全球NCAP行人保護測評的對比研究及展望*

李海巖，楊 振，賀麗娟，呂文樂，崔世海，阮世捷

（天津科技大學，現代汽車安全技術國際聯合研究中心，天津 300222）

前言

據世界衛生組織統計，2018年死于交通事故的人數增加到135萬，受傷人數達5 000萬［1］。道路交通傷害是5~29歲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，每年還有數千萬人受傷或致殘，其中死亡人數中有超過一半的是行人和騎行者，行人在全球交通事故死亡中的平均比例達到23%。與低收入國家相比，高收入國家有著更高的汽車保有量，但是低收入國家在交通事故中的人口死亡率是高收入國家的3倍。非洲和東南亞國家的道路交通死亡率在每100 000人中分別高達26.6人和20.7人，而美洲和歐洲國家每100 000人中分別只有15.6人和9.3人死亡。

快速的城市化、安全標準的不完善、分心或疲勞駕駛、酒駕和服藥駕駛等都是造成這一問題的原因。在落實聯合國8項車輛安全標準方面只有40個高收入國家實施了其中的7~8項標準，11個國家采用了2~6個標準，124個國家僅采用1個或沒有采用標準。部分國家和地區交通事故中行人死亡比例、車輛安全標準和死亡總人數趨勢如表1所示。由表可見，在中國、巴西、泰國、印度等中等收入國家交通事故中的人口死亡率明顯高于英國、美國、韓國、日本等高收入國家。在擁有完善或大部分車輛安全設計標準的國家交通事故死亡率明顯呈下降趨勢。此外，絕大多數國家行人在交通事故中死亡占有很大的比例，雖然印度在交通事故中行人死亡比例只有10%，但是同作為弱勢道路使用者的騎車者死亡比例超過了40%。因此隨著科技的發展和汽車制造水平的提高，更多的車企和評估機構應該重視在交通事故中的行人保護，提高車輛的安全水平，完善評價標準，以在最大程度上減少交通事故中的人員傷亡，避免不必要的損失。

表1 WHO2018年報告部分國家交通事故行人死亡比例、車輛安全標準和交通事故死亡總人數趨勢

1 行人保護試驗方法

各國和地區的行人保護試驗方法基本原理是一致的，都是在特定的條件下盡可能模擬典型的交通事故。由于目前尚未開發出能投入使用的行人碰撞假人，所以，行人碰撞測試中一般使用3種人體測量裝置（ATD）來模擬一個被撞行人的頭部、大腿和小腿發生碰撞的場景。車輛在測試期間保持靜止，ATD以測試協議要求的速度（一般為40 km∕h）和角度（根據不同國家要求略有差別）撞擊到車輛上。在測試方案中一般有兩個頭型，兩個腿型：較大的成人頭型用于測試發動機蓋后部和風窗玻璃底部，較小的兒童頭型用于測試發動機蓋前部，如圖1所示。腿型的使用與頭型相似，上腿型用于測試前部保險杠較高的車輛，下腿型用于測試保險杠較低的車輛。汽車前部的測試區域一般以100 mm的間隔標記一系列網格點，并根據汽車前部碰撞包繞長度的不同劃分成人和兒童頭型測試區域。汽車制造商為每個標記的網格點提供預測的試驗結果，評測機構對每個網格點隨機選擇進行測試，確認制造商的數據是否正確。

圖1 C-NCAP行人保護沖擊試驗

2 試驗方式對比

NCAP頭型試驗和腿型試驗一般都包括：基準線的測量，碰撞包繞長度的測量、網格點的劃分、試驗區域的劃分和沖擊試驗。

2.1 頭型試驗的對比

各國和地區NCAP中規定頭型試驗區域基準線一般包括發動機罩前部基準線（見圖2）、發動機罩側面基準線和發動機罩后面基準線，3條基準線在各國NCAP測量標準統一，此外日本JNCAP還規定進行前風窗玻璃基準線的測量，基準線測量方式如表2所示。

圖2 發動機罩前部基準線和碰撞包繞長度的測量

碰撞包繞長度（WAD）用于確定碰撞時的相對位置，具有確定汽車前端高度、碰撞位置，以及劃分成人與兒童碰撞區域和網格點的作用。其測量方法是在車輛處于正常姿態時，使用皮尺讓其貼合發動機罩和風窗玻璃表面，并保持在車輛縱向垂直對稱平面內，使其端頭自然下垂至剛接觸地面，讀取頭型撞擊點在皮尺上的讀數即得。

基準線和碰撞包繞長度測量完畢后，對網格點劃分，以規定沖擊器具體的沖擊區域。在車輛保險杠、發動機罩上部、風窗玻璃等部位標記出車輛的縱向中心線，在車輛縱向中心線上，從WAD1000開始到盡頭以100 mm為間隔進行包繞長度標記。然后，將車輛中心線上的網格點間隔100 mm向車輛兩側延伸，直到車輛邊界線，如圖3所示。由于兒童和成人身高差距較大，在交通事故中與車輛發生碰撞時頭部與車輛的接觸位置會有很大不同。為使試驗更加貼近真實的交通事故，各國和地區NCAP頭型試驗均分為兒童頭型試驗和成人頭型試驗，根據汽車前部結構以不同的碰撞包繞長度為界限選用成人頭型或兒童頭型沖擊車輛頭型試驗區域的指定位置。碰撞速度均為40 km∕h，一般使用成人頭型時沖擊角度為65°±2°，使用兒童頭型時沖擊角度為50°±2°。根據汽車前基準線位置的不同進行兩種角度的兒童頭型沖擊器沖擊試驗。C?NCAP在2021版中增加了不同角度的成人頭型沖擊試驗。具體試驗設置和試驗區域如表3所示。

表2 各國家和地區頭型試驗區域基準線測量方式和包繞長度

圖3 網格點的劃分

2.2 腿型試驗的對比

腿型試驗區域基準線的測量一般包括保險杠上部基準線、保險杠下部基準線和保險杠角的測量。保險杠上部基準線為700 mm直尺在車輛縱向平面內向后傾斜20°，在車輛前部橫向移動并與車輛保險杠接觸時，直尺與保險杠接觸點的幾何軌跡（圖4（a））；保險杠下部基準線為700 mm直尺在車輛縱向平面內向前傾斜25°，在車輛前部橫向移動并保持地面和車輛保險杠接觸時，直尺與保險杠接觸點的幾何軌跡（圖4（b））；保險杠角的測量為與車輛縱向平面成60°的方板與保險杠相切時的接觸點（圖4（c））。腿型試驗網格點劃分方式與頭型試驗相同。

表3 頭型試驗設置與區域劃分

圖4 腿型試驗區域基準線測量

由于車輛前端高度存在差異，所以在車輛與行人下肢發生碰撞時的接觸位置會有所不同。因此，在腿型試驗方面，歐洲、澳大利亞、韓國的NCAP均以425和500 mm為界限劃分區域，可選用不同沖擊器進行沖擊試驗。保險杠下部基準線低于425 mm的車型選用下腿型沖擊器，高于500 mm可選用上腿型沖擊器，在這個范圍內的可自由選擇。我國在2021版C?NCAP中改用能同時測量大腿和小腿的aPLI腿型沖擊器。日本JNCAP只進行使用FLEX?PLI沖擊器的下腿型沖擊器沖擊試驗。腿型沖擊器沖擊速度各國和地區標準均統一，為40 km∕h。

2.3 腿型沖擊器

人體測量裝置（ATD）是行人保護試驗中重要的部分，在aPLI腿型沖擊器被應用之前FLEX?PLI腿型沖擊器是各國在進行下腿型試驗時普遍使用的高度仿生試驗儀器。FLEX?PLI以生物力學為基礎，由具有生物力學基礎和生物仿真彎曲度的3部分組成：股骨、膝關節和脛骨，并利用連接在其上的應變計承受大部分載荷并能輸出彎矩，如圖5（a）所示。然而由于FLEX?PLI缺少與車輛碰撞時上半身的表現，所以僅能孤立地模擬行人的下肢。在對于具有高保險杠的車輛進行試驗時，其無法充分模擬下肢所產生的彎矩。aPLI腿型沖擊器通過調整下肢質量分布，并增加了11.3 kg的上體模塊質量，用來模擬碰撞時上體對全身運動所帶來的影響，如圖5（b）所示。據Takahiro等［17］研究表明，相比FLEX?PLI模型，在與不同車輛碰撞時，aPLI模型與人體全身模型損傷量有更高的相關性，尤其是股骨彎矩和MCL伸長量的輸出。因此C?NCAP對aPLI腿型沖擊器的最先應用大大提高了車輛對行人保護的安全標準。

(3) 根據實驗結果可以得出的實驗結論： 在一定范圍內，隨光照強度增強，光合作用速率____________。

圖5 腿型沖擊器結構圖

2.4 試驗方式差異分析

各國頭型試驗方式大致相同，在最新的C?NCAP（2021版）中將包繞長度延伸至2 300 mm，并在WAD2100?WAD2300區域進行60°（非65°）的成人頭型沖擊試驗。試驗區域的精細劃分和采用不同角度的沖擊試驗能夠對不同形狀和長度的發動機蓋在一定程度上提供更精確的測試結果。此外在腿型試驗方面，日本JNCAP則只使用下腿型沖擊器FLEX?PLI的沖擊試驗。我國C?NCAP在2021版中改變了之前的由保險杠高度選擇上腿型試驗或下腿型FLEX?PLI試驗，而選用新型aPLI腿型沖擊器進行整體的腿型沖擊試驗。Euro NCAP等其他國家NCAP根據車輛前保險杠高度選用上腿型試驗或下腿型FLEX?PLI試驗。JVCAP在此項中可能會處于劣勢。

3 試驗評分

行人保護試驗的評價包括頭型試驗的評分和腿型試驗的評分。在C?NCAP（2021版）中可得到的最高分數為15分，頭型試驗最高可得10分，腿型試驗最高可得5分。此項其他國家NCAP中評分所占比例有所不同，如表4所示。

汽車制造商為每個標記的網格點提供預測的得分結果，評測機構對汽車制造商提供網格點的預測結果隨機選點進行測試，確認制造商的數據是否正確。評測機構將測試網格點的得分之和除以這些網格點的最高得分之和，得到一個百分比，用該百分比乘以頭型或腿型試驗總分，得到測試成績。

3.1 頭型試驗得分標準

頭型試驗的得分均為劃分網格區域得分，以頭部損傷指數（head injury criterion，HIC）進行評分。根據測得HIC值大小所處區間不同，得分不同，每區域點最高得分為1分，最低得分為0分。此項HI C15值區間評分標準在不同國家的NCAP中一致，具體參數如表4所示。

3.2 腿型試驗得分標準

腿型試驗一般分為上腿型試驗和下腿型試驗，其評分標準與頭型試驗類似，均為劃分網格點區域的形式進行評價，每區域點最高得分為1分，最低得分為0分。下腿型試驗的評測項目為小腿彎矩和膝部韌帶伸長量，當ACL∕PCL均小于限值（10 mm）時根據MCL評分。上腿型試驗的評測項目為彎矩和合力。而最新C?NCAP（2021版）引進的aPLI腿型沖擊器測量大腿彎矩、小腿彎矩和MCL伸長量。沖擊器的得分根據高限性能值和低限性能值采用線性插值的方法計算網格點得分。各國和地區NCAP腿型沖擊試驗的評價標準如表4所示。

表4 NCAP行人保護試驗評分準則

3.3 評分方式差異分析

在各國和地區的NCAP頭型沖擊試驗中，HI C15作為一個普遍適用的頭部損傷準則被各國頭型試驗所采用，腿型試驗也均采用彎矩、合力和韌帶的伸長量作為評價標準。在頭型試驗和腿型試驗的分值比例方面，C?NCAP（2021版）調整頭型試驗與腿型試驗得分比值和除JNCAP外的其他國家相同，均為2∶1，JNCAP在此項中頭型試驗分值所占比例超過了86%。

在腿型試驗評價方面，C?NCAP（2021版）中改變之前與其他國家相同的上腿型和下腿型選擇性進行的腿型沖擊試驗，而采用了更加先進準確，且能夠同時測試大腿和小腿的aPLI沖擊器進行腿型沖擊試驗，提高了車輛對行人腿部保護的要求。在其他國家NCAP中，JNCAP只進行下腿型試驗，此項對于保險杠前端較高車輛來說得分可能會不夠準確。在下腿型試驗的得分標準方面，JNCAP的標準與其他國家相比略有不同，其對腿部的彎矩要求更為嚴格，而對于膝部韌帶伸長量要求略低。此外，KNCAP相對其他國家在上腿型試驗中的各項標準也相對較低。

4 未來行人保護評測方式的展望

4.1 沖擊器的升級和行人假人的開發

人體測量裝置（ATD）是行人保護試驗中重要的一部分，C?NCAP（2021版）對aPLI腿型沖擊器的最先應用大大提高了國內車輛對行人保護的安全標準。目前的人體測量裝置雖然在一定程度上能模擬出整人碰撞時的運動學響應，但相比于整人，在碰撞動力學響應和運動姿態方面還存在一定差距。由于目前世界上沒有明確的行人假人安全法規，鮮有研究機構對行人假人進行開發，所以目前在碰撞試驗中應用的多為乘員假人。早在1998年本田公司研發出第一代用于碰撞的行人假人POLAR I，在2008年該假人升級到第三代POLAR III，并在2009年由廣汽本田使用該行人假人進行了全球首次碰撞［22］。POLAR行人以Hybrid III型假人為藍本，上肢可以測量頭頸部和胸腹部的加速度和位移，下肢可以測量脛骨、股骨和膝部韌帶等部位的力矩等基礎數據。但是，隨著未來行人保護要求的不斷提高和行人安全法規的完善，對行人假人的需求將進一步提升。因此，除沖擊器不斷升級，行人假人的開發和應用也是未來行人保護測試的主要發展趨勢。

4.2 沖擊器有限元模型仿真試驗

隨著有限元技術的不斷發展，通過有限元仿真也能部分替代NCAP的碰撞試驗。有限元仿真試驗通過模型建模、網格劃分和材料屬性的賦予和邊界條件的設置，然后提交計算機進行仿真計算。有限元模型仿真試驗在一定程度上得到與實物試驗接近的結果，同時還能最大程度地降低試驗成本。所以，有限元仿真沖擊器試驗也是未來一段時期內車輛碰撞試驗的一種替代方式。圖6為LSTC公司開發的頭型沖擊器和腿型沖擊器有限元模型。

圖6 沖擊器有限元模型

4.3 高生物保真度人體計算模型的開發應用

相比人體沖擊器有限元計算模型和多剛體計算模型，具有高生物保真度的人體整人有限元計算模型，包括精細的人體組織、器官和解剖學結構特征，能提供更接近真實的材料屬性，得到更加真實的碰撞數據，可以在汽車碰撞仿真分析中得到更真實的損傷評價，例如不同腦組織的損傷情況、身體器官的損傷、關節的損傷、韌帶的撕裂、骨骼的斷裂等等。構建具有高生物保真度的人體有限元模型一直是國內外各大高校和科研機構在汽車安全領域的主要研究內容之一。2000年豐田公司發布了第一代用于碰撞仿真的THUMS假人模型，2019年該系列假人模型已升級到第六代。此外，天津科技大學［23-24］、湖南大學、華南理工大學等高校一直致力于開發用于碰撞仿真的具有高生物保真度的兒童和成人人體有限元計算模型，如圖7所示。目前Euro NCAP也開始有限元人體模型的研究工作［25］，并對研究有限元模型的高校和企業提供了用于模型對標的數據［26］。因此，隨著Euro NCAP有限元假人模型的對標工作順利進行，有限元模型的應用也必定會加入到各國和地區的NCAP評測中。

圖7 有限元人體模型

4.4 主被動安全一體的行人保護

自動緊急制動系統（AEB）是一種可以通過攝像機、激光測距和雷達系統來檢測即將發生的碰撞，當檢測到碰撞即將發生時，車輛會根據具體的工況進行自動制動保護［27］。使用ATD或碰撞假人時車輛只能使用單一的測試速度進行性能判斷。但在主動安全技術的應用下，車輛在與行人發生碰撞時碰撞車速的降低有可能降低碰撞的損傷。目前部分國家NCAP中主動安全部分已經包括車輛追尾（car to car rear，CCR）和車輛對弱勢道路使用者（vulnerable road users，VRU）等多個用于評測AEB的項目，并通過提高主動安全部分分值來鼓勵廠商安裝AEB系統。AEB應用會降低發生碰撞時的速度，在一定程度上能降低碰撞所帶來的損傷影響。但是，在車輛與行人發生碰撞時，行人的損傷降低是主動安全與被動安全共同作用的結果。目前的主動安全與被動安全均為分別進行測試，兩者是否能夠很好結合也是汽車安全領域發展的方向。

5 結論

目 前 我 國C?NCAP、歐 洲Euro NCAP、日 本JNCAP、韓國KNCAP、拉丁美洲Latin NCAP和澳洲ANCAP都擁有各自相對完善的行人保護測試評估試驗。由于各國的主要車輛類型、交通狀況和對損傷保護要求的不同，在行人保護試驗和行人保護評估方面存在一定差別。各國應針對各自的交通狀況以及人文環境完善并更新各自的評價標準，車輛企業也應針對各自車型的使用環境和要求來確保車輛的安全性能。

ATD和碰撞假人都是在汽車碰撞中重要的試驗裝置，隨著科技的發展和車輛安全標準的提高，FLEX?PLI和aPLI等高保真度的人體測量裝置能為車輛碰撞仿真的損傷情況提供更加真實的評估結果。此外，行人假人的開發也是行人保護發展的趨勢之一。具有高生物保真度有限元模型的開發和應用也能在降低成本的同時提供可供試驗參考的仿真結果。此外AEB系統能有效降低車輛發生碰撞時的速度甚至避免碰撞，目前許多國家的評測機構已經將AEB納入其中。伴隨著車輛安全性能的提高與評估標準的完善，未來在減少人員傷亡甚至減少交通事故等方面定會取得巨大進步。