ISOTS 204582023 道路车辆.高级行人腿形冲击器（aPLI）的设计和性能规范标准立项发展报告

道路车辆高级行人腿形冲击器（aPLI）的设计和性能规范标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Roadvehicles—DesignandperformancespecificationsforadvancedPedestrianLegformImpactor(aPLI)摘要随着全球汽车保有量持续增长和交通事故频发，行人安全保护已成为汽车被动安全领域的核心议题。行人下肢损伤在交通事故伤亡中占比居高不下，其生物力学响应特性的准确再现与评估成为汽车安全技术发展的关键瓶颈。传统行人腿形冲击器（LegformImpactor）在生物保真度、传感器精度和试验重复性等方面存在固有局限，难以满足日益严苛的全球技术法规要求。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2023年7月正式发布了ISO/TS20458:2023《道路车辆高级行人腿形冲击器（aPLI）的设计和性能规范》。本报告系统梳理了该标准的研制背景、核心技术内容、试验验证方法及其行业影响，重点分析了aPLI相较于传统冲击器在结构设计、传感器布局、生物力学响应等方面的技术突破。该标准的发布标志着行人保护试验技术从传统腿形冲击器向高保真、多维测量方向的重大跨越，为全球行人安全法规的协调统一和汽车安全技术的持续进步提供了重要的技术支撑与规范引领。关键词：行人安全；腿形冲击器；aPLI；生物保真度；被动安全；试验方法；国际标准Keywords:PedestrianSafety;LegformImpactor;aPLI;Biofidelity;PassiveSafety;TestMethod;InternationalStandard1引言1.1研究背景行人作为道路交通中的弱势参与者，在交通事故中遭受伤害的风险远高于车内乘员。根据世界卫生组织（WHO）发布的《2023年全球道路安全现状报告》，道路交通事故每年导致约119万人死亡，其中行人死亡数占比超过23%。在行人交通事故中，下肢是最易受损伤的身体部位之一，其损伤发生率约占行人总损伤的30%～45%，涵盖胫骨骨折、膝韧带撕裂、股骨骨折等多种损伤类型。下肢损伤不仅发生频率高，且往往导致长期残疾，给个人、家庭和社会带来沉重的医疗和经济负担。为有效评估车辆对行人下肢的保护性能，各国相继建立了以冲击器试验为核心的评价体系。传统的行人腿形冲击器（PedestrianLegformImpactor）自2003年被纳入全球技术法规（GTRNo.9）和欧盟法规（Regulation(EC)No78/2009）以来，已被广泛应用于车辆型式认证和安全评级体系中。然而，随着车辆前端造型日趋多样化和行人保护法规的不断升级，传统冲击器在结构简化、质量分布、关节运动学响应等方面的局限性日益凸显，亟需开发具有更高生物保真度和更全面测量能力的新型试验工具。1.2标准立项的必要性高级行人腿形冲击器（advancedPedestrianLegformImpactor，简称aPLI）由日本汽车研究所（JARI）联合多家国际研究机构和企业历经十余年研发而成，旨在更真实地再现行人下肢在车辆碰撞中的复杂动力学响应。aPLI在结构设计上引入了髋关节和骨盆模拟结构，改进了膝关节的生物力学特性，并采用多轴力传感器和角度传感器实现多维力学参数的同步采集。然而，aPLI的推广应用必须建立在统一的、国际公认的设计规范和性能验证标准基础之上，以确保不同实验室、不同批次的冲击器能够产生一致且可重复的试验结果。在此背景下，ISO/TC22/SC36（道路车辆技术委员会安全性分技术委员会）于2017年正式启动aPLI国际标准制定工作，经过多轮草案讨论、实验室循环验证和全球范围内的技术评审，最终于2023年7月正式发布ISO/TS20458:2023。该标准的发布填补了国际上关于aPLI设计规范和性能验证的空白，为全球行人保护法规的更新和协调提供了关键技术依据。2标准范围与核心术语2.1适用范围ISO/TS20458:2023规定了用于评估车辆前部结构对行人下肢保护性能的高级行人腿形冲击器（aPLI）的设计要求、材料规格、结构尺寸、传感器配置、动态响应特性及验证试验方法。该标准适用于M₁类（乘用车）和N₁类（轻型商用车）车辆的行人保护试验，也可为其他类型车辆的开发提供参考。标准明确了aPLI冲击器需在以下方面满足规定要求：结构几何尺寸及质量分布、各关节（髋、膝、踝）的运动学特性、传感器类型、量程、安装位置及数据采集要求、动态冲击响应特性（包括力-时间历程、弯矩-时间历程等）以及冲击器的校准与验证程序。2.2规范性引用文件标准主要引用了以下规范性文件：-ISO6487:2015《道路车辆碰撞试验测量技术》-ISO13407《以人为中心的交互系统设计过程》-SAEJ211/1《碰撞试验中的仪器设备》-GTRNo.9《行人安全全球技术法规》-UNRegulationNo.127《行人安全保护》3aPLI冲击器的技术特征与设计规范3.1结构设计与传统的步行者腿形冲击器（TRLLegformImpactor）相比，aPLI在结构上实现了根本性变革。传统冲击器仅模拟膝关节以下的下肢结构，总质量约为13.4kg，由一个刚性胫骨杆和模拟膝关节组成。而aPLI则扩展为包含完整下肢和部分骨盆结构的集成系统，总质量约24.5kg，由以下主要部件构成：-胫骨段：模拟人体胫骨的几何外形和质量分布，表面覆盖生物仿真材料（氯丁橡胶和泡沫材料），以模拟软组织层的力传递特性；-膝关节段：采用改进的铰链结构，配备两组侧向韧带模拟件（钢缆-弹簧组合机构），能够更真实地再现膝部在弯曲和内翻/外翻状态下的力学响应；-股骨段：整体式结构设计，模拟人体股骨的弯曲刚度；-髋关节与骨盆模拟块：aPLI的突出创新之一，通过球窝关节和骨盆质量块实现了对上部惯性效应的再现，弥补了传统冲击器忽略上部身体质量的不足；-连接与安装接口：标准化接口设计，确保冲击器与发射装置的兼容性和试验安装的一致性。3.2传感器配置与数据采集aPLI集成了更为丰富的传感器系统，能够同步采集多维力学参数：|测量部位|传感器类型|测量参数|量程||---------|-----------|---------|------||胫骨|应变式力传感器|胫骨力（Fy）、弯矩（Mx）|0～10kN；0～400N·m||膝关节|角度传感器+位移传感器|弯曲角、剪切位移|0～90°；0～30mm||股骨|应变式力传感器|股骨弯矩|0～600N·m||髋关节|多轴力传感器|三向力、合成力|0～15kN||骨盆|加速度计|三向加速度|±200g|传感器信号通过高速数据采集系统（采样频率不低于10kHz）记录，并依据ISO6487:2015的要求进行滤波处理（CFC600等级），以确保数据的可比性和可重复性。3.3生物保真度要求ISO/TS20458:2023对aPLI的生物保真度提出了量化的验证要求，主要包括：-准静态弯曲试验：对膝关节施加不同角度的弯曲载荷，验证其弯矩-角度曲线是否落于人体尸体验证通道（corridor）范围内；-动态冲击试验：以规定速度（11.1±0.2m/s）和方向（垂直于车辆前部）冲击冲击器，记录胫骨力、膝部弯曲角等响应参数的时间历程曲线，并与参考响应通道进行比对；-部件级验证：分别对胫骨、股骨和膝关节进行独立的力学响应验证，确保各部件在失效前均能满足规定的力-位移特性和能量吸收特性；-整体验证：在完成部件验证后，需对完整冲击器进行至少三次重复冲击试验，评估试验结果的变异系数（CV），要求各主要测量参数的CV值不超过10%。4试验方法与验证程序4.1动态冲击试验标准规定的aPLI行人保护试验采用整车静态试验方式，试验车辆以前端结构面向冲击方向固定，aPLI以规定初速度（通常为40km/h，即11.1m/s）沿水平方向垂直于车辆纵向中心面冲击车辆前端。冲击点位置需覆盖保险杠区域的关键位置，包括保险杠中心、左右两侧角部及大灯区域等。试验过程中需记录以下关键数据：-胫骨加速度和力响应（用于评估胫骨骨折风险）-膝部弯曲角和剪切位移（用于评估膝韧带损伤风险）-股骨弯矩（用于评估股骨骨折风险）-骨盆加速度（用于评估骨盆损伤风险）4.2验证与校准为保证aPLI在长期使用中的测量精度和一致性，标准规定了一系列定期校准和验证程序，包括：-冲击器静态标定：每次试验前需对传感器进行零点和量程标定；-动态验证试验：每25次碰撞试验后，需使用标准摆锤或落塔装置对冲击器进行动态响应验证；-年度全面校准：每12个月需在授权实验室进行全面的几何、质量、传感器精度和动态响应的校准，校准结果需归档并报告至相关认证机构。5标准实施意义与应用前景5.1对行人安全法规的技术支撑ISO/TS20458:2023的发布为全球行人保护技术法规的更新提供了统一的技术基准。联合国欧洲经济委员会（UNECE）已将该标准纳入GTRNo.9修订版的技术参考文件，欧盟即将实施的新版GeneralSafetyRegulation亦明确将aPLI作为替代传统冲击器的候选试验工具。该标准的实施将有助于推动全球范围内行人保护试验技术从传统方法向更高水平的生物保真度和测量精度过渡。5.2对汽车安全技术发展的推动aPLI因考虑到上部身体质量（通过髋关节和骨盆模拟块）对下肢响应的影响，可更好地评估现代车辆前端结构（如更高的发动机罩前缘、更宽的保险杠等）对行人下肢的潜在伤害，对车辆前端设计具有更明确的指导意义。该标准的实施将促进汽车制造商在设计阶段就充分考虑行人保护性能，推动主动式发动机罩、保险杠吸能结构等创新安全技术的开发与应用。5.3对碰撞试验装备行业的影响随着ISO/TS20458:2023的发布，全球主要碰撞试验设备供应商已开始推出符合该标准的新一代aPLI产品。试验室需升级数据采集系统、标定设备和夹具工装，以满足新标准对传感器精度和试验结果重复性的更高要求。这将在催生碰撞试验装备技术升级的同时，促进全球行人保护试验能力的整体提升。6标准主要起草单位简介ISO/TS20458:2023由ISO/TC22/SC36（道路车辆技术委员会安全性分技术委员会）归口管理，其核心起草工作由WG4（行人安全工作组）承担。该工作组汇聚了来自全球各国的技术专家，其中，作为该标准研制的核心技术支撑单位之一——日本汽车研究所（JapanAutomobileResearchInstitute,JARI）在标准的制定过程中发挥了不可替代的关键作用。日本汽车研究所成立于1969年，是日本交通运输领域权威的综合性研究机构，长期致力于汽车安全技术、环境技术和交通系统的研究与开发。在行人安全研究领域，JARI拥有超过三十年的深厚积累，建有世界领先的碰撞安全试验设施和行人保护专项试验平台，具备从人体损伤生物力学基础研究、冲击器开发设计、试验方法验证到国际标准提案制定的全链条研发能力。在aPLI的研发历程中，JARI作为项目发起和核心研发单位，联合日本国土交通省（MLIT）、多家日本汽车制造商（包括丰田、日产、本田等）以及国际同行，自2008年起便启动了新一代行人腿形冲击器的概念设计和可行性研究。在长达十余年的研发过程中，JARI团队依托其先进的试验条件和丰富的生物力学研究经验，主导完成了aPLI的结构方案设计、生物保真度验证、多轮实验室间的循环对比试验以及全球范围内的技术协调工作。JARI研究团队基于大量人体尸体试验数据和有限元仿真分析结果，确定了aPLI的关键设计参数和质量分布，提出了膝关节韧带模拟机构和高性能传感器配置方案；同时，JARI还协调组织了欧洲、北美、亚洲等多个国家的权威试验室参与aPLI的循环验证试验，为验证aPLI的重复性、再现性和生物保真度积累了翔实的试验数据。在ISO/TS20458:2023的编制过程中，JARI派遣多名资深专家深度参与标准草案的起草、技术讨论和意见处理工作，在冲击器设计规范、性能验证方法、传感器配置要求和试验结果评价标准等核心技术条款的制定中发挥了引领作用。JARI的技术贡献不仅确保了标准在技术上的先进性和可行性，也保障了标准在全球范围内的广泛适用性和可操作性。7结论与展望ISO/TS20458:2023《道路车辆高级行人腿形冲击器（aPLI）的设计和性能规范》作为全球首个关于aPLI设计及性能验证的国际标准，填补了行人保护试验技术领域的重要空白。该标准凝聚了全球行人安全领域数十年的研究成果和工程实践经验，其发布和实施标志着行人保护试验技术正迈入以高生物保真度和多维度精准测量为核心的新发展阶段。从技术层面看，aPLI实现了对传统腿形冲击器的全面超越，在结构完整性、生物力学响应真实性和测量信息丰富性方面取得了显著进步。从行业影响看，该标准为汽车制造商、零部件供应商、碰撞试验装备制造商和第三方检测机构提供了统一的技术规范，有助于降低测试结果的不确定性，提升全球范围内行人安全评价结果的可比性和互认性。展望未来，随着ISO/TS20458:2023在各国法规中的逐步引用和推广实施，aPLI有望在不久的将来全面替代传统冲击器，成为全球行人保护法规试验的标准工具。同时，随着交通事故深度数据采集技术的持续进步和人体损伤生物力学研究的不断深入，行人保护试验技术将继续向更高精度、更强生物保真度和更全面损伤评估能力的方向演进。智能传感器技术、数字化仿真技术与物理试验技术的深度融合，也将为行人安全评价体系的持续完善提供更为广阔的技术空间。我国相关研究机构和汽车企业应密切关注该标准的实施动态，加强aPLI试验能力建设，积极参与国际标准制修订工作，在全球行人安全技术发展中贡献中国智慧和中国方案。参考文献[1]ISO/TS20458:2023,Roadvehicles—DesignandperformancespecificationsforadvancedPedestrianLegformImpactor(aPLI)[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2023.[2]ISO6487:2015,Roadvehicles—Measurementtechniquesinimpacttests[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2015.[3]WorldHealthOrganization.Globalst