紧急制动下驾驶员的坐姿仿真变化及损伤研究

Research on Driver’s Sitting Posture Simulation Change and Injury under Emergency Braking

摘要: 本文建立了车辆约束系统模型，以NAIS统计的座椅角度数据为基础，在FRB和MPDB两种碰撞工况下，通过LS-DYNA利用THOR假人模型仿真对比分析三种初始驾驶坐姿在紧急制动下乘员的运动学响应及假人头部、颈部和胸部的损伤风险。最后采用NSGA-II算法的多目标优化方法求解乘员座椅部分位置的最优参数值。结果表明：以综合假人评价指标WIC值最小为目标获得数据是座椅角度100.1˚，踏板到坐垫前端水平距离0.48 m，方向盘中心到靠背上端水平距离0.66 m，座椅坐垫高度0.18 m。这组数据将为进一步提高乘员座椅的正面碰撞防护能力和未来主被动安全一体化的开发策略提供参数依据。

Abstract: This paper establishes restraint system model of vehicle, based on the seat angle data of NAIS sta-tistical; under the two impact conditions of FRB and MPDB, LS-DYNA uses the THOR dummy model to simulate and compare the kinematics response of passengers in three initial driving sitting posi-tions under emergency braking and the injury risk of the dummy head, neck and chest. Finally, the multi-objective optimization method of NSGA-II algorithm is used to solve the optimal values of some position parameters of the passenger seat. The results show that the data obtained with the objective of minimizing the damage value of the integrated dummy are the seat angle of 100.1˚, the horizontal distance from the pedal to the front end of the seat cushion with 0.48 m, the horizontal distance from the steering wheel center to the upper end of the backrest of 0.66 m, and the seat cushion height of 0.18 m. This set of data will provide parameter basis for further improving the frontal collision protection capability of the passenger seat and the development strategy of the in-tegration of active and passive safety in the future.

1. 引言

随着高级驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS)的不断发展，国内外学者都对乘员的乘坐姿态是否会加剧损伤做了大量的研究。碰撞测试室在对车内乘员的碰撞保护的不断探索过程中，通常使用ATD (人体测量测试设备)以标准化的坐姿进行碰撞测试。然而，车辆乘员在正常驾驶期间和紧急制动条件下都不会保持与碰撞ATD完全相同的姿势 [1] 。因此，不同初始驾驶坐姿造成碰撞时离位状况是不同的，由此造成的损伤情况不容忽视。

在国外，Östh J等人进行志愿者实车紧急制动试验，记录了在紧急制动过程中驾驶者身体各个部位的位移变化情况 [2] 。Timothy T L等人利用美国汽车采样系统数据，调查了事故中车内乘员的离位频率、人员特征以及损伤情况，其结果表明只有0.5%的乘员在碰撞时处于离位状态，针对损伤结果分析可知，离位情况越严重其乘员损伤越严重 [3] 。Kang M等人通过定义正常坐姿和三种离位坐姿，并选取了6名志愿者进行实车试验，研究在紧急制动作用下的运动反应差异，其研究结果表明：当乘员在离位坐姿中AEB被激活时，会对乘员造成潜在的伤害或不适风险 [4] 。

在国内，任立海等人利用PreScan和Simulink联合仿真搭建了基于模糊控制的紧急制动模型，结果表明运用基于模糊控制的紧急制动模型，在制动过程中乘员头部和胸部位移量分别减小62%和80% [5] 。文箫建立三种不同类型假人模型的驾驶员侧约束系统，对比分析了三种乘员在低中高速下紧急制动对乘员安全的影响，结果表明：主动人体模型的运动学相响应与实车试验较为一致 [6] 。李月明等人采用50百分位Hybrid III假人进行加/减速滑台和安全带预紧肩带的主被动融合试验，研究结果表明：若AEB制动减速度小于6.0 m/s²，约束系统匹配方式保护功能不会降低，若AEB制动减速度达到8.0 m/s²，假人头部将发生“气囊不稳定接触”，胸部有“触底”风险 [7] 。

综上所述，国内外车企及各高校专家、学者都对碰撞假人的离位情况进行了深入的研究。本文结合国家车辆事故深度调查体系(National Automobile Accident In-depth Investigation System, NAIS)松江站点采集到的真实道路交通事故案例，通过对比分析驾驶员在不同初始乘坐姿态，研究紧急制动和碰撞过程中驾驶员坐姿变化以及对乘员损伤的影响。最后，将案例进行事故重建分析，并结合事故资料，说明本文仿真试验结果的有效性，可以为汽车乘车人员特别是新手驾驶员的坐姿提供一定的参考意义。

2. 模型与方法

首先，选取NAIS松江站点2016~2020年的事故案例统计出的实际常用座椅角度应用到假人初始坐姿中。然后，通过有限元软件HyperWorks和Primer建立了带THOR假人模型的驾驶员侧约束系统模型，包括座椅，安全带，安全气囊等模型。最后，列出事故中人体主要部位的损伤风险。

2.1. 座椅参数分析

座椅角度选取

座椅角度指的是座椅坐垫表面与座椅靠背表面K之间的夹角。统计出的座椅角度分布如图1所示，从座椅角度来看，[90˚, 100˚)占比接近一半，座椅角度[90˚, 100˚)、[100˚, 110˚)和[110˚, 120˚)总共占比超过90%。因此，将如图2所示的座椅靠背角度分别为95˚，105˚和115˚的实际常用座椅角度应用到假人初始坐姿中。

Figure 1. Seat angle statistics of NAIS

图1. NAIS座椅角度统计

Figure 2. Definition of sitting angle

图2. 坐姿倾角定义

根据52辆安全带有划痕的事故车辆当中统计得到，安全带划痕长度分布的占比最多为20~100 mm。通过事故后车辆安全带的划痕长度，来判断驾驶员身体前倾的程度，通过模拟试验来换算制动过程中驾驶员头部重心位置偏移量。基于5组安全带的拉伸试验，安全带划痕与头部位移之间的具体数据如表1所示，其驾驶员头部位移一般在10 cm以下，随着安全带划痕长度的增加，头部位移量也逐渐增大，通过安全带划痕来反推NAIS事故案例中驾驶员的乘坐姿态变化情况。

Table 1. The relationship between seat belt scratches and head displacement

表1. 安全带划痕与头部位移之间的关系

2.2. 有限元约束系统建模

本研究采用的整车模型是美国国家碰撞中心根据2006年款丰田雅力士车型所建立的有限元模型 [8] ，模型如图3所示。为了便于计算及后处理，将图4所示的整车有限元模型进行简化处理。

Figure 3. Yaris finite element model

图3. Yaris有限元模型

Figure 4. Establishment of cockpit model

图4. 驾驶舱模型建立

采用THOR-50M假人模型做仿真试验，其对标的人体模型为平均体重为77公斤、身高1.76米的成年男性。THOR假人与传统的Hybrid III假人相比，其生物逼真度更高，且THOR假人更便于调节假人的坐姿。并运用DYNA方法建立了安全带Routing模型，如图5所示。

运用LS-DYNA提供的自动单面接触和自动面面接触，其中自动单面接触用到的是*CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE关键字，自动面面接触用到的是 *CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE关键字 [9] 。将有限元的模型与零部件接触起来，带有假人模型的驾驶员侧有限元约束系统模型就建立完成，如图6所示。

Figure 5. Seat belt FE models

图5. 安全带有限元模型

Figure 6. Simulation model of driver restraint system model

图6. 驾驶员约束系统仿真模型

2.3. 模型验证

将NHTSA进行的试验编号为5677的实车碰撞的试验数据与本研究所建立的模型仿真得出的驾驶员受力和损伤信息对比。从表2可以看出仿真结果中各项损伤值误差均在10%以内，表明本研究所建立的仿真模型与试验驾驶员数据具有较好的一致性，此模型能够用于后续的研究。

Table 2. Comparison between simulation value and test value

表2. 仿真值与试验值对比

2.4. 人体主要损伤部位风险

在1969年，美国医学会和美国汽车医学会结合他们的医疗实践经验，并查阅损伤资料，设定了不同程度损伤级别数字，这就是简明损伤分级标准AIS (Abbreviated Injury Scale) [10] ，AIS根据对生命的危害程度将损伤排序，分为了不同的损伤等级，具体如表3所示。

Table 3. Damage level AIS

表3. 损伤等级AIS

对于本研究涉及的车辆碰撞安全，损伤等级仅限于AIS4及以下等级，不研究AIS5及以上的等级的乘员保护，因为AIS5及以上乘员基本无生还可能，研究没有意义。以下列出头部、颈部及胸部的损伤风险评价准则，为后续仿真结果中人体损伤的分析作为参考。

可能发生头盖骨骨折(AIS ≥ 3)的概率p可以由下面的公式(1)计算得到，即：

$p\left(\text{AIS}\ge 3\right)=\Phi \left[\frac{\ln \left(HI{C}_{15}\right)-7.45231}{0.73998}\right]$ (1)

N_ij是将颈部轴向力和弯矩联系起来，它是评价正碰中导致严重颈部损伤而提出的一个损伤准则。颈部的AIS等级大于等于2和大于等于3的损伤概率如公式(3)和(4)所示。

$N_{ij}\left(t\right)=\frac{F_z}{F_{zc}}+\frac{M_y}{M_{yc}}$ (2)

式中，F_z为枕髁所受的轴向力；M_y为枕髁所受的弯矩；F_zc为轴向力的极限值；M_yc为弯矩的极限值。

$p\left(\text{AIS}\ge 2\right)=\frac{1}{1+{\text{e}}^{\left(4.3085-5.4079N_{ij}\right)}}$ (3)

$p\left(\text{AIS}\ge 3\right)=\frac{1}{1+{\text{e}}^{\left(4.9372-4.5294N_{ij}\right)}}$ (4)

AIS等级大于等于3时涉及胸部最大压缩量的损伤概率公式如下所示：

$p\left(\text{AIS}\ge 3\right)=1-{\text{e}}^{-{\left(\frac{R_{\max }}{59.865}\right)}^{2.7187}}$ (5)

式中：R_max为胸部最大压缩量。

3. 仿真试验

以驾驶员受正面碰撞为基础，参考2021版C-NCAP中关于车辆正面100%重叠冲击固定刚性壁障(100% overlapping frontal impact fixed rigid barrier, FRB)和50%重叠移动渐进变形壁障(Front 50% overlap moving progressive deformation barrier, MPDB)的试验要求 [11] ，并将95˚，105˚和115˚三种假人乘坐姿态的仿真模型分别导入两种碰撞工况下进行计算求解，获得碰撞过程中驾驶员运动学响应及受伤害情况。

3.1. FRB工况下驾驶员损伤风险分析

3.1.1. FRB工况下驾驶员运动姿态变化

将三种乘坐姿态的仿真模型分别导入LS-DYNA种进行计算求解，在LS-Prepost种查看其动画，得到三种乘坐姿态下0 ms (汽车碰撞的初始时刻)、40 ms (安全气囊持续充气的时刻)、80 ms (假人身体与气囊接触的时刻)、120 ms (碰撞结束时刻)时刻假人的运动学响应侧视图，如图7所示。

Figure 7. Driver’s motion attitude under FRB condition

图7. FRB工况下驾驶员运动姿态

3.1.2. FRB工况下不同坐姿下潜风险

乘员下潜是造成乘员腹部损伤AIS3+的主要原因之一。图8为三种乘坐姿态下驾驶员的躯体的运动响应情况，可以看出在座椅靠背角度为95˚的情况下，假人未出现下潜现象；在座椅靠背角度为105˚的情况下，假人模型在100 ms的时刻已经出现了下潜的现象；而在座椅靠背角度为115˚的情况下，假人模型在75 ms的时刻已经出现了下潜的现象。结果表明座椅靠背角度越大，驾驶员在车辆碰撞过程中导致下潜的风险就越高，即对假人造成损伤的风险也越高。

3.1.3. FRB工况下不同坐姿下潜风险

将三种乘坐姿态的仿真模型导入LS-DYNA中进行计算之后得到的结果在LS-Prepost中查看其头部、颈部以及胸部的损伤风险曲线，其损伤指标的最大值列在表4中，并根据已经列出的头部、颈部和胸部损伤风险的公式，计算得出三者的AIS损伤风险概率，其结果如图9所示。

结合表4和图9可以看出，在FRB工况下三种坐姿中，105˚和115˚头部损伤几率最高，AIS3+头部损伤几率为7.6%。颈部损伤最高的是115˚，AIS3+颈部损伤几率最高为9.4%。胸部损伤最高的是95˚，AIS3+胸部损伤几率高达29.7%。

3.2. MPDB工况下驾驶员损伤风险分析

3.2.1. MPDB工况下运动姿态变化

如图10所示，得到在MPDB工况下三种乘坐姿态0 ms、40 ms、80 ms、120 ms时刻假人的运动学响应侧视图。

Figure 8. Driver dive risk under FRB condition

图8. FRB工况下驾驶员下潜风险

Table 4. Comparison of injury indexes of different occupant sitting positions under FRB condition

表4. FRB工况下不同乘员坐姿的损伤指标对比

Figure 9. Driver dive risk under FRB condition

图9. FRB工况下不同乘员坐姿的损伤风险

Figure 10. Driver’s motion attitude under MPDB condition

图10. MPDB工况下驾驶员运动姿态

3.2.2. MPDB工况下不同坐姿下潜风险

图11为三种不同乘坐姿态下驾驶员的躯体的运动响应情况，可以看出在座椅靠背角度为105˚的情况下，假人模型在75 ms的时刻已经出现了下潜的现象，而在第三种乘坐姿态即座椅靠背角度为115˚的情况下，假人模型在50 ms的时刻已经出现了下潜的现象。结果表明座椅靠背角度越大，驾驶员在车辆碰撞过程中导致下潜的风险就越高，即对假人造成损伤的风险也越高。

Figure 11. Driver dive risk under MPDB condition

图11. MPDB工况下驾驶员下潜风险

3.2.3. MPDB工况下不同坐姿损伤风险

将MPDB工况下三种乘坐姿态的仿真模型导入LS-DYNA中进行计算之后得到的结果在LS-Prepost中查看其头部、颈部以及胸部的损伤风险曲线，其损伤指标的最大值列在表5中，并由已列的损伤风险概率公式计算得出三者的AIS损伤风险概率，其结果如图12所示。

Table 5. Comparison of injury indexes of different occupant sitting positions under MPDB condition

表5. MPDB工况下不同乘员坐姿的损伤指标对比

Figure 12. Driver dive risk under MPDB condition

图12. MPDB工况下驾驶员下潜风险

结合表5和图12可以看出，在MPDB工况下三种坐姿中，头部损伤最高的是105˚，颈部损伤最高的是115˚，胸部损伤最高的是95˚。

4. 真实案例分析及优化

4.1. 案例概要

该事故信息如下：在2017年1月11日13时25分许，在某十字路口，直行的蒙迪欧与左转的荣威发生正面碰撞，事故导致蒙迪欧的车头左侧和荣威的车头右侧严重变形，蒙迪欧的驾驶员未受伤，荣威的驾驶员轻微受伤，副驾驶乘客严重受伤。根据事故回访资料以及PC-Crash 12.0碰撞仿真图13显示，两车在碰撞前均采取了制动措施。

福特蒙迪欧和荣威安全气囊展开情况均正常，如表6所示。

根据事故车辆勘验结果显示，荣威车内驾驶员安全带划痕约为12 cm，根据表1总结的规律，推测其头部位移量在300 mm左右。驾驶员座椅角度为100˚，副驾驶位置座椅角度为120˚，其他具体数据如图14和表7所示。

Figure 13. Accident reconstruction process diagram

图13. 事故重建过程图

Table 6. Airbag information

表6. 气囊信息

注：图中长度单位为cm，角度单位为˚。

Figure 14. Roewe front seat position parameters

图14. 荣威前排座椅位置参数

Table 7. Seat position parameters

表7. 座椅位置参数

4.2. 人体主要部位加速度变化分析

根据PC-Crash事故重建显示，本次碰撞时间总共持续了1.4 s左右，其中0~0.4 s为两车主要碰撞阶段，在此时间段内荣威车内两人的速度变化及能量变化很剧烈，具体情况如图15所示荣威车内两人的头、颈、胸部的变化情况，以下“乘客甲”、“乘客乙”分别代指荣威车内驾驶员、副驾驶乘客。

(a) (b) (c)

Figure 15. Head, neck and chest resultant acceleration. (a) Head resultant acceleration; (b) Neck resultant acceleration; (c) Chest resultant acceleration

图15. 头部、颈部和胸部的加速度变化曲线图。(a) 头部合成加速度； (b) 颈部合成加速度；(c) 胸部合成加速度

综合头部、颈部和胸部三方面的加速度曲线来看，乘客乙受到损伤的时刻要明显晚于乘客甲，且乘客乙受到的损伤比乘客甲较为严重。其原因可能是由于车辆右前侧受到撞击，冲击更大，因此副驾驶位乘客乙在碰撞过程中产生的离位更加严重，导致其遭受的损伤也更严重。

4.3. 优化试验设计

本文以降低假人头部、颈部和胸部损伤值为优化目标，由于优化目标之间会相互冲突，因此三个优化目标不可能同时达到最优值。通过仿真模型计算得到乘员损伤的响应值，最后利用综合评价指标WIC最小值得出最优解，并对其进行验证。

基于NAIS统计的52起大变形案例中驾驶员座椅位置参数数值差异较大的部分参数，对这部分限制驾驶员坐姿的座椅位置参数进行优化分析。最终选取了4个相关参数作为优化变量，其参数值范围如表8所示。

Table 8. Optimization variables and variation range

表8. 优化变量及变化范围

本文利用辅助评价指标WIC来寻求最优解，以解决多目标优化中难以抉择的问题。本文所建立的WIC表达式如下所示：

$\text{WIC}=\frac{0.57}{2}\times \left(\frac{HI{C}_{36}}{1000}+\frac{A_{3ms}}{80}\right)+0.14\times N_{ij}+\frac{0.29}{2}\times \left(\frac{C_{3ms}}{60}+\frac{C_{comp}}{63}\right)$ (7)

上式为更加全面的加权综合损伤指标，各个损伤值的权重系数来源于NAIS松江站点车辆事故中车内乘员身体各部位发生损伤的统计概率，如图16所示。

Figure 16. Injury statistics of each part

图16. 各部位受伤统计

图17所示为本文设计的优化流程。对多目标进行优化求解是利用拉丁超立方抽样实验对已经选取的驾驶员坐姿的座椅位置参数，头部、颈部和胸部损伤值以及伤害评价指标WIC进行随机抽样试验，再使用NSGA-II算法对4个座椅相关参数进行多目标优化。将仿真结果与算法优化模型结果进行对比分析，从中选取WIC值最小时作为最优解，座椅相关参数结果如表9所示。由结果得出误差均在10%以内，说明了此优化模型的有效性。

如图18所示，将上章的座椅角度为105˚的仿真试验与本章算法优化后乘员各部位响应曲线对比分析。可以看出，通过改变座椅位置参数影响到驾驶员坐姿，假人头部合成加速度峰值由48 g降低到40 g，颈部的弯矩值峰值由28 Nm下降到了13 Nm。胸部合成加速度峰值由45 g下降到38 g，胸部变形量由53 mm下降到46 mm。以上结果都表明本文所进行的优化研究效果良好。

Figure 17. Multi objective optimization process

图17. 多目标优化流程

Table 9. Comparison of optimization results of three sitting positions

表9. 三种坐姿优化结果对比

(a) (b) (c) (d)

Figure 18. Comparison diagram of pre-optimization and post-optimization curves. (a) Comparison of occupant head acceleration before and after optimization; (b) Comparison of occupant neck bending moment before and after optimization; (c) Comparison of chest acceleration before and after optimization; (d) Comparison of chest deformation of passengers before and after optimization

图18. 优化前后化曲线对比图。(a) 优化前后乘员头部加速度对比；(b) 优化前后乘员颈部弯矩对比；(c) 优化前后乘员胸部加速度对比；(d) 优化前后乘员胸部变形量对比

5. 结论与展望

本文参照C-NCAP中FRB和MPDB两组正面碰撞试验工况，共六组仿真试验。得出以下结论：

1) 在相同乘坐姿态下，MPDB工况假人受到的损伤比FRB工况的要高，同时随着座椅靠背角度的增加，头部损伤几率会增大，颈部损伤几率无明显变化，胸部损伤几率则有所降低。在六组试验中，FRB工况，座椅角度为105˚状态下，假人整体的损伤风险最低，头部AIS3+、颈部AIS3+、胸部AIS3+的损伤概率分别为7.6%、7.3%和8.1%。

2) 运用第二代多目标遗传算法NSGA-II对汽车座椅位置参数：座椅角度、踏板到坐垫前端水平距离、方向盘中心到靠背上端距离和座椅坐垫高度共4个参数进行优化匹配。得出起最优解为：座椅角度100.1˚，踏板到坐垫前端水平距离0.48 m，方向盘中心到靠背上端水平距离0.66 m，座椅坐垫高度0.18 m。

本文只在正面碰撞两种工况下，分析和比较了紧急制动下初始坐姿对驾驶员损伤的影响研究。后续可以延伸到其他的碰撞类型，例如侧面碰撞、追尾碰撞等，并在这些碰撞类型下进一步研究紧急制动措施对乘员安全的影响。

基金项目

国家自然科学基金面上项目资助(81571851)；产品安全召回技术支撑——基于车辆事故深度调查的车辆缺陷分析判定技术应用研究(上海松江)项目(ZL-ZHGL-2020015)；上海市司法鉴定专业技术服务平台资助项目(19DZ2292700)。