行车安全的“守卫者”——记湖南大学曹立波科研团队

曹立波教授带领团队进行假人试验

随着现代交通网络的日益发达，为“车轮上的中国”系好安全带显得尤为迫切。这，恰是湖南大学机械与运载工程学院曹立波教授及其领衔的科研团队的学术理想。

目前该团队科研成果已在多个重大汽车安全碰撞试验中应用，在中国中车与美国芝加哥联合开展的汽车安全碰撞试验中，就有曹立波科研团队的“身影”——混III 50百分位男性假人。

研制出试验用的“中国造”假人

自汽车诞生之日起，交通事故也就随之而生。研究交通事故形式、改进汽车设计从而提高安全性成了一个重要而迫切的课题。但真人不可能运用于实验之中。于是，碰撞实验假人应运而生。

“假人要求最大程度上和真人类似，因此需要采用多种材料来模拟人体的不同部位。比如假人的皮肤采用聚乙烯材料制成，摸上去不仅要有弹性，还要跟真人一样有一定的承受力。”颜凌波，曹立波教授的博士生，团队中“80”后生力军的代表，在团队中负责开发汽车碰撞试验假人，他告诉记者，在假人内部还装有大量的传感器，在碰撞的一刹那，假人头、胸、膝盖等重点部位受伤的数据，会通过内置于模拟人体内的传感器被采集器采集。研究人员借助这些数据来模拟车祸中真人的受伤程度。“假人是集人体工程学、统计学、工程力学、材料力学、生物学为一体的精密测试仪器。”曹立波说。

据统计，一个假人由近400个部件、大约60个传感器组成，造价高达5万美元左右，如果加上常用的传感器配套设备，得需要8、9万美元。“在长安汽车碰撞实验室，用于鞭打测试的假人就要约100万元人民币。”曹立波介绍，目前，全球能够系统制造假人并获标准认可的仅有美国Humanetics公司。购买外国的假人，不仅价格极其昂贵，而且购买周期特别长，有时候需要7、8个月。而且以国外研制的假人来充当“中国乘员”，有以偏概全之嫌，毕竟中西方人体特征还是有一定区别。

但要研制出试验用的“中国造”假人，难度相当大，涉及到海量基础数据的采集、加工、处理和假人的制造，乃至数字化假人的开发等。“最难的是制造工艺。”颜凌波介绍，为提高假人的仿真性，各部位需要不同的材料。要找到合适的材料，他们往往需要反复试验。“比如找到合适假人肋骨所用的阻尼材料，我们就经历了上千次试验。”

据介绍，目前，曹立波团队已成功开发了包括混III 50百分位男性假人、TNO-10安全带假人、P系列儿童假人和可调规格配重假人在内的多款汽车碰撞试验假人。团队开发的假人产品，不仅在国内权威检测机构、国内自主品牌、外资零部件企业巨头和高校机构等近30家单位进行了使用，部分产品还成功走出了国门，在欧洲主流实验室进行了使用，并获得国外企业的肯定。

为安全“童”行保驾护航

相关数据显示，交通事故已成为我国14岁以下儿童的第一死因。祖国的未来，急需撑起一把安全出行的“保护伞”，曹立波科研团队围绕儿童行车安全进行了系列探索。

“儿童在体态特征、伤害指标方面与成人不同，特别在损伤值的测定上，不能只是成人的‘缩放’。”曹立波告诉记者，汽车儿童乘员安全保护的研究涉及车辆工程、人机工程、材料力学、生物力学、计算机仿真、安全教育、儿童解剖学和心理学等多门学科，是一个典型的边缘交叉学科领域。

目前，团队已成功开发了一岁半、3岁、6岁和10岁等儿童人体有限元模型，并与儿童尸体实验进行对比，从而掌握更准确翔实的数据，更好地开展仿真对比研究。

张冠军，蒋彬辉，吴俊，团队中研究儿童损伤生物力学及儿童保护措施的“80后”，他们在儿童尸体实验中获得的数据，对儿童损伤机理的研究和儿童安全保护的推动，起了重要作用。在此基础上，团队编译了《汽车与运动损伤生物力学》一书，成为目前国内唯一一本与汽车损伤生物力学相关书籍，对车辆工程专业和创伤医学专业的教学有着重要作用。

这些研究如何走出实验室真正“开花结果”服务社会呢？

“据世界卫生组织统计分析，质量合格的儿童安全座椅，在事故发生时可以降低婴儿死亡率达70%，降低4-7岁儿童死亡率达59%。”吴俊说，“但在我国，儿童安全座椅的使用率并不高。”

为此，团队研发了一款集成式儿童安全座椅，将座椅本身就设计为车体的一部分，集成在汽车后排座椅中间位置，与成人安全带配合使用，消除了传统增高座椅，需要加外挂式安全座椅造成的不便。

“绝大多数儿童安全座椅都是手动调节，并不能根据儿童实际身高智能调节到合适的状态。”吴俊介绍，团队研发了一种智能儿童安全座椅，可通过附带的手机控制软件输入儿童的身高、体重等数据，当座椅的控制板接收到手机客户端通过蓝牙通信发送过来的数据时，座椅、坐垫会自动调节到合适的高度及深度，改善成人安全带在儿童身上的定位，为儿童提供有效保护。

给汽车穿上主动安全“防护服”

如果驾驶过程中车辆与前车距离过近，车辆会自动刹车？如果行驶车辆偏离了之前的行驶路线，方向盘会开始震动来提醒驾驶员？如果车辆两侧的视线盲区内有障碍物车辆会发出警报？这些过去只在科技电影里出现的画面如今都变成了现实。ADAS（Advanced Driver Assistant System）高级驾驶辅助系统，曹立波称之为“自动驾驶时代的‘前戏’”。

ADAS利用安装在前后保险杠、反光镜、驾驶室内部或挡风玻璃上的传感器收集车辆周围数据，进行物体的辨识、侦测与追踪等，能够让驾驶者在最快时间察觉潜在危险，从而立即采取避险措施，提高行车安全。曹立波告诉记者，过去，汽车安全设计主要集中在被动安全装置，即在车祸意外发生，车辆已经失控的状况之下，对乘员进行被动的保护作用，如安全带、车身钢架结构、安全气囊等。而如今，主动安全已成为汽车安全技术发展的重点和趋势。典型代表就是ADAS，它们会在车辆接近失控时便开始“行动”，以各种方式介入驾驶，全力让驾驶人能够恢复对於车辆的控制，从而避免车祸意外的发生。

“主动安全最重要的是提前预警。”张冠军告诉记者，团队还成功开发了一款主动预警式安全带，当预警传感器(主要由预感装置，车距感应器等构成)判断前方有碰撞危险时，电动马达会卷收部分安全带，使乘员感到安全带有收紧，从而提示危险，促使乘员采取正确的避让措施。

目前，曹立波团队已成功开发了ADAS、主动预紧式安全带、孕妇安全带、主动式头枕等多款汽车安全设备，并成功将其产业化。部分产业化产品已在宇通、海马、长丰、奇瑞等多家单位完成了装车。