實體測試假人在游樂設施檢測中的應用前景

陳衛衛 田 博

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

實體測試假人在游樂設施檢測中的應用前景

陳衛衛 田 博

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

針對傳統游樂設施測試方法無法獲取乘坐過程中的乘客受力、加速度和擠壓變形等問題，開展了實體測試假人在游樂設施檢測中的應用前景預研工作。本文充分調研了實體測試假人發展歷程，分析了游樂設施測試假人應用現狀，指出了傳統游樂設施測試假人存在的問題，進行了實體測試假人在游樂設施測試中的應用探索。最后，對游樂設施測試假人開發提出了幾點建議。

假人 游樂設施 生物力學

近年來，我國游樂產業發展迅速，游樂設施數量逐年遞增。同時，大量具有新奇結構及復雜運動型式的游樂設施逐漸進入市場，傳統檢驗檢測方法已無法完全滿足該類新產品安全性與可靠性驗證實驗的要求，新技術和新產品亟待開發以作為傳統方法的有益補充。實體測試假人作為一種全尺寸仿造真人制造的測試裝置，它能反映真實人體尺寸比例、重量分布和關節自由度，并在人體重要部位安裝傳感器記錄實驗過程中的數據響應。目前，實體測試假人已被廣泛應用于汽車碰撞實驗，研究人員通過實驗數據預測人體的生物力學響應與各部位損傷程度從而進行新車評價[1-3]。實體測試假人雖然在航空、航天和汽車行業中已有成熟應用，但是在游樂設施行業中還處于起步階段。本文從實體測試假人發展歷程、游樂設施測試假人發展歷程、實體測試假人開發需求及在游樂設施檢測中的應用前景等方面展開論述。

1 實體測試假人發展歷程

1.1 發展早期

1949年，Sierra工程公司受美國空軍委托開發了世界上第一個實體測試假人——Sierra Sam，如圖1所示，這是一款第95百分位成年男性假人（身高和體重超過95%的成年男性），它被用于代替飛行員進行彈射座椅測試。雖然Sierra Sam僅能測試頭部加速度響應，但是毋庸置疑其具有開創性的里程碑意義。1952年，Alderson實驗室開發了一款第95百分位成年男性假人——Mark 1，其結構和關節和SierraSam比與真人更為近似，被用于美國和歐洲空軍測試。1956年，Alderson實驗室開發了一款模塊化假人——Models F，其具有更多的關節自由度，能夠適應不同的測試要求。1960年，Alderson實驗室與Grumman飛機公司合作開發了名為Gard Dummy的系列假人，其中包含從第3百分位到第98百分位的8種尺寸，該系列假人配置了大量傳感器以獲得座椅彈射時更多的重要參數。1966年，Alderson實驗室開發了VIP (Very Important People)系列假人，其中包含第5百分位成年女性假人、第50百分位成年男性假人和第95百分位成年男性假人各1名，VIP系列假人被首次用于標準的汽車實驗。1967年，Sierra工程公司開發了一款滿足H．E．W． (Health and Education Welfare)人體測量數據的第50百分位成年男性假人——Sierra Stan，其專門設計用于汽車測試[2-8]。

圖1 世界第一個實體測試假人和彈射座椅測試系統

1.2 Hybrid假人

1971年，通用汽車公司認為Alderson實驗室開發的VIP系列和Sierra工程公司開發的Sierra Stan假人均不能同時滿足汽車測試所要求的可靠性與耐用性兩個指標，工程師們決定將兩種假人的優秀品質進行混合。于是Hybrid I代誕生了，它是一款第50百分位成年男性假人。1972年，改進了肩膀、脊柱和膝蓋響應的Hybrid II代面世，并成為第1個滿足美國聯邦機動車安全標準FMVSS (American Federal Motor Vehicle Safety Standard)的汽車安全帶測試假人[2，3]。

1976年，通用汽車公司開發了Hybrid III代第1個第50百分位成年男性假人，見圖2，這也是迄今為止應用范圍最為廣泛的測試假人。該假人如果能夠站立，其身高將有168c m，體重77kg。在美國高速公路安全保險協會IIHS (Insurance Institute for Highway Safety)規定的汽車偏置正面碰撞測試(65km/h)中，將其放置于駕駛員位置。通用汽車公司還陸續開發了Hybrid III代家族的其他4個假人，分別為：第95百分位成年男性假人，身高188cm，體重100kg；第5百分位成年女性假人，身高152c m，體重50kg；6歲兒童假人，體重21kg；3歲兒童假人，體重15kg。兩個Hybrid III兒童假人是最近新加入的，因為兒童在事故中的傷害數據很少，類似數據難以獲得，所以兒童假人開發中有很多近似和估計[2-4]。

圖2 Hybrid III 第50百分位成年男性假人和Hybrid III假人家族

1.3 SID (Side Impact Dummies)假人

Hybrid III代家族假人被設計用來進行汽車正面碰撞測試，在其他種類的碰撞中將不太有效。SID假人家族主要用于測試在汽車發生側面碰撞時對肋骨、脊柱和內臟器官的影響，以及對肋骨與脊柱的加速度和胸腔的壓縮量進行評估，SID假人依據美國政府測試標準設計。1979年~1982年，SID假人由美國密歇根大學高速公路安全研究中心受美國高速公路安全管理局NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration)委托開發完成。1983年~1985年，歐洲提高車輛安全委員會EEVC (European Enhanced Vehicle-safety Committee)聯合數個研究實驗室開發了EUROSID假人的原型，通過前期驗證，經過進一步修改于1989年完成了目前廣為人知的EUROSID-1型假人。同時，BIOSID假人的主要部件由通用汽車公司進行開發，并最終由美國汽車工程師協會SAE (Society of Automotive Engineers)側面碰撞假人研究組完成開發[2-3]。2001年，WorldSID第一個原型假人由ISO TC22/SC12組織所轄的WorldSID任務組試制成功，并經過長達十年的發展完善，目前已成長為所有中等尺寸成人男性假人中生物仿真度最好的一款[2，3]。

圖3 SID汽車側面碰撞測試假人家族

此外，還有用于汽車后方碰撞的測試假人BioRID II和RID2等，這里不一一展開贅述。

2 游樂設施測試假人應用現狀

游樂設施具有機械構造復雜化、運動型式多樣化和乘客約束系統差異化等主要特征，給檢驗檢測工作帶來了巨大挑戰。在國內外游樂設施測試行業，實體測試假人技術發展非常滯后。

2.1 傳統游樂設施測試假人

目前，國內外游樂設施生產廠家和使用單位一般采用沙袋、柔性橡膠水人和硬質人形水箱等作為載荷測試，如圖4所示[9，10]，對于人體響應的研究幾近空白。圖中假人嚴格來說只能定義為配重或載荷，不能充分驗證游樂設施乘客約束系統性能和人-車交互作用。使用圖4（a）沙袋進行測試，將其牢牢固定在座椅上，無法體現安全壓杠或者安全帶的束縛作用，下雨或漏沙容易造成載荷變化、污染座艙甚至破壞潤滑表面。使用圖4（b）柔性橡膠水人進行測試，如果未將其牢牢固定在座椅上，存在運行中易被甩出、易破損、漏水造成載荷變化和浪費水資源等弊端。使用圖4（c）硬質人形水箱進行測試，如果未將其牢牢固定在座椅上，存在安全壓杠或者安全帶約束困難、運行中易被甩出和浪費水資源等弊端。圖4（d）所示人形充水實體測試假人包含大臂、肘部、髖部和膝部關節等自由度，如果其尺寸比例嚴格按照真實人體設計制造，應用該假人進行測試能夠在一定程度上反映安全壓杠或者安全帶約束狀態，但是仍然存在無法獲取人體響應和浪費水資源等弊端。圖4（e）所示人形充水實體測試假人沒有手臂，應用于不考慮手臂活動的測試場合，缺點與圖4（d）類似。圖4（f）所示人形玻璃鋼假人，只能應用于游樂設施運行區域安全包絡線及乘客約束系統測試，其具有重量輕、不能模擬載荷試驗和一次性使用、易于損壞等特點。圖4中部分圖片來源于美國Roto West Inc公司官網以及Google圖片搜索。

圖4 游樂設施測試假人

2.2 汽車碰撞假人在游樂設施測試中的應用

圖5 美國GMH Engineering公司采用汽車碰撞假人進行過山車測試

美國GMH Engineering公司在游樂設施檢測中創新性的應用了內置多處傳感器的實體測試假人(Hybrid III 50th假人)[11]，主要應用于過山車測試，如圖5所示。應用汽車碰撞假人進行游樂設施測試具有很多優點，如：假人尺寸比例和重量分布與真人具有高度相似性，假人骨骼、肌肉和皮膚材料與真人具有生物力學一致性，多自由度和多傳感器布置方案能夠真實反映乘客乘坐過程中的力學響應時間歷程，實現對游樂設施舒適性與安全性的預測功能。缺點同樣存在，如：價格昂貴，針對汽車碰撞設計，傳感器布置方案、量程與精度不適應游樂設施運行工況等。但是，GMH Engineering公司進行類似嘗試，積累經驗，可以為開發游樂設施實體測試假人提供參考。圖5中圖片來源于美國GMH Engineering公司官網。

3 實體測試假人開發需求

實體測試假人是真人的1∶1復制品，需要安裝足夠多的傳感器以獲得盡可能多的人體響應數據。要開發一款能夠反映并預測真人響應的測試假人，需要進行大量的實驗，以獲取人體尺寸、重量分布、材料屬性和關節自由度等信息。

3.1 生物力學測試

20世紀30年代晚期，人體承受極端身體傷害后人體響應的可靠數據還沒有收集，也沒有相應的測試工具，底特律韋恩州立大學最早開始進行人體高速碰撞后響應數據的收集。最早的測試對象是死尸，利用死尸來獲取人體承受沖擊載荷時破碎力和撕裂力的基礎數據。測試方法也很落后，比如：用鋼球從高處拋下撞擊骷髏，把尸體從廢棄的電梯井中扔下，在尸體上安裝加速度測試儀承受汽車撞擊等。用尸體來做實驗有一些局限性，如：實驗對象一般為自然死亡的老年白人；尸體承受沖擊后將產生傷害，無法進行第二次重復實驗；沒有相同的兩具尸體可以用來實驗；實驗對象數量有限、種類有限，無法獲得足夠數據。

一些研究者用他們自己的身體作為實驗對象。Colonel John坐在火箭滑撬上加速到1010km/h并在1s內停下。Lawrence Patrick，目前是韋恩州立大學的退休教授，曾經進行過大約400次火箭滑撬實驗來測試快速減速對人體的影響，他和他的學生們為人體生物力學做出了巨大貢獻。但是志愿者數量有限、類型有限，仍然無法獲得全面的實驗數據。

20世紀50年代中期，已經積累大量的尸體測試數據。還需研究事故中的生還可能，尸體實驗已不能滿足研究要求。有學者提出用動物代替人類來進行實驗的想法，在艙內碰撞研究中最常用的動物是豬，主要是因為他們的內部結構類似于人類，而且豬也可以被很好的放置在駕駛員座椅上。

尸體測試和動物測試逐漸受到宗教人士和動物保護主義人士的抵制，但是也已為假人設計制造積累了大量數據，汽車制造商逐漸開發出能夠很好模擬人體響應的實體測試假人。

3.2 假人主要參數

實體測試假人的主要用途是建立一個能夠模仿人體的測試環境，如果人體參數有誤，將造成測試結果的不準確和不可信。目前國內多采用Hybrid III 50th假人進行測試，但是Hybrid III 50th假人是參照美國人體測量參數所設計的，由于中美人種的差異，中美人體尺寸及體重參數相差較大，見表1。中國國家標準GB 8408—2008《游樂設施安全規范》中第4．2．2．1節“活載荷”中規定“乘坐成人1~2人時按750N/人計算，2人以上按700N/人計算。兒童（身高不超過1．2m或10歲以下）按400N/人計算。”，近似換算為成人70~75kg/人，兒童40kg/人，與表中數據有較大不同。因此，開發基于中國人體測量數據的實體測試假人工作至關重要。表1中數據主要來源于Humanetics公司網站和中國國家標準GB/T 10000—1988《中國成年人人體尺寸》。

表1 中美人體尺寸及體重參數對比

3.3 主要測試傳感器選擇及布置方案

根據不同測試工況選擇主要測試傳感器及確定布置方案。Hybrid III 50th假人傳感器布置方案[12]如圖6所示，包括頭部三軸加速度傳感器、頸部力/力矩傳感器、腹部位移傳感器、膝蓋位移傳感器、小腿上部力/力矩傳感器以及小腿下部力/力矩傳感器等，基本滿足汽車正面碰撞測試要求。中國國家標準GB 8408—2008《游樂設施安全規范》中第4．7節“加速度允許值”中規定“計算或測量加速度的參考點一般應在坐席上方600mm處?！?，測試人體坐標系下的三軸加速度數據，圖6中傳感器布置方案不能滿足要求，需改進設計。

圖6 Hybrid III 50th假人傳感器布置方案

4 結論

通過調研大量的國內外文獻與研究報告，結合本部門豐富的游樂設施檢驗經驗，針對游樂設施測試假人開發提出以下注意事項：

1）游樂設施測試假人研究基礎薄弱，起點很低。根據GB 8408要求，Hybrid III第50百分位男性假人比較符合游樂設施測試工作，可以從對現有Hybrid III 50th假人改造著手，快速形成檢測能力。

2）深入研究游樂設施運動特點，掌握游樂設施運行規律，簡化Hybrid III 50th假人模型，去除不必要的關節自由度，減少傳感器數目并優化傳感器布置，進一步增加具有游樂設施檢測特色的新型傳感器。

3）基于中國人體測量數據，修正Hybrid III 50th假人模型，使之適應中國需求。

4）開發系列假人，用于乘客約束系統驗證、游樂設施型式試驗等不同實驗環境。

[1] Nahum A M，Melvin J W．Accidental injury：biomechanics and prevention[M]．Springer-Verlag，2015．

[2] Crash test dummy-Wikipedia[EB/OL]．https：// en．wikipedia．org/wiki/Crash_test_dummy， 2016-05-15．

[3] Crash test dummy[EB/OL]．http：//www．cs．mcgill．ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/c/Crash_test_dummy．htm， 2016-05-15．

[4] 假人|汽車碰撞試驗用假人的生產銷售-Jasti Co．，Ltd[EB/OL]．http：//www．jasti．co．jp/cn/product/dummy．html #hybrid-III50th， 2016-05-15．

[5] History of Crash Test Dummies | Humanetics ATD[EB/OL]．http：//www．humaneticsatd．com/about-us/dummy -history， 2016-05-15．

[6] Advisory Group for Aerospace Research and Development (AGARD)． Advisory Report 330：Anthropomorphic Dummies for Crash and Escape System Testing[R]． Canada Communication Group， 1996．

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[8] Insurance Institute for Highway Safety．Safety Belt Use During Pregnancy Urged[J]．The Highway Loss Reduction Status Report，1972，7 (16)：2．

[9] Test-dummies[EB/OL]．http：//www．test-dummies．com/， 2016-05-17．

[10] Thorpe Park： The Swarm ride test run sees dummies return with limbs snapped off | Daily Mail Online[EB/OL]．http：//www．dailymail．co．uk/news/article-2091480/ Thorpe-Park-The-Swarm-ride-test-run-sees-dummiesreturn-limbs-snapped-off．html， 2016-05-17．

[11] GMH Engineering Service[EB/OL]． http：//www．gmheng．com/service_coaster．php， 2016-05-17．

[12] First Technology．European Frontal Regulation Instrumentation[R]．2008．

Application Prospect of Test Dummy in the Amusement Rides’ Inspection

Chen Weiwei Tian Bo
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

As the traditional test methods of amusement ride cannot get the reaction force, acceleration and extrusion deformation of passengers, the pre-research on application prospect of test dummies in amusement rides' inspection was carried out in this paper. The development process and application status of test dummy were studied, and we pointed out the problems which were existed in the traditional test dummy and forecasted the application of test dummy in amusement rides’ inspection. Finally, several suggestions of amusement rides’ test dummy development were summarized.

Dummy Amusement ride Biomechanical

X924

B

1673-257X(2017)01-0006-06

10．3969/j．issn．1673-257X．2017．01．001

本文由國家重點研發計劃項目“游樂園和景區載人設備全生命周期檢測監測與完整性評價技術研究”（2016YFF0203100），課題2“典型游樂設施虛擬仿真、質量預測和虛擬體驗技術研究與系統開發”（2016YFF0203102）和中國特檢院博士科研基金“高大游樂設施的振動測試與數值模擬研究”（BSJJ-2015-09）資助]

陳衛衛(1982～)，男，博士，工程師，從事游樂設施檢驗檢測新技術開發研究工作。

2016-11-11）