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自行車和電動兩輪車的碰撞安全，你了解多少？

2019-11-18 11:53:51·  來源：汽車安全與輕量化  作者：胡屹明  
　
導(dǎo)讀：電動兩輪車和自行車騎車人都屬于弱勢道路使用者，在與汽車的碰撞事故中存在高受傷風(fēng)險。本文著眼于分析電動兩輪車、自行車與車輛碰撞事故中，騎車人的人體
導(dǎo)讀：  
電動兩輪車和自行車騎車人都屬于弱勢道路使用者，在與汽車的碰撞事故中存在高受傷風(fēng)險。本文著眼于分析電動兩輪車、自行車與車輛碰撞事故中，騎車人的人體運動學(xué)和損傷機理，評估不同碰撞場景下的頭部損傷程度。
 
中國是電動兩輪車使用率最高的國家，根據(jù)國家統(tǒng)計局2017年發(fā)布的數(shù)據(jù)，截止到2016年，在冊登記的電動兩輪車達2.5億輛，占全球總市場的90%。中國也因此成為世界上電動兩輪車傷亡人數(shù)最多的國家。2013年大約有2.04萬電動兩輪車騎車人死于交通事故。對于這一特殊國情，降低電動兩輪車事故死亡率，成為中國道路交通安全中的一個重要課題。同樣作為非機動車，自行車和電動兩輪車通常共享非機動車道，行駛速度均低于機動車，“肉包鐵”的騎車人都屬弱勢道路使用者。但是兩者之間又存在顯著差異，例如質(zhì)量的分布、騎車人的姿態(tài)。那么電動兩輪車或自行車在與車輛發(fā)生碰撞事故時，騎車人的運動和損傷機理有何不同呢？我們利用MADYMO仿真平臺，通過建模仿真的方法，對這一問題展開了研究。
   
首先，對于碰撞事故中的機動車類型，我們主要考察兩種在道路上較為普遍的車型，即一般的轎車(sedan)和運動型多用途汽車（SUV）。這兩種車型的前端結(jié)構(gòu)具有比較明顯的差異：SUV的發(fā)動機罩蓋位置更高，同時剛度更大。發(fā)動機罩蓋高度會影響頭部的撞擊位置：對于矮一些的轎車，發(fā)生碰撞后頭部最先有可能撞擊的位置是擋風(fēng)玻璃的中部，而對于較高一些的SUV，頭部則可能直接與引擎蓋相撞。前艙罩蓋的造型及結(jié)構(gòu)設(shè)計對頭部傷害有關(guān)鍵性的影響。就一般碰撞而言，撞擊位置的剛度越大，造成的損傷就越大——好比拳頭用力打在棉花上軟軟的不疼，可打在石板上就會骨折一樣。因此我們分別基于轎車和SUV的實車建立了相應(yīng)的多剛體模型（圖1）。
圖1 轎車和SUV的實車與多剛體模型
    
電動兩輪車和自行車的主要區(qū)別在于幾何、質(zhì)量的分布和騎車人的坐姿。由于自行車的質(zhì)量較輕，同時騎車人的跨騎姿勢使其與自行車相互作用更顯著，碰撞中會出現(xiàn)騎車人跨騎著自行車一道飛起來的現(xiàn)象。而對于較重的電動兩輪車來說，碰撞后則會與騎車人脫離。騎車人與兩輪車之間的相互作用也會影響到此后人體的運動軌跡和頭部撞擊位置。而兩輪車與汽車之間的相對幾何的差異，即電動兩輪車駕駛者一般坐高比自行車矮，也會導(dǎo)致受撞擊的初始位置發(fā)生改變?；诔Ｒ姷奶ぐ咫妱榆嚭妥孕熊嚕覀兘⒘藢?yīng)的多剛體模型（圖2）。
圖2 電動兩輪車和自行車的實車與多剛體模型
    
針對騎車人的體型這一影響因素，我們選擇了5，50和95百分位的多剛體假人模型來代表小、中、大三類體型（圖3）。
圖3 5,50,95百分位假人模型
    
基于以上建立的2個汽車模型、2個兩輪車模型、3個體型的騎車人模型，我們可以得到12個碰撞工況類型。而關(guān)于碰撞工況中的參數(shù)化變量，我們選擇了四個參數(shù)：碰撞發(fā)生時車輛的速度，電動兩輪車或自行車的速度，電動兩輪車或自行車駕駛者頭部到車輛正視中心線的水平距離d, 以及碰撞時兩車前進方向的夾角（圖4）。針對每一個工況類型，通過控制變量法，每次改變四個參數(shù)化變量中的一個，構(gòu)建每個工況下的仿真矩陣（每個工況的仿真矩陣包括18個算例）。
 
圖4 不同碰撞場景下的參數(shù)化因素分析
    
針對所有工況的仿真矩陣，我們輸出了騎車人的運動軌跡、頭部撞擊位置、撞擊速度和頭部損傷指標HIC15（head injury criterion)。不同碰撞工況類型和工況參數(shù)下，騎車人的頭部損傷風(fēng)險（HIC15）由碰撞位置和碰撞速度直接決定（圖5-7：藍色虛線表示自行車-轎車碰撞工況，綠色虛線表示自行車-SUV碰撞工況，紅色實線表示電動兩輪車-轎車碰撞工況，橙色虛線表示電動兩輪車-SUV碰撞工況；頭部碰撞位置在圖中用幾何圖形表示：△表示擋風(fēng)玻璃中心，▽表示擋風(fēng)玻璃邊緣，□表示引擎蓋，○表示車頂，※表示頭部未與汽車發(fā)生碰撞）。
圖5 小體型騎車人的頭部損傷風(fēng)險
圖6 中等體型騎車人的頭部損傷風(fēng)險
圖7 大體型騎車人的頭部損傷風(fēng)險

基于所有工況的參數(shù)仿真矩陣的結(jié)果，我們可以得出以下結(jié)論：
1.與汽車發(fā)生碰撞事故時，由于初始坐姿姿態(tài)、人與車相對幾何關(guān)系存在差異，兩類騎車人的運動學(xué)特征和頭部受傷風(fēng)險也存在差異。
2.總體來看，電動兩輪車騎車人在轎車碰撞事故中頭部受傷的風(fēng)險比自行車騎車人低。但與SUV碰撞時，這一區(qū)別在數(shù)據(jù)上卻沒有顯著體現(xiàn)，這源于轎車和SUV兩類車型的外形差別。
3.碰撞事故發(fā)生時汽車的行駛速度越大，騎車人頭部受傷的風(fēng)險就越高，這一點啟示我們在事故高發(fā)區(qū)段一定要減速慢行。
4.體型較大的騎車人在電動兩輪車-汽車碰撞事故中有更大的可能頭部沒有和車輛發(fā)生直接撞擊，不過，之后仍有頭部撞擊地面的嚴重受傷風(fēng)險。

本文來源于一篇已發(fā)表論文：
Huang, Y., Zhou, Q., Koelper, C., Li, Q., Nie, B. (*) (2019) Are Riders of Electric Two-wheelers Safer than Bicyclists in Collisions with Motor Vehicles? Accident Analysis & Prevention. https://doi.org/10.1016/j.aap.2019.105336 
 
其他參考文獻：
1.Huang, Y., Zhou, Q., Tang, J., Nie, B. (*) (2018) A Preliminary Comparative Study on Rider Kinematics and Injury Mechanism in Car-two-wheelers Collisions. IRCOBI Proceedings.
2.周青. 行人碰撞保護.《汽車碰撞安全基礎(chǔ)》學(xué)堂在線公開課程，第11講，2019.
http://www.xuetangx.com/courses/course-v1:TsinghuaX+80150193X+sp/about
3.聶冰冰, 周青, 夏勇. 行人頭部撞擊汽車發(fā)動機罩蓋的多波峰特征與結(jié)構(gòu)設(shè)計. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報, 2017, 8(1):65-71. 
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