匡芳

摘 要：行人作为道路交通中的弱势群体，在道路交通事故中的伤亡比例非常大，如何通过行人保护研究来降低行人在碰撞中的致死致伤率，已成为各大汽车厂商的技术研发重点。本文在对行人保护的国内外研究现状进行综述的基础上，从主动安全与被动安全两个方面详细介绍了行人保护的研究方法，并列举了行人保护的技术应用，最后展望了汽车行人保护未来研究的方向。

关键词：行人保护；汽车碰撞；主动安全；被动安全

中图分类号：U491.62 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）04-0096-07

Abstract： Pedestrians as a vulnerable group in the road traffic，casualties proportion is very big in the road traffic accident. How to reduce the casualties proportion by the pedestrian protection research， has become a key point of technology research for all the automobile manufacturer. Based on the comprehensive survey of recent progress in pedestrian protection research， the pedestrian protection research methods are introduced from active safety and passive safety aspects， and the technology applications of pedestrian protection are enumerated. Finally， the future research direction of automobile pedestrian protection is forecasted.

Key Words：pedestrian protection； car crash； active safety； passive safety

引 言

行人作为道路交通参与者中的弱势群体，在道路交通事故中呈现出高致死致伤率。统计显示。世界上1/3的交通事故都与行人有关。汽车从诞生之日起，很长一段时间里其安全性研究都是关于如何保护车内乘员，车外行人安全则完全是个空白。

上世纪60年代，美国最先提出行人保护这一概念，由于缺乏研究手段和试验数据，研究进展非常缓慢。随后，日本、美国、欧洲等国家和地区先后开展了行人保护方面的研究。1994年，欧洲车辆安全促进委员会首次提出了基于行人保护的试验。2002年E-NCAP和A-NCAP先后将行人保护试验纳入到新车评价规程[1-2]。2003年，J-NCAP增加了行人保护评价内容[3]。2003年，欧盟委员会通过了行人保护法规2003/102/EC，并且规定从2005年10月和2010年9月起分两个阶段进行实施[4]。2009年，依据前期的运行情况，欧盟委员会颁布了EC 78/2009，代替了之前的法规[5]。2008年，颁布了关于行人保护的全球技术法规GTR 9[6]。2010年，K-NCAP新增了行人保护评价[7]。2013年3月，Euro-NCAP公布了V7.0版本的行人保护试验方法和评价协议[8]。我国于2009年10月正式颁布了关于行人保护的推荐性国家标准GB/T 24550-2009《汽车对行人的碰撞保护》，并在2018 C-NCAP[10]中将行人保护试验纳入其中[9-10]。面对不断完善和日益严苛的行人保护法规，各大车企、高校、研究机构等从各个方面对汽车行人保护进行了研究，各种行人保护技术得以发展和应用。

本文在对国内外行人保护的研究现状进行综述的基础上，从主动安全与被动安全两个方面详细介绍了行人保护的研究方法，并列举了行人保护的技术应用，最后展望了汽车行人保护未来研究的方向，为我国行人保护的研究提供了一定的参考。

1 行人保护研究现状

1.1 国外行人保护研究现状

国外知名车企、著名大学、相关研究机构等都开展了对汽车行人保护方面的研究，在汽车行人保护的理论、试验及应用等方面取得了丰硕的成果。

C Kerkeling通过研究发现具有蜂窝形结构的发动机罩内板，其结构刚度均匀，具有很好的行人保护性能[11]。RaghuV.Prakash通过有限元仿真探讨了行人与车辆发生碰撞时的方向和位置对行人下腿损伤的影响[12]。Li等人通过有限元仿真探讨了行人的走姿对碰撞中下腿型损伤的影响，并通过对德国在2000-2015年间的594起交通事故样本的分析，探讨了汽车前端形状在碰撞中对行人头、胸、骨盆、腿的损伤的影响[13-14]。Koji Mizuno基于有限元分析，通过改变车辆参数对比了Flex-PLI和TRL腿型的冲击响应，研究表明TRL腿型的胫骨加速度和Flex-PLI腿型的胫骨弯矩由不同车辆的前部参数决定[15]。Donald J Whiteside探讨了目前行人保护测试的要求、方法及相关设备，并展望了未来测试在执行方面面臨的挑战[16]。Nagae K等设计了一种新的翼子板结构，该翼子板在车辆正常运行时能够提供足够的刚度，一旦发生碰撞，翼子板就会发生溃缩变形，吸收能量，减小行人头部伤害[17]。Moon等详细介绍了一种溃缩式汽车前端结构的设计模型，该模型可通过计算碰撞损伤来预测出行人腿部的骨折效果[18]。

2009年，日本本田公司开发出了具有更好仿生性能的PolarIII假人，应用于微型箱式车和SUV等车身相对较高的车辆发生的撞击行人事故中，对行人的大腿和腰部等易受伤的部位进行评价[19]。2010年，日本汽车研究委员会研发出一种仿真度更高的柔性腿碰撞器FlexPLI，代替以前的刚性腿碰撞器[20]。Denton公司设计的立姿假人将碰撞时假人与车辆的接触部位考虑其中，可以对假人头部和胸部的伤害进行评价[21]。美国Bayer材料公司开发出一种新型保险杠吸能系统，采用聚氨酯泡沫材料制造而成。这种保险杠在发生碰撞时破碎，吸收大量能量，减小对行人的伤害 [22]。

在行人保护的技术应用方面也取得了丰硕的成果，被动安全技术方面有本田、捷豹、日产等公司使用的主动弹升式发动机罩技术，福特和丰田的行人保护安全气囊技术等；主动安全技术方面有奔驰的“夜视辅助系统”，宝马的“人-车沟通系统”，奥迪的“骑车人和行人安全技术”，沃尔沃的“碰撞警示系统”等[21]。

当前，国际上有关汽车行人保护的研究依然处于不断发展和完善的阶段，尤其是在主动安全行人保护研究及其技术的应用方面。

1.2 国内行人保护研究现状

国内汽车行人保护的研究起步相对较晚。近些年，以各大高校和车企为首的研究团队在国外研究成果的基础上，对其进行了更加深入的研究，并取得丰硕成果。

受到试验条件和试验经费的影响，早期的行人保护研究主要以仿真为主，后期各大车企相继将行人保护研究纳入到新车开发中，以仿真结合试验的方法开展研究，以局部结构冲击试验为主，从汽车前端系统的改进及发动机罩的改进两个方面着手。

2006年，吴昇等建立了行人腿形撞击器的有限元模型，对某款轿车前保险杠系统进行了小腿撞击器的模拟碰撞试验，分析造成行人損伤的相关因素。针对试验结果，提出保险杠结构改进的合理化建议[23]。刘志勇等针对基于行人保护的溃缩式前大灯设计进行了研究，通过有限元仿真发现溃缩式前大灯能够很好地减少头部的伤害值[24]。刘卫国等提出了一种新的汽车前端系统设计方法，通过车头平缓圆润的造型来达到增加碰撞时行人腿部与车头的接触面积，从而减小腿部伤害[25]。曾必强等探讨了保险杠与车身不同的连接方式对行人保护性能的影响，结果显示采用阻尼连接能够有效改善汽车前端系统对行人腿部的保护性能[26]。沈玉婷等利用有限元仿真，探讨了吸能泡沫Z向的位置、副保险杠的X向位置、厚度及强度等参数对行人腿部伤害的影响[27]。重庆大学的张志飞等利用仿真的方法对汽车前保险杠进行了优化设计，发现优化后保险杠的行人下腿型保护性能明显提高[28-30]。贺岩松等通过建立多刚体模型，对汽车前端系统的结构参数进行多目标优化，发现发动机罩与水平面间夹角的大小对行人头部伤害有较大影响，保险杠离地高度将会影响行人下肢损伤指标[31]。

乔维高等利用有限元仿真研究了发动机罩参数的变化对行人头部伤害的影响；此后，其利用同样的方法比较了增加发动机罩抬升机构前后行人伤害指标的变化，发现发动机罩抬升机构在碰撞发生时对行人可以起到有效的保护作用[32-33]。葛如海等设计出了一种压溃式发动机罩铰链，有效降低了碰撞时行人的头部伤害值；并研究发现相对与传统的发动机罩，铝质发动机罩具有更好的吸能性，可以有效保护行人的头部[34-35]。曾宪中[36]利用有限元仿真和正交试验法对发动机罩系统进行概念设计研究，得出各因数对行人头部伤害值的影响程度，为发动机罩的设计提供了指导。李景涛等设计了一种非对称式发动机罩内罩板，通过仿真发现此种机构的发动机罩明显提升了对行人头部的保护性能[37]。吕晓江等通过试验研究发现相对于金属发动机罩，碳纤维复合材料发动机罩能够有效降低头部伤害值，且对发动机舱内布置影响较小[38]。

试验方面，2010年广汽本田在中国汽车技术研究中心实施了我国国内首次行人保护碰撞试验[22]。同年，吉利EC7系车型在西班牙IDIADA试验室进行了行人保护碰撞测试，达到相关标准，顺利通过欧洲EC第1阶段法规认证[22]。此后，各大车企在新车开发过程中也相继进行了试验研究，且都以局部冲击试验为主。

国内在汽车行人保护研究上虽已取得了丰硕的成果，但与国外相比仍然存在一定的差距。例如：对试验用的头型、腿型及试验假人缺乏相关的研究，过度依赖于进口；缺乏行人保护技术方面的应用。因此，需要相关的高校、车企及研究机构继续努力。

2 基于主动安全的行人保护研究

目前，主动安全行人保护研究主要体现在智能安全系统上，并可分为行人主动探测系统和辅助制动系统两个方面。

2.1 行人主动探测系统

行人主动探测系统通过综合运用各类传感器，例如：热传感器、红外线传感器、激光扫描、雷达、影像系统等，实现对人、车的精确定位。一旦探测系统探测出行人或车辆就会立即向驾驶者发出的警告，通过主动提醒，使驾驶者注意到行人或车辆，采取相应措施避免或减轻碰撞。

2.2 辅助制动系统

辅助制动系统的研究是在主动探测系统研究的基础上发展起来的。辅助制动系统能在人与车即将碰撞时主动采取制动措施，通过短时内大幅降低碰撞速度来减少对行人的碰撞伤害。当主动探测系统探测到汽车的行进路线中出现行人或车辆时，会及时向驾驶者发出警告，使驾驶者能够作出相应措施避免碰撞发生，如果驾驶者没有及时作出反应，辅助制动系统就会主动采取制动。

3 基于被动安全的行人保护研究

目前，基于被动安全的行人保护主要是从计算机仿真和碰撞试验两个方面开展的。

3.1 仿真研究

计算机仿真是利用虚拟的行人和车辆模型进行各种碰撞事故的模拟再现，获取碰撞中人体各部位运动及受力情况，并对其进行分析，从而得到人车碰撞时人体的损伤机理，并寻找减轻损伤的解决方案。目前行人保护方面的计算机仿真：一类是基于多刚体行人模型，另一类是基于有限元的仿真。

多刚体行人模型利用集中质量替代人体主要环节，人体各部分通过动力学铰链将相连，集中质量上的椭球面用来描述人体几何外形，模拟人体与周围环境间的相互作用。多刚体计算的优点是模型建立比较简单，大大缩短建模和计算时间，可以高效了解行人的运动情况，但无法获得行人具体伤害指标。

相对于多刚体计算，有限元仿真可以精确获得人体不同部位的受伤情况，更加准确的对车辆在行人保护方面的性能进行评价。但人体有限元模型的建立非常复杂，涉及到人机工程学、生物力学等多个领域的理论和数据，工作量大，且计算时间较长。

3.2 试验研究

目前，关于行人保护的试验研究主要体现在以下两个方面：一是局部结构冲击试验，二是行人假人碰撞试验。

局部结构冲击试验來自于E-NCAP和2003/102/EC技术指令指定的行人保护试验。通过头型与腿型的冲击试验来模拟真实情况中行人与车辆发生碰撞时人体受到的伤害。其中头型冲击试验分为成人头型实验和儿童头型实验；腿型冲击试验又分为上腿型试验和下腿型试验。而且，腿型冲击器已经由最初的刚性腿演变为现在的由日本汽车研究委员会研发的仿真度更高的柔性腿碰撞器。

行人作为一个整体，各部位相互关联，运动姿态的差异直接影响着碰撞中各部位的受伤情况。假人碰撞试验就是利用行人假人与实车进行模拟碰撞，该方法可以相对真实地再现出各种碰撞事故，得出人体各部位的承受极限和损伤机理等数据。故日本本田公司研发出了针对行人保护研究用的“POLAR”假人，该假人不仅可以较为准确地模拟出行人碰撞事故中的接触部位，还依据统计数据在多个部位添加了传感器。针对近些年日渐增多的SUV撞击行人事故，最新的“POLARIII”假人加入了对大腿和腰部的评价能力。随着试验可重复性的提高，使用假人进行行人保护试验将成为必然趋势。

此外，还有人体尸体试验和志愿者试验等试验方法，但由于受到伦理和安全方面的制约较少使用。

4 行人保护技术应用

经过半个多世纪的探索，行人保护研究取得了丰硕的成果，各种行人保护技术相继应用到实车上。当前，行人保护技术应用主要体现在以下四个方面：一、汽车前端系统改进，二、发动机罩改进，三、行人安全气囊系统，四、车辆智能安全系统。

4.1 汽车前端系统改进

汽车前端系统改进主要是对其材料或形状改进，利用材料的弹性或结构变形吸能，减小对腿部的撞击力，从而有效保护行人的腿部和膝部。汽车前端系统的改进主要体现在以下三个方面。

1）前保险杠材料改良。通过新的吸能材料，如高密度泡沫，来替代原有的保险杠材料，延长腿部吸能过程，达到减小腿部伤害的目标。

2）前保险杠形状改进。在防撞梁与保险杠间留有足够的变形空间，来达到吸能的要求。改变前保险杠的掠形设计，把保险杠的底部向前平移，控制胫骨的弯曲角度，降低腿部骨折的风险。或抬高保险杠的碰撞点，尽可能减少尖锐的突起，使车辆的前脸造型圆润，从而减小碰撞时对行人的伤害。

3）溃缩式前大灯设计。通过弱化前大灯的安装支架，使其在碰撞时发生溃缩，吸收能量，减小对行人的伤害。

4.2 发动机罩改进

目前，发动机罩的改进主要是采用自动弹出式发动机罩。自动弹出式发动机罩的工作原理非常简单，当人车发生碰撞时，发动机罩后部将会自动弹升一定的高度，增加机罩与机舱内部零件间的间隙，如图1所示，能够有效规避行人头部与机舱内刚性零件的直接接触，减少头部伤害。

目前，英菲尼迪Skyline Coupe、本田里程Legend、讴歌RL、雪铁龙C6、日产GTR和350Z、捷豹XK等车型相继采用了该技术，并在E-NCAP试验中取得较好的成绩。新奔驰E级自动复原弹起式发动机罩，通过弹簧产生上弹力，并利用电磁螺线管开锁，驾驶者可以自行将弹起的发动机罩关闭，系统将会自动复原[39]。

另一种方法则是对发动机罩结构进行弱化，如对发动机罩内板进行结构优化，采用新型材料来替代钢材，或是通过设计压溃式的发动机罩铰链，来降低对行人头部的伤害。

4.3 行人安全气囊系统

行人安全气囊是近年来针对行人安全保护提出的新的技术应用方向。当感应器探测到行人与车辆发生碰撞时，瞬间将车外安全气囊点爆，使其在行人与车辆硬物接触前就完全展开，避免人车发生直接接触，降低对行人的碰撞损伤。

目前，针对车外行人安全气囊的研究有2种，一是发动机罩气囊，二是前围安全气囊。发动机罩气囊位于保险杠的上方，紧靠保险杠上方处开始展开以保证成人腿部和儿童头部的安全。前围安全气囊则位于前风窗玻璃下沿，提供二次碰撞保护，以防行人被甩到发动机罩上后被前窗底部碰伤。

继福特率先推出行人保护安全气囊后，丰田公司于2008年推出了360°安全气囊保护系统，如图2所示。除了在车辆的保险杠上和发动机罩下，安装了可以包裹全部车头的双层气囊，还在前风挡玻璃与发动机罩间、外后视镜和车侧翼子板处安装了外置安全气囊，使五个外置安全气囊将车头全部包裹[39]。

4.4 车辆智能安全系统

车辆智能安全系统主要通过各种感应器对车辆周围环境和驾驶者的行为进行分析，帮助驾驶者规避或减轻交通事故后果。其通过各类传感器的综合应用，如红外线传感器、热传感器、盲点探测器、激光扫描、雷达、影像系统等，实现对人、车的精确探测。

当系统探测到汽车的行驶路线中出现行人或车辆时，会及时发出声音或者图像警告，提醒驾驶者，使其做出相应的措施避免碰撞的发生或减轻碰撞事故中对行人的伤害。当警告发出后驾驶者仍然没有采取措施时，辅助制动系统就会自动接管车辆，在车辆与行人即将发生碰撞时采取紧急制动或转向规避，避免碰撞的发生或降低碰撞伤害。

5 行人保护研究展望

行人保护研究经过几十年的发展，在仿真及试验方面均积累了宝贵的经验，在技术应用方面也取得丰硕的成果，随着科技的进步，行人保护的研究也必将日益深入。本文从以下几个方面展望了汽车行人保护未来研究的方向。

（1）研发仿生性能更好的假人及假人局部碰撞器，减小假人碰撞试验与真人碰撞间的误差，更加准确的复现出人车碰撞的场景。

（2）建立更加准确的仿真模型，在一定程度上替代实车碰撞试验。

（3）研发行人保护性能更好的新型材料来代替原有的发动机罩及汽车前端系统的材料

（4）将更多、更先进的智能化技术应用到汽车上，更加准确的检测出行人的运动，做出更加合理的响应，避免碰撞的发生。

参考文献：

[1]European New Car Assessment Programme （Euro-NCAP） Pedestrian Testing Protocol version 6.0. 2002.

[2]Australasian New Car Assessment Program （A-NCAP） Pedestrian Testing Protocol， 2002.

[3]Japan New Car Assessment Programme （J-NCAP）

Pedestrian Testing Protocol， 2003.

[4]Directive 2003 /102 /EC of the European Parliament and of the Council of 17 November 2003 [S]Official Journal of the European Union，2003.

[5]Regulation （EC） No 78/2009 of the Euroean Parliament and of the Council of 14 January 2009 [S] Official Journal of the European Union，2009.

[6]Global Technical Regulation No.9 Pedestrian Safety.November， 2008.

[7]Korean New Car Assessment Programme（K-NCAP）

Pedestrian Testing Protocol， 2010

[8]European New Car Assessment Programme （Euro-NCAP） Pedestrian Testing Protocol，Version7.0，Euro-NCAP Secretary，2013 [S/OL] （2014-01-01） http：// www.euroncap.com.

[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国國家标准化管理委员会. GB/T 24550-2009. 汽车对行人的碰撞保护[S]. 北京：中国标准出版社，2009.

[10]中国新车评价规程（C-NCAP）.中国新车评价规程官方网站，2007.

[11]C Kerkeling. Structural Hood and Hinge Concepts for Pedestrian Protection-Pro[C] 17th Int. Tech. Conf. www-nrd.nhtsa.dot.Gov.

[12]Raghu V. Prakash， Harikumar Payyur. Effect of Orientation and Position of Impact on the Lower Extremity Injuries During Car Pedestrian Crashes[C] International Conference on Research into Design， 2017， 283-293.

[13]Guibing Li， Jikuang Yang， Ciaran Simms. The Influence of Gait Stance on Predestrian Lower Limb Injury Risk[J]， Accident Analysis and Prevention， 2015 85：83-92.

[14]Guibing Li， Mathew Lyonsc， Bingyu Wang， et al. The influence of passenger car front shape on pedestrian injury risk observed from German in-depth accident data

[J]， Accident Analysis and Prevention， 2017， 101：11-21

[15]Koji Mizuno. FE Analysis of Legform Impact Test for Pedestrian Leg Protection[J]， Chinese Journal of Automotive Engineering， 2011，1（5）：385-392.

[16]Donald J Whiteside..A Comprehensive Overview of The Predestrian Protection Requirement and Test Methodology[J]， SAE International， 2010，

[17]Nagae， K.， Oota， K.， Nagumo， H.， et al.. Development of Fender Structure for Pedestrian Protection [J]， SAE International， 2009.

[18]Hyung-il Moon， Young-eun Jeon， Dae-young Kim， et al. Crumple Zone Design for Pedestrian Protection Using Impact Analysis[J]. Journal of Mechanical Science and Technology， 2012，.26 （8）：.2595-2601

[19]郭烈，赵宗艳，聂倩，等. 汽车安全行人保护技术的研究现状及展望[J]. 汽车与安全， 2011， 8： 54-57.

[20]陈亮峰. 简述汽车行人保护的现状与发展方向[J]. 汽车实用技术， 2014， 9： 1-3.

[21]刘庭志，陈吉清. 汽车行人保护开发与研究进展[J]. 汽车实用技术， 2012， 1： 17-22.

[22]周亮. 轿车行人保护技术发展的重要性[J]. 汽车工程师， 2011， 6： 20-23.

[23]吴昇，朱平，林忠钦，等. 基于有限元法的行人腿部安全保护研究[J]. 机械制造，2006， 4： 38-41.

[24]刘志勇，金隼，胡敏. 基于行人保护的溃缩式前大灯设计研究[J]. 机械设计与制造，2009， 9：45-47

[25]刘卫国，颜海棋，钱国强，等. 满足行人保护的汽车前端系统设计方法[J]. 机械工程师，2011， 2： 43-44.

[26]曾必强，胡远志，谢书港，等. 保险杠与车身连接方式对行人保护的影响分析[J]. 汽车工程，2011， 33（7）： 594-597.

[27]沈玉婷，朱大勇. 基于行人腿部伤害指标的保险杠参数分析[J]. 汽车技术，2007， 10： 32-35.

[28]張志飞，李 勋，徐中明，等. 面向行人下肢保护的汽车前端结构刚度优化设计[J]. 汽车安全与节能学报， 2015， 6（2）：139-144.

[29]张志飞，李 勋，徐中明，等. 面向行人腿部保护的保险杠吸能结构优化[J]. 汽车工程， 2016， 1：42-46..

[30]张志飞，李 勋，徐中明，等. 面向刚度曲线的汽车前保险杠缓冲块优化设计[J]. 汽车工程， 2016， 3：21-27..

[31]贺岩松，杨海威，徐中明，等. 基于行人腿部保护的保险杠吸能结构设计[J]. 振动与冲击，2014， 33（12）： 171-175.

[32]乔维高，朱西产. 行人与汽车碰撞中头部伤害与保护的研究[J]. 农业机械学报， 2006， 37 （9）： 29-31.

[33]乔维高，王希诚. 汽车前部结构对行人碰撞伤害影响的仿真研究[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2008， 2： 218-221.

[34]葛如海，王广阔，王岐燕. 铝质发动机罩的行人碰撞保护研究[J]. 中国安全科学学报，2007， （12）12： 37-41.

[35]葛如海，吴淼，陈晓东，等. 基于行人保护的发动机罩铰链研究[J]. 汽车技术，2008， 12： 28-31.

[36]曾宪中，章桐. 正交试验法在行人保护发动机罩概念设计中的应用[J]. 北京汽车，2009， 6： 4-6.

[37]李景涛，刘卫国，张金换，等. 有利于行人保护的非对称式发动机罩盖的设计[J]. 汽车安全与节能学报，2013， 4（2）： 142-151

[38]吕晓江，刘卫国，杨海燕，等. 碳纤维复合材料发动机罩行人保护性能的试验验证[J]. 汽车技术，2015， 1： 59-62.

[39]刘建勋， 闫宏涛. 汽车安全行人保护技术的研究现状及展望[J]. 汽车与船舶， 2011， 3： 39-43.