基于交通事故数据的弹起式发动机罩功能有效性分析*
时间：2022-11-15 10:50:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
孙海云 周大永 黄巧慧 毕腾飞 吕晓江,2
（1.吉利汽车研究院（宁波）有限公司，宁波 315335；
2.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；
3.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）
主题词：交通事故 弹起式发动机罩 行人保护 误作用场景 功能有效性
行人、自行车骑行者、电动自行车及摩托车骑行者等弱势道路参与者（Vulnerable Road Users，VRU）是中国实际道路交通环境中的弱势群体。根据中国交通事故深入研究（China In-Depth Accident Study，CIDAS）数据库的数据，人体简明损伤定级（Abbreviated Injury Scale，AIS）3+部位统计中，头部损伤占比最高，达41.84%。
为了降低事故中VRU 头部损伤，一些学者开展了相关研究。聂冰冰等人研究了行人头部冲击响应的影响机理，并提出了一种发动机罩结构，结果表明，该发动机罩有效改善了碰撞时对行人头部的保护性能；
辛龙等人基于行人头部保护要求，开发了一种非均匀式发动机罩盖内板结构。在优化发动机罩结构的基础上，为了进一步提升车辆的行人保护性能，许多车企对弹起式发动机罩技术进行了广泛研究与应用。刘洋等人讨论了弹起式发动机罩的设计要点，提出了弹起式发动机罩技术条件，并指出其关键在于控制策略的有效性和可靠性；
王宏雁等人通过仿真分析对主动式发动机罩抬升装置的性能评估进行了研究；
苗强等人研究了有利于行人保护的可逆抬升式发动机罩，提出了一种新型可逆式发动机罩抬起技术。然而，弹起式发动机罩在实际交通事故中的表现鲜有文献述及。与此同时，弹起式发动机罩在使用中也存在维修成本高及误点爆等问题。
本文通过搜集实际交通事故中弹起式发动机罩点爆的事故数据，分析当前弹起式发动机罩技术对VRU保护的有效性，提取误作用场景，为弹起式发动机罩标定矩阵定义及功能有效性评价提供参考。
2.1 弹起式发动机罩系统功能原理
弹起式发动机罩系统主要由发动机罩、主动式铰链、顶升器、控制器、传感器组成，如图1 所示。车辆在行驶时，如果与车外VRU发生碰撞，通过传感器感知碰撞信号，当达到点火门限时，由控制器向顶升器发出点火指令，实现发动机罩瞬间抬起一定高度，增大了VRU头部与发动机罩下侧硬点的空间，从而减小VRU 头部损伤。
图1 弹起式发动机罩系统
2.2 弹起式发动机罩标定
弹起式发动机罩的标定是指其传感器的标定。对于被动传感器，主要是研究车辆与各种物体（标定物）碰撞时，传感器输出信号的特征。一般情况下，标定物包含树枝、石块、篮球、小动物、人体下肢模型等，分析并提取出这些标定物的信号特征，当车辆发生碰撞时，将被动传感器的信号与之前标定分析出的信号特征进行对比分析，从而判断得出碰撞物的类型。根据标定物的种类、工况、标定要求、车速、测试温度、碰撞点位置等参数确定弹起式发动机罩的标定矩阵，目前常用的弹起式机罩标定矩阵如表1和表2所示。
表1 弹起式发动机罩不点爆试验矩阵
表2 弹起式发动机罩点爆试验矩阵
对于主动传感器，如前视摄像头，主要是训练摄像头的VRU 识别算法，使其能够在复杂的视角场环境中辨别出VRU 的存在，辅助控制器判断是否触发弹起式发动机罩。
3.1 数据来源
本文共搜集了弹起式发动机罩点爆事故140起，数据来源涉及互联网车型论坛、网络视频平台、维修数据、企业数据库（包含国家车辆事故深度调查体系（National Automobile Accident In-Depth Investigation System，NAIS）/CIDAS/上海联合道路交通安全科学研究中心（ShangHai United Road Traffic Safety Scientific Research Center，SHUFO）等数据），数据时间节点为2016～2021年共6 年。本文仅对弹起式发动机罩点爆的交通事故数据进行分析，相关的车型、配置以及弹起式发动机罩的结构等车型数据不在本文中体现。
3.2 事故数据统计分析
提取每起事故的关键参数，进行数据的基本统计分析。由于数据来源的局限性，每一起事故数据信息的完整度不同，部分事故数据可能存在缺失，因此在统计分析各类参数时样本量有一定范围的变化。
关键参数项包括事故类型、事故形态、碰撞对方类型、事故场景、碰撞人员伤情等。
3.2.1 事故类型分析
根据事故参与方的类型进行分类，具体分布如表3所示，其中，“其他”事故为乘用车与2 类不同性质的参与方发生碰撞。
表3 弹起式发动机罩点爆事故类型分布
在上述事故类型的分布基础上，分析具体的事故形态，如表4所示，其中，“其他”为乘用车与2类不同性质的参与方发生碰撞、积水、草堆等无法归类到其他事故形态的事故。
表4 弹起式发动机罩点爆事故形态分布
3.2.2 碰撞物类型分析
按照碰撞物的类型进行统计分析，结果如表5 所示，其中，“其他”事故包括碰撞对方为多个、未知或者积水等特殊情况。
表5 碰撞物类型分布
对碰撞固定物的事故进行分类分析，如表6 所示。碰撞物为“道路表面”包括路面凹坑、减速带和翘起的铁板等凸出物；
“其他”包括已知碰撞物为固定物但具体类型未知和多个固定物的情况。
表6 固定物分布统计
碰撞物为移动物体的事故中，有18个碰撞物为狗，有2个移动防护栏，移动式垃圾箱和鸡各1个。
3.2.3 VRU人员伤情分析
对VRU 碰撞事故中的人员伤情进行分析，有70.83%的VRU 事故参与方存在受伤情况。在受伤的VRU 事故中，有70.59%为轻伤，5.88%为重伤，其余23.53%为有伤情但具体情况未知。
通过对弹起式发动机罩点爆事故参与方进行分析，结合常用的标定矩阵（表1和表2），在不点爆工况中，理论上弹起式发动机罩与树枝、石块、篮球和小动物碰撞的工况下均应不点爆，然而实际点爆事故中此类事故占事故总数的35.71%（统计了碰撞物为道路表面、路肩、柱、狗、鸡）。在弹起式发动机罩点爆事故中，标定物没有在标定矩阵中覆盖的占总事故的47.86%，说明现有标定矩阵中碰撞物的定义和碰撞工况的定义没有覆盖实际情况。
冲突场景用于描述事故发生前的交通冲突形式，不需要考虑道路的设计形式和其他基础设施、参与方类型、事故的责任方或导致方等，有相同运动特征的参与方归为同一类场景。事故中的每个参与方均可从碰撞双方的角度视为自身参与方和目标参与方，二者的相对运动方向和相对位置均应在场景中体现，自身参与方或目标参与方可能是车辆或行人。本文以H.Feifel 和M.Wagner 的场景分类和CIDAS 编码书（Codebook）中的事故场景（ACCSCEN）为基础，自身参与方为弹起式发动机罩点爆的车辆，结合目标参与方的类型和数量的占比提取典型场景。
4.1 冲突场景提取
通过对事故数据的筛选，140 起事故中有108 起事故可以根据冲突类型进行分类，因此在场景的分析中样本量为108个。
在弹起式发动机罩点爆的事故中，有30 起事故为与前方正常直行的目标物碰撞，占总事故的27.78%，具体的冲突类型分布如表7所示。
表7 冲突类型分布
按照目标参与方的类型分别对冲突类型进行统计，分析在不同目标物类型下事故的冲突类型。
与固定物碰撞事故中，直行行车事故占比最大，共有16个，占与固定物碰撞事故数量的53.33%，具体分布情况如表8所示。
表8 与固定物碰撞冲突类型分布 起
在与乘用车碰撞的事故中，冲突类型分布较为集中，主要为与前方正常直行的目标物冲突，分布情况如表9所示。
表9 与乘用车碰撞冲突类型分布
与移动物体的碰撞事故中，90.48%来自与动物碰撞，其他为行车事故中与移动物体的碰撞，具体情况如表10所示。
表10 与移动物体碰撞冲突类型分布
与VRU 碰撞事故中，穿行遇从左、右侧来的目标物、与前方正常直行的目标物类型较多。另外在VRU事故中，与二轮/三轮车碰撞的事故数量有16 起，占VRU事故的94.12%。具体冲突场景的比例分布见表11所示。
表11 与VRU碰撞冲突类型分布
4.2 测试场景提取
在弹起式发动机罩的开发过程中，对于应作用的场景，可通过CIDAS/NAIS 等数据库中VRU事故数据的统计分析，提取典型的弹起式发动机罩测试场景，也可参考其他学者的研究，如牛增良筛选了典型的行人事故场景，范天赐分析了两轮车事故的典型工况与典型场景，然而弹起式发动机罩误作用的场景目前没有相关研究。
与固定物、乘用车、移动物体等碰撞均为弹起式发动机罩的非作用工况，提取典型的误作用场景，包括目标物的选取，具体如表12所示。
表12 3个典型的误作用冲突场景
4.3 标定矩阵的优化
通过对事故数据的统计分析，可将现有的标定矩阵进行对应的优化。根据表12 提取的3 个典型误作用冲突场景将弹起式发动机罩不点爆的碰撞物由4种增加为8 种。同时，考虑到二轮车在事故死亡人员交通工具中占比最大，将点爆的碰撞物由2 种增加到3 种，速度、碰撞点、温度等参数保持不变。优化后的弹起式发动机罩标定矩阵如表13 和表14 所示，将优化后的标定矩阵能够避免本文涉及的弹起式发动机罩误点爆事故比例作为评价其有效性的标准，不同标定物的覆盖比率参考3.2.2 中碰撞物的分析数据，可发现优化后的弹起式发动机罩的有效性理论上可达到83.57%，即优化后的矩阵理论上可覆盖碰撞物为道路表面、防护栏、柱类、路肩、乘用车、二轮/三轮、行人、狗、鸡等。
表13 弹起式发动机罩不点爆试验矩阵
表14 弹起式发动机罩点爆试验矩阵
本文介绍了弹起式发动机罩的工作原理和标定过程，同时通过对弹起式发动机罩点爆的事故进行统计分析，发现在实际交通事故中弹起式发动机罩起作用的VRU 事故占比非常小，仅占弹起式发动机罩点爆事故数量的16.43%。本文通过对弹起式发动机罩误作用的事故进行分析，提取了弹起式发动机罩的3种典型误作用场景以及碰撞目标物类型，为弹起式发动机罩的开发以及评价提供了场景支持。同时在对弹起式发动机罩点爆事故分析的基础上，对现有的标定矩阵进行了优化，使弹起式发动机罩点爆的有效性理论上可从16.43%提高到83.57%。
本文中提到的其他占比较小的场景，如移动垃圾箱、移动防护栏、过水路面等非典型场景也可作为弹起式发动机罩标定场景，从而进一步降低弹起式发动机罩的误作用率，提高其功能有效性。
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