中國體征碰撞測試假人開發(fā)路徑研究

一、前言隨著我國汽車保有量的持續(xù)增長，道路交通安全形勢越發(fā)嚴峻。當前，我國道路交通事故萬車死亡率仍是歐美等發(fā)達國家的2~4倍，交通安全已成為威脅經(jīng)濟與社會發(fā)展的嚴重公共安全問題。汽車安全技術(shù)作為影響道路交通安全的重要因素，已成為政府、社會和汽車業(yè)界共同關(guān)注的焦點話題。乘員保護是汽車安全技術(shù)的最終目的，它與交通事故分析、汽車安全設(shè)計優(yōu)化、車輛安全性能試驗驗證等方面息息相關(guān)。碰撞測試假人是直接用于評估碰撞沖擊環(huán)境對人體的傷害程度，進而評價車輛安全性能優(yōu)劣的測量儀器。因此，碰撞試驗假人是支撐汽車安全的核心技術(shù)。一方面，我國初期的汽車安全標準主要為直接引用國外標準，在短時間內(nèi)解決了我國汽車安全技術(shù)約束有無的問題，因此，在一定時期內(nèi)安全技術(shù)標準有效改善了我國公共交通安全問題。但近幾年，安全技術(shù)的提高對減少交通安全貢獻度卻沒有原來顯著。主要原因之一是汽車安全標準中采用的碰撞測試假人是基于歐美人體特征開發(fā)，從而導(dǎo)致現(xiàn)有的汽車安全設(shè)計不能最優(yōu)保護中國駕乘人員的問題。另一方面，碰撞測試假人及其相關(guān)技術(shù)標準為美國獨家壟斷，核心技術(shù)受制于人。如果美國對此進行技術(shù)封鎖，我國將面臨無“人”可用的尷尬局面。尤其是我國目前擁有世界最大的汽車市場，這種技術(shù)放大效應(yīng)變得格外顯著。文章深入剖析目前影響我國汽車安全進步的核心問題，并在此基礎(chǔ)上開展了中國體征碰撞測試假人開發(fā)必要性、可行性的分析研究工作。初步提出了中國體征碰撞測試假人的開發(fā)路徑，從而進一步完善我國汽車安全標準體系。開發(fā)符合中國人體體征的汽車碰撞試驗假人及制定相應(yīng)的標準，不僅有利于擺脫核心技術(shù)“受制于人”的局面，而且能通過中國標準的核心力量，并輔以中國的市場優(yōu)勢，把握我國技術(shù)標準的主導(dǎo)權(quán)。二、汽車安全標準問題剖析

碰撞測試假人是安全標準的“砝碼”，國內(nèi)標準中所采用的假人是依據(jù)歐美人體開發(fā)的，歐美的“砝碼”衡量出的汽車安全能否對我國駕乘人員提供最佳的保護效能值得商榷。（一）現(xiàn)有汽車安全設(shè)計不能最優(yōu)保護中國乘員安全碰撞測試假人作為衡量汽車安全性的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到汽車的安全設(shè)計，其具有“技術(shù)砝碼”效應(yīng)，然而在汽車碰撞安全領(lǐng)域，我國所用的碰撞測試假人沿用國外，其是按照美國第50百分位成年男子的主要尺寸制作的。而目前我國所有汽車安全設(shè)計均以這種假人為保護對象。然而，中美人體無論是在外在體征（如身高、體重、肌肉密度、質(zhì)量分布），還是內(nèi)在特性（動態(tài)響應(yīng)、生物力學(xué)）上都有較大的差異。如與美國中等尺寸男性相比，中國相應(yīng)的男性假人矮了3.48%，體重輕了13.55%；中國人體與歐美人體各部位的比例差異也較大，中國中等尺寸男性上臂比美國中等尺寸男性上臂短了4.14%，坐姿膝蓋高度矮了12%；在生物力學(xué)特性方面差異也十分顯著，它直接影響人體耐受限度以及測試假人的評價指標與限值。以胸部為例，中國人肋骨骨密質(zhì)厚度明顯小于美國人，這說明：中國人的胸部在同樣的碰撞中比美國人更容易受到傷害。這種差異說明了以“歐美人體”為保護對象的汽車安全設(shè)計不能真正保護“中國人體”；換言之，即由于“技術(shù)砝碼”的不準確性，使得“美國砝碼”無法真實衡量中國的汽車安全。（二）國外技術(shù)壟斷，核心技術(shù)受制于人作為汽車碰撞安全標準“砝碼”的假人由美國獨家壟斷。相關(guān)汽車碰撞試驗假人研究的滯后導(dǎo)致所有假人及其易損件主要依賴進口，不僅價格昂貴、供貨周期長，而且自主品牌的開發(fā)成本和周期受制于人。為了打破壟斷，占據(jù)主動，當務(wù)之急就是要加快開發(fā)符合中國體征的碰撞假人及其安全標準體系，其理應(yīng)成為我國從汽車大國邁向汽車強國的重要戰(zhàn)略舉措。我國目前擁有世界最大的汽車市場，汽車保有量達2億輛，注冊駕駛員4億人。如此龐大的汽車保有量，所有的汽車安全設(shè)計均以保護“歐美人”而非“中國人”為設(shè)計目標，使得以國外碰撞試驗假人為車輛安全設(shè)計基準暴露出的問題隨汽車保有量的增加而更加突出。三、開發(fā)符合中國體征碰撞測試假人及其標準的必要性和可行性

（一）中國體征碰撞測試假人開發(fā)必要性分析中國人體體征與歐美人體體征無論是從外在特征，還是內(nèi)在特性上都與相應(yīng)的中國人體有較大差異，二者對汽車安全設(shè)計的影響較大，直接影響到汽車的約束系統(tǒng)和安全性能評價指標。主要差異分為以下三個方面。1.動態(tài)響應(yīng)差異性混III50百分位假人是根據(jù)歐美50百分位人體尺寸設(shè)計的，其身高為1.76m，體重為78kg，與中國人體的體型（身高為1.69m，體重為69kg）差異較大，動態(tài)響應(yīng)也會有所不同。計算機仿真分析表明，在汽車碰撞試驗中，中國人體的假人損傷響應(yīng)和混III假人的損傷響應(yīng)存在明顯差異，因此，直接采用混III假人進行測試評價會導(dǎo)致開發(fā)出來的乘員約束系統(tǒng)不能對中國人體實現(xiàn)最佳保護。在軌道交通及航空航天領(lǐng)域，采用歐美人體假人進行測試評價同樣難以開發(fā)出適用于中國人體的最佳防護措施。2.力學(xué)性能差異性歐美人體與中國人體的差異不僅僅會影響到兩者在受力時的動態(tài)響應(yīng)。研究表明，身材不同，骨骼結(jié)構(gòu)也存在明顯差異，致使兩者的力學(xué)特性存在差異，影響人體損傷機理及耐受限度。形態(tài)統(tǒng)計學(xué)的研究表明，人體的一些特征參數(shù)，包括身高、體重以及年齡等對人體骨骼的尺寸和形狀有著重要的影響，例如隨著身材的變化，肋骨的橫截面積、胸腔的寬度和厚度、盆骨的高度和寬度以及上下肢骨骼的橫截面積和長度都有顯著的變化，而相應(yīng)的仿真研究以及尸體試驗的結(jié)果表明，這些幾何形態(tài)上的差異影響著事故中人體的損傷部位以及損傷的嚴重程度。同時，中西方人群在骨骼的材料參數(shù)上也有較大的差異，研究表明，東方女性相比于西方女性而言，盆骨的骨密度較高而脊椎的骨密度較低，因此，人體對于外力的耐受程度也會隨著相應(yīng)材料參數(shù)的變化而改變。3.軀干生物逼真度有限雖然現(xiàn)有假人的胸部生物特性是基于人體胸部正面撞擊響應(yīng)數(shù)據(jù)而開發(fā)的，但其胸部仿生結(jié)構(gòu)的生物逼真度仍有其局限性。如假人胸部肋骨的仿生結(jié)構(gòu)與人體肋骨的結(jié)構(gòu)存在較大差異，只能在較大面積的鈍性撞擊時反映人體的響應(yīng)，而在小面積撞擊及側(cè)向或斜向撞擊時，不能準確反映人體的受力特性。另外，假人的脊椎是用整塊剛性結(jié)構(gòu)與橡膠腰椎來模擬的，只能反映人體在大范圍彎曲時的特性；同時，研究表明人體在坐姿條件下其腰椎是向前彎曲的，而現(xiàn)有假人的腰椎則是向后彎曲，這會導(dǎo)致假人與真人產(chǎn)生不一致的上半身動態(tài)響應(yīng)。為更加有效降低我國駕乘人員在交通事故中的傷亡率，充分保障人民的生命財產(chǎn)安全，推動我國汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，提高我國汽車工業(yè)核心競爭力，研究開發(fā)、制定和推廣符合中國人體體征的碰撞試驗假人及其標準就顯得尤為迫切。（二）中國體征碰撞測試假人開發(fā)可行性分析假人最早應(yīng)用于軍用領(lǐng)域，經(jīng)過十多年的發(fā)展，逐漸的應(yīng)用于汽車、航空、體育和醫(yī)用領(lǐng)域。由企業(yè)主導(dǎo)轉(zhuǎn)為政府主導(dǎo)，同時，假人在不斷的發(fā)展，更強調(diào)地區(qū)的適用性，如美國人現(xiàn)在肥胖化、老齡化比較嚴重，其逐步開始研發(fā)肥胖假人和老年假人。國內(nèi)在2000年開始研制假人，更多的是模仿和探索，只是造出一個樣子，而沒有考慮中國人的外在體征和內(nèi)在體征。盡管國內(nèi)在碰撞假人開發(fā)方面有一定的基礎(chǔ)，也進行過初步的探索，但是并沒有取得相應(yīng)的成功，根源在于我國缺乏相關(guān)的頂層設(shè)計，沒有明確的設(shè)計目標，缺乏總體規(guī)劃，從而造成了各自為戰(zhàn)、研究不深入及重復(fù)研究的不利局面，假人的推廣應(yīng)用問題也未能得到根本性的解決。從關(guān)鍵技術(shù)研究到研發(fā)設(shè)計，從生產(chǎn)制造到性能驗證，再到標準的制定等資源分布在不同的機構(gòu)，需要進行充分的協(xié)調(diào)與合作才能完成中國體征碰撞假人的開發(fā)。其根源在于缺乏政府主導(dǎo)，協(xié)調(diào)行業(yè)的一個組織。由中國汽車技術(shù)研究中心聯(lián)合國內(nèi)整車企業(yè)、大學(xué)和科研機構(gòu)共同發(fā)起成立工作組。工作組的成立有助于充分發(fā)揮全行業(yè)資源，發(fā)揮不同研究領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，對研發(fā)和制定符合中國體征的碰撞測試假人及其標準體系具有十分重要的意義，同時也有助于提升中國在汽車安全領(lǐng)域的國際競爭力和標準話語權(quán)。四、開發(fā)符合中國體征碰撞測試假人的技術(shù)路徑

中國假人的開發(fā)是一個系統(tǒng)工程，具有技術(shù)復(fù)雜性及多學(xué)科交叉的特點，單純模仿國外已有假人不能從根本上解決問題。本項目充分依托中國體征碰撞假人工作組的優(yōu)勢，嚴格遵循智能技術(shù)高度集成、制造產(chǎn)業(yè)高端發(fā)展的產(chǎn)品發(fā)展新模式，在未來實現(xiàn)技術(shù)先進性、標準適用性、市場不可替代性的高質(zhì)量、智能化的中國假人系列總體開發(fā)目標。中國體征碰撞假人初步開發(fā)技術(shù)方案包括以下五個方面。（一）開發(fā)思路第一，要有中國特色，符合中國人體體征，滿足中國人體外部尺寸特征及內(nèi)在生物力學(xué)響應(yīng)特征；第二，要有技術(shù)的超越，在繼承中創(chuàng)新，考慮與國外假人及其標準的銜接性，解決現(xiàn)有假人存在的技術(shù)問題；第三，要另辟蹊徑，結(jié)合中國實際道路交通事故現(xiàn)狀，滿足新型測試工況要求。（二）開發(fā)原則第一，政府主導(dǎo)、開放合作：充分發(fā)揮政府主導(dǎo)作用，加強開放合作，調(diào)動各方積極性，多元參與，遵循市場規(guī)律，確保各項任務(wù)落到實處，實現(xiàn)多方共贏；第二，目標清晰，注重實效：依據(jù)國情設(shè)定切實可行目標，大力推進技術(shù)、應(yīng)用、管理以及體制的創(chuàng)新發(fā)展，不斷提高工作組運行效率和技術(shù)合作水平，促進假人開發(fā)項目協(xié)調(diào)發(fā)展；第三，總體規(guī)劃，分步實施：結(jié)合中國假人的目標與任務(wù)，構(gòu)建短期和長期研究任務(wù)，制定總體發(fā)展規(guī)劃框架，遵循技術(shù)向行業(yè)轉(zhuǎn)化的規(guī)律，集中力量實施重點突破；第四，創(chuàng)新優(yōu)化，協(xié)同發(fā)展：推進技術(shù)應(yīng)用、商業(yè)模式、行業(yè)應(yīng)用標準和制度創(chuàng)新，充分發(fā)揮工作組指導(dǎo)與協(xié)調(diào)作用，推動中國假人開發(fā)工作又好又快發(fā)展。（三）總體目標規(guī)劃分為長期規(guī)劃和短期規(guī)劃。長期規(guī)劃大約需要10年，短期規(guī)劃則為3年。前期分三個階段來完成，第一個階段是完成關(guān)鍵技術(shù)與方法研究：包括交通事故與損傷研究；中國人體體型參數(shù)標準分析；完善優(yōu)化各領(lǐng)域資源；初步掌握假人開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)；形成假人開發(fā)整體流程。目標是在繼承中創(chuàng)新：一是要實現(xiàn)對現(xiàn)有假人坐姿的優(yōu)化；二是建立符合中國交通事故特征的假人模型。第二個階段是完善假人開發(fā)與標準研究：包括中國人體生物力學(xué)研究；材料生物等效技術(shù)；傳感信息融合技術(shù)；仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)；仿真模型開發(fā)技術(shù)；開展相關(guān)標準研究。目標是實現(xiàn)內(nèi)外兼修：一是實現(xiàn)對坐姿假人的開發(fā)；二是完善符合中國交通事故特征的假人模型；三是適用主被動安全相結(jié)合的測試假人。第三個階段是完成示范推廣與標準應(yīng)用：包括開展假人測試評價方法研究；示范推廣應(yīng)用；制定標準法規(guī)。目標是實現(xiàn)標準應(yīng)用于假人系列化：一是要實現(xiàn)中國碰撞假人系列化的發(fā)展；二是實現(xiàn)汽車安全測試法規(guī)與評價規(guī)程應(yīng)用。（四）開發(fā)體系開發(fā)體系，即保障與運維管理體系，由技術(shù)層、平臺層、政策層和保障層四個層級來統(tǒng)籌。技術(shù)層從假人開發(fā)、標準研究、示范應(yīng)用三個領(lǐng)域開展；平臺層包括關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、標準研究、應(yīng)用推廣三個平臺及大數(shù)據(jù)和測試評價兩個中心；政策層由國家創(chuàng)新型發(fā)展戰(zhàn)略、工業(yè)和信息化部委托、國家標準化管理委員會委托三個層面支撐；保障層分為政策保障、技術(shù)保障、組織保障、監(jiān)督保障。（五）重點任務(wù)重點任務(wù)的選取依據(jù)：一是服務(wù)國家戰(zhàn)略需求和引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)問題；二是為跨行業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供亟需解決的前瞻性、基礎(chǔ)性支持服務(wù)；三是為不同企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)提供跨領(lǐng)域的共性交叉基礎(chǔ)模塊、中間組建和通用平臺；四是整合優(yōu)勢資源，分工合作。假人開發(fā)的首批重點任務(wù)包括中國道路交通事故研究、中國人體損傷生物力學(xué)、仿生結(jié)構(gòu)與先進制造、傳感與信號融合技術(shù)、新型替代材料技術(shù)五大共性關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)平臺、標準研究平臺、應(yīng)用推廣平臺三大平臺，以及大數(shù)據(jù)（事故