汽车行人保护技术分析与展望

汽车行人保护技术分析与展望

摘要：行人保护已成为汽车安全领域的重点研究方向。从被动安全与主动安全两方面介绍了几种基于人车碰撞的行人保护技术的基本原理与研究现状，针对现有法规对我国未来行人保护技术进行了展望。

关键词：行人保护； 汽车安全；人车碰撞

Analysis and Prospection of Vehicle Pedestrian Protection Technology

Abstract: Pedestrian protection has become a key research orientation of the field of vehicle security. The fundamentals and the advances on the study of pedestrian protection based on pedestrian-vehicle bumping were introduced from the aspects of passive safety and active safety. According to current laws, looking into the future of pedestrian protection technology.

Keywords：Pedestrian protection；Vehicle security；Pedestrian-vehicle bumping

 

在安全、节能与环保这三大主题中，汽车安全一直是一个永恒的主题。据统计，世界上每年有上百万人死于汽车交通事故，其中约有20%为行人。欧盟的调查报告显示，交通事故中行人的死亡率是车内乘客的9倍。我国是世界上交通事故频发的地区之一，行人的死亡比例超过 40%，高于欧洲的12%，美国的 11%，日本的 30%^[1]。加强对人车碰撞中行人保护的研究有着重要的现实意义，也必将指引着未来汽车安全领域的发展方向。

我国于2009年颁布了GB/T 24550 《汽车对行人的碰撞保护》标准。其中规定了验证车辆性能的试验类型，其中包括腿型对保险杠的试验、儿童头型冲击试验和成人头型冲击试验。并规定了对各类试验的性能要求、试验条件等。该标准的颁布，将促进中国汽车行业对行人保护的研究与开发，降低交通事故中行人死亡率。本文将对现有的行人安全技术进行分析并提出展望。

1 汽车前部造型优化

汽车外形对行人安全的影响主要体现在前部造型上，由于行人直接暴露在车辆前，在碰撞中最易受到伤害的部位为腿部和头部。对汽车前部造型进行优化，首先要提取目标车辆的造型特征线，即可能与人体发生接触的车辆外部轮廓，如发动机罩线、前保险杠线和前挡风玻璃线等，然后重新建立目标车辆的模型，通过仿真手段，利用有限元法或多刚体仿真法，定义人体模型与汽车模型的接触模型、碰撞速度等参数，最终得到各部件力与变形的曲线。利用评价指标对各特征参数（如保险杠中心高度、保险杠伸出长度、发动机前缘高度、发动机罩倾斜角度等）对人体的伤害程度进行分析。最后通过优化设计的方法得到各特征参数最优值^[2]。

 

众多研究表明：1）尽量降低发动机罩刚度。2）在翼子板与发动机舱连接处安装吸能结构。3）调整发动机罩基准线位置，避免头模与发动机罩铰链、雨刮轴、电机等硬点直接接触等措施能有效减轻或避免汽车前部造型对人体的伤害。

2 发动机罩弹升技术

根据统计数据，头部损伤是行人在交通事故中致死的主要原因。在行人的头部碰撞中，27%的碰撞发生在发动机舱部位，而42%的碰撞发生在挡风玻璃。发动机罩弹升技术即是一种旨在减轻人车碰撞时人头部所受冲击，保护行人生命的安全技术。

弹升式发动机罩的原理是^[3]，当车速达到设定值且传感器检测到发动机罩与硬物发生撞击，ECU立即向位于发动机罩后方的举升机构发出动作指令，使发动机罩后方抬起一定缓冲空间，有效避免了头部与发动机舱内部硬点的撞击。一般发动机罩的弹起应在100ms内完成。

 

 
 

发动机罩弹升装置可分为：弹簧式弹升装置、火药-连杆式弹升装置和气缸式弹升装置。弹簧式弹升装置弹升迅速、可重复使用，但须改进发动机舱铰链，结构复杂不易布置。火药-连杆式弹升装置利用火药爆炸时产生的高压气体弹起发动机罩，优点是动作最为迅速，但由于多配合可溃式铰链使用，增加了成本。气缸式弹升装置可以实现发动机舱的自由升高与复原，动作较为迅速。但须布置高压储气罐，占用了一定的发动机舱空间^[4]。

国内外学者对弹升式发动机罩进行了大量研究，建立了头部冲击器对发动机罩冲击的仿真有限元模型。根据国标对发动机罩保护行人安全的要求，合理划分了碰撞区域并选取了可能造成二次伤害的碰撞点，对发动机罩不弹起与弹起两种情形分别进行了仿真实验，并与实验结果进行了对比。研究表明：1）发动机罩弹起时，头模冲击器峰值加速度值明显减小；2）发动机罩弹起时，头部碰撞HIC值明显降低，特别是在挡风玻璃下沿与A柱下端。可见弹起式发动机罩可以有效降低人车碰撞时人头部的伤害。

 

3 行人安全气囊

行人安全气囊，和车内安全气囊并无本质差别，当传感器检测到车辆与人发生碰撞时，保险杠上端的安全气囊就会立即弹出，并充满整个前保险杠区域，并向发动机罩进行延伸。这样保证了行人的腿部和儿童头部的安全。同时，安装在发动机罩后方的气囊也会立即弹出充满前挡风玻璃下方区域，防止行人头部撞击玻璃产生二次伤害^[5]。

沃尔沃于2012推出的V40车型上配备了行人安全气囊，通过安装在前保险杠的传感器进行监测，一旦与行人发生碰撞，发动机舱盖尾部就会自动翘起，隐藏在内部的安全气囊同时也会释放，并且会包裹部分前挡风玻璃与A柱。可有效减轻车辆正面与行人碰撞后行人受到的伤害。

由于汽车在行驶时外部交通情况较为复杂，气囊开启的时间、力度也十分重要，否则会对行人产生次生伤害。目前车外安全气囊的研究难点包括：1）传感器响应时间与气囊充气时间设计，气囊展开时间需小于50ms。这对气囊充气速度、折叠方式都有更高的要求。2）和车内气囊相比、行人气囊的覆盖面积更大，应在气囊结构上设计出吸能结构与非吸能结构以保证充气体积。目前量产的配备有行人安全气囊的车型并不多，一方面受限于成本，另一方面由于技术尚不成熟，还需进一步开发。

 

4 汽车智能安全保障系统

随着科技的发展，越来越多的电子技术、互联网技术被应用到汽车领域上来，汽车智能安全保障系统就是汽车技术与其他高新技术相结合的产物。其包含的内容十分丰富，应用的情形也非常广泛。

车联网技术已经被应用于智能安全保障系统，它以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在车、路、行人和互联网之间，进行无线通讯和信息交换的大系统网络，是能够实现智能化交通管理、智能动态信息服务和汽车智能化控制的一体化网络，是物联网技术在交通系统领域的典型应用^[6]。通过传感器和摄像头，汽车可以完成对自身状态和周围行驶环境的采集，并通过互联网技术传输到数据处理中心。数据处理中心可以对当前汽车行驶状态进行识别，自动形成电子地图并对汽车周围环境进行标识后传回给驾驶员，并对行驶速度、路线进行规划以避免可能发生的碰撞危险。

其他智能安全系统还有汽车主动避撞系统,其中信号采集系统包括雷达、超声波传感器等，可以检测出车速，本车与前方障碍物的距离等；数据处理系统主要包括ECU，可以根据当前车速，本车与障碍物的距离等自动判断安全距离，若此时距离小于安全距离，ECU会发出指令信号；执行机构主要对制动器进行控制，在驾驶人员尚未来得及反应时自动进行制动，防止发生碰撞事故。

智能安全保障系统可以减轻驾驶人员的操纵负担与精神负担，降低交通事故的发生率，提高了交通行驶的安全性。

5 总结与展望

上世纪80年代以前，人们往往只关注车内驾乘人员的安全。随着时代的发展与技术的进步，行人保护越来越受到汽车厂商和工程师的关注。欧盟于2003年颁布了2003/102/EC行人保护法规，规定所有新生产的乘用车都需配备行人保护系统。日本2004年也开始实施《步行者头部保护标准》。我国在2009颁布了推荐性国家标准GB/T 24550 《汽车对行人的碰撞保护》，并规定从2010年7月1日开始实施。

上文所提到的四种行人保护技术，既有被动安全措施也有主动安全措施，是目前汽车行业主要采取的几种行人保护技术，对提高汽车碰撞时行人安全有着重要的应用价值。可以预见，未来的行人保护技术将向着自动化、智能化方向发展。互联网、车联网与汽车技术的结合，将成为未来行人保护技术的主流。同时，应该加强对其他行人保护技术的研究，使得更多高效、节能和低成本的技术能应用于多数汽车上。国家应该制定趋于严格的行人保护标准，积极引导企业和研究机构加强研究，改进技术，最终提高行人保护技术水平。

参考文献

[1]刘庭志，陈吉清.汽车行人保护开发与研究进展[J].设计研究.2012年第1期.17页-22页.

[2]曹立波，龙腾蛟，张冠军等.基于行人保护的轿车前部造型特征研究[J]. 中国机械工程.2013年第24卷第16期.2266页-2271页.

[3]魏政君.基于行人保护的弹起式发动机罩系统的应用研究[D].广州：华南理工大学，2013年.

[4] 苗强，高卫民，朱西产等.有利于行人保护的可逆抬升式发动机罩研究[J].设计.计算.研究.2009年第12期，1页-4页.

[5] 刘建勋，闫宏涛.汽车车外安全气囊技术探讨[J].2010年第9期.17页-20页.

[6] 周伟涛.基于车联网技术的客车道路自动限速控制系统研究与开发[J].中国新通信.2014年第7期.107页-108页.