徐永生 鄧貴德 張 勇

（中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

近幾年，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平的大幅提高，大量游樂園、主題公園及個(gè)人經(jīng)營的游樂設(shè)施正以每年超20%的增長(zhǎng)速度迅猛增加[1]。同時(shí)，雖然我國的游樂設(shè)施行業(yè)在改革開放以來有了長(zhǎng)足發(fā)展，但整體水平還比較低，時(shí)有游樂設(shè)施的安全事故發(fā)生，社會(huì)反響非常強(qiáng)烈。2017年2月3日，一名女子在重慶市豐都縣的朝華公園內(nèi)乘坐名稱為“遨游太空”的大型游樂設(shè)施時(shí)發(fā)生事故被甩出，隨后被送往醫(yī)院，經(jīng)搶救無效身亡。2017年2月11日，一名女性市民在河北邢臺(tái)市的一個(gè)公園游樂中心，在乘坐過山車項(xiàng)目“瘋狂老鼠”時(shí)發(fā)生意外，游客突然與座位脫離，從高空摔下，傷者全身多處骨折，包括頭部顱骨、頸椎、胸椎、肋骨等，顱骨內(nèi)有出血現(xiàn)象，肺部挫傷。

一方面，游樂設(shè)施乘員傷亡事故每年都有發(fā)生，另一方面，為了迎合乘客追求新奇刺激的消費(fèi)心理，游樂設(shè)施向著更高、更快及更強(qiáng)刺激感的方向發(fā)展，運(yùn)動(dòng)形式也越來越多樣、復(fù)雜、新穎，使得游樂設(shè)施的乘員安全性日益成為公眾和政府關(guān)注的重點(diǎn)。在傳統(tǒng)的游樂設(shè)施設(shè)計(jì)過程中，無法預(yù)知游樂設(shè)施運(yùn)行過程中乘客頭部、頸部、腰椎等關(guān)鍵部位的速度、加速度及受力情況，也無法預(yù)知小百分位尺寸乘客是否能夠被乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行有效約束而不被甩出。因此，把廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域的數(shù)字仿真假人引入到游樂設(shè)施行業(yè)，有望提高游樂設(shè)施產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，進(jìn)一步保障游樂設(shè)施的乘員人身安全。

仿真假人是依據(jù)生物力學(xué)研究結(jié)果構(gòu)建的，它具有包括尺寸、形狀、剛度、質(zhì)量、能量吸收方式等真人的身體特性。仿真假人的力學(xué)響應(yīng)包括受力后的運(yùn)動(dòng)加速度、速度、位移等，與真人的運(yùn)動(dòng)自由度和方式相同，能夠模擬真人的運(yùn)動(dòng)特征。仿真假人分為試驗(yàn)測(cè)試假人及數(shù)字仿真假人。試驗(yàn)測(cè)試假人是在假人身上裝有各種用來測(cè)量假人速度、加速度、變形及受力的傳感器，通過這些傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)來分析評(píng)判游樂設(shè)施的性能。數(shù)字仿真假人是對(duì)試驗(yàn)測(cè)試假人的數(shù)字化，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期，利用數(shù)值模擬評(píng)估產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否合理，能否保障乘員安全。

目前，試驗(yàn)測(cè)試假人廣泛應(yīng)用在汽車碰撞實(shí)驗(yàn)，在高危的載人航空航天動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)及高速列車碰撞實(shí)驗(yàn)中也有成熟應(yīng)用。在游樂設(shè)施行業(yè)，陳衛(wèi)衛(wèi)等人[2]針對(duì)實(shí)體測(cè)試假人在游樂設(shè)施檢測(cè)中的應(yīng)用前景做了闡述，中國質(zhì)量報(bào)也于2017年11月6日在第3版面刊登了題目為“中國特檢院首次在國內(nèi)開展游樂設(shè)施實(shí)體假人測(cè)試”的文章[3]。但在游樂設(shè)施行業(yè)還未見有關(guān)于數(shù)字仿真假人的相關(guān)報(bào)道。本文將從國外仿真假人發(fā)展歷程，國內(nèi)仿真假人研究進(jìn)展，游樂設(shè)施行業(yè)乘員安全評(píng)估現(xiàn)狀，數(shù)字仿真假人開發(fā)需求及在游樂設(shè)施行業(yè)的應(yīng)用前景等方面展開闡述。

1 國外仿真假人發(fā)展歷程

仿真假人起源于美國。1949年，Sierra工程公司研制出了第一個(gè)用來代替飛行員評(píng)估彈射座椅的試驗(yàn)用模擬假人——“Sierra Sam”[4]，雖然該假人與真人有著巨大的差異，僅能測(cè)試頭部加速度響應(yīng)，但這個(gè)假人給人們帶來了一種全新的思路，具有里程碑的意義。1950年，軍用的仿真假人被用來模擬碰撞試驗(yàn)，從而使得仿真假人在民用方面逐漸得到推廣。1960年，由于美國汽車乘員的安全防護(hù)問題逐漸受到重視，汽車行業(yè)的碰撞試驗(yàn)仿真假人逐漸成為研究的重點(diǎn)。安德森研究所研制了針對(duì)汽車碰撞對(duì)人體損傷特點(diǎn)的汽車碰撞試驗(yàn)假人VIP[5]。

1971年通用汽車公司開發(fā)了Hybrid Ⅰ仿真假人。相比之前的假人，Hybrid Ⅰ仿真假人在頭、脖子以及關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)上與真人更加的接近，并且該假人裝載了更多數(shù)量的傳感器[6]。通用汽車公司于1973年接著推出了Hybrid Ⅱ仿真假人。Hybrid Ⅱ仿真假人在Hybrid Ⅰ仿真假人的基礎(chǔ)上，對(duì)肋骨、脊柱和外形等多個(gè)部位進(jìn)行了改進(jìn)，且形成了包括不同百分位、不同性別、不同年齡的一系列仿真假人[7]。1976年，美國道路交通安全局和通用汽車公司聯(lián)合推出改進(jìn)了假人脖子和胸腔等部位的Hybrid Ⅲ假人，該假人裝有更多的傳感器以便采集更多的人體損傷數(shù)據(jù)，有了更好的生物逼真度[8]。Hybrid Ⅲ假人的頭部是鑄鋁結(jié)構(gòu)，皮膚是乙烯樹脂，腰椎是天然橡膠柱體，肋骨是含有聚合物基阻尼材料的彈簧鋼，各關(guān)節(jié)是具有摩擦力的活動(dòng)鉸，其中膝關(guān)節(jié)的特殊設(shè)計(jì)可以模擬韌帶損傷。

2003年美國成功研制出了新一代假人THOR，其內(nèi)部設(shè)計(jì)了復(fù)雜的肋骨、脊柱以及先進(jìn)的合成肌肉[9]。該假人身上布置了許多的傳感器，用來測(cè)試假人各關(guān)鍵部位的力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)，還能夠利用現(xiàn)代傳感技術(shù)，定量地測(cè)試出人體關(guān)鍵部位受到的沖擊力的大小。

20世紀(jì)90年代，歐共體的多國政府聯(lián)合開發(fā)了側(cè)面碰撞假人EU ROSID。但西歐國家在汽車檢驗(yàn)行業(yè)，占據(jù)主要市場(chǎng)的始終是美國動(dòng)態(tài)仿真假人。在航空航天行業(yè)，也基本上都采用的是美國制造的假人。

日本本田公司分別在1998年和2000年開發(fā)了第1代仿真假人POLAR-Ⅰ和第2代仿真假人POLA R-Ⅱ。該假人對(duì)人體各個(gè)關(guān)節(jié)做了改進(jìn)，可以測(cè)量頭部、頸部、胸部等全身8個(gè)關(guān)鍵部位的力學(xué)響應(yīng)。在2008年，本田公司繼續(xù)推出了仿真假人POLA R-Ⅲ，進(jìn)一步提高了人體特征的仿真度。POLA R-Ⅲ主要增強(qiáng)了身體下半部位的仿真，大腿、小腿、膝部及腰等部位擁有了更高仿真度，可以更準(zhǔn)確的模擬人體的力學(xué)響應(yīng)[10]。

雖然仿真假人一直在發(fā)展改進(jìn)，但Hybrid Ⅲ 50百分位假人是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的正面碰撞假人，美國在聯(lián)邦法規(guī)中規(guī)定了仿真假人的標(biāo)準(zhǔn)，并在聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全法規(guī)中把Hybrid Ⅲ 50百分位仿真假人認(rèn)定為汽車碰撞試驗(yàn)中評(píng)定乘員安全性能的標(biāo)準(zhǔn)裝置[11-12]。并且，歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家在正面碰撞法規(guī)中也把Hybrid Ⅲ 50百分位假人作為規(guī)定使用的碰撞假人。

試驗(yàn)測(cè)試假人能夠通過真實(shí)試驗(yàn)?zāi)M人體受到的損傷，試驗(yàn)結(jié)果直觀，試驗(yàn)程序相對(duì)成熟。但是試驗(yàn)測(cè)試假人每次試驗(yàn)都會(huì)對(duì)試驗(yàn)假人造成一定程度的損傷，因此每次試驗(yàn)后往往需要進(jìn)行維修和重新標(biāo)定。而數(shù)字仿真假人是一種虛擬的仿真假人模型，通過更改參數(shù)可以較準(zhǔn)確的模擬人體組織的材料特性，同時(shí)在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)也不受試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)條件和時(shí)間次數(shù)的限制，重復(fù)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間耗費(fèi)均比較低，不但可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期，降低產(chǎn)品開發(fā)的成本，而且可以幫助汽車新產(chǎn)品提高碰撞性能，從而在碰撞試驗(yàn)中拿到比較高的分?jǐn)?shù)。

數(shù)字仿真假人目前應(yīng)用的最為廣泛的是汽車領(lǐng)域，汽車整車碰撞的有限元仿真技術(shù)已成為汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中一個(gè)必不可少的工具。美國FTSS公司及德國DYNA more公司都建立了HybridⅢ假人的有限元模型，并在各大汽車公司中有著廣泛的應(yīng)用[13]。

2 國內(nèi)仿真假人研究進(jìn)展

我國仿真假人起步較晚，發(fā)展也相對(duì)緩慢，主要集中在航空航天和汽車這兩個(gè)領(lǐng)域。

2.1 航空航天領(lǐng)域

我國的試驗(yàn)仿真假人的研制起始于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)的主要目的是試驗(yàn)測(cè)試飛行器的彈射座椅性能，這也是我國研發(fā)的第一代試驗(yàn)仿真假人。該假人的尺寸及重量參數(shù)是依據(jù)當(dāng)時(shí)飛行員的第5、50和95百分位人體形狀尺寸測(cè)量得到的，該假人內(nèi)部沒有設(shè)置傳感器，只能夠測(cè)量胸腔位置的三向加速度及角速度，仿真能力有限。

1996年，我國研發(fā)了以宇航員為原型的試驗(yàn)仿真假人，身高為168mm，體重為60kg。該假人仿真了包括大腿和小腿、大腿和軀干、小腿和腳之間夾角等主要外形尺寸。該假人是以不銹鋼管為骨架，以固化硅橡膠內(nèi)襯聚氨脂泡沫為肌肉組合構(gòu)成。由于該假人主要是用來設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)航天服，因此體內(nèi)無傳感器，無法用于載荷試驗(yàn)的強(qiáng)度分析和評(píng)價(jià)。

2006年，空軍航空醫(yī)學(xué)研究所柳松楊團(tuán)隊(duì)研發(fā)了動(dòng)態(tài)仿真假人，該假人也是依據(jù)飛行員人體尺寸設(shè)計(jì)的，分第3、50和97百分位三個(gè)外形尺寸。且假人內(nèi)部安裝有載荷、加速度、角速度、角位移和溫度等多種傳感器，且傳感器是作為骨架的一部分嵌入到骨架中。該假人具有獨(dú)立的骨架系統(tǒng)，高仿真了頸椎和腰椎，骨盆結(jié)構(gòu)具有坐/立兩種形態(tài)，四肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍與人體一致。該假人的響應(yīng)數(shù)據(jù)收集采用的是雙套體內(nèi)固態(tài)記錄器，可實(shí)時(shí)記錄體內(nèi)信號(hào)。該動(dòng)態(tài)仿真假人是為了配合我軍相關(guān)重點(diǎn)型號(hào)研發(fā)的，目前已在空軍和海軍的多個(gè)重點(diǎn)型號(hào)的研發(fā)中起到了重要的作用[14]。

2.2 汽車行業(yè)

仿真假人在我國汽車行業(yè)的應(yīng)用起步較晚，我國的正面碰撞法規(guī)《關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則》自2000年4月1日起開始實(shí)施，該法規(guī)的適用范圍為新生產(chǎn)的總質(zhì)量小于或者等于2500kg的M1類車。并于2002年7月1日，該法規(guī)適用范圍擴(kuò)展到所有M1類車。該法規(guī)規(guī)定的仿真假人類型為Hybrid Ⅲ 50百分位假人。

碰撞測(cè)試是檢驗(yàn)汽車安全的重要舉措。從20世紀(jì)70年代開始，美國、歐洲等汽車發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，由相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)按照比國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格和更全面的要求，對(duì)新開發(fā)的車型進(jìn)行碰撞安全性能測(cè)試，評(píng)價(jià)結(jié)果按星級(jí)劃分，這一測(cè)試叫作新車評(píng)價(jià)規(guī)程，英文為New Car Assessment Program (NCAP)。為了提高中國汽車安全技術(shù)、促進(jìn)自主品牌汽車加快提高安全水平，在充分借鑒其他國家NCAP的基礎(chǔ)上，中國汽車技術(shù)研究中心于2006年創(chuàng)立了C-NCAP，即中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程，從此中國有了自己的NCAP評(píng)價(jià)體系。圖1為裝載有試驗(yàn)測(cè)試假人的汽車碰撞試驗(yàn)[15]。

圖1 汽車碰撞試驗(yàn)

各大汽車廠商為了順利通過碰撞試驗(yàn)并且在試驗(yàn)中拿下五星評(píng)價(jià)，紛紛引入數(shù)字仿真假人。工程師通過對(duì)數(shù)字仿真假人及汽車約束系統(tǒng)的虛擬碰撞仿真分析，能夠在新車型的開發(fā)設(shè)計(jì)階段獲得汽車乘員的安全性能數(shù)據(jù)，進(jìn)而依據(jù)這些數(shù)據(jù)優(yōu)化改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)，為在碰撞試驗(yàn)中順利拿下五星評(píng)價(jià)提供技術(shù)保障。數(shù)字仿真假人及其約束系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數(shù)字仿真假人及其約束系統(tǒng)

目前，國內(nèi)各大汽車廠商的仿真假人均采用的是以美國人為原型的Hybrid Ⅲ 50百分位假人。2003年郝霆等人通過對(duì)比分析國內(nèi)外相關(guān)正面碰撞試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)及Hybrid Ⅲ 50百分位假人與中國人體和假人主要尺寸，提出Hybrid Ⅲ假人不符合中國人體型，此問題將導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)偏高，我國應(yīng)研制以中國50百分位人體為基準(zhǔn)的仿真假人[16]。2008年陳爽等人基于人體力學(xué)和有限元分析法，根據(jù)中國人體尺寸，研制了中國95百分位仿真碰撞假人[17]。由于中國的95百分位人體形狀尺寸和美國50百分位人體形狀尺寸比較接近，所以可以根據(jù)美國Hybrid Ⅲ 50百分位假人開發(fā)中國95百分位假人，因此相對(duì)于開發(fā)中國50百分位人體假人，此95百分位人體假人的開發(fā)難度要小很多。

2008年白中浩等人結(jié)合中國人體尺寸參數(shù)，依據(jù)國外Hybrid Ⅲ 50百分位多剛體標(biāo)準(zhǔn)假人模型，應(yīng)用MADYMO軟件，通過縮放方法建立了中國50百分位人體尺寸多剛體假人模型，并進(jìn)行了以某款量產(chǎn)車為基礎(chǔ)的正面碰撞仿真研究。結(jié)果表明，中國成年男性50百分位假人模型的頭部和頸部這兩個(gè)關(guān)鍵部位的損傷數(shù)據(jù)與Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型的相應(yīng)數(shù)據(jù)明顯要大[18]。

2012年黃新剛基于Hybrid Ⅲ 50百分位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字仿真假人模型，分別采取全體段縮放和部分體段縮放兩種方法構(gòu)建了中國50百分位尺寸數(shù)字仿真假人模型，如圖3所示，并進(jìn)行了正面碰撞數(shù)值模擬研究[19]。結(jié)果表明，在同樣的工況條件下，通過全體段縮放得到的中國50百分位仿真假人和Hybrid Ⅲ 50百分位假人在力學(xué)響應(yīng)上存在顯著的差異，而部分體段縮放和全體段縮放得到的中國50百分位假人的響應(yīng)差異不大，在可接受的范圍內(nèi)，且響應(yīng)隨約束系統(tǒng)改變的變化趨勢(shì)也基本一致。

圖3 全體段縮放模型（左）和部分體段縮放模型（右）

3 游樂設(shè)施行業(yè)乘員安全評(píng)估現(xiàn)狀

目前，針對(duì)游樂設(shè)施乘員安全問題，國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，均采用的是G加速度的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。同樣是針對(duì)G加速度的安全評(píng)定，美國標(biāo)準(zhǔn)與歐盟標(biāo)準(zhǔn)的判斷方法又有一定的差異[20]。在數(shù)據(jù)處理的要求方面，美國標(biāo)準(zhǔn)要求采用5Hz的低通濾波器對(duì)采集到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，歐盟標(biāo)準(zhǔn)則要求采用10Hz的低通高頻濾波器進(jìn)行濾波，顯然，歐盟標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低通濾波器的要求更加的嚴(yán)格。在G加速度的方向選擇方面，美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了X、Y、Z三個(gè)方向加速度的要求，而歐盟標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了Y、Z兩個(gè)方向的加速度要求，X方向是乘員的運(yùn)行方向，主要依靠慣性運(yùn)動(dòng)，乘員所受的X方向G加速度相比乘員的可承受力要小得多，所以歐盟標(biāo)準(zhǔn)中沒有對(duì)X方向進(jìn)行要求亦有其道理。在加速度合成判定安全性方面，歐盟標(biāo)準(zhǔn)給出了持續(xù)時(shí)間分別為0.05s、0.10s及大于等于0.20s時(shí)加速度的安全允許值及安全合成范圍，而美國標(biāo)準(zhǔn)僅給出了持續(xù)時(shí)間大于等于0.20s時(shí)的安全允許值及安全的合成范圍。

我國游樂設(shè)施行業(yè)針對(duì)乘員安全的標(biāo)準(zhǔn)起草的相對(duì)較晚，且主要參考的是歐盟G加速度安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，最終于2008年頒布了GB 8408—2008《游樂設(shè)施安全規(guī)范》[21]，增加了對(duì)加速度的要求。此標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國的實(shí)際情況，強(qiáng)調(diào)了加速度允許值的持續(xù)時(shí)間及大小，并給出了相應(yīng)的坐標(biāo)圖作為參考。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“計(jì)算或者測(cè)量加速度的參考點(diǎn)一般應(yīng)在座席上方600mm處”，且規(guī)定“沖擊加速度為持續(xù)時(shí)間小于等于0.1s的加速度，穩(wěn)態(tài)加速度為持續(xù)時(shí)間大于0.1s的加速度”。

根據(jù)GB 8408—2008標(biāo)準(zhǔn)要求，游樂設(shè)施在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行虛擬仿真計(jì)算時(shí)，仿真分析工程師往往把乘員作為一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)或質(zhì)量塊，在運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)束后，提取座椅上方600mm處的加速度即可。此種做法滿足現(xiàn)階段的標(biāo)準(zhǔn)要求，但是不能對(duì)乘員的各個(gè)部位實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確描述，從而得不到乘員關(guān)鍵部位真實(shí)的力學(xué)響應(yīng)，進(jìn)而不能有效地對(duì)游樂設(shè)施乘員及乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行安全性和可靠性評(píng)估。

4 游樂設(shè)施數(shù)字仿真假人開發(fā)需求

目前，通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，尚未發(fā)現(xiàn)有適用于游樂設(shè)施行業(yè)的數(shù)字仿真假人的相關(guān)報(bào)道。目前，已經(jīng)寫入國內(nèi)外汽車行業(yè)法規(guī)的Hybrid Ⅲ 50百分位假人是基于歐美人體統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)和開發(fā)出來的，50百分位代表了人體統(tǒng)計(jì)學(xué)里的中等體型參數(shù)，其對(duì)應(yīng)的身高是177cm，體重是77.7kg。但是，我國50百分位男性的身高是167.8cm，體重為59kg，相比Hybrid Ⅲ 50百分位假人有較大的差異?；谌藱C(jī)工程學(xué)，人體各關(guān)鍵部位的重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、旋轉(zhuǎn)半徑等參數(shù)和人的身高、體重關(guān)聯(lián)密切。并且，不同于汽車行業(yè)的安全帶約束方式，游樂設(shè)施乘員束縛裝置有安全帶、安全壓杠、檔桿等多種約束形式。因此，基于歐美尺寸開發(fā)的Hybrid Ⅲ 50百分位數(shù)字仿真假人不能直接應(yīng)用在我國的游樂設(shè)施行業(yè)。為了有效地對(duì)游樂設(shè)施乘員及乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行安全性和可靠性評(píng)價(jià)，一方面需要開發(fā)適合中國人體尺寸和人體特征的數(shù)字仿真假人；另一方面需要針對(duì)游樂設(shè)施的運(yùn)行方式及乘員安全束縛裝置的特點(diǎn)，開發(fā)適用于中國游樂設(shè)施行業(yè)的數(shù)字仿真假人。

開發(fā)中國50百分位數(shù)字仿真假人可以參照Hybrid假人家族開發(fā)工作小組提出的全體段縮放方法。Hybrid Ⅲ 5百分位女性假人和Hybrid Ⅲ 95百分位男性假人均是基于Hybrid Ⅲ 50百分位假人利用全體段的縮放方法開發(fā)出來的，這些數(shù)字仿真假人已廣泛應(yīng)用在汽車行業(yè)中。開發(fā)中國50百分位數(shù)字仿真假人也可以采用湖南大學(xué)曹立波科研團(tuán)隊(duì)提出的部分體段縮放法。這種方法僅對(duì)四肢、肋骨、腰椎等對(duì)假人碰撞響應(yīng)有重大影響的零部件進(jìn)行了縮放，對(duì)其他的一些簡(jiǎn)單部件只作了簡(jiǎn)單調(diào)整，從而避免了對(duì)盆骨、肩部、頭頸等許多的復(fù)雜部件進(jìn)行改動(dòng)，相對(duì)于全體段縮放法極大地節(jié)約了開發(fā)的成本。

游樂設(shè)施按照運(yùn)動(dòng)形式可分為轉(zhuǎn)馬類、滑行車類、陀螺類、飛行塔類、賽車類、碰碰車類等十五大類，其乘員安全束縛裝置也有安全帶、安全壓杠、檔桿等多種約束方式。在開發(fā)游樂設(shè)施數(shù)字仿真假人時(shí)應(yīng)針對(duì)游樂設(shè)施的運(yùn)行方式及乘員束縛裝置，選擇合適的部件連接方式。同時(shí)，需要建立適用于游樂設(shè)施行業(yè)的系列數(shù)字仿真假人，一方面為了驗(yàn)證游樂設(shè)施的適用人群；另一方面可以有效地評(píng)估游樂設(shè)施乘員約束系統(tǒng)的安全性和可靠性。

數(shù)字仿真假人可以應(yīng)用于游樂設(shè)施的設(shè)計(jì)、安裝、改造、檢驗(yàn)等各個(gè)階段，尤其是在產(chǎn)品還未定型的設(shè)計(jì)研發(fā)階段，利用數(shù)字虛擬仿真技術(shù)不但可以有效地評(píng)估游樂設(shè)施的性能及乘員約束裝置的安全性，而且可以優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。數(shù)字仿真假人由于是在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，它不受試驗(yàn)條件、時(shí)間等的限制，費(fèi)用低，重復(fù)性好。但數(shù)字仿真假人的開發(fā)必須基于試驗(yàn)測(cè)試假人，這樣數(shù)字仿真假人才會(huì)有真實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)試驗(yàn)測(cè)試假人可以為數(shù)字仿真假人提供一定程度的驗(yàn)證服務(wù)。

5 游樂設(shè)施數(shù)字仿真假人應(yīng)用前景

由于游樂設(shè)施具有多變向、高變速、強(qiáng)刺激等特點(diǎn)，游樂設(shè)施的乘員安全逐漸成為普通大眾和政府關(guān)注的重點(diǎn)。把數(shù)字仿真假人成功的應(yīng)用在游樂設(shè)施行業(yè)，一方面可以較精確的評(píng)估游樂設(shè)施新產(chǎn)品的質(zhì)量，消除安全隱患，減少安全事故的發(fā)生，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益；另一方面將研制的數(shù)字仿真假人提供給游樂設(shè)施設(shè)計(jì)單位，使得游樂設(shè)施在設(shè)計(jì)初期，就可以模擬人體的運(yùn)行狀態(tài)，得到游樂設(shè)施運(yùn)行時(shí)乘客頭部、頸部、腰椎等關(guān)鍵部位的速度、加速度及受力情況，得到游樂設(shè)施乘員約束系統(tǒng)對(duì)不同百分位人群的束縛狀態(tài)，使得設(shè)計(jì)人員根據(jù)這些人體響應(yīng)數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)階段就可以逐步優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，這樣不但可以提高我國游樂設(shè)施產(chǎn)品品質(zhì)，而且可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本。此外，數(shù)字仿真假人的研究成果還可以為規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制修訂提供技術(shù)支撐。

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