預碰撞下的乘員保護與主被動安全融合技術的發展

唐洪斌

（1.中國第一汽車股份有限公司 研發總院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室, 長春130013）

主題詞：主被動安全融合 預碰撞 乘員保護

1 前言

隨著車輛中主動安全技術的應用，道路交通安全得到了一定的改善，為了更好地實現對乘員安全全方位碰撞保護，近年來又提出了主被動安全融合技術的概念。本文主要介紹主被動安全技術融合概念的提出，以及國內外在預碰撞下乘員保護的研究方向和進展狀態。通過歸類整理可確定未來主被動安全技術初步融合的技術路線，為深度融合技術的發展打下技術基礎。

2 主被動安全技術融合的提出

車輛碰撞安全技術包括被動安全技術和主動安全技術。被動安全技術主要是在發生碰撞事故中或后對乘員進行的保護，包括安全氣囊、安全帶、轉向系統、安全座椅等系統；主動安全技術主要是在碰撞發生前，對可能發生的碰撞提前進行感知，對駕駛員進行提醒或采取措施，避免碰撞事故的發生，包括ABS、ESC、AEB、FCW、LDW等系統。

在實際交通中，有些碰撞事故是不可避免的，為了更好地對乘員進行保護，逐漸產生了被動安全與主動安全相互融合的需求。 隨著被動安全和主動安全裝備的裝配率逐年上升（圖1），對乘員的致死率將產生積極的影響（圖2）[1]。2019 年清華大學首次對中國AEB 使用有效性進行預測，并創新性地分析了氣候、光照、速度、激活率等關鍵因素的影響。結果表明，AEB 系統能顯著提高我國道路交通安全水平。與無AEB 的預計傷亡人數相比，考慮到該系統的局限性，包括天氣、光照和速度條件，以及激活率，中國2030 年潛在死亡和傷害的實際減少百分比分別為3.12%和2.72%，這意味著2030 年中國可避免1 483 人死亡和3 895 人受傷[2]。同時C-NCAP、Euro NCAP 針對AEB 評價的增加，也加速了AEB 裝置在車輛上的應用。而主動安全中AEB 功能是避免碰撞的重要措施之一，同時也是與被動安全技術融合度最大的技術手段。針對正面碰撞在AEB 作用下，由于人體的運動姿態與常規碰撞時不同，需在安全氣囊形態、安全帶類型、安全氣囊點火時刻和主動安全座椅等方面進行綜合優化，提升乘員的保護效果，避免發生二次傷害。

圖1 安全裝備在車輛上的裝配率預測[1]

圖2 安全裝備對致死率影響的預測[1]

2006 年TAKATA 公司提出傳統被動安全技術將向預碰撞時刻前延，形成預定位、自適應約束系統等裝置，使其與輔助制動裝置共同參與完成碰撞前乘員的位置控制，并延續保護功能到碰撞發生過程當中（圖3）[3]。2008 年Autoliv 提出了主被動安全電子集成技術。2009 年奔馳公司在其2003 年提出的預碰撞系統PRE-SAFE?基礎上，在ESF 2009 車型上體現了主被動安全的融合概念（圖4）[4]。2015 年TASS 公司提出了集成安全系統設計方法與工具鏈（圖5）[5]。2016 年DAIMLER AG 公司在預碰撞系統PRE-SAFE?基礎上提出了側面碰撞主被動安全集成保護策略（圖6）[6]。

圖3 TAKATA主被動安全作用時序[3]

圖4 奔馳公司主被動安全融合方式[4]

圖5 TASS公司集成安全系統設計方法與工具鏈[5]

圖6 DAIMLER AG公司在預碰撞系統PRE-SAFE?基礎上的側面保護策略[6]

3 基于預碰撞作用下被動安全系統的優化

3.1 預碰撞作用下安全氣囊的改變

由于預碰撞作用下，乘員的運動姿態的不同，以及出于對不同類型乘員的保護，需要對安全氣囊進行優化或改變。

Autoliv 公司提出了一種雙側雙級肩部安全氣囊，與具有限力裝置的安全帶系統整合為一體，固定在座椅靠背2 側（圖7）。針對此方案分別對Hybrid Ⅲ5%、Hybrid Ⅲ95%和THOR 50%假人，座椅靠背角度為23°和45°狀態進行了正面剛性墻56 km/h 碰撞和NHTSA正面偏置90 km/h 碰撞。結果表明除了在正面偏置碰撞中HIC和Nij有增加，其它傷害值均有下降[7]。

圖7 Autoliv公司雙側雙級肩部安全氣囊[7 ]

Hyundai 公司對64 km/h 沒有AEB 作用和40 km/h有AEB 作用下的5%假人，采用原安全氣囊和新開發的安全氣囊進行了對比分析。新開發的安全氣囊采用3 個面來限制駕駛員側安全氣囊初級階段（約0.015 s）X 方向展開長度（圖8）。在仿真分析中，AEB起作用的情況下，采用原安全氣囊，HIC 和Nij 值分別上升了54%和26%；AEB 起作用的情況下，采用TYPE A 型安全氣囊，HIC 和Nij 值分別降低了16%和10%。在臺車試驗驗證中，在AEB作用下，采用TYPE A 型安全氣囊，頸部FZ降低了30%，頸部力矩下降了45%[8]。

圖8 Hyundai公司駕駛員側安全氣囊[8]

Hyundai 公司開發了可重復使用的氣囊和座椅裝置，充氣裝置采用緊湊型混合式和冷氣體。氣囊墊有肋骨氣墊、座椅靠背氣墊、座墊氣墊和組合氣墊（圖9）。通過提前識別側面碰撞，在碰撞發生前觸發裝置，使乘客向內和上偏轉，達到改變乘員的位置，增大生存空間，降低車輛侵入造成乘員傷害的目的[9]。

3.2 預碰撞作用下安全氣囊點火時刻的變化

Honda 公司通過使用ADAS 集成系統，實現對碰撞時刻的提前檢測。針對不同的碰撞模式，安全氣囊點火時刻TTF均可以實現不同程度的提前。如50 km/h 碰撞模式下，TTF 可以比傳統TTF 提前約0.007 s 到0.016 s。針對重疊度為80%的碰撞，頭部加速度明顯下降，HIC 值下降了27%[10]。同時通過增加初始約束或增加裝置吸收碰撞能量會減少乘員的傷害（圖10）。

圖9 Hyundai公司采用可重復使用的氣囊和座椅裝置，在碰撞發生前改變乘員的位置[9]

圖10 Honda公司對ADAS下TTF時刻調整的影響分析[10]

3.3 預碰撞作用下電動預張緊式安全帶的影響分析

Autoliv 公司在56 km/h 的剛性壁碰撞中，驗證了通過在碰撞前AEB 起作用（1 g，1 s）時啟動電動預張緊式安全帶來減少安全帶松弛量，可以減少胸部壓縮量和受傷風險；并通過碰撞中觸發煙火式預緊安全帶，可以進一步減少胸部壓縮量。針對100 mm 的松弛量，當同時具有煙火式預緊安全帶和電動預張緊式安全帶時，具有電動預張緊式安全帶可以比沒有的降低胸部壓縮量6 mm，預緊力分別為300 N和600 N時，對應條件下分別可降低胸部壓縮量2 mm和5 mm。當無煙火式預緊安全帶，只有電動預張緊式安全帶時，預緊力分別為300 N 和600 N 時，對應條件下分別可降低胸部壓縮量5 mm和7 mm[11]。

湖南大學研究了在只有AEB 作用下4 種離位假人（OOP01上身直立，后背離開座椅靠背；OOP02坐直的基礎上整個身體向前移動56 mm；OOP03 和OOP04為乘員上身分別向左或向右傾斜約15°）與電動預張緊式安全帶之間的關系。隨可逆預緊觸發時刻的增加，乘員傷害值和傷害概率增加，0.2 s 以后增加的速度更快；隨預緊力的增大，乘員傷害值和傷害概率降低，150 N 以后降低的速度減慢。在只有AEB 的作用下無電動預張緊式安全帶時，會增加乘員的離位，尤其是初始坐姿為離位狀態時更加嚴重，會導致局部傷害增加，尤其是胸部傷害。在AEB 和電動預張緊式安全帶的聯合作用下，各種坐姿下由AEB 導致的離位得到改善，對于OOP02和OOP03坐姿還能起到糾正初始離位的作用，各部位傷害值和傷害風險也明顯降低，初始離位坐姿越嚴重的，傷害風險降低越明顯[12]。

重慶大學研究了5 種離位假人（SP01 正常坐姿；SP02 頭部前傾；SP03 頭部后仰；SP04 身體向左傾斜；SP05 身體向右傾斜）與電動預張緊式安全帶之間的關系。SP01～SP04 坐姿下，AEB 與電動預張緊式安全帶共同作用糾正了乘員離位，降低了乘員總體碰撞傷害風險。但是在SP05 坐姿下，AEB 與電動預張緊式安全帶共同作用對乘員的傷害減低效果十分有限[13]。

3.4 預碰撞作用下被動安全系統其它參數的影響分析

Hyundai 公司與TASS 公司聯合通過AEB 制動策略、電動預張緊式安全帶（啟動時間、安全帶織帶張力、無安全帶狀態）、安全氣囊形狀和控制、座椅向后的運動和轉向盤前向的運動等多參數的分析，確定了在高速碰撞不可避免的情況下，主動安全系統與被動安全系統之間的協同控制分析方法。在主動安全仿真中，建立了碰撞前車輛模型與實際車輛較好的相關性。在被動安全性仿真中，根據不同的制動策略生成車輛的運動，再現Hybrid Ⅲ假人和AHM（主動人體模型）的運動和傷害，以及與氣囊展開的關系。利用電動預張緊式安全帶和AEB 制動類型（階梯式和斜坡式）的參數變化，對乘員傷害進行研究。研究發現，由于電動預張緊式安全帶的約束作用，AEB 制動策略對頭部的運動影響不大；然而AEB 制動類型對HIC15 有較大的影響。在完全制動之前，雖然越早觸發電動預張緊式安全帶產生的頭部前向運動越小，但是對頭和頸部的傷害值影響較小。針對兩種拉伸力的安全帶，在傷害值上無明顯的區別。安全帶和安全氣囊的早期約束對胸部位移和頭部最大加速度有積極影響；但安全帶和安全氣囊的不同設計因素可以改變這一點，當排氣孔尺寸和乘客安全氣囊尺寸增大時，傷害風險會增大。若駕駛員的手與轉向盤未相連時，頭部前向移動大約40～56 mm，當手與轉向盤相連時，駕駛員頭部移動的更大，這是因為頭部被手向前拉。在40 km/h的無安全帶模式下，由于碰撞前的運動和離位狀態，頭部和擋風玻璃、胸部和儀表板防撞墊之間會出現擊穿的情況。安全氣囊TTF 在降低受傷風險方面發揮著重要作用。乘客座椅向后運動和轉向盤向前運動并不能改善系安全帶乘員的整體傷害值[14]。

4 基于預碰撞作用下的主被動安全的預測技術

單一參數的變化會對最終乘員的傷害值有一定的影響趨勢，多參數和多系統綜合作用才是乘員傷害的最終結果。目前已有相關學者開展了研究工作，下面簡單介紹幾種基于預碰撞作用下的主被動安全的預測技術的基本情況。

HYUNDAI MOBIS 公司應用MiLS 的概念，通過集成MATLAB/Simulink（控制器模型）、CarSim（車輛和執行器模型）、PreScan（駕駛環境和傳感器模型），并利用基于Euro NCAP AEB 驗證場景的實際車輛測試數據、MiLS 結果，建立了AEB 邏輯的仿真環境。通過電動預張緊式安全帶與乘員分析模型的協同仿真進行AEB制動策略及其作用下乘客行為的預測[15]。

清華大學采用基于支持向量機的方法，選擇Yaris 約束模型作為基礎模型，通過對比試驗與仿真的傷害曲線進行驗證，使用兩種折衷方法比較有和沒有AEB 的車輛中乘員的響應，以確定AEB 造成的附加傷害[16]。以制動加速度和制動時間為輸入，以5 個分割區域為輸出，對支持向量機模型進行訓練和驗證。對5 個分割區域的Ride-down 效率和傷害風險進行計算和比較，選出Ride-down 效率高、整體傷害風險低的最佳區域。在支持向量機模型和最佳區域的基礎上，對AEB 參數進行優化，得到在最佳區域和參數邊界上的最大delta-V，以確定最優解（圖11）。

圖11 清華大學采用基于支持向量機的預測方法[16]

Volvo 公司對Volvo 汽車交通事故數據庫VCTAD（Volvo Cars traffic accident database）中的碰撞進行了分類，并選取LT/OD（Left Turn/Oncoming Direction）碰撞模式。在每個案例的碰撞前階段進行詳細的碰撞案例分析，并從所有案例中生成數據集。在這個數據集中，每一個案例碰撞前15 s 或接近碰撞時都以THd（Time History data）格式進行數字描述，每個時間步都描述了車輛的軌跡、道路環境、參與者及其特征，總共包含940 個案例用于模擬[17]。在基礎模型設置中，主車碰撞速度范圍為4～30 km/h，對手車碰撞速度范圍為4～131 km/h。通過AEB 系統的策略控制，第一種情況為可以完全避免碰撞，第二種情況為AEB 系統不起作用，第三種情況為AEB 系統起作用但還是發生了碰撞。針對第三種情況利用描述方法VPARCC（Volvo PARametric Crash Configuration）和SOCKIMO（Simplified Occupant Kinematics Model）對產生碰撞的案例進行詳細分析，并規劃為典型情況。通過一個簡化的乘員運動學模型SOCKIMO（Simplified OCcupant KInematics MOdel）過濾掉頭部偏移量大于150 mm 的情況。在主車內使用SAFER HBM 假人模型進行模擬，對具有PCVK(Pre-Crash Vehicle Kinematics)和碰撞波形的狀態進行組合分析，以此確定AEB 作用下主車內乘員的運動響應，對傷害值可以進行預測和優化分析（圖12）。

圖12 Volvo公司綜合虛擬工具鏈的主被動安全集成策略[17]

德累斯頓理工大學交通事故研究所（VUFO）開發了一種數值模擬方法，可以預測主被動安全融合系統在早期激活的時刻；也可用于評估轉向與制動等避碰策略，以及高級駕駛輔助系統（ADAS）的參數化。VUFO 應用IPG 公司的Carmaker，在MATLAB/ Simulink 的仿真環境中，實現了8 種事故類型在特定時刻的車輛行為參數的變化。為了節省計算的時間，使用了3 種方法的組合(規定的避讓動作順序：全制動優先--避讓第二--加速最后、對分法和固定步長法)對1 019 個事故進行了模擬分析，計算精度達到0.010。計算出的碰撞不可避免的預測時刻PONR（POINT OF NO RETURN（圖13）分布在0.6～0.9 s 范圍內，可以起到較好的保護效果；當低于0.3 s 時代表低速事故，對乘員的影響較小；高于1.6 s 很少發生[18]。在大多數情況下，被動安全措施在碰撞即將發生前0.3～1.1 s 啟動，以達到早期激活安全系統，使車輛在較長距離內對速度進行逐級減速，避免人體承受峰值負荷，減少胸部和頭部的傷害。

圖13 ACEA（歐洲汽車工業協會）安全模型的事故時序[18]

5 結束語

先進的駕駛輔助系統通過避免碰撞或減輕碰撞，在很大程度上有助于減少乘員的傷害，然而并不能完全消除碰撞事故的發生。在預碰撞系統起作用后，安全氣囊展開之前車輛俯仰加劇、乘員前向運動增大，將導致乘員頭頸部傷害風險進一步升高。為降低風險相關專業人員已開展了研究工作，分析工況主要集中在剛性墻碰撞或偏置碰撞，碰撞速度為AEB（1 g，1 s）起作用下的30～40 km/h 或56 km/h；優化參數主要集中在安全氣囊、安全帶、座椅、轉向盤、AEB 的控制類型和AEB的控制策略。研究結果表明，在AEB起作用的情況下，通過采用電動預張緊式安全帶、感知最終碰撞事故發生促使安全氣囊點火時間提前、采用新的安全氣囊型式均可以有效地降低乘員的頭部和胸部傷害值；AEB 制動策略影響較小，但制動類型對HIC15影響較大；座椅向后運動和轉向盤前向的運動影響較小。根據目前的研究成果，后續還需深入開展主被動安全預測技術研究，精準感知不可避免碰撞事故的發生，為被動安全提早產生作用提供前提條件；開展多參數和多系統綜合作用的影響分析，確定最優保護策略；增加彎道、車輛切入等工況不可避免事故的研究，進一步降低乘員可能傷害的風險。