我國汽車保有量持續(xù)增長，道路交通安全形勢越發(fā)嚴峻。汽車安全是影響公共交通安全的重要因素，而碰撞測試假人是支撐汽車安全的核心技術。汽車安全設計不能最優(yōu)保護中國乘員安全，以及國外獨家技術壟斷、核心技術受制于人，是制約當前我國汽車安全技術進一步發(fā)展的主要問題。
中國工程院院刊《中國工程科學》2019年第3期刊發(fā)中國汽車技術研究中心有限公司教授級高級工程師劉志新研究團隊的《中國體征碰撞測試假人開發(fā)路徑研究》一文。文章通過分析國內外碰撞測試假人的發(fā)展趨勢和關鍵技術，并結合我國技術現(xiàn)狀，初步提出中國體征碰撞測試假人開發(fā)路徑，進一步完善我國汽車安全標準體系。中國體征碰撞測試假人的開發(fā)將直接推動我國高端裝備制造業(yè)發(fā)展與標準創(chuàng)新，對于我國建設創(chuàng)新型國家、增強國際競爭力具有十分重要的現(xiàn)實意義和長遠的戰(zhàn)略價值。
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濟與社會發(fā)展的嚴重公共安全問題。汽車安全技術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)界共同關注的焦點話題。
乘員保護是汽車安全技術的最終目的，它與交通事故分析、汽車安全設計優(yōu)化、車輛安全性能試驗驗證等方面息息相關。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。
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，在短時間內解決了我國汽車安全技術約束有無的問題，因此，在一定時期內安全技術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)，從而導致現(xiàn)有的汽車安全設計不能最優(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技術標準為美國獨家壟斷，核心技術受制于人。如果美國對此進行技術封鎖，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，這種技術放大效應變得格外顯著。
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的標準，不僅有利于擺脫核心技術“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，把握我國技術標準的主導權。
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鍵技術，直接影響到汽車的安全設計，其具有“技術砝碼”效應，然而在汽車碰撞安全領域，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、質量分布），還是內在特性（動態(tài)響應、生物力學）上都有較大的差異。如與美國中等尺寸男性相比，中國相應的男性假人矮了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計不能真正保護“中國人體”；換言之，即由于“技術砝碼”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）國外技術壟斷，核心技術受制于人
作為汽車碰撞安全標準“砝碼”的假人由美國獨家壟斷。相關汽車碰撞試驗假人研究的滯后導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，所有的汽車安全設計均以保護“歐美人”而非“中國人”為設計目標，使得以國外碰撞試驗假人為車輛安全設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，還是內在特性上都與相應的中國人體有較大差異，二者對汽車安全設計的影響較大，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)響應差異性
混III 50百分位假人是根據(jù)歐美50百分位人體尺寸設計的，其身高為1.76 m，體重為78 kg，與中國人體的體型（身高為1.69 m，體重為69 kg）差異較大，動態(tài)響應也會有所不同。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和混III假人的損傷響應存在明顯差異，因此，直接采用混III假人進行測試評價會導致開發(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。研究表明，身材不同，骨骼結構也存在明顯差異，致使兩者的力學特性存在差異，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，而相應的仿真研究以及尸體試驗的結果表明，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數(shù)據(jù)而開發(fā)的，但其胸部仿生結構的生物逼真度仍有其局限性。如假人胸部肋骨的仿生結構與人體肋骨的結構存在較大差異，只能在較大面積的鈍性撞擊時反映人體的響應，而在小面積撞擊及側向或斜向撞擊時，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構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，這會導致假人與真人產生不一致的上半身動態(tài)響應。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
假人最早應用于軍用領域，經過十多年的發(fā)展，逐漸的應用于汽車、航空、體育和醫(yī)用領域。由企業(yè)主導轉為政府主導，同時，假人在不斷的發(fā)展，更強調地區(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在體征。
盡管國內在碰撞假人開發(fā)方面有一定的基礎，也進行過初步的探索，但是并沒有取得相應的成功，根源在于我國缺乏相關的頂層設計，沒有明確的設計目標，缺乏總體規(guī)劃，從而造成了各自為戰(zhàn)、研究不深入及重復研究的不利局面，假人的推廣應用問題也未能得到根本性的解決。從關鍵技術研究到研發(fā)設計，從生產制造到性能驗證，再到標準的制定等資源分布在不同的機構，需要進行充分的協(xié)調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，協(xié)調行業(yè)的一個組織。
由中國汽車技術研究中心聯(lián)合國內整車企業(yè)、大學和科研機構共同發(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)揮不同研究領域的技術優(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域的國際競爭力和標準話語權。
四、開發(fā)符合中國體征碰撞測試假人的技術路徑
中國假人的開發(fā)是一個系統(tǒng)工程，具有技術復雜性及多學科交叉的特點，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，嚴格遵循智能技術高度集成、制造產業(yè)高端發(fā)展的產品發(fā)展新模式，在未來實現(xiàn)技術先進性、標準適用性、市場不可替代性的高質量、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在生物力學響應特征；第二，要有技術的超越，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)有假人存在的技術問題；第三，要另辟蹊徑，結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、開放合作：充分發(fā)揮政府主導作用，加強開放合作，調動各方積極性，多元參與，遵循市場規(guī)律，確保各項任務落到實處，實現(xiàn)多方共贏；第二，目標清晰，注重實效：依據(jù)國情設定切實可行目標，大力推進技術、應用、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合作水平，促進假人開發(fā)項目協(xié)調發(fā)展；第三，總體規(guī)劃，分步實施：結合中國假人的目標與任務，構建短期和長期研究任務，制定總體發(fā)展規(guī)劃框架，遵循技術向行業(yè)轉化的規(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：推進技術應用、商業(yè)模式、行業(yè)應用標準和制度創(chuàng)新，充分發(fā)揮工作組指導與協(xié)調作用，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鍵技術與方法研究：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)化各領域資源；初步掌握假人開發(fā)關鍵技術；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研究；材料生物等效技術；傳感信息融合技術；仿生結構設計技術；仿真模型開發(fā)技術；開展相關標準研究。目標是實現(xiàn)內外兼修：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合的測試假人。第三個階段是完成示范推廣與標準應用：包括開展假人測試評價方法研究；示范推廣應用；制定標準法規(guī)。目標是實現(xiàn)標準應用于假人系列化：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，由技術層、平臺層、政策層和保障層四個層級來統(tǒng)籌。技術層從假人開發(fā)、標準研究、示范應用三個領域開展；平臺層包括關鍵技術攻關、標準研究、應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、技術保障、組織保障、監(jiān)督保障。
（五）重點任務
重點任務的選取依據(jù)：一是服務國家戰(zhàn)略需求和引領行業(yè)發(fā)展的基礎問題；二是為跨行業(yè)的產業(yè)發(fā)展提供亟需解決的前瞻性、基礎性支持服務；三是為不同企業(yè)產品研發(fā)提供跨領域的共性交叉基礎模塊、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)的首批重點任務包括中國道路交通事故研究、中國人體損傷生物力學、仿生結構與先進制造、傳感與信號融合技術、新型替代材料技術五大共性關鍵技術和關鍵技術攻關平臺、標準研究平臺、應用推廣平臺三大平臺，以及大數(shù)據(jù)（事故數(shù)據(jù)、傷害數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)）和測試評價（標定測試、生物仿真度評價、試驗評價）兩大中心。
五、結語
開發(fā)“中國假人”及其標準需求迫切，是保障我國駕乘人員生命安全、解決核心技術受制于人的重要舉措。碰撞假人開發(fā)是個系統(tǒng)工程，開發(fā)具有技術復雜性和多學科交叉性的特點，亟需集行業(yè)之力整合資源，聯(lián)合攻關，開展大量的技術研究。研究內容隸屬交通領域公共服務平臺，政府應加大重視與支持力度。符合中國體征碰撞測試假人的開發(fā)路徑，應由國家層面推動，其標準體系也應成為我國由汽車大國成為汽車強國的重要戰(zhàn)略舉措。
