将安全系统和未来的汽车设计相结合

本文选自：《将安全系统和未来的汽车设计相结合》
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借助可靠的自适应仿真解决方案应对不断变化的汽车安全需求摘要车辆中融入安全系统愈发重要。随着汽车电气化和自动驾驶汽车的发展，汽车行业正在向着更高的安全和环保标准迈进。本白皮书讨论了汽车行业正在发生的转变，以及集成式安全系统设计目前有哪些或者 未来几年会出现哪些相关考虑因素。本白皮书着重阐述了强大、快速和准确的数值仿真技术在集成式安全系统开发过程中的作用。J.M.A.Melvin、K. Chatrath 和 K. Shienmar，Siemens Digital Industries Software序言具有良好预测功能的生物仿真人体/假人仿真模型的运用有着不可估量的价值。Simcenter™ Madymo™软件是 Siemens Digital Industries Software 旗下综合性、集成式软件和服务 Xcelerator™ 产品组合的一部分，可提供一系列此类模型，方便用户对各种安全悠关的场景进行仿真，从而设计出最适用的安全系统。为进一步提升用户使用 Simcenter Madymo 进行集成式安全系统设计的便利性，我们向该软件的用户提供了乘员约束系统测试和评估框架 (FORTE) 应用程序。该应用程序提供的仿真环境具有简单易用、模块化结构、多用途、数值稳健等多种特点，设置和执行都非常省时省力。今天的汽车安全系统通常采用复杂的多层方法确保乘员安全。安全系统主要分为被动式和主动式两种类型。主动式安全系统侧重于避免或减少冲击力，例如电子稳定控制系统。被动式安全系统则侧重于减轻发生碰撞时所造成的伤害，例如安全带。而集成式安全系统可将这两个系统合而为一。

有关此类系统的更多信息，请参阅我们以前的博客：•  自动驾驶汽车的未来已获验证•  集成式乘员安全系统的演变本白皮书探讨了集成式安全系统目前的最新技术和未来的发展趋势。

电气化和无人驾驶汽车汽车行业正处于转型阶段。尽管燃油汽车在道路上仍然很常见，但混合动力和纯电动汽车越来越受欢迎，需求也越来越大。这种动力概念的转变会对汽车内部设计和动力学设计产生重要影响。在安全悠关的场景中，车辆乘员的运动取决于他们的初始姿势、活动、车内环境和车辆运动形态等。车内环境和车辆运动形态的变化会影响安全系统的设计。

根据贝罗娜基金会1的研究，2020 年爆发的全球疫情为汽车行业转型带来了希望。在此期间，欧洲的纯电动汽车销量增加了 107%，而燃油汽车的销量则大幅下降。尽管销量有所下降，但传统的燃油车辆仍然是使用最广泛的动力类型。随着替代性动力解决方案的日益普及，路上行驶的车辆种类越来越多。这种多元化格局给车辆安全系统制造商带来了颇有意味的挑战。他们必须开发出适用于每一种车辆（无论是燃油、混合动力还是纯电动车）的设计。人们对于进一步提高安全性和舒适性的需求，促使广大汽车制造商开始思考将驾驶任务自动化的可能。近几年来，实现自动化驾驶的过程一直在进行中。SAE J3016 驾驶自动化分级标准对自动化驾驶方面已经取得的进展和未来预期的进展进行了量化分级。除许多其他细节外，该文件定义了 L0 - L5 共六个自动化驾驶级别。L0 级是无自动化驾驶，L5 级是完全自动化驾驶，无需人工干预。自动化驾驶技术是指车辆越来越多地配备巡航控制系统、车道保持辅助系统等功能。这些功能可以协助驾驶员操控车辆，但仍然依靠驾驶员完成大部分驾驶任务（L1 级和 L2 级）。能够自动行驶、但在其操控行为超出运行设计范围时需要人工干预的车辆，目前在路上仍不多见，但这一领域的研发正在如火如荼地进行中。尽管该领域的领军企业对实现 L4 级和 L5 级自动化驾驶（极少或无需人工干预）持乐观态度，但产品何时能够上市仍是未知数。这种不确定性是因为仍有多项挑战需要克服，包括乘员的安全需求和其他道路使用者的安全需求。随着车辆动力类型的不断发展和自动驾驶技术的进步，路上行驶的车辆类型越来越多，并将持续增多。因此，为每一类车辆配备合适的安全系统变得十分必要。要开发安全系统，当务之急是建立一个能够对各种车辆动力类型和各种自动化级别进行综合仿真的框架。

一、乘员的任务

1、不远的过去

本世纪初的安全系统设计致力于在可能发生碰撞的场景中尽可能拯救乘员的生命，安全气囊的弹出条件也印证了这一点，包括：车辆行驶速度必须高于 25 公里/小时，受冲击的方向与汽车中心线夹角必须小于30 度，安全气囊仅适用于成年人，所以儿童不得坐在前排座位上。此外，根据美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 规定，身高低于 4.6 英尺（约 1.4 米）的驾驶员可以在车上安装安全气囊关闭开关，因为安全气囊会对他们带来更高的伤害风险。安全工程师在设计安全系统时，已经能够熟练地运用经验法则。他们之所以能够做到这一点是因为：•  启动安全系统需要满足许多必备条件，例如上文列举的安全气囊弹出条件•  驾驶员必须保持在固定一致的位置以使用踏板和方向盘这些必备条件减少了界定安全认证测试环境的参数数量和可变性。而减少参数数量和可变性可以大幅降低受测系统的复杂性，例如碰撞测试中的汽车和乘员。同时，乘员保持在固定一致的位置可以进一步减少受测系统中潜在变量的数量和范围。

2、电子安全系统的推出

尽管对驾驶员安全气囊仅适用于成年人这一要求变化不大，但对许多其他安全设施而言，情况并非如此。电子系统经过不断发展，变得愈加可靠和完善，现已成为安全系统的重要组成部分。1999 年，梅赛德斯-奔驰推出了电子稳定控制系统 (ESC)，许多安全专家认为这是自安全带问世以来车辆安全方面最重要的进步。因此在 2011 年，包括澳大利亚在内的许多国家和地区强制要求安装这一功能，也就不足为奇了。防抱死制动系统 (ABS) 和 ESC 是首批可确保乘员安全的、更先进的主动式安全系统。得益于传感器的进步，先进驾驶辅助系统的可用数量大幅增加，例如车道保持辅助系统、自适应巡航控制系统、变道辅助系统和行人检测系统等。

3、展望未来碰撞避让系统、自主紧急制动和车道保持辅助系统等工具作为汽车安全功能，有可能大幅减轻驾驶员的负担。事实上，如果汽车拥有上述全部三种系统，就已经属于 L2 级自动驾驶汽车了（根据 SAE J3016 标准）。凭借这些现有功能，完全的无人驾驶汽车 (L5) 未来可期。当然，在实现安全无人驾驶的梦想之前，我们还有一大段路要走。下一步的发展是半自动驾驶汽车（有条件自动驾驶），即根据行驶环境在有人和无人驾驶模式之间切换 (L3)。下文我们将探讨未来实现安全自动驾驶所需的集成式安全开发及相关项目。

图 1.道路网络的智能数字化对经济增长和生活质量至关重要。鉴于此，西门子交通事业部开发了 Vehicle2x 技术，一种可确保车辆与基础设施之间通信安全的协同技术。Vehicle2x 是不断发展的物联网的一部分

二、座椅设计

在自动驾驶汽车中，如果不需要专设驾驶员座位，设计师则可以考虑移除所有座位。也许对于短途通勤的小型电动汽车来说，例如在车站与办公室之间，人们只需要站着就可以了。只设站位可使小型公共电动汽车容纳更多乘客，降低线路运营成本，促进线路良性发展。但是，所有乘员都站立的情况可能只适用于小型电动汽车，对于私家车辆来说这并不可行，因为车主可能希望拥有平坦的床铺，以便在旅途中稍事休息。为准确预测未来趋势和安全要求，工程师和研究人员需要数据来建立和验证仿真模型。公路上的大多数车辆都没有可以完全放平的座椅；出于安全原因，一般也不推荐使用这种座椅。因此，也几乎没有这方面的事故数据。亚洲和南美的一些国家和地区使用卧铺巴士，但这方面的事故数据也很有限。因此，研究人员必须根据各种概念性想法来开发模型，并测试这些潜在设计概念的实用性、安全性和舒适性。初步调查发现，设置可放平的座椅会导致腹部的安全带位于骨盆上方，可增加正面碰撞时发生潜滑的风险。当乘员的骨盆在腹部安全带下滑动时就会发生潜滑，此时负荷会从骨盆转移到腹部，从而增加受到致命伤害的风险。安全带并不是唯一受到放平座椅限制的安全装置。当乘员坐直时，身体的大部分会保持垂直向前移动。这种坐姿可以保证大部分体表都能在相对可预测的距离内接触到安全气囊，特别是在安全带正常工作时。而当乘员处于仰卧状态时，安全气囊很可能会完全错过乘员，要么从乘员头顶掠过，要么延伸得不够远，起不到任何保护作用。此外，原本用于阻止腿部大幅位移以保护腿部的膝部气囊，可能永远都接触不到腿部。安全带负荷的变化以及安全气囊和膝部气囊的有效性降低将大大加重乘员可能受到的伤害。新的颈部和腰部伤害可能会成为普遍现象，因为这些部位的负荷发生了明显变化。

1、后向座椅

为了更好地了解面朝后方的人在车辆正面撞击中可能经历的情况，研究人员开展了调查。首先发现的设计局限是 D 型环的位置。D 型环通常位于 B 柱上。研究人员发现，如果座椅从前向转为后向，连接在 B柱上的安全带要么会滑到肩部下方，要么会缠绕在座椅和乘员脖子上。为了防止这种安全带问题，研究人员将 D 型环固定在座椅上并进行了测试。和前向座椅一样，未来的后向座椅可能也需要考虑用户希望座椅倾斜多少度的问题，对这一问题的调查产生了令人振奋的结果。研究发现，连接在座椅上的安全带要比连接在 B 柱上的安全带所产生的伤害要小很多。针对后向座椅倾斜度影响的调查发现，倾斜 45度要比倾斜 25 度时造成的伤害要大。

2、日益增加的测试复杂性

我们在上文介绍了改变座椅设计时可能出现的许多复杂情况之一。当然，在座椅可以安全用于自动驾驶汽车之前，工程师们还有许多变量需要调整，例如：•  座椅底板角度•  乘员年龄•  身高和性别•  潜在的新型安全气囊和安全系统设计•  靠背可放平的座椅在所有这些变化发生的同时，美国新车评价规程(NCAP) 和 NHTSA 等机构也在提高他们期望汽车应达到标准的数量和复杂性。因此，未来汽车设计师所面临的问题复杂性和变量数量将远超过以往。工程师很可能需要进行广泛测试，验证其安全系统是否适用于每一种座椅位置的配置。

三、工程师面临的问题

在任何交通工具中，设计更优安全系统的工程问题本质上是一个非线性多目标优化问题。从广义上来说，其目标是最大限度地减少（最好是消除）车辆事故，并最大限度地提高所设计系统的质量和稳健性。诸多限制因素使这一优化问题复杂化。从商业角度来看，这些限制因素包括预算和时间。还有一个由多种市场力量产生的限制因素，随着交通技术的不断发展，不断改变着设计的各种参数。上文已经提过，其中两个快速发展的领域是自动驾驶功能的影响和道路车辆的电气化。除此之外，随着车辆技术和乘员活动的发展，每一种变量都要纳入考虑范围。实现最佳设计还需要大量时间。物理碰撞测试虽然可以提供洞察，但却是一个枯燥乏味的过程，而且测试所有可能的安全悠关场景并不是最具成本效益的途径。此时就需要一个数值仿真框架。这种框架需要对真实乘员、车辆内部和约束系统进行精确建模。实际上，这种解决方案已经得到市场的认可并广泛使用。有限元分析 (FEA) 就是常用的建模技术之一。但是 FEA难以在短时间内探索多种设计可能。安全工程师需要建立一个仿真框架，方便用户对任何交通工具安全悠关场景的所有细节进行建模。为确保这种框架得到正确使用，它必须降低建模复杂性并且采用模块化设计。此外，仿真工作应具有数值稳健性和准确性，并且应在相对较短的时间内完成。这样，工程师才能对设计进行多次迭代。除了数值稳健性和准确性，工程师还必须预测未来市场需求。其中一个必不可少的步骤就是要能模拟各种情况，其中包括车辆正面或侧面碰撞、乘员各种坐姿、座椅方向、车辆内部和运动，以及众多的约束系统类型等。针对这一复杂的优化问题，西门子将继续寻求全球最佳解决方案。有鉴于此，下文将对这种集成式安全仿真框架进行描述。

1、解决方案Simcenter Madymo 是一款用于车辆乘员和弱势道路使用者安全仿真的软件解决方案。多体动力学的概念与多物理场求解器相结合可以方便安全仿真建模。该软件配备多种人体和假人多体模型，可用于分析各种各样的安全悠关场景。得益于多体动力学远超 FEA 的计算速度优势，工程师能够通过研究人体和假人模型的生物力学反应，省时高效地设计安全系统。鉴于上文讨论的内容，Simcenter 3D 软件团队开发出一种与 Simcenter Madymo 结合使用的集成式安全应用程序。该应用程序叫做 FORTE。

FORTE 具有以下优点：•  多用性•  可快速学习入门•  模块化•  用户友好性•  设置简便•  运行时间比 FEA 短

2、多用性使用 FORTE 应用程序时，可以先用假人或人体模型，在一般的车辆环境中仿真各种场景。然后由用户指定这种通用车辆多体模型的运动，指定车辆运动形态可让用户仿真多种不同情况，例如碰撞事件、规避机动、紧急制动等。指定相关车辆运动形态还有助于创建多种用户定义场景。通过对各种不同的动态驾驶场景使用类似的仿真设置，安全系统设计师就能够评估约束系统在各种情况下的性能。

3、FORTE 的模块化根据需要，车辆内部环境（包括座椅、安全带和安全气囊系统）可以方便地替换为用户选择的系统。这些模型被分为多个子系统并加以参数化，可以提高用户友好性的易用性。此外，用户可以轻松选择任何类型的假人和人体模型。座椅姿势和配置可以使用适当的预定义参数进行调整。这种模块化和参数化仿真设置使得该应用程序适用于广泛的参数化或优化研究。

4、用户友好性和简便设置FORTE 应用程序采用模块化设计，大大提升了用户友好性。只需改变相关参数即可定义特定负荷情况，用户无需从头开始设置仿真。

5、FORTE 满足了集成式安全仿真的需求针对不断变化的汽车市场安全需求，FORTE 应用程序提供了可靠的自适应解决方案。通过快速改变指定的运动形态，可对任何车辆的动力学进行建模。随着汽车领域逐渐向更高自动化水平过渡，在这个集成式安全框架中模拟座椅位置和人体/假人的姿势既方便又简单。FORTE 中的模型最适合分析车辆在各种安全悠关情景下的运动学响应。除了运动学，也可以对各种伤害标准进行量化，例如头部伤害标准 (HIC) 和脑部伤害标准 (BrIC)。此类伤害标准是各种动态参量函数。各种动态参量（例如运动副/约束力、主动和被动元素引起的力）也可以量化，从而提供关于人体/假人运动的详细信息。FORTE 内的模型都已经过验证，所用的试验数据来自 TASS 国际测试中心和多所大学的研究实验室。

四、结语

FORTE 应用程序的开发人员仍在不断探索新方法，以期赋予该仿真产品更多价值。集成式安全解决方案没有一个普适性答案。当务之急是优化设计，使其适合不同身高、不同族群和不同性别的人，以确保全球范围内所有乘员的安全，而不仅仅是部分乘员的安全。因此，在西门子团队感兴趣的诸多选项中，有一项是使用可扩展（在质量和尺寸方面）的假人和人体模型进行仿真。根据最新消息，该团队已经解决了这一问题，其方法是在工作区工具上增加了缩放功能，并在 Tecnomatix®产品组合中加入了 Jack™ 软件的缩放功能。这种缩放工具大大增加了可用于扩展 Simcenter Madymo 模型的人群资料库的数量和类型。但是，要实现为所有乘员提供相同水平的安全，整个行业还有很长的路要走。参考文献1. Bellona Foundation, “EV sales skyrocketed in 2020; petrol, diesel car sales in steep decline,” April 1, 2021. https://bellona.org/news/transport/electric-vehicles/2021-04-ev-sales-skyrocketed-in-2020-petrol-diesel-car-sales-in-steep-decline#_ftn2.2. National Highway Transportation Safety Administration, “Air Bags.” https://www.nhtsa.gov/equipment/air-bags3. Semantic Scholar, “Adaptive Restraint Systems: Toward Integral Safety,” 2014. https://www.semanticscholar.org/paper/Adaptive-Restraint-Systems%3A-Toward-Integral-Safety-Kompass-Gruber/e6401bfdebcfb5abcadfcacab3dd4d3b55b9e6714. Research Gate, “Submarining sensitivity across varied seat configurations in autonomous driving system environment,” July 2020. https://www.researchgate.net/publication/342913064_Submarining_sensitivity_across_varied_seat_configurations_in_autonomous_driving_system_environment5. International Journal of Automotive Engineering, “Occupant Safety in Automotive Vehicles – Effect of Seatback Recline on Occupant Restraint.”August 2, 2018.6. Autonomous vehicles enter a validated future https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/autonomous-vehicles-enter-a-validated-future/7. The evolution of integrated occupant safety systems https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/the-evolution-of-integrated-occupant-safety-systems/

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