張學(xué)榮，殷文倩

（江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

前言

根據(jù)2015年《中國(guó)兒童道路交通傷害狀況研究報(bào)告》，道路交通傷害已成為我國(guó)0-17歲兒童傷害致死的第2位原因［1］。我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)兒童乘員用約束系統(tǒng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB27887已于2011年制定，并指定國(guó)內(nèi)11家權(quán)威測(cè)試機(jī)構(gòu)開(kāi)展認(rèn)證工作［2］。根據(jù)2014年發(fā)布的《實(shí)驗(yàn)室間機(jī)動(dòng)車(chē)兒童乘員用約束系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)比對(duì)總結(jié)報(bào)告》，由于各實(shí)驗(yàn)室在測(cè)試過(guò)程中環(huán)境條件、檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備的校準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)理解等差異，不同的實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果之間存在很大的偏差［3］?，F(xiàn)階段對(duì)兒童約束系統(tǒng)仿真研究較多，對(duì)檢測(cè)結(jié)果一致性影響因素的系統(tǒng)研究較少［4-6］。本文中針對(duì)如圖1所示的兒童約束系統(tǒng)，其使用成人三點(diǎn)式安全帶將兒童安全座椅綁定到臺(tái)車(chē)上，并使用五點(diǎn)式安全帶約束P3兒童假人。根據(jù)兒童約束系統(tǒng)碰撞測(cè)試過(guò)程，利用仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，分析可能對(duì)測(cè)試結(jié)果一致性產(chǎn)生影響的因素，包括安全帶初始張力、五點(diǎn)式安全帶位置差異、兒童安全座椅整體位置差異影響以及頭部位移圖像識(shí)別方法4個(gè)方面。

圖1 試驗(yàn)用兒童安全座椅

對(duì)于汽車(chē)座椅三點(diǎn)式安全帶初始張力與五點(diǎn)式安全帶初始張力分析和兒童安全座椅居中位置差異影響分析，本文中使用文獻(xiàn)［7］中進(jìn)行過(guò)有效性驗(yàn)證的仿真模型，用于仿真分析，該文中基于GB27887《機(jī)動(dòng)車(chē)兒童乘員約束系統(tǒng)》，定量研究了兒童約束系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)產(chǎn)生偏差的原因，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室間碰撞波形差異、臺(tái)車(chē)坐墊泡沫剛度衰減系數(shù)、支撐腿初始安裝角度、安全帶導(dǎo)向件摩擦因數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)離散性影響較大［8］。本文中基于其結(jié)論，豐富其研究因素后進(jìn)行深度探索。所有仿真模型均經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證后，再開(kāi)展后續(xù)的研究，但限于文章篇幅，驗(yàn)證方法和過(guò)程從略。

兒童安全座椅整體前后位置差異是實(shí)際試驗(yàn)時(shí)人員操作手法不同導(dǎo)致的，頭部位移的測(cè)試結(jié)果差異是不同實(shí)驗(yàn)室采取的圖像識(shí)別方法不同導(dǎo)致的，因此，本文中對(duì)于這兩種影響直接采取試驗(yàn)的方法進(jìn)行分析。

1 安全帶初始張力影響分析

1.1 三點(diǎn)式安全帶初始張力影響分析

汽車(chē)座椅三點(diǎn)式安全帶在固定兒童座椅的過(guò)程中，須使用力傳感器（圖1），監(jiān)測(cè)三點(diǎn)式腰、肩連續(xù)安全帶各部位的張力，控制腰帶張力、肩帶張力為50±5 N，安全帶卷收器段的織帶張力（即卷收器回卷力）為4±3 N。故本文中將三點(diǎn)式安全帶初始張力分為3個(gè)水平，其腰帶張力、肩帶張力和卷收器回卷力如表1所示。當(dāng)初始力在該范圍變化時(shí)，對(duì)兒童乘員頭部位移和胸部加速度的影響分析如表2、圖2和圖3所示。

表1 三點(diǎn)式安全帶初始張力影響因素水平設(shè)置

表2 三點(diǎn)式安全帶初始張力影響

圖2 三點(diǎn)式安全帶初始張力對(duì)胸部合成加速度的影響

圖3 三點(diǎn)式安全帶初始張力對(duì)胸部垂直加速度的影響

從表2可見(jiàn)：汽車(chē)三點(diǎn)式安全帶初始張力對(duì)胸部垂直加速度影響最顯著，最大偏差為3.6%；但對(duì)頭部水平位移和胸部合成加速度的影響都不大。

1.2 五點(diǎn)式安全帶初始張力影響分析

實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行兒童五點(diǎn)式安全帶佩戴時(shí)，須調(diào)整松緊調(diào)節(jié)帶的張力，控制織帶初始張力在250±25 N，將織帶初始張力設(shè)定為3個(gè)因素水平，分別為225，250和275 N。

五點(diǎn)式安全帶固定假人時(shí)，其安全帶初始張力的影響如表3所示，兒童乘員胸部損傷曲線對(duì)比如圖4和圖5所示。

表3 五點(diǎn)式安全帶初始張力影響分析

圖4 五點(diǎn)式安全帶初始張力對(duì)胸部合成加速度的影響

圖5 五點(diǎn)式安全帶初始張力對(duì)胸部垂直加速度的影響

從表3中可以看出：兒童五點(diǎn)式安全帶初始張力對(duì)頭部水平位移和胸部合成加速度的影響不大，都不超過(guò)1%；胸部垂直加速度的影響相對(duì)于其他兩個(gè)指標(biāo)稍大，但也不超過(guò)2%。

2 五點(diǎn)式安全帶初始位置偏移的影響

兒童五點(diǎn)式安全帶在佩戴過(guò)程中，肩帶若出現(xiàn)橫向偏移，也會(huì)對(duì)兒童假人頭部位移及胸部加速度產(chǎn)生一定的影響。采用3個(gè)因素水平對(duì)此進(jìn)行分析，如圖6所示。對(duì)兒童乘員損傷的影響如表4、圖7和圖8所示。

圖6 兒童五點(diǎn)式安全帶初始位置偏移

表4 五點(diǎn)式安全帶初始位置偏移影響分析

由表4可以看出，兒童五點(diǎn)式安全帶初始位置偏移對(duì)P3假人胸部垂直加速度的影響最為顯著，最大偏差達(dá)5.2%，對(duì)頭部水平位移和胸部合成加速度的影響較小。

3 兒童安全座椅整體位置差異的影響

圖7 五點(diǎn)式安全帶初始位置偏移對(duì)胸部合成加速度的影響

圖8 五點(diǎn)式安全帶初始位置偏移對(duì)胸部垂直加速度的影響

不同實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行同一兒童安全座椅臺(tái)車(chē)測(cè)試時(shí)，不同的人員以不同的操作手法進(jìn)行工作，會(huì)存在兒童安全座椅安裝和調(diào)節(jié)力等方面的差異。一方面，其所放置的位置會(huì)相對(duì)于縱向中心線存在一定的偏移；另一方面，將兒童安全座椅推向臺(tái)車(chē)座椅靠背時(shí)的力不同，也會(huì)導(dǎo)致兒童安全座椅整體位置相對(duì)于實(shí)驗(yàn)臺(tái)車(chē)在前后方向上的差異。對(duì)上述兩種情況分別進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)分析。

3.1 居中位置差異的影響

兒童安全座椅整體位置在左右方向上的偏移對(duì)假人頭部位移及胸部加速度的影響分析如下。兒童安全座椅初始位置分為3個(gè)因素水平：完全居中、向車(chē)輛左側(cè)偏移25 mm和向車(chē)輛右側(cè)偏移25 mm。

兒童安全座椅整體位置偏移見(jiàn)圖9，對(duì)乘員損傷和位移的影響如表5、圖10和圖11所示。

從表5可以看出，兒童安全座椅整體位置偏移對(duì)胸部垂直加速度的影響最大，最大偏差高達(dá)13.2%。如圖11所示，測(cè)試中胸部垂直加速度第2個(gè)波峰具有明顯差異，向左偏移25 mm的工況產(chǎn)生的第2個(gè)波峰遠(yuǎn)大于向右偏移的情況，且峰值超過(guò)第1個(gè)波峰。但兒童安全座椅整體位置偏移對(duì)頭部位移和胸部合成加速度的影響較小。

圖9 兒童安全座椅整體位置左右偏移

表5 兒童安全座椅整體位置左右偏移影響分析

圖10 座椅整體位置左右偏移對(duì)胸部合成加速度的影響

圖11 座椅整體位置左右偏移對(duì)胸部垂直加速度的影響

3.2 前后位置差異的影響

在GB27887中規(guī)定，將兒童約束系統(tǒng)安裝到臺(tái)車(chē)上時(shí)，關(guān)于帶有ISOFIX接口的兒童安全座椅，必須在平行于測(cè)試座椅坐墊平面，沿著兒童約束系統(tǒng)中心線且相對(duì)于坐墊高度不超過(guò)100 mm處施加135±15 N的力，將兒童座椅推入試驗(yàn)臺(tái)車(chē)。但對(duì)于用成人三點(diǎn)式安全帶將兒童安全座椅固定到車(chē)輛上的情況沒(méi)有給出明確的操作要求，故不同試驗(yàn)員在操作時(shí)會(huì)造成兒童安全座椅整體位置相對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)車(chē)在前后方向上存在較大的差異，從而使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。本文中進(jìn)行了5次測(cè)試，前2次位置偏前，后3次位置偏后，如圖12和圖13所示，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

圖12 兒童安全座椅整體位置偏前

圖13 兒童安全座椅整體位置偏后

由表6可以看出，當(dāng)兒童安全座椅整體位置偏前時(shí)，兩個(gè)測(cè)試頭部位移都超過(guò)了550 mm，不符合法規(guī)要求。但兒童座椅整體位置偏后時(shí)的3個(gè)測(cè)試，頭部前向位移都達(dá)標(biāo)。且兒童安全座椅整體位置前后偏移對(duì)胸部垂直加速度影響顯著，其產(chǎn)生的最大偏差高達(dá)37.7%。

4 不同頭部位移圖像識(shí)別方法的影響

表6 兒童安全座椅整體位置前后偏移影響分析

大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室采用了圖像修正法來(lái)確定頭部水平與垂直位移，少數(shù)實(shí)驗(yàn)室未采用圖像修正法，直接采用比例法確定頭部位置，因此識(shí)別出的頭部位置誤差顯著。詳見(jiàn)以下測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試均選擇同一款兒童安全座椅，該款座椅使用三點(diǎn)式安全帶固定在臺(tái)車(chē)上，并采用五點(diǎn)式安全帶約束兒童，測(cè)試均使用P3兒童假人。在4家測(cè)試機(jī)構(gòu)各展開(kāi)5次相同測(cè)試，共計(jì)20次試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均值如表7所示。

表7 不同機(jī)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異

由表7可以看出，不同機(jī)構(gòu)頭部水平位移測(cè)試結(jié)果差異很大。導(dǎo)致該項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果偏差的可能因素為：在進(jìn)行圖像分析過(guò)程中，高速攝像機(jī)拍攝參數(shù)與視差補(bǔ)償計(jì)算時(shí)的設(shè)定參數(shù)不一致。在對(duì)高速攝像機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行位移分析之前，根據(jù)相關(guān)的計(jì)算公式，需要記錄位移計(jì)算時(shí)必需的數(shù)據(jù)，如y1，y2，dm和dCAM等，如圖14所示。若其中一個(gè)數(shù)值出現(xiàn)了偏差或不一致都有可能導(dǎo)致位移計(jì)算出現(xiàn)偏差。

少數(shù)實(shí)驗(yàn)室采用的圖片比例法為

本文對(duì)頭部前向位移的修正為

圖14 臺(tái)車(chē)試驗(yàn)俯視示意圖

式中：dh為未修正的圖像識(shí)別頭部水平位移；dm為兩標(biāo)記點(diǎn)的實(shí)際距離；dh′為攝像機(jī)拍攝圖片中直接測(cè)量的頭部水平位移；dm′為攝像機(jī)拍攝圖片中直接測(cè)量的兩標(biāo)記點(diǎn)間距離；dh0為修正后的頭部水平位移；y1為標(biāo)尺到夾具中心平面的距離，標(biāo)尺在夾具中心后方為正，前方為負(fù)；y2為攝像機(jī)到夾具中心平面的距離；dCAM為攝像機(jī)到Cr點(diǎn)的橫向距離。

對(duì)以上修正公式進(jìn)行了以下試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖15所示。首先將棋盤(pán)格標(biāo)定板固定于墻面上，標(biāo)出150與550 mm點(diǎn)，作為dm＝400 mm，將150 mm點(diǎn)視為Cr點(diǎn)，用方塊的右邊緣線作為兒童頭部水平位移替代物，放置于距離Cr點(diǎn)100 mm處，拍攝照片，測(cè)量公式中所需的各項(xiàng)參數(shù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與對(duì)比如表8所示。可以看出，修正后的誤差比直接比例法的誤差顯著降低。

圖15 修正公式驗(yàn)證試驗(yàn)

同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了臺(tái)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證，使用的是表7測(cè)試機(jī)構(gòu)2的試驗(yàn)，如圖16所示。標(biāo)尺點(diǎn)1和標(biāo)尺點(diǎn)2在臺(tái)車(chē)中心平面后方1 m處，兩標(biāo)尺點(diǎn)實(shí)際水平距離dm為550 mm；圓形標(biāo)尺3在兒童安全座椅中心平面上，標(biāo)尺點(diǎn)2和標(biāo)尺點(diǎn)3到Cr點(diǎn)的水平橫向距離均為550 mm，即標(biāo)尺點(diǎn)2在標(biāo)尺點(diǎn)3正后方1 m處，故理論上可用標(biāo)尺點(diǎn)2代替標(biāo)尺點(diǎn)3來(lái)判斷兒童頭部位移，但圖片上標(biāo)尺點(diǎn)2與標(biāo)尺點(diǎn)3的投影并不重合，使用拍攝圖片觀察頭部位移時(shí)產(chǎn)生誤差。所以圖像識(shí)別法必須采取必要的修正才能縮小誤差。試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與計(jì)算如表9所示。

表8 修正公式驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與對(duì)比

圖16 修正公式驗(yàn)證臺(tái)車(chē)試驗(yàn)

表9 修正公式驗(yàn)證臺(tái)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與對(duì)比

由表9可以看出，修正后的誤差大幅降低，故可判定上述修正公式可有效提高頭部前向位移測(cè)量結(jié)果的一致性。但誤差依舊存在，這是由攝像機(jī)的位置距離不易測(cè)量和圖片上距離測(cè)量精度不高等原因?qū)е碌摹?/p>

由于采用汽車(chē)座椅三點(diǎn)式安全帶固定，在試驗(yàn)過(guò)程中，兒童座椅受力非對(duì)稱(chēng)，故兒童安全座椅和假人運(yùn)動(dòng)也會(huì)偏向一側(cè)，如圖17所示。即使采用修正的方法，也還存在另外一項(xiàng)誤差，即頭部不在夾具中心平面內(nèi)。以上述臺(tái)車(chē)試驗(yàn)為例，兒童頭部偏向攝像機(jī)一側(cè)50 mm，即 y1＝1050 mm，y2＝1950 mm，代入公式計(jì)算得dh0＝546.58 mm，誤差增大。因此需要進(jìn)行必要的頭部位移修正。采用頂部相機(jī)測(cè)量頭部最大位移時(shí)刻對(duì)應(yīng)中心的偏移量，在測(cè)試圖中進(jìn)行修正，才能準(zhǔn)確獲取頭部位移測(cè)量值。

圖17 頭部最大位移時(shí)俯視圖

5 結(jié)論

根據(jù)以上影響因素綜合分析，頭部相對(duì)于Cr點(diǎn)水平位移和兒童胸部合成加速度對(duì)上述影響因素均不太敏感；而胸部垂直加速度最易受到干擾。其中兒童安全座椅整體位置的前后偏移對(duì)3個(gè)測(cè)試損傷值影響最為顯著，導(dǎo)致頭部相對(duì)于Cr點(diǎn)的水平位移最大偏差為3.1%，胸部合成加速度最大偏差為4.3%，胸部垂直加速度的最大偏差高達(dá)37.7%；兒童安全座椅整體位置左右偏移的影響次之，對(duì)胸部垂直加速度產(chǎn)生的最大偏差達(dá)到13.2%。

經(jīng)過(guò)上述的仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，建議在現(xiàn)有法規(guī)基礎(chǔ)上采取以下措施來(lái)提高測(cè)試結(jié)果的一致性，減小測(cè)量誤差。

（1）動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程中嚴(yán)格控制兒童安全座椅縱向中心線與測(cè)試臺(tái)車(chē)縱向中心線的重合度，誤差控制在±5 mm。

（2）在現(xiàn)有法規(guī)的基礎(chǔ)上，增加類(lèi)似于GB27887中對(duì)帶有ISOFIX接口的兒童安全座椅的相關(guān)規(guī)定，限制在將兒童安全座椅安裝到臺(tái)車(chē)上時(shí)的推入力的大小與施力點(diǎn)，以控制兒童安全座椅整體位置的前后偏移量。

（3）在使用圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別頭部水平和垂直位移時(shí)，采用本文中所提出的公式對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。針對(duì)汽車(chē)座椅三點(diǎn)式安全帶固定兒童安全座椅的情況，應(yīng)采用頂部相機(jī)測(cè)量頭部最大位移時(shí)刻對(duì)應(yīng)中心線的偏移量，再進(jìn)行修正，以獲得準(zhǔn)確的頭部位移測(cè)量值。

（4）建議探索直接測(cè)量?jī)和^部位移的方式來(lái)分析假人頭部向前和向上位移，如使用激光尺等，才能完全避免由圖像識(shí)別帶來(lái)的誤差。

各實(shí)驗(yàn)室可采納上述控制措施，有效減少測(cè)試結(jié)果的誤差，提高兒童安全座椅臺(tái)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果的一致性，從而改善我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)兒童乘員約束系統(tǒng)檢測(cè)情況。