乘员约束虚拟测试与评价之框架FORTE

车辆的“真实”安全性

汽车安全问题仍然是当下消费者热衷的、汽车厂最受挑战的问题之一。通过不断提高国家强制性法规以及消费者评价体系对车辆碰撞安全的要求，促使汽车厂研发出更加“安全”、星级更高的车辆；智能驾驶、自动驾驶的技术，也大大降低了因驾驶员疲劳驾驶、误操作等因素而导致事故的发生。然而，据世界卫生组织2020年12月7日公布的一项数据：全世界道路交通意外事件每年导致全球135万人死亡。据不完全统计，国内每年因交通事故死亡人数也高达6万之多。除了部分意外情况以及人为因素问题，作为汽车安全工程师，我们更应该有责任，去提高车辆的“真实”安全性，而不应该仅仅满足“应试式”的法规要求和消费者评价体系的星级。

(图表源自网络)

车辆的“真实”安全性就是指现实交通事故场景的车辆安全和人员安全。而提高和检验车辆的“真实”安全性，最普遍、最有效的手段就是仿真和测试。其中物理的碰撞测试已经被广泛的应用于验证车辆的碰撞安全，然后其局限性仍然非常明显。目前的物理碰撞测试在验证“真实”安全性的广度和深度上，都远远不够。因此对于车辆的“真实”安全性的开发和验证，必须将物理测试和虚拟仿真测试结合起来，才能以有限的时间、较低的成本、可靠安全的方式实现车辆的真正安全。

虚拟测试与评价

在航空领域，美国航空适航法规早就已经规定了对航空飞行的适航虚拟认证的标准。在现有的Euro NCAP，NHTSA对车辆安全的评价方法中，或多或少都已经有虚拟测试验证的影子。从2025年开始，Euro NCAP、C-NCAP的车辆安全评价中，也将加入更多的虚拟测试工况。在未来20年，虚拟测试评价将会越来越多，逐步形成并完善具有广度和深度意义上的车辆“真实”安全性的测试评价和认证体系。

乘员约束虚拟测试与评价的框架FORTE

对于虚拟测试与评价，西门子有着独特的理解以及领先行业的前沿性虚拟仿真技术，尤其是在乘员约束的安全性方面。近几年，西门子开发并完善了乘员约束虚拟测试与评价的框架FORTE（framework of Occupant Restraint Testing and evaluation）。该框架给用户提供一个模块化、参数化、标准化的主模型。用户可以根据实际车型，自行替换属于用户车型的各个模块系统；可以根据交通场景工况，灵活切换碰撞工况；可以根据人体的个体差异，调整肌肉强度和意识反应速度，等等。

乘员约束虚拟测试与评价的框架能够帮助各个层次的工程师，如安全工程师、仿真分析工程师、产品设计工程师等，能够非常容易、快速地搭建虚拟测试所要求的仿真模型，并快速完成大规模的虚拟测试算例，给出评价结果。

FORTE主模型默认包含了3种常见的交通场景，即：

▶正常NCAP车辆碰撞的场景，即56 km/h的初始速度，随后发生车辆碰撞的场景。过程经历时长为180ms。

▶自动紧急制动伴随车辆碰撞的场景，即初始速度为77 km/h，在750ms左右自动紧急制动下，以56 km/h的速度发生车辆碰撞的场景。过程经历时长为约1s。

▶车辆紧急避让（紧急变换车道）的场景。过程经历时长为约3s。

其他的场景则可通过用户自定义的方式，任意调整和修改。

Simcenter Madymo重启功能

要保证车辆的“真实”安全性，虚拟测试与评价的场景工况的数量至少是上百个工况。而开发车辆安全中，需要进行乘员约束安全的虚拟开发工况数量至少需要上万。同时，对于如AEB场景，紧急避让场景等，其整个仿真场景所经历的时长都在1s~3s。对于当前的计算能力来说，上万个工况，FORTE模型的计算总时间至少在2万小时（~2年）至6万小时；如果以纯FE的模型仿真，则总时间至少在50万小时（~57年）以上。

如此巨大的计算量，除了利用超级计算机、大规模计算外，一个“重启”功能能够大大减少计算所花的时间。而Simcenter Madymo的重启功能，就是可以重复利用上一次计算完的结果数据，作为下一次计算的“初始状态”，再计算在“初始状态”之后，约束系统参数改变对乘员的影响。

例如前面第2种自动紧急制动伴随车辆碰撞的场景，如果750 ms的AEB制动条件不变的情况下，对约束系统参数做匹配。则750 ms的AEB制动的仿真结果，就可以作为碰撞发生前的“初始状态”，也就不需要计算碰撞前的仿真。在这种情况下，省去了750ms仿真的计算，可以节约67%左右的计算时间。下图对多种场景，使用重启功能和不使用重启功能，进行详细说明和对比：

当碰撞前的阶段时间历程越长，利用重启功能，所能节省的计算时间也就越多，从而大大缩短虚拟仿真所需的总计算时间。

结束语

虚拟测试与评价技术的落地，将会大大提高车辆的“真实”安全性能。西门子的乘员约束虚拟测试与评价之框架FORTE，将为广大安全开发工程师带来的是建模简单、标准化、参数化、稳定可靠的开发应用体验。