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)摘要行人安全防护是汽车被动安全技术领域的核心议题，而行人腿部损伤评估工具的准确性直接决定了车辆安全设计的有效性与法规测试的可靠性。随着全球各主要汽车市场行人保护法规的持续加严，传统行人腿形冲击器（PedestrianLegformImpactor,FlexPLI）在生物fidelity（生物仿真度）、损伤指标相关性及测试重复性等方面已逐渐显现局限性，无法充分反映真实行人碰撞事故中下肢损伤的复杂机制。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2023年7月正式发布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》，该技术规范为新一代行人腿部冲击试验装置——高级行人腿形冲击器（advancedPedestrianLegformImpactor,aPLI）提供了统一的设计基准、性能要求和验证方法。本报告系统梳理了该标准的立项背景、核心技术指标、国际协调意义及产业应用前景，重点分析了其主要起草单位——日本汽车研究所（JARI）在标准研制中的技术贡献，并对该标准在全球行人保护法规协调、车辆安全技术升级和第三方检测能力建设等方面的深远影响进行了展望。关键词：行人保护；腿形冲击器；aPLI；ISO/TS20458；汽车安全；碰撞测试；生物仿真度；法规协调Keywords:PedestrianProtection;LegformImpactor;aPLI;ISO/TS20458;VehicleSafety;CrashTesting;Biofidelity;RegulatoryHarmonization1引言1.1行人安全的全球挑战行人作为道路交通中的弱势群体，其安全防护问题长期受到全球各国的高度关注。世界卫生组织（WHO）发布的《全球道路安全现状报告》指出，全球每年约有120余万人死于道路交通事故，其中行人占死亡总数的23%左右。在城市化进程不断加快的背景下，行人安全问题愈发突出，已成为公共健康领域的重大挑战之一。在车辆与行人碰撞事故中，下肢损伤（尤其是膝部和小腿损伤）是最常见的伤害类型，约占行人非致命伤害的60%以上。行人下肢损伤不仅发生频率高，而且往往导致长期功能障碍，给个人、家庭和社会带来沉重的医疗负担和经济损失。因此，有效评估和降低车辆对行人下肢的伤害风险，成为汽车安全技术研发和法规制定的重要方向。1.2行人腿部冲击试验装置的演进历程行人保护法规的落地和实施离不开标准化测试工具的支撑。自20世纪90年代末期以来，行人腿部冲击试验装置经历了从早期刚性冲击器（TRLLegform）向柔性冲击器（FlexPLI）的演变过程。早期TRL腿形冲击器由英国交通研究实验室（TRL）开发，曾被纳入2003年版欧盟指令（2003/102/EC）和GlobalTechnicalRegulationNo.9（GTRNo.9）中。TRL冲击器采用刚性结构设计，主要测量胫骨加速度和膝关节弯曲角度。尽管该装置在行人保护法规初期阶段发挥了重要作用，但其刚性的结构设计使其生物仿真度有限，在动态响应特性上与真实人体下肢存在较大差异。FlexPLI柔性冲击器由日本汽车研究所（JARI）主导开发，并于2010年代被纳入联合国欧洲经济委员会（UNECE）法规体系（如R127）及GTRNo.9修订版中。FlexPLI采用了更接近人体下肢解剖结构的柔性设计，能够测量膝部韧带伸长量（MCL、ACL、PCL）和胫骨弯矩等多维度损伤参数，显著提升了测试的生物保真度。然而，随着世界各国碰撞安全法规的不断加严和车辆前端结构设计日趋复杂，FlexPLI在测试中也暴露出若干不足：-对损伤机制的表征存在局限：FlexPLI在膝部弯曲和剪切响应的耦合方面与真实人体仍有差距，对上胫骨骨折等特定损伤模式的预测精度不足；-对新型车辆前端结构的适应性欠佳：SUV、MPV等高大车型的普及使得碰撞接触几何发生变化，传统冲击器的响应特性不能充分反映实际事故中行人与车辆不同高度结构的交互；-测试可重复性和复现性有待提升：不同实验室间使用FlexPLI进行同一车型测试时，出现了一定程度的离散性。上述问题的存在催生了对新一代行人腿部冲击试验装置的迫切需求，高级行人腿形冲击器（aPLI）在此背景下应运而生。1.3国际标准化组织介入的必要性鉴于aPLI作为新一代行人保护测试工具的重要性和广泛适用性，其设计规范和性能要求的统一化、标准化成为国际共识。国际标准化组织（ISO）作为全球最权威的标准化机构之一，其下设的ISO/TC22/SC36（道路车辆—安全标准分技术委员会）长期致力于汽车被动安全测试设备的标准化工作。由ISO牵头制定aPLI的统一国际标准，有利于：1.消除技术壁垒：统一各法规体系（UNECE、FMVSS、中国GB等）对测试设备的技术要求；2.保障测试结果的可比性：使全球各检测机构和汽车制造商在统一标准下进行测试，确保结果的一致性和可比性；3.推动技术进步：通过标准化的技术框架引导aPLI技术的持续优化和完善。在此背景下，ISO/TS20458:2023应运而生，标志着全球行人保护测试技术进入了一个新的阶段。2标准概述2.1标准基本信息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》由国际标准化组织（ISO）于2023年7月26日正式发布。该标准属于技术规范（TechnicalSpecification,TS）类型，而非国际标准（InternationalStandard,IS），这一选择体现了标准制定机构对技术成熟度和市场应用阶段的审慎考量——既为产业界提供及时的技术指引，又保留了后续根据应用反馈进一步修订完善的灵活性。标准的技术归口单位为ISO/TC22/SC36（道路车辆技术委员会安全分技术委员会）。该分技术委员会负责道路车辆安全领域的标准化工作，涵盖乘员保护、行人保护、碰撞试验方法及测试设备等多个方向。2.2标准定位与技术范畴ISO/TS20458:2023的核心内容涵盖以下技术范畴：-aPLI的结构设计规范：包括冲击器的整体几何尺寸、质量分布、各部件连接方式及材料性能要求；-传感器配置与测量通道：规定加速度传感器、位移传感器及力传感器的安装位置、量程和技术指标；-动态响应性能要求：规定在不同冲击速度、不同冲击方向条件下冲击器的动态响应特性（包括力-时间历程、弯矩-时间历程、韧带伸长量-时间历程等）；-标定与验证方法：定义了确保冲击器长期稳定性和测试结果一致性的标定程序和接受准则；-环境适应性要求：包括温度、湿度等环境条件对冲击器性能影响的控制要求。2.3标准的意义与预期目标通过建立统一的技术规范，ISO/TS20458:2023为全球范围内的以下活动提供了技术依据：1.汽车制造商：在新车型开发阶段，可利用符合ISO/TS20458标准的aPLI进行行人保护性能的仿真优化和试验验证，从而在产品设计早期阶段有效控制行人碰撞安全风险；2.检测机构和技术服务机构：可依据该标准建立aPLI的标定和测试能力，为整车企业提供合规性检测服务，并为各国政府实施市场监督提供技术支撑；3.法规制定机构：可在该标准的技术框架基础上制定或修订全球统一的aPLI测试法规，推动实现不同市场间测试方法的协调统一；4.科研机构：可在标准规定的基准条件下开展深入的碰撞生物力学研究，探索更精确的损伤预测模型和防护策略。3标准核心技术内容3.1aPLI的结构设计特征相较于上一代FlexPLI，aPLI在结构设计上实现了显著的改进和升级。aPLI的设计目标在于更真实地再现行人与车辆碰撞过程中下肢的复杂动力学响应。其设计特征可从以下三个维度进行解析。3.1.1解剖学结构仿真的深化aPLI在结构上更加精细地模拟了人体下肢的解剖学结构。在膝部区域，aPLI不仅保留了FlexPLI中已实现的MCL（内侧副韧带）、ACL（前交叉韧带）和PCL（后交叉韧带）的独立模拟结构，还增加了对膝关节在前后方向和内外翻方向上的运动学约束精细调控，从而更精确地模拟膝部在复杂载荷条件下的多自由度响应。在胫骨和股骨部分，aPLI采用了分段式设计，各段之间通过具有非线性力学特性的连接件装配，等效再现骨骼的弯曲刚度和断裂特性。相较于FlexPLI较为简化的胫骨结构，aPLI的分段设计使其在承受不同位置和方向冲击时，能够产生更接近真实人体骨骼的变形模式和弯矩分布。3.1.2质量分布与惯性特性的优化真实人体下肢在碰撞过程中的响应不仅取决于结构刚度，还与质量的分布和惯性特性密切相关。aPLI通过精细调整各部件材料的密度和截面设计，使其整体质量分布和惯性矩等参数更加贴近人体下肢的解剖数据。这一改进使aPLI在动态加载条件下的响应更具生物保真性，特别是在模拟行人被车辆撞击后被抛离的初始阶段，冲击器的整体运动学响应更加接近真实情况。3.1.3传感器系统的升级aPLI配备了更先进的传感器系统，测量通道的数量和精度均有显著提升。除传统的胫骨弯矩（在多个截面布置应变片组）和韧带伸长量传感器外，aPLI还集成了膝关节位移传感器和股骨弯矩测量单元，能够同时获取更为全面的损伤相关物理量。传感器的采样频率和动态范围也进行了优化，确保在高冲击载荷下仍能准确捕捉瞬态响应信号。3.2性能要求与验证方法ISO/TS20458:2023对aPLI的性能要求涵盖了静态和动态两个维度。3.2.1静态标定要求静态标定主要用于验证冲击器各部件的刚度特性和传感器输出与物理量之间的标定系数。标准中规定了膝部弯曲刚度测试、韧带伸长量与输出信号关系测试、胫骨和股骨各段刚度测试等具体方案，并给出了对应的接受公差范围。这些静态标定程序是确保冲击器测试结果可靠性和可比性的基础前提。3.2.2动态性能验证动态性能验证是ISO/TS20458:2023的核心内容。标准规定了冲击器在特定冲击速度下（与法规测试速度一致或更宽范围）的动态响应特性。这些验证试验通常在摆锤冲击试验台上完成，通过施加标准化的冲击载荷，检验冲击器的力响应、弯矩响应和位移响应是否落在规定的目标通道（corridor）内。动态验证采用的接受通道是根据一系列生物力学试验数据确定的。这些参考数据来源于尸体试验（Post-MortemHumanSubject,PMHS）和人体志愿者低载荷试验，经过统计分析后形成了代表人体真实响应范围的通道区间。通过将aPLI的动态响应与此通道进行比对，评估其生物仿真度是否达到标准要求。3.3与FlexPLI的关键技术对比ISO/TS20458:2023中规定的aPLI相较于上一代FlexPLI技术方案，在多个方面体现出显著优势：|对比维度|FlexPLI|aPLI||---------|---------|------||大腿结构|简化（长度较短）|完整（含股骨全长分段）||膝部动力学|韧带伸长量测量|韧带伸长量+多向运动学约束||胫骨结构|连续柔性梁|分段式结构与非线性连接||质量分布|简化处理|精细匹配人体解剖数据||测量通道|约15个|超过25个||适用车型范围|普通轿车为主|涵盖SUV、MPV等多种车型|4标准制定背景与产业需求4.1全球行人保护法规的演变趋势行人保护法规的持续加严是推动aPLI标准化最直接的动力来源。联合国EURO-NCAP和GTRNo.9是最具代表性的行人保护法规框架。GTRNo.9于2008年首次发布，其后续修订版本逐步引入了FlexPLI作为腿形冲击器测试的基准装置。然而，GTRNo.9的适用范围主要是传统轿车，对于近年来日益普及的SUV、皮卡等大高度车型，FlexPLI并不能完全反映真实的碰撞场景。中国GB24550-2024《汽车对行人的碰撞保护》对行人保护提出了系统的技术和试验要求。中国的标准体系在吸收GTRNo.9框架的基础上，结合国内车辆类型结构和交通事故特征进行了适应性调整。随着中国汽车产业的高速发展和道路交通安全要求的不断提升，aPLI技术的引入和标准化已成为必要且紧迫的课题。欧盟EURegulation2019/2144（GeneralSafetyRegulation,GSR）对包括行人保护在内的车辆安全性能提出了更严格的要求，该法规从2022年7月起适用于新车型认证，从2024年7月起适用于所有新注册车辆，明确要求采用更先进的行人保护测试方法。4.2汽车产业技术升级的内在驱动力从产业层面来看，aPLI的标准化的需求主要来自三个方面：1.新车型平台开发的全球化：汽车制造商通常在全球多个市场同时投放同一平台的车型。不同市场采用不同的行人保护测试方法和设备，增加了开发成本和认证复杂性。统一的aPLI国际标准有助于简化全球认证流程。2.主动安全与被动安全的融合趋势：随着AEB（自动紧急制动）等主动安全技术的快速普及，行人碰撞事故的频率和严重程度有望降低。然而，当碰撞不可避免时，被动安全设备仍然是保护行人的最后屏障。aPLI作为更精密的评估工具，能够为集成式安全系统的效果评估提供更准确的技术手段。3.仿真技术的进步与验证需求：计算机辅助工程（CAE）仿真在车辆安全开发中的应用日益深入。aPLI精确的结构定义和材料参数为建立高精度仿真模型提供了标准化的基准，从而提升了仿真与试验之间的关联度。4.3技术成熟度与标准发布的时机aPLI的研发历程已历经十数年。从早期概念验证阶段的原型机，到后期多轮实验室间比对试验中的不断完善，aPLI技术已经积累了充分的验证数据。ISO/TS20458:2023的发布，标志着aPLI从科研探索阶段正式走向工程应用和法规实施阶段，为各国采纳这一新技术提供了统一的技术参考资料。5主要起草单位——日本汽车研究所（JARI）5.1JARI概况日本汽车研究所（JapanAutomobileResearchInstitute,JARI）是ISO/TS20458:2023标准制定工作的核心贡献机构之一。JARI成立于1962年，是日本最具权威的综合性汽车研究机构之一。作为公益财团法人，JARI致力于汽车安全、环境、能源等领域的研究与技术服务，长期承担日本国土交通省委托的汽车安全法规研究和认证试验工作。JARI拥有世界一流的碰撞安全实验室，配备有先进的冲击试验设备、高精度测量系统和专业的技术团队。在行人保护领域，JARI积累了超过三十年的研究经验，是FlexPLI和aPLI两代腿形冲击器技术的主要发源地。5.2JARI在标准研制中的技术贡献5.2.1基础生物力学研究的长期积累aPLI的设计参数和性能指标的确定，依赖于大量的人体下肢生物力学基础数据。JARI自20世纪90年代起便持续开展行人下肢损伤生物力学研究，通过与医学研究机构合作，进行了系统的尸体试验和志愿者试验，建立了包含膝部韧带力学特性、骨骼强度、软组织响应等在内的人体下肢生物力学数据库。这些数据为aPLI的设计目标通道（targetresponsecorridor）的确定提供了核心依据。5.2.2aPLI原型装置的研发与迭代在ISO/TS20458:2023立项之前，JARI已牵头完成多轮aPLI原型装置的迭代研发。从结构设计理论分析、材料选型、零部件加工到样机组装和验证试验，JARI全程主导了aPLI技术方案的成熟化进程。在此过程中，JARI解决了多项关键技术难题，包括：-膝部韧带模拟结构在重复冲击载荷下的耐久性和响应稳定性问题