基于汽車-自行車碰撞事故重建的騎車人動力學響應和損傷研究*

聶 進，楊濟匡

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082；2.婁底職業技術學院，婁底 417000；3.查爾摩斯理工大學應用力學系,瑞典 41296)

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2015029

基于汽車-自行車碰撞事故重建的騎車人動力學響應和損傷研究*

聶 進1,2，楊濟匡1,3

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082；2.婁底職業技術學院，婁底 417000；3.查爾摩斯理工大學應用力學系,瑞典 41296)

首先從深入調查的交通事故數據庫中挑選出與轎車碰撞的自行車事故案例24例，運用轎車-自行車/騎車人碰撞的多體動力學模型進行了事故重建。然后在此基礎上分析了典型碰撞形態下自行車騎車人的動態響應過程和騎車人頭部碰撞條件(如頭部碰撞速度、碰撞時間和碰撞角度)與車輛碰撞速度的關系，并進一步研究了騎車人身體各部位損傷分布和頭部損傷與下肢骨折風險。結果表明：自行車騎車人頭部繞轉距離(WAD)、碰撞速度、碰撞時間、碰撞角度和騎車人的拋出距離與車輛碰撞速度之間存在較強的相關性；車輛碰撞速度和拋出距離對騎車人損傷有明顯影響；騎車人頭部AIS 2+、AIS 3+損傷風險和下肢骨折風險與車輛碰撞速度顯著相關。

事故重建；自行車騎車人；動力學響應；損傷

前言

我國擁有自行車數量超過4億，是世界上擁有自行車最多的國家，每天大約有600萬人選擇自行車作為日常交通方式出行[1]。與行人一樣作為易受傷害的道路使用者，自行車騎車人在與車輛的碰撞中很容易遭受嚴重損傷[2]。據我國公安部統計數據表明：2004-2010年，我國機動車-自行車交通事故導致約5.7萬自行車騎車人死亡，超過250萬人受傷，分別占道路交通事故總死亡和受傷人數的9.8%和8.6%[3]。我國的自行車騎車人的死亡和受傷人數僅次于行人，成為第二大易受傷害的道路使用者群體。因此，基于深入事故調查的機動車-自行車事故數據，研究自行車騎車人在碰撞中動力學響應和損傷機理，以減少交通事故中自行車騎車人死亡人數和受傷程度在我國具有特別重要意義。

國外基于真實的機動車-自行車事故，針對自行車騎車人的安全已做過大量的相關研究。文獻[4]中通過對德國深入事故研究(GIDAS)數據庫中機動車-自行車事故分析得出發現車輛碰撞速度對自行車騎車人的損傷嚴重性有很大影響。文獻[5]中基于對瑞典哥德堡自行車事故的研究結果指出，斜碰撞是機動車-自行車事故中最常見的碰撞類型。文獻[6]中的研究表明，頭部是自行車騎車人最容易受傷的部位。文獻[7]中的研究則著重于汽車-自行車事故和汽車-行人事故的對比分析。

近年來，盡管我國針對自行車騎車人安全的研究也日益增多[1,8-9]，但很少有研究基于深入調查機動車-自行車事故中對自行車騎車人的動力學響應及損傷嚴重性分析。并且，由于我國混合交通的道路環境、自行車尺寸及機動車前部結構與其他國家的差異等因素，其他國家的研究成果并不完全適合我國的實際情況。

本文中根據長沙地區通過深入調查采集的24例轎車-自行車事故，運用多體動力學數學模型進行事故重建?；谥亟ńY果，分析典型的碰撞形態下自行車騎車人的動態響應過程，以及騎車人損傷與車輛碰撞速度的關系。

1 方法和材料

1.1 深入的事故調查

本文中所有自行車事故案例均選自長沙深入調查交通事故數據庫(IVAC)。2006年，湖南大學與當地交警部門和醫院合作，成立了車輛交通事故調查小組，在長沙市開展了深入的交通事故調查活動。當接到事故報警，調查小組的研究人員便與交警一起赴事故現場采集數據，采集方式包括現場測量、拍照和詢問事故當事人與目擊者，并通過事故回勘和當事人回訪進一步采集詳細的事故信息。與事故重建相關的事故信息主要涉及事故發生的3個階段，如表1所示。IVAC數據庫中深入調查的行人事故數據，已被用于行人顱腦損傷和行人傷亡風險的研究中[10-11]。

表1 重建事故數據概括

本文中從IVAC數據庫中選取24起真實轎車-自行車事故案例進行了事故重建，事故具體數據如表2所示。取樣標準：(1)事故時間為2004-2011年；(2)事故車輛為轎車；(3)自行車騎車人年齡大于14歲，身高大于150cm；(4)騎車人損傷類型為AIS 1+；(5)轎車碰撞速度大于20km/h；(6)騎車人沒有配戴頭盔。

1.2 事故重建

1.2.1 重建模型

本文中自行車騎車人模型采用由瑞典查爾摩斯大學開發和驗證的多體動力學人體模型[12-13]。該模型已被廣泛用于在事故重建中模擬行人和自行車騎車人[8,10]。事故重建中的自行車騎車人模型是根據騎車人真實的身高和體質量調用MADYMO中的GEBOD模塊縮放得到(圖1)。自行車騎車人真實身高和體質量見表2。

自行車和車輛模型根據事故中車輛的具體結構和幾何尺寸在MADYMO中用橢球模擬建立。車輛前部結構各部分的機械特性分別根據Euro-NCAP相似車型的碰撞試驗結果定義[14]。自行車各個部件的相對轉動由轉動鉸鏈模擬，各部件機械特性從碰撞測試得到[15-16]。圖2為一起轎車-自行車騎車人事故的碰撞模型。

表2 事故數據

注：WAD為頭部繞轉距離；Hcyclist為騎車人坐高。

1.2.2 重建方法和參數定義

采用因子設計方法，對汽車和自行車速度以及兩者碰撞前的相對位置等參數進行優化，將仿真與真實事故的WAD、行人拋出距離或車輛、行人最終位置的誤差作為優化函數，通過一組全因子試驗獲得最優的仿真結果。仿真結果與真實事故數據誤差在20%范圍之內，認為仿真結果可以接受。

汽車和自行車的碰撞速度、兩者的相對位置和騎車人姿態是根據深入的事故調查記錄相關事故信息進行估算，并在各自估算值的基礎上確定輸入參數的因子范圍。如車輛碰撞速度的輸入基值可根據記錄的制動距離，按照式(1)進行估算[17]，因子范圍為估算值±5km/h。

(1)

式中：μ為路面摩擦因數；L為制動距離；θ為路面坡度角；計算速度的單位為km/h。

不同接觸面的摩擦因數的定義如表3所示。具體數值根據接觸面的實際情況(干燥、濕滑等)而定[18]。

表3 不同接觸面摩擦因數

1.3 統計方法

車輛碰撞速度與騎車人動力學響應參數之間的相關性利用非線性回歸方法描述。參數之間的關系采用二次多項式函數和冪函數回歸模型表達。函數表達式為

y=ax2+bx+c

(2)

y=axb

(3)

式(2)和式(3)的系數通過最小二乘法確定，變量x與y之間的相關性由決定系數R2確定，一般認為R2>0.9時，兩參數顯著相關；0.9>R2>0.6時，兩者相關性較強。

基于邏輯回歸分析方法分析了騎車人頭部和下肢損傷風險與車輛碰撞速度的關系。風險模型P(v)由以下公式得到：

(4)

式中：v為車輛碰撞速度；α和β分別為通過最大似然估計法計算得到的系數[19]。

回歸模型中，死亡風險和車輛碰撞速度的相關性通過卡方檢驗確定。本文中設定檢驗值p的顯著水平為0.05。通過計算得到卡方值和與之相對應的檢驗值p。當p<0.05時，認為車輛碰撞速度與損傷風險顯著相關；反之，則相關性不顯著。

1.4 事故重建舉例

1.4.1 案例描述

一輛大眾桑塔納與一位58歲的男性自行車騎車人在直線道路上發生碰撞。事故發生前，轎車以大約40km/h的車速沿道路行駛，自行車在轎車前面沿相同方向行駛。自行車騎車人突然左轉彎試圖橫穿馬路，盡管轎車駕駛員緊急制動，但轎車前部仍與自行車左側發生碰撞。整個過程轎車的制動距離約8.2m，自行車騎車人與自行車的拋出距離(TOD)分別約為5.5和6.5m。騎車人WAD值為1 980mm。事故現場草圖見圖3。

轎車風窗玻璃因與騎車人頭部碰撞有明顯破損痕跡(圖4)。騎車人損傷為腦震蕩(AIS 1)和全身多處軟組織挫傷(AIS 1)。

1.4.2 事故重建

根據事故現場調查和問詢記錄得知，轎車制動后碰撞。仿真中設定車輛速度為26.3km/h，自行車速度為5.6km/h。車輛碰撞騎車人左側。真實事故與仿真車輛碰撞痕跡的比較如圖4所示，騎車人WAD和拋出距離的比較見表4。

表4 真實事故和仿真的騎車人WAD和拋出距離對比

2 結果

2.1 騎車人動態響應過程

在車輛-自行車碰撞事故中，車輛碰撞自行車騎車人側面是最常見的碰撞類型[1]。圖5為一例典型的轎車碰撞自行車左側事故重建中騎車人的動態響應過程。仿真結果顯示：自行車騎車人小腿與轎車保險杠首先接觸，緊接著大腿與發動機罩前沿發生碰撞。在此過程中，騎車人上半身幾乎保持不動。之后，騎車人下肢繼續被轎車推著向前運動，但上半身沿發動機罩往后滑移直至骨盆與車輛發動機罩發生接觸。然后，騎車人上半身開始繞骨盆向風窗玻璃繞轉，最后騎車人頭部與風窗玻璃下端發生碰撞。

2.2 騎車人頭部碰撞條件

頭部繞轉距離(WAD)可以用來定義騎車人頭部在車上的碰撞位置。由表2可知，24例事故中有10例事故騎車人頭部繞轉距離超過2 100mm。騎車人繞轉距離和坐高比值與車輛碰撞速度的關系如圖6所示。

隨著車輛碰撞速度的增大，WAD與騎車人坐高的比值ω從1.08增加到1.69。兩者二次多項式函數回歸模型的決定系數R2=0.804。這表明繞轉距離與騎車人坐高和車輛碰撞速度有關，且車輛碰撞速度與繞轉距離和騎車人坐高的比值有較強相關性。

騎車人頭部碰撞時間與碰撞速度之間的關系如圖7所示。騎車人頭部碰撞時間在110～200ms之間，且隨著車輛碰撞速度的增大而減小。

圖8描述了事故中車輛碰撞速度與騎車人頭部碰撞速度的關系。從圖中可以看出，騎車人頭部碰撞速度隨著車輛碰撞速度的增大而增大，且兩者具有較強的相關性(R2=0.863)。自行車騎車人頭部碰撞速度與車輛碰撞速度的比值處于0.6～1.1之間，兩者平均值分別為：車輛碰撞速度43.5km/h、頭部碰撞速度33.9km/h。

自行車騎車人頭部碰撞角度分布如圖9所示。隨著車輛碰撞速度的增大，騎車人頭部碰撞角度從83.5°減少至10.9°，平均角度為45.7°。

2.3 拋出距離與車輛碰撞速度的關系

拋出距離可用來估算車輛碰撞速度，特別是對于事故現場沒有留下制動痕跡的案例，騎車人和自行車的拋出距離對估算碰撞速度尤為重要[20]。

基于事故重建結果，利用冪函數回歸模型分別描述騎車人和自行車拋出距離與車輛碰撞速度的關系(圖10)。騎車人和自行車拋出距離都隨著碰撞速度的增大而增大，且回歸模型的決定系數分別為0.86和0.704，這說明兩者拋出距離與車輛碰撞速度都有較強的相關性。從圖10中還可以看出，在相同的碰撞情況下，自行車的拋出距離大于騎車人的拋出距離。

2.4 騎車人損傷分析

基于重建的24例車輛-自行車事故，分析騎車人各身體部位損傷的分布和損傷嚴重性與車輛碰撞速度和騎車人拋出距離等因素的關系。

騎車人身體各部位損傷分布如圖11所示。頭部和下肢是自行車騎車人在交通事故中最易受傷部位，其次為上肢和胸部。

圖12為自行車騎車人受MAIS 1-2和MAIS 3+損傷時車輛碰撞速度的累積分布圖。從圖中可以看出，騎車人MAIS 1-2損傷大多發生在車輛碰撞速度低于40km/h時，當車輛碰撞速度超過50km/h時，騎車人MAIS 3+損傷的頻率迅速增大。騎車人MAIS 1-2和MAIS 3+損傷所對應累積頻率為50%時的車輛碰撞速度分別約為38和55km/h。

頭部是自行車騎車人最容易受傷的部位。圖13為自行車騎車人頭部碰撞點在車輛上分布的示意圖。24例事故中，有75%的自行車騎車人頭部與車輛的碰撞點處于車輛風窗玻璃或其邊框上，只有4例事故騎車人頭部與車頂發生碰撞，2例事故騎車人頭部與發動機罩后端接觸。并且，在頭部受到AIS 3+損傷的4例事故中，騎車人頭部碰撞點全都處于風窗玻璃靠近A柱區域或車頂靠近風窗玻璃上邊框區域內。

目前基于線性合成加速度積分得到的頭部損傷指標HIC值被廣泛采用于行人和自行車騎車人頭部損傷風險和設計分析發動機罩結構與風窗玻璃的安全防護性能[8-10,20]。圖14顯示了自行車騎車人HIC值與車輛碰撞速度的關系。盡管騎車人HIC值在不同的車輛碰撞速度下有較為明顯的波動，但其整體趨勢是隨著車輛碰撞速度的增大而增大。當車輛碰撞速度低于45km/h時，絕大部分騎車人HIC值低于1 000。

表5列出車輛碰撞速度與自行車騎車人頭部AIS 2+和AIS 3+損傷風險的邏輯回歸分析結果。兩者的檢驗值p全都小于0.05，因此，騎車人頭部AIS 2+和AIS 3+損傷風險與車輛碰撞速度顯著相關。風險曲線如圖15所示。頭部損傷風險隨著車輛碰撞速度的增大而增大。車輛碰撞速度在50～70km/h時，頭部AIS 2+和AIS 3+風險增長速度最快。頭部AIS 2+和AIS 3+風險為50%時所對應的車輛碰撞速度分別為53.8和58.9km/h，這與文獻[21]中基于德國GIDAS數據庫中自行車案例的分析結果非常接近。

表5 頭部損傷風險邏輯回歸分析結果

下肢是除頭部外自行車騎車人最易受傷的部位，在騎車人下肢AIS 2+損傷中，股骨、脛骨、腓骨和踝關節處等骨頭骨折較為常見(表2)。表6列出車輛碰撞速度與自行車騎車人下肢骨折風險的邏輯回歸分析結果。檢驗值p小于0.05，因此，騎車人下肢骨折風險與車輛碰撞速度同樣顯著相關。圖16為下肢骨折風險曲線圖。從圖16可以看出，騎車人下肢骨折風險隨著車輛碰撞速度的增大而增大。車輛碰撞速度在30～50km/h之間時，骨折風險增長最快。50%下肢骨折風險所對應的車輛碰撞速度為41.2km/h。

表6 下肢骨折風險邏輯回歸分析結果

3 討論

利用多剛體動力學軟件MADYMO對IVAC數據庫中24例自行車碰撞事故進行重建。仿真得到的自行車騎車人與車輛的碰撞位置、騎車人拋出距離和車輛與騎車人最終落地位置均與采集真實事故數據吻合很好，這保證了事故重建的可靠性。

圖6顯示，騎車人WAD與坐高的比值ω與車輛碰撞速度有較強的相關性，且比值隨著車輛碰撞速度的增大而增大。這主要與騎車人在轎車發動機罩表面的滑行距離相關。車輛碰撞速度越大，騎車人在車輛發動機罩上的滑行距離就會越大，從而導致騎車人的繞轉距離變大而增大比值。同時，24例自行車事故中有10例事故騎車人頭部繞轉距離超過我國現有推薦性行人保護法規中頭錘碰撞試驗區間的最大極限2 100mm[22]。因此，若使用頭錘碰撞試驗來評估車輛前部結構對自行車騎車人頭部保護性能時，碰撞測試區域應適當擴大。

事故重建結果顯示，騎車人頭部碰撞速度與車輛碰撞速度存在較強的相關性，這與Otte的研究結果一致[17]。從圖8可以看出，其比值分布在0.6～1.1之間。比值超過1的多為車輛碰撞速度較低的情況下，這主要是由于低速碰撞時，自行車速度對騎車人頭部碰撞速度的影響相對較大，當車輛速度與自行車速度方向垂直時，自行車的行駛速度可以明顯增大頭部碰撞時刻的分速度，從而起到增大騎車人頭部與車輛碰撞速度的效果。隨著車輛碰撞速度的增大，自行車速度的影響減小，在碰撞后的滑行過程中，由于摩擦力的作用，騎車人頭部在與車輛碰撞前就會具有一定的與車輛同方向的速度，這在一定程度上會減小騎車人頭部的碰撞速度。因此，隨著車輛碰撞速度的增大，騎車人頭部碰撞速度與車輛碰撞速度的比值在多數情況下小于1。

4 結論

車輛-自行車碰撞事故中，騎車人頭部繞轉距離WAD與坐高的比值和頭部碰撞速度與車輛碰撞速度存在一定的相關性。WAD與坐高的比值隨著車輛碰撞速度的增大而增大，分布范圍為1.0～1.7。頭部碰撞速度與車輛碰撞速度比值分布在0.6～1.1之間。

騎車人和自行車的拋出距離與車輛碰撞速度相關，拋出距離與車輛碰撞速度的回歸模型可用于估算車輛碰撞速度。

頭部和下肢是自行車騎車人最易受傷的兩個身體部位。邏輯回歸模型分析表明：50%頭部AIS 2+和AIS 3+損傷風險所對應的車輛碰撞速度分別為53.8和58.9km/h；50%下肢骨折風險所對應的車輛碰撞速度為41.2km/h。

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A Study on the Dynamic Response and Injury of Cyclist Basedon Car-bicycle Accident Reconstruction

Nie Jin1,2& Yang Jikuang1,3

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.LoudiVocationalandTechnicalCollege,Loudi417000; 3.DepartmentofAppliedMechanics,ChalmersUniversityofTechnology,Sweden41296

Firstly 24 car-bicycle crash accident cases are chosen from traffic accident database built up by in-depth survey to conduct accident reconstruction based on multi-body dynamics model for car-bicycle crash.Then on this base the correlations of the dynamic response process and head impact conditions (speed, duration and angle of head impact) of cyclist with car impact speed under typical crash pattern are analyzed, and the injury distribution of different parts of cyclist body and the risks of head injury and lower limb fracture are further studied.The results indicate that the head wrap around distance, the speed, duration and angle of impact of cyclist have a rather strong correlation with car impact speed.Car impact speed and throw out distance of cyclists has a great effect on cyclist's injury.The risks of head AIS 2+, head AIS 3+ injury and lower limb fracture of cyclist have a significant correlation with car impact speed.

accident reconstruction; cyclist; dynamics responses; injury

*湖南省科技計劃項目(2014SK3213)、國家863計劃項目(2006AA110101)、國家自然科學基金(51205119)和湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室自主研究課題(61075004)資助。

原稿收到日期為2013年3月24日。