车辆碰撞中行人死亡风险及颅脑损伤类型预测研究

摘要

随着汽车工业的快速发展，道路交通事故正逐步发展为人员伤亡的主要原因之一，行人作为最易受到伤害的道路使用者，在事故中的伤亡率极高，其中颅脑损伤是造成行人死亡的主要原因，进行行人损伤风险及头部损伤预测研究有助于行人安全法规的制定和汽车结构安全性设计。国外对行人损伤风险的研究比较全面，但由于人种、车辆类型、道路环境的差异，以及我国医疗水平相对落后的实际情况，国外的研究结果不能直接应用于我国的行人安全防护中，而我国行人损伤风险的研究较少，且我国幅员辽阔，各地区的行人事故数据存在较大差异，单一地区的研究无法满足行人损伤风险评估的需求。而由于各种实验条件的限制以及人体头部本身的复杂性，目前力学分析模型结合真实案例是头部损伤研究的较好方法，但国外多以橄榄球运动员的头部损伤案例进行研究，由于头盔的防护作用，通常橄榄球运动员的头部损伤较轻，且多为震荡性损伤，而行人遭受的头部损伤类型较多、较严重，因此行人交通事故是进行头部各类损伤的较好研究资源。
　　鉴于国内行人损伤风险评估资料的缺乏以及头部损伤预测方法的不足。作者所在调查小组在重庆地区进行行人事故的深度调查，并根据全国行人事故数据和重庆地区的行人事故数据对样本进行加权，分析影响行人损伤的主要因素，并评估行人的损伤风险;筛选具有视频资料和详细头部损伤结果的典型案例，利用多刚体动力学软件进行精确的事故重建，获取行人头部与车辆挡风玻璃接触前瞬间头部质心各方向的线性速度、角速度以及头部旋转角位置，将获取的初始条件加载到THUMS头部有限元模型进行头部损伤过程的重建，最后利用回归分析得出头部不同损伤类型最优的预测参数和损伤阈值。为行人损伤防护、车辆安全性设计以及头部损伤的诊断治疗提供理论基础。
　　主要研究方法和结论:
　　(1)车辆-行人事故的深度调查和分析
　　车辆-行人事故数据是整个研究的基础，对其进行全面而准确的采集有助于后续的分析研究，因此以传统事故调查方法为主，结合团队前期研发的几种新型事故数据采集技术，从车辆、行人及道路环境等相关因素进行行人事故的深度调查，2010-2016年间共采集到行人事故案例518起。对其中数据项目较完整的443起案例进行了描述性统计分析:其中轿车与行人的事故比例最高，达到了48.5％，说明轿车仍然是行人交通事故中最常见的车辆类型;事故车辆的出厂年份主要集中在2009年到2015年，结合采集的时间节点，说明新车发生事故的比例较高;车辆行驶速度在41-80km/h的事故占了56.9％，说明行驶速度较高时，容易导致行人交通事故的发生;行人头部撞击发动机罩和前挡风玻璃的比例分别为43.8％和41.5％，头部与车辆其他部位接触的比例较小，说明行人事故中，发动机罩和前挡风玻璃是行人头部主要的接触部位，改进这些部位的结构和刚度特性有助于减轻行人头部受到的伤害;事故中行人处于跑动状态的比例占了53.7％，说明行人跑动状态下更易发生交通事故;行人横穿公路的事故比例高达90.7％，但在人行横道的事故比例仅为7％，说明行人横过道路时未走人行横道是事故发生的主要原因之一;行人头部损伤的比例最高，达到了69.3％;与其他车辆类型相比，轿车和SUV撞击行人时更易导致头部损伤。
　　(2)行人损伤的影响因素分析
　　车辆-行人事故中，可能影响行人损伤严重程度的因素很多，理解哪些因素对行人损伤的影响更显著，有助于行人损伤的防护。从前期采集的行人交通事故案例中，选择具有视频资料的典型案例111起，对事故中可能影响损伤结果的因素进行分析。结果表明碰撞速度、行人年龄及头部在车辆的碰撞部位是影响行人头部损伤严重度和死亡的主要因素;而行人颅骨骨折除了会受到碰撞速度和头部撞击点的影响，车辆类型也是主要的影响因素，SUV撞击行人时导致颅骨骨折的比例最高，面包车导致颅骨骨折的比例最低，分别占了各组的68％和34％，行人年龄虽然与颅骨骨折没有统计学差异，但我们发现青年组发生颅骨骨折的比例(28％)明显低于中年组(52％)和老年组(56％)。
　　(3)基于数据加权的行人死亡风险分析
　　由于采集的数据样本不具有代表性，因此，根据全国行人事故的死亡率和重庆地区行人事故的轻重伤发生率对调查的样本进行加权，并对比两种加权方式得出的分析结果，总共161起具有视频资料的行人交通事故被用来进行逻辑回归分析。基于国家行人事故数据获得的加权样本分析，行人死亡风险抵达10％、50％和90％时，车辆的碰撞速度分别为42km/h、64km/h和86km/h;基于重庆地区的行人事故数据获得的加权样本分析，行人死亡风险抵达10％、50％和90％时，车辆的碰撞速度分别为48km/h、67km/h和86km/h。结果表明行人死亡风险随着碰撞速度增加而上升，同时，当碰撞速度超过40km/h时，行人死亡风险开始急剧上升;通过与国外的研究结果比较，基于行人轻重伤发生率对样本进行分层加权能得到更为准确的行人死亡风险。
　　(4)基于多刚体多力学的行人事故重建
　　行人事故重建是后续头部损伤重建的基础，因此提高事故重建的精度有助于后续的头部损伤预测研究，本文基于多刚体动力学方法对行人事故重建进行了深入研究，并结合一起典型的行人事故案例对事故重建方法进行了详细介绍。事故重建中，车辆的碰撞速度、减速度、行人的运动速度均通过视频进行精确的计算，行人碰撞前的姿态根据视频中车辆与行人发生接触前一帧画面进行调整，事故重建得出的动态响应过程与真实事故过程进行比较，在几个关键时刻上两者比较吻合，说明本文中的行人事故重建方法具有一定的准确性。另外，通过对比试验发现，行人身高对动力学响应有较大的影响;行人体重、运动速度及车辆减速度对头部角速度有影响，对线性加速度、速度的影响较小;行人碰撞前的姿态影响行人被撞后的偏转方向，从而导致行人头部与车辆的接触部位存在差异。提示在行人事故重建中，以上几个因素应被考虑作为重建初始条件。
　　(5)头部不同损伤类型的预测研究
　　建立具有夹层玻璃响应特性的车辆前挡风玻璃有限元模型，并基于真实案例中挡风玻璃的破裂范围和模式对所建模型进行验证，结果表明建立的模型能较好的模拟真实情况下挡风玻璃的受力变形。筛选同时具有视频资料和详细头部损伤诊断结果的案例29起，并对选取的案例进行事故重建，将事故重建获取的边界条件加载至THUMS头部有限元模型进行头部损伤重建，再对损伤重建结果进行二项逻辑回归分析，最后得出头部不同损伤类型与力学参数的关系。结果表明脑脊液的最大负压力能较好的预测硬膜下血肿，当脑脊液的最大负压为271Kpa时，头部有50％的可能出现硬膜下血肿;脑脊液的最大正压预测蛛网膜下腔出血的效果较好，当脑脊液的最大正压为208Kpa时，头部有50％的可能出现蛛网膜下腔出血;脑部最大剪切应变为0.38时，头部出现弥散性轴索损伤的风险约为50％;脑部等效应力是预测脑挫伤较好的指标，当脑部等效应力为29KPa时，有50％的可能出现脑挫伤;颅骨内部能量预测颅骨骨折的效果较好，当颅骨内部能量达到1096mJ时，颅骨有50％的可能出现骨折。

目录

声明

缩略语表

摘要

第一章 前言

1．1 选题缘由

1．2 研究背景

1．3 研究意义

1．4 研究内容

1．5 研究方法

1．6 课题来源及创新点

第二章 车辆-行人事故的深度调查与分析

2．1 车辆-行人事故深度调查

2．2 车辆-行人事故描述性统计分析

2．3 小结

第三章 行人损伤风险评估

3．1 行人头部损伤和死亡的影响因素分析

3．2 行人死亡风险评估

3．3 小结

第四章 基于多刚体动力学的车辆-行人事故重建

4．2 车辆模型构建

4．3 行人多刚体模型

4．4 车辆-行人碰撞初始条件

4．5 车辆-行人事故重建案例举例

4．6 碰撞初始参数对行人动力学响应的影响

4．7 小结

第五章 行人头部损伤预测研究

5．1 头部损伤生物力学

5．2 行人头部损伤重建

5．3 头部损伤预测研究

5．4 小结

全文总结

参考文献

文献综述 行人死亡风险与车辆碰撞速度的关系

攻读博士期间发表论文

致谢