撞条件、试验假人、试验设备、测试参数、伤害指标和摩托车 碰撞计算机仿真等诸多因素而起草的【“。 德国的研究者们抽取了1 9 9 0 年以后的5 2 8 起摩托车( 排量大于5 0 m 1 ) 与 汽车之间碰撞的事故案例( 取样方式可以保证案例的代表性) 。数据中包含了事 故环境、骑乘人员的伤害状况、车辆的破坏程度等。碰撞类型是由事故发生时 的方式及事后的危害程度决定的，具体有三个标准，即摩托车的碰撞部位、被 撞车辆的碰撞部位、两者的碰撞角度。在第一轮的统计中，通过对各因素的单 独分类取得大致的结论：( a ) 汽车前角是碰撞发生概率最大的区域；( b ) 摩托 车前部是碰撞发生概率最大区域；( c ) 相向行驶时碰撞发生的概率很大。该统 计结果与我们实际生活中的经验相符合。进一步分析发现，事故发生的频率并 不能说明事故类型的严重程度，必须还要考虑摩托车驾乘人员的伤害程度和其 它后果。伤害评价指标用简明伤害等级a i s 例( a b b r e v i a t e di n j u r ys c a l e ) 表示， 此数值越大，所受的伤害程度就越大。从统计数据可知，正面碰撞最其潜在危 险性。为了更精细地考虑事故中人体不同部位的伤害情况，研究者们将伤害细 分为三部分考察( 头部、上肢及躯干、下肢) 。对于不同部位，不同碰撞类型所 引起的危害程度是不同的。另外，两车的速度( 汽车、摩托车) 也是描述事故 状况不可缺少的参数，图1 4 为碰撞时汽车、摩托车在各种速度范围时发生碰 撞事故的频次。由统计结果分析而知，摩托车的碰撞速度通常比汽车更快。 图1 4 各种速度下汽车摩托车碰撞的事故频次 1 9 9 8 年，瑞士的n i c h o l a sm 和美国的j o h nw - 等对1 s 0 1 3 2 3 2 规范中有关 武汉理工大学博士学位论文 摩托车乘员腿部保护装置进行了综合评价。日本汽车研究所的y n q i n gw a n g 和 m i n o ms a k u r a i 、曰本雅玛哈公司的i k u r a w a k i 和n o h a r a 等对摩托车与汽车、 固定物之间碰撞进行了计算机模拟和试验研究1 7 ”，开发出摩托车假人模型和相 应的碰撞响应特性，并对摩托车碰撞研究的发展提出了不少见解；美国加利福 尼亚大学的d e r w y rm 等对摩托车与汽车之间的碰撞进行了试验研究，寻求摩 托车驾乘人员的保护措施，减小人员的伤害。 关于摩托车骑乘人员保护装置国外一些研究者也相应进行了许多研究。对 摩托车来说，与汽车乘员不同，一般并不使用安全保护装置将摩托车骑乘人员 固定在摩托车上，因其主要损伤不是与摩托车本身碰撞的结果，而是与道路、 道路设施或其它车辆碰撞的结果。从而国外正在研制一护身安全服或背心气囊， 它在摩托车车手与相撞物体之间起到吸收冲击能量的作用。另外摩托车手在发 生事故时会从摩托车上跌落下来并与摩托车驾驶机构和结构元件碰撞，从而在 摩托车的结构设计上安装有弧形防护板、流线型导流罩、消声器和外露传动件 的防护罩等；另外，对其它道路设施和其它车辆装置如道路护栏、载货汽车两 侧的防护栅栏等都有专门的规定。 1 2 2 国外行人磋擅研究概况 欧美一些国家对汽车与行人碰撞及伤害的机理和行人的保护进行了一些研 究与分析。行人伤害主要发生在城市地区，各国行人伤害的数目十分巨大，因 此如何保护行人，减轻其在与车辆发生碰撞时的伤害程度已经逐渐成为各国汽 车安全性研究的新领域和焦点问题。美国国家高速公司交通安全管理局 ( n h t s a ) 于1 9 9 41 9 9 8 年开始实施行人碰撞数据研究计划( p c d s ) ；日本 汽车研究所( j a r j ) 分别于1 9 8 7 1 9 8 8 年以及1 9 9 41 9 9 8 年对行人碰撞数据 进行研究；德国汽车工业研究协会( a i r a ) 和联邦道路研究所( f r r i ) 在1 9 8 5 1 9 9 8 年间实施了一项称为g i d a s ( g e r m a ni n d e p t ha c c i d e n ts t u d y ) 的联合计 划研究行人碰撞事故。通过对事故数据的研究表明，大部分的行人碰撞事故是 行人与车身前部发生碰撞。大多数的严重伤害是因为行人与车辆的发动机罩、 挡风玻璃以及车顶发生的碰撞而造成的，而行人的头部、骨翁以及腿部则是受 到严重伤害最常见的部位。 欧洲试验车辆委员会( e e v c ) 早在2 0 世纪8 0 年代就在其“工作组1 0 ” ( w g l 0 ) 中开展了关于车辆“行人保护”的研究。通过广泛的事故调查，“工 作组1 0 ”在1 9 9 4 年作出的最终报告中提出了实行车辆行人保护碰撞试验的建 议。e e v c 则于1 9 9 7 年成立了“行人保护工作组1 7 ”( e e v cw g l 7 ) ，专门致 力于车辆关于行人碰撞保护方面的研究。该工作组提出了行人碰撞保护试验法 规“e u r on c a pp e d e s t r i a nt c s t i n gp r o t o c o l ”。该法规将于2 0 0 5 年起在欧盟 开始正式实施，成为欧盟新车评价强制性试验法规的一项重要内容。 武汉理工大学博士学位论文 e e v c 行人保护试验法规 9 9 1 采用子系统试验( s u b s y s t e mt e s t ) 的方法来评 价车身在行人碰撞保护方面的相关性能。该子系统采用单独的试验撞击器 ( i m p a c t o r ) 对车身前部进行碰撞试验。这些撞击器分别代表行人身体最容易 受到伤害的部位，并具有与行人相应身体部位类似的生物力学特性。这些撞击 器共分为成人和儿童头部撞击器( h e a d f o r mi n p a c t o r ) 、腿部撞击器( l e g f c r i l l i m p a c t o r ) 以及臀部撞击器( u p p e rl e g f o r m m p a e t o r ) 4 种撞击器，如图1 5 所 示。 图l 5e e v c 彳亍人保护子系统试验装置 这四种撞击器的具体的结构、材料和特性以及各传感器安装方法和位置等， 在e e v c 试验规范中进行了明确的规定。 利用行人碰撞假人或撞击器进行试验研究是行人安全性的基本方法，但该 方法必须浪费太多的人力、物力及时间。因此，许多研究者在进行部分试验研 究的基础上，利用计算机仿真技术、模拟行人碰撞的整个过程，并对碰撞过程 中人体及车辆各部分的运动相对运动进行分析计算。国外开展该方面研究较早， 利用m a d y m o 、p a m s a f e 等软件建立行人模型和车辆模型进行各种碰撞事 故的模拟，可以得到各种碰撞形态的数据。 亚洲国家对行人车辆的碰撞研究相应要晚一些。上世纪9 0 年代，日本交通 事故研究会曾对汽车撞行人时的碰撞机理进行过仿真研究，得出汽车撞行人的 一些碰撞响应特性。亚洲国家针对行人碰撞的研究主要参照欧洲试验车辆委员 会( e e v c ) 的有关法规进行。 由于日本和韩国都有相当数量的车辆进口到欧洲，因此欧洲联盟理事会通 知日本汽车制造商协会( j a m a ) 和韩国汽车制造商协会( k a m a ) ，要求日本 和韩国进口到欧洲的汽车必须执行欧洲作为提高乘用车行人碰撞保护能力的第 一步具体试验内容和指标，包括( 1 ) 儿童头部与车辆发动机罩的碰撞试验，在 6 武汉理工大学博士学位论文 此试验中，儿童头型( 3 5 4 k g 的冲击头) 以3 5 k m h 的撞击速度与车辆发动机 罩发生碰撞，根据头型上的加速度计时间历程而计算出来的头部性能指标 ( h p c ) 在2 3 的发动机罩试验区域内不得超过1 0 0 0 ，在1 3 的试验区域内不 得超过2 0 0 0 。( 2 ) 成人头部与车辆发动机罩的碰撞。在这试验中，成人头型( 4 8 奴 的冲击头) 以3 5 k m h 的撞击速度与车辆挡风玻璃发生碰撞，根据头型上的加 速度计时间历程而计算出来的头部性能指标( h p c ) 与可能的目标值1 0 0 0 进行 比较，该试验用于监测。( 3 ) 小腿腿型与保险杠的碰撞。该试验中，小腿腿型 与车辆之间以4 0 k m h 的速度发生碰撞，最大的动态膝盖弯曲角度不得超过2 1 0 。， 最大的动态膝盖剪切位移不得超过6 0 m m ，胫骨上端所测量的加速度不超过 2 0 0 9 。( 4 ) 臀部与车辆发动机罩前端边缘的碰撞。该试验中，臀部与车辆发动 机罩前端边缘之间以4 0 k m h 的速度发生碰撞。根据车辆的形状，臀部顶端到 底端所受到的相对于时间的冲击力瞬间总和记录下来，并与可能的目标值 5 0 k n 进行比较。同时测得臀部三个方向的弯曲力矩，并与可能的目标值 3 0 0 0 n m 进行比较，该试验用于监测。 因此，目前日本、韩国开始重视对行人碰撞和保护的研究，他们主要以欧 洲标准为基础，研究本国的行人碰撞的机理、伤害机理及保护措旄。 1 2 - 3 国外自行车碰撞研究概况 有关自行车碰撞伤害及保护的研究，相对于摩托车碰撞、行人碰撞来讲， 国外研究的较少。在欧美国家，自行车大多只是作为一种身体锻炼的工具，因 而发生的自行车碰撞事故较少，所以，在欧美国家对自行车碰撞及有关伤害的 研究较少。 而在亚洲很多国家，自行车大多作为一种交通工具，因而其产生的碰撞事 故和危害不亚于摩托车碰撞和行人碰撞。在人口众多的日本，自行车经常被作 为一种交通工具，特别是作为一些中小学生的交通工具，因此，上个世纪末开 始，日本汽车研究所和交通部门对自行车与汽车碰撞事故进行了一些分析和碰 撞机理、伤害机理及保护措施方面的研究，并将一些保护措施法规化，如中小 学生的自行车头盔等。另外，对自行车与汽车碰撞的过程进行了为数不多的计 算机模拟和分析。对此方面，其它国家相关研究的报道很少。 1 3 国内研究概况分析 我国针对汽车被动安全性研究起步比较晚，现在的研究大多集中在汽车碰 撞及车内乘员伤害和保护的研究上，而对摩托车、自行车、行人碰撞之事故形 态和保护措施的研究基本还处于起步阶段。从上个世纪末开始，国内一些医疗 机构的研究工作者对我国国内有关摩托车、自行车、行人的碰撞事故引起的伤 害进行了流行病学分析和研究，其主要目的是得到各类事故伤害的主要形式， 武汉理工大学博士学位论文 寻找尽量减少伤亡的救治方法。国内一些高校和科研机构如清华大学、吉林大 学、武汉理工大学、中国汽车技术研究中心等单位的研究者也逐步重视，对摩 托车、自行车、行人碰撞的事故形态及伤害保护方面进行一些初步的分析和讨 论，清华大学曾对国内某高速公路上发生的一起汽车撞行人的事故进行了再现 的模拟研究，吉林大学也曾对汽车与自行车碰撞时的碰撞速度的确定进行过分 析和讨论，中国汽车技术研究中心、武汉理工大学等也曾对汽车与摩托车、行 人碰撞的事故形态和伤害机理进行了初步理论分析，得出国内摩托车、行人碰 撞的一些碰撞特性。因此，在我国进行汽车碰撞安全性起步晚起点低的情况下， 进行摩托车、自行车、行人碰撞的研究少之又少。而事实上，针对我国实际的 混合交通现状，每年在我国所有的公路交通事故中，由摩托车、自行车、行人 碰撞事故造成的人员死亡人数占总人数的6 5 以上。因此，实际上在我国开展 摩托车、自行车、行人碰撞的事故形态及其伤害保护措旌的研究与汽车碰撞时 车内人员的安全性防护措施的研究同样重要。 1 4 主要研究目标和研究内容 1 4 1 研究目标 本课题主要针对我国公路交通状况的特点，对我国摩托车、自行车、行人 碰撞的事故形态进行深入地分析，得出摩托车、自行车、行人碰撞产生的机理、 特点及人员伤害的机理，并提出相应合适的防护措施。 1 4 2 主要研究内容 ( 1 ) 在我国道路交通模式下，对我国摩托车、自行车、行人碰撞事故的形 态进行分析和讨论，得出摩托车、自行车、行人碰撞的事故特征，得出影响人 员伤害的主要因素； ( 2 ) 利用多刚体动力学方法，对行人一汽车碰撞的形式和机理进行理论分 析，建立行人模型和车辆模型，并利用m a d y m 0 软件对碰撞过程进行模拟仿 真，分析仿真过程中影响人体伤害的主要因素； ( 3 ) 对行人与汽车碰撞中伤害的主要部位进行具体建模和仿真，并从汽车 结构方面分析影响伤害的主要因素，最后提出合适的保护措施。 ( 4 ) 对摩托车、自行车、行人碰撞的进一步研究提出展望。 武汉理工大学博士学位论文 第2 章溢撞事故损伤流行病学 随着汽车保有量的剧烈增加，交通事故也频繁不断，从而一门新兴的交叉 学科“交通事故损伤流行病学”( t r a f f i ca c c i d e mi n j u r ye p i d e m i o l o g y ) 应 运而生，它是利用流行病学的研究方法来帮助分析交通事故引起的人体损伤的 原因及探索其预防措施的一门学科。 交通事故损伤流行病学主要分析研究在道路车辆事故中人员伤害发生的原 因及类型，研究人的因素、环境因素和工程技术的因素，探索和利用各种方法 来评价在交通事故伤害防护的过程中所采取的各种降低人员伤害措施的有效 性。在我国，摩托车、自行车、行人与汽车碰撞事故中人员的伤害比较普遍和 严重，对这类碰撞中人员防护措施和方法的最客观的评价必须基于对现实中汽 车与摩托车、自行车、行人碰撞事故的调查与分析。 2 1 损伤监测系统与事故数据分析 交通事故损伤流行病学研究的基础是可靠的交通事故数据，这些数据应该 是经过交通管理部门、医院、保险公司、汽车制造厂和相关的权威机构收集得 来的。世晃上主要的公路交通发达国家都建立了自己的交通事故损伤监测系统， 这些系统依据统计学的方法，按照使用的要求收集各类交通事故的详细数据， 形成了各种可供分析使用的数据库系统，为交通损伤流行病学的研究提供了基 础。 美国是交通事故损伤监测系统是完善的国家之一，已建立了完整的交通事 故数据库。最有名的例子是美国的汽车耐撞性数据库系统c d s ( c r a s h w o r t h i n e s s d a t as y s t e m ) 。该系统是美国国家事故样本系统n a s s ( n a t i o n a la u t o m o t i v e s a m p l i n gs y s t e m ) 中的一部分，c d s 从1 9 7 9 年开始收集交通事故的数据，工 作人员包括分布在全国各地几十个点的事故调查小组，每一个点收集的数据包 括载人车辆、轻型卡车和客货两用车的碰撞事故。除此而外，各个点的事故调 查小组还完成所在地区典型事故的分析。目前，c d s 每年要以这种方式调查大 约7 0 0 0 件碰撞事故。c d s 的主要特点在于它的样本设计，它的数据可以作为 事故现场的一种可信表达，并以电子方式出版，其中很多详细的例子可供分析 使用。美国的另一个重要数据库是全美死亡事故报告系统f a r s ( f a t a l a c c i d e n t r e p o r t i n gs y s t e m ) ，该数据库包括自1 9 7 5 年以来美国各州收集的所有汽车碰撞 致死的事故。f a r s 的数据源包括警察的事故记录，事故车辆的注册文件，重 要的统计数据和法医的报告等，是一个数据规范性和可靠性都很高的事故数据 9 武汉理工大学博士学位论文 源，也是目前美国交通损伤流行病学研究的重要基础。 出于警察的职责和工作范围决定了他们所收集的信息对于事故损伤流行病 学研究来说是十分有限的，有很多最宝贵的数据会在现场丢失。因此，很多国 家还成立了在事故现场进行调查的专门小组进行所谓“深入( i n - d e p t h ) 分析”。 这种小组通常是由3 - 4 人组成的多学科工作组，有工程师、医疗专家或社会行 为专家。他们用专门的仪器设备尽可能详细地记录事故现场，进行一些专项或 有代表性事故数据的收集与分析。例如，于1 9 8 3 年开始工作的英国联合碰撞损 伤研究( c c i s ) 就是欧洲主要的碰撞事故深入调查的数据提供组织之一。该组 织由英国政府和汽车制造商组成的一个集团资助，归国家交通研究实验室具体 管理。成员分为3 个小组，分别来自于l o u g h b o r o u g h 大学、伯明翰大学和车辆 检查部门，每个大约分析1 6 0 0 辆事故车辆。目前c c l s 数据库中有超过1 3 0 0 0 起事故车辆、2 1 0 0 0 名乘客和6 8 0 0 0 个损伤的数据。a i h ( t h ea c c i d e n t i n v e s t i g a t i o no f h a n n o v e r ) 由德国联邦高速公路研究院( b a s t ) 牵头，1 9 7 3 年 开始工作。从1 9 8 5 年起，所有a i h 组织收集的数据都用统计学样本系统整理， 并进入数据库。a i h 调查的方式是一旦事故发生，一个由医生和工程技术人员 组成的调查小组立即乘坐安装有特殊设备的专用汽车赶到事故现场，该小组记 录下碰撞车辆的损坏情况、驾驶室变形和碰撞的特征、乘员身体上的碰撞部位、 损伤及约束系统的使用情况等，并通过对现场的摄像、测量和事故痕迹的分析， 对碰撞过程中车辆和乘客的运动情况进行事故重现。所有的损伤都仔细记录在 案，并按a i s 损伤等级和损伤的部位分类。由于事故取样方法可靠，该库的数 据可以作为事故陈述的一种有效表达。库中有超过1 0 0 0 0 起交通事故、1 5 0 0 0 起事故受伤者及6 0 0 0 0 个损伤方面的数据。 事故损伤数据的完整性也是影响损伤流行病学研究的一个重要因素。例如 荷兰的v o r ( 警察交通数据) 中关于死亡交通事故数据的完整性是1 0 0 ，也 就是说警察对每一个发生了死亡的交通事故的记录是完整的。然而关于乘员损 伤的数据就相差很多。1 9 8 6 年8 月至1 9 8 7 年6 月间，荷兰迸行了一次范围广 泛的调查，其目的是确定在交通事故和一些其他事故中损伤的人员，以评估国 家损伤监测系统的完整性，通过对2 5 万个家庭的电话查询发现仅有四分之一 需要在医院治疗的事故受伤者出现在警察的事故数据中，而那些没有在医院接 收治疗的受伤者仅有1 2 出现在警察的事故数据中。要想解决事故数据完整性 的不够，除了改进采集数据的方法外，还应考虑范围更加广泛的数据源，如保 险公司和医院的数据库等，并将这些数据库与警察和国家权威机构的数据库连 成一体，才能为交通事故流行病学的研究提供全面可靠的数据基础。 用科学的方法分析交通事故数据，从而对安全防护系统的有效性做出评价 是损伤流行病学研究的重要内容之一。早期的机动车辆事故损伤流行病学的研 究集中在对汽车车身安全性的评估上，包括吸能方向盘和转向柱系统、防穿透 1 0 武汉理t 大学博士学位论文 的挡风玻璃、车门内的防护梁等。第一个关于三点式安全带防护效果的研究是 瑞典人b o h l i n 完成的，随后其他人进行了在量关于早期安全装置防护效果评估 方面的研究。然而，由于所用数据和使用方法不同，得到的结果差别较大。8 0 年代中期，在交通事故流行病学的分析中引入了更加精确的统计学方法，使这 一领域的研究向前迈进了一大步。尤其是e v a n s 创造了配对比较法( d o u b l ep a i r c o m p a r i s o n ) ，可以将事故众多因素中某一因素的作用相对独立出来，使人们有 可能对使用某种约束系统的有效性作出比较准确可靠的评价。确定三点式安全 带对死亡事故防护的有效性是配对比较法的第一次成功应用，e v a n s 基于f a r s 的数据计算出安全带对汽车前排就座乘员死亡防护的有效性为( 4 1 4 ) ，对 r f p 为( 3 9 4 ) ，总的防护有效率为4 3 。而n h t s a 和其他人通过对大 量统计数据进行分析得到的结论为4 0 5 0 。e v a n s 还将汽车乘员所坐的位置 和碰撞的方向作为变量来评价约束系统的有效性等。 配对比较法将可靠的伤亡数据既与两组乘员在两种条件下( 如有约束或无 约束) 进行比较，也将其与驾车人和乘员、被抛出车外和没有抛出车外的乘员 进行比较。在这里，一组乘员和数据是作为一组乘员在一个实际碰撞事故环境 下的参照，从而使研究对象的伤亡频度得以规格化，并得到了充分的显露，使 约束系统有效性评价的基础一致起来。例如，对前排右座乘员( r f p ) 在交通 事故中使用安全带防止死亡的有效性进行评价。用配对比较法的步骤是：假设 每台事故车前排都有两个乘员( 司机和乘客) ，在发生的事故中每台车至少死亡 了一名乘员。现将事故分为两组，第一组都是由佩戴安全带的乘客和未佩戴安 全带的司机组成，计算出有约束乘客与无约束的司机伤亡率之比。第二组是由 都未佩戴安全带的乘客和司机所组成，同样也可以计算出无约束司机伤亡率之 比。用第二组的比值去除第一组的比值，得出在实际交通事故中有约束乘客和 无约束乘客死亡的可能性。进一步就可以算出安全带在防护死亡事故发生方面 的有效性。 e v a n s 还将这一方法扩展到研究酒后驾车、乘员年龄、乘员所坐的位置和 发生碰撞的方向与致死危险性的关系。这一方法的变异方法被p a r t y k a 和其他 人用于确定后背式腰带及儿童座椅的安全性研究。如果用于分析的数据可靠性、 全面性能够满足需要，并且符合配对比较法的假设的话，这种方法已经可以用 于对影响碰撞损伤的各种因素进行精确的定量分析。值得一提的是e v a n s 也对 司机位和乘客位安全囊系统防护效率做过分析，该分析推论气囊作为仅有的防 护系统在减少死亡方面的效率为：未佩戴安全带司机( 1 8 4 ) ，未佩戴安全 带乘客( 1 3 4 ) 。这一结果与另一学者w i l s o n l 9 7 3 年对气囊潜在能力的判 断相当一致。 武汉理工大学博士学位论文 2 2 损伤评估标准和体系 损伤的评估标准和尺度是损伤流行病学研究的重要基础概念，主要用来区 别和衡量事故中人体损伤程度( s e v e f i t y ) ，也可以称为损伤尺度和指标( s c a l i n g ) 。 损伤尺度或指标可以从力学和生理学的角度定义为生理学或解剖学意义上的使 人体功能丧失或解剖结构损坏方面的量，也可以定义为生理学和与之相关的社 会学意义方面的量。与损伤程度密切相关的另一个量称为损伤标准( i n j u r y c r i t e r i o n ) ，它呈现为一些物理参数或者其函数定义，这些参数常常反映了引起 某一程度损伤发生的损伤力学因素。如身体某部分的线性加速度或角加速度， 作用于人体的合力或力矩，或者是由这些力而导致的变形等。人体或人体的某 一部分对损伤载荷的承受能力称为耐受度( t o l e r a n c e ) ，它定义为导致某种类型 损伤发生或达到某种损伤标准的阈值时的载荷大小，或者是由这种载荷换算出 来的量。应该注意到，不同年龄和不同个体之间耐受度的差别是很大的，一般 只能用试验和统计学的方法来确定。 上述各种术语，不仅可以用于人的活体，而且可以用于入的生物学替代物， 如试验用的人类尸体、动物，甚至是机械式假人等。 损伤程度可以有多种定义方法，这些方法大体上可以分为三类：解剖学 尺度；以损伤发生的解剖学位置、类型和损伤的程度来描述，它仅仅考虑损伤 处本身及相关的功能改变。社会学尺度：不仅考虑到损伤处本身和功能的改 变，而且还考虑到因损伤而导致的长期影响，包括治疗费用、伤者的生活质量 等。生理学尺度：主要考虑损伤导致人体生理学变化的过程，在医学临床治 疗中使用较多，如g c s ( g l a s g o w c o m a s t a l e ) 等。 简明伤害等级a i s ( a b b r e v i a