本文選自：《將安全系統(tǒng)和未來的汽車設計相結合》
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借助可靠的自適應仿真解決方案應對不斷變化的汽車安全需求摘要車輛中融入安全系統(tǒng)愈發(fā)重要。隨著汽車電氣化和自動駕駛汽車的發(fā)展，汽車行業(yè)正在向著更高的安全和環(huán)保標準邁進。本白皮書討論了汽車行業(yè)正在發(fā)生的轉變，以及集成式安全系統(tǒng)設計目前有哪些或者 未來幾年會出現(xiàn)哪些相關考慮因素。本白皮書著重闡述了強大、快速和準確的數(shù)值仿真技術在集成式安全系統(tǒng)開發(fā)過程中的作用。J.M.A.Melvin、K. Chatrath 和 K. Shienmar，Siemens Digital Industries Software序言具有良好預測功能的生物仿真人體/假人仿真模型的運用有著不可估量的價值。Simcenter? Madymo?軟件是 Siemens Digital Industries Software 旗下綜合性、集成式軟件和服務 Xcelerator? 產(chǎn)品組合的一部分，可提供一系列此類模型，方便用戶對各種安全悠關的場景進行仿真，從而設計出最適用的安全系統(tǒng)。為進一步提升用戶使用 Simcenter Madymo 進行集成式安全系統(tǒng)設計的便利性，我們向該軟件的用戶提供了乘員約束系統(tǒng)測試和評估框架 (FORTE) 應用程序。該應用程序提供的仿真環(huán)境具有簡單易用、模塊化結構、多用途、數(shù)值穩(wěn)健等多種特點，設置和執(zhí)行都非常省時省力。今天的汽車安全系統(tǒng)通常采用復雜的多層方法確保乘員安全。安全系統(tǒng)主要分為被動式和主動式兩種類型。主動式安全系統(tǒng)側重于避免或減少沖擊力，例如電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)。被動式安全系統(tǒng)則側重于減輕發(fā)生碰撞時所造成的傷害，例如安全帶。而集成式安全系統(tǒng)可將這兩個系統(tǒng)合而為一。

有關此類系統(tǒng)的更多信息，請參閱我們以前的博客：?  自動駕駛汽車的未來已獲驗證?  集成式乘員安全系統(tǒng)的演變本白皮書探討了集成式安全系統(tǒng)目前的最新技術和未來的發(fā)展趨勢。

電氣化和無人駕駛汽車汽車行業(yè)正處于轉型階段。盡管燃油汽車在道路上仍然很常見，但混合動力和純電動汽車越來越受歡迎，需求也越來越大。這種動力概念的轉變會對汽車內(nèi)部設計和動力學設計產(chǎn)生重要影響。在安全悠關的場景中，車輛乘員的運動取決于他們的初始姿勢、活動、車內(nèi)環(huán)境和車輛運動形態(tài)等。車內(nèi)環(huán)境和車輛運動形態(tài)的變化會影響安全系統(tǒng)的設計。

根據(jù)貝羅娜基金會1的研究，2020 年爆發(fā)的全球疫情為汽車行業(yè)轉型帶來了希望。在此期間，歐洲的純電動汽車銷量增加了 107%，而燃油汽車的銷量則大幅下降。盡管銷量有所下降，但傳統(tǒng)的燃油車輛仍然是使用最廣泛的動力類型。隨著替代性動力解決方案的日益普及，路上行駛的車輛種類越來越多。這種多元化格局給車輛安全系統(tǒng)制造商帶來了頗有意味的挑戰(zhàn)。他們必須開發(fā)出適用于每一種車輛（無論是燃油、混合動力還是純電動車）的設計。人們對于進一步提高安全性和舒適性的需求，促使廣大汽車制造商開始思考將駕駛任務自動化的可能。近幾年來，實現(xiàn)自動化駕駛的過程一直在進行中。SAE J3016 駕駛自動化分級標準對自動化駕駛方面已經(jīng)取得的進展和未來預期的進展進行了量化分級。除許多其他細節(jié)外，該文件定義了 L0 - L5 共六個自動化駕駛級別。L0 級是無自動化駕駛，L5 級是完全自動化駕駛，無需人工干預。自動化駕駛技術是指車輛越來越多地配備巡航控制系統(tǒng)、車道保持輔助系統(tǒng)等功能。這些功能可以協(xié)助駕駛員操控車輛，但仍然依靠駕駛員完成大部分駕駛任務（L1 級和 L2 級）。能夠自動行駛、但在其操控行為超出運行設計范圍時需要人工干預的車輛，目前在路上仍不多見，但這一領域的研發(fā)正在如火如荼地進行中。盡管該領域的領軍企業(yè)對實現(xiàn) L4 級和 L5 級自動化駕駛（極少或無需人工干預）持樂觀態(tài)度，但產(chǎn)品何時能夠上市仍是未知數(shù)。這種不確定性是因為仍有多項挑戰(zhàn)需要克服，包括乘員的安全需求和其他道路使用者的安全需求。隨著車輛動力類型的不斷發(fā)展和自動駕駛技術的進步，路上行駛的車輛類型越來越多，并將持續(xù)增多。因此，為每一類車輛配備合適的安全系統(tǒng)變得十分必要。要開發(fā)安全系統(tǒng)，當務之急是建立一個能夠?qū)Ω鞣N車輛動力類型和各種自動化級別進行綜合仿真的框架。

一、乘員的任務

1、不遠的過去

本世紀初的安全系統(tǒng)設計致力于在可能發(fā)生碰撞的場景中盡可能拯救乘員的生命，安全氣囊的彈出條件也印證了這一點，包括：車輛行駛速度必須高于 25 公里/小時，受沖擊的方向與汽車中心線夾角必須小于30 度，安全氣囊僅適用于成年人，所以兒童不得坐在前排座位上。此外，根據(jù)美國國家公路交通安全管理局 (NHTSA) 規(guī)定，身高低于 4.6 英尺（約 1.4 米）的駕駛員可以在車上安裝安全氣囊關閉開關，因為安全氣囊會對他們帶來更高的傷害風險。安全工程師在設計安全系統(tǒng)時，已經(jīng)能夠熟練地運用經(jīng)驗法則。他們之所以能夠做到這一點是因為：?  啟動安全系統(tǒng)需要滿足許多必備條件，例如上文列舉的安全氣囊彈出條件?  駕駛員必須保持在固定一致的位置以使用踏板和方向盤這些必備條件減少了界定安全認證測試環(huán)境的參數(shù)數(shù)量和可變性。而減少參數(shù)數(shù)量和可變性可以大幅降低受測系統(tǒng)的復雜性，例如碰撞測試中的汽車和乘員。同時，乘員保持在固定一致的位置可以進一步減少受測系統(tǒng)中潛在變量的數(shù)量和范圍。

2、電子安全系統(tǒng)的推出

盡管對駕駛員安全氣囊僅適用于成年人這一要求變化不大，但對許多其他安全設施而言，情況并非如此。電子系統(tǒng)經(jīng)過不斷發(fā)展，變得愈加可靠和完善，現(xiàn)已成為安全系統(tǒng)的重要組成部分。1999 年，梅賽德斯-奔馳推出了電子穩(wěn)定控制系統(tǒng) (ESC)，許多安全專家認為這是自安全帶問世以來車輛安全方面最重要的進步。因此在 2011 年，包括澳大利亞在內(nèi)的許多國家和地區(qū)強制要求安裝這一功能，也就不足為奇了。防抱死制動系統(tǒng) (ABS) 和 ESC 是首批可確保乘員安全的、更先進的主動式安全系統(tǒng)。得益于傳感器的進步，先進駕駛輔助系統(tǒng)的可用數(shù)量大幅增加，例如車道保持輔助系統(tǒng)、自適應巡航控制系統(tǒng)、變道輔助系統(tǒng)和行人檢測系統(tǒng)等。

3、展望未來碰撞避讓系統(tǒng)、自主緊急制動和車道保持輔助系統(tǒng)等工具作為汽車安全功能，有可能大幅減輕駕駛員的負擔。事實上，如果汽車擁有上述全部三種系統(tǒng)，就已經(jīng)屬于 L2 級自動駕駛汽車了（根據(jù) SAE J3016 標準）。憑借這些現(xiàn)有功能，完全的無人駕駛汽車 (L5) 未來可期。當然，在實現(xiàn)安全無人駕駛的夢想之前，我們還有一大段路要走。下一步的發(fā)展是半自動駕駛汽車（有條件自動駕駛），即根據(jù)行駛環(huán)境在有人和無人駕駛模式之間切換 (L3)。下文我們將探討未來實現(xiàn)安全自動駕駛所需的集成式安全開發(fā)及相關項目。

圖 1.道路網(wǎng)絡的智能數(shù)字化對經(jīng)濟增長和生活質(zhì)量至關重要。鑒于此，西門子交通事業(yè)部開發(fā)了 Vehicle2x 技術，一種可確保車輛與基礎設施之間通信安全的協(xié)同技術。Vehicle2x 是不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)的一部分

二、座椅設計

在自動駕駛汽車中，如果不需要專設駕駛員座位，設計師則可以考慮移除所有座位。也許對于短途通勤的小型電動汽車來說，例如在車站與辦公室之間，人們只需要站著就可以了。只設站位可使小型公共電動汽車容納更多乘客，降低線路運營成本，促進線路良性發(fā)展。但是，所有乘員都站立的情況可能只適用于小型電動汽車，對于私家車輛來說這并不可行，因為車主可能希望擁有平坦的床鋪，以便在旅途中稍事休息。為準確預測未來趨勢和安全要求，工程師和研究人員需要數(shù)據(jù)來建立和驗證仿真模型。公路上的大多數(shù)車輛都沒有可以完全放平的座椅；出于安全原因，一般也不推薦使用這種座椅。因此，也幾乎沒有這方面的事故數(shù)據(jù)。亞洲和南美的一些國家和地區(qū)使用臥鋪巴士，但這方面的事故數(shù)據(jù)也很有限。因此，研究人員必須根據(jù)各種概念性想法來開發(fā)模型，并測試這些潛在設計概念的實用性、安全性和舒適性。初步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，設置可放平的座椅會導致腹部的安全帶位于骨盆上方，可增加正面碰撞時發(fā)生潛滑的風險。當乘員的骨盆在腹部安全帶下滑動時就會發(fā)生潛滑，此時負荷會從骨盆轉移到腹部，從而增加受到致命傷害的風險。安全帶并不是唯一受到放平座椅限制的安全裝置。當乘員坐直時，身體的大部分會保持垂直向前移動。這種坐姿可以保證大部分體表都能在相對可預測的距離內(nèi)接觸到安全氣囊，特別是在安全帶正常工作時。而當乘員處于仰臥狀態(tài)時，安全氣囊很可能會完全錯過乘員，要么從乘員頭頂掠過，要么延伸得不夠遠，起不到任何保護作用。此外，原本用于阻止腿部大幅位移以保護腿部的膝部氣囊，可能永遠都接觸不到腿部。安全帶負荷的變化以及安全氣囊和膝部氣囊的有效性降低將大大加重乘員可能受到的傷害。新的頸部和腰部傷害可能會成為普遍現(xiàn)象，因為這些部位的負荷發(fā)生了明顯變化。

1、后向座椅

為了更好地了解面朝后方的人在車輛正面撞擊中可能經(jīng)歷的情況，研究人員開展了調(diào)查。首先發(fā)現(xiàn)的設計局限是 D 型環(huán)的位置。D 型環(huán)通常位于 B 柱上。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果座椅從前向轉為后向，連接在 B柱上的安全帶要么會滑到肩部下方，要么會纏繞在座椅和乘員脖子上。為了防止這種安全帶問題，研究人員將 D 型環(huán)固定在座椅上并進行了測試。和前向座椅一樣，未來的后向座椅可能也需要考慮用戶希望座椅傾斜多少度的問題，對這一問題的調(diào)查產(chǎn)生了令人振奮的結果。研究發(fā)現(xiàn)，連接在座椅上的安全帶要比連接在 B 柱上的安全帶所產(chǎn)生的傷害要小很多。針對后向座椅傾斜度影響的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，傾斜 45度要比傾斜 25 度時造成的傷害要大。

2、日益增加的測試復雜性

我們在上文介紹了改變座椅設計時可能出現(xiàn)的許多復雜情況之一。當然，在座椅可以安全用于自動駕駛汽車之前，工程師們還有許多變量需要調(diào)整，例如：?  座椅底板角度?  乘員年齡?  身高和性別?  潛在的新型安全氣囊和安全系統(tǒng)設計?  靠背可放平的座椅在所有這些變化發(fā)生的同時，美國新車評價規(guī)程(NCAP) 和 NHTSA 等機構也在提高他們期望汽車應達到標準的數(shù)量和復雜性。因此，未來汽車設計師所面臨的問題復雜性和變量數(shù)量將遠超過以往。工程師很可能需要進行廣泛測試，驗證其安全系統(tǒng)是否適用于每一種座椅位置的配置。

三、工程師面臨的問題

在任何交通工具中，設計更優(yōu)安全系統(tǒng)的工程問題本質(zhì)上是一個非線性多目標優(yōu)化問題。從廣義上來說，其目標是最大限度地減少（最好是消除）車輛事故，并最大限度地提高所設計系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)健性。諸多限制因素使這一優(yōu)化問題復雜化。從商業(yè)角度來看，這些限制因素包括預算和時間。還有一個由多種市場力量產(chǎn)生的限制因素，隨著交通技術的不斷發(fā)展，不斷改變著設計的各種參數(shù)。上文已經(jīng)提過，其中兩個快速發(fā)展的領域是自動駕駛功能的影響和道路車輛的電氣化。除此之外，隨著車輛技術和乘員活動的發(fā)展，每一種變量都要納入考慮范圍。實現(xiàn)最佳設計還需要大量時間。物理碰撞測試雖然可以提供洞察，但卻是一個枯燥乏味的過程，而且測試所有可能的安全悠關場景并不是最具成本效益的途徑。此時就需要一個數(shù)值仿真框架。這種框架需要對真實乘員、車輛內(nèi)部和約束系統(tǒng)進行精確建模。實際上，這種解決方案已經(jīng)得到市場的認可并廣泛使用。有限元分析 (FEA) 就是常用的建模技術之一。但是 FEA難以在短時間內(nèi)探索多種設計可能。安全工程師需要建立一個仿真框架，方便用戶對任何交通工具安全悠關場景的所有細節(jié)進行建模。為確保這種框架得到正確使用，它必須降低建模復雜性并且采用模塊化設計。此外，仿真工作應具有數(shù)值穩(wěn)健性和準確性，并且應在相對較短的時間內(nèi)完成。這樣，工程師才能對設計進行多次迭代。除了數(shù)值穩(wěn)健性和準確性，工程師還必須預測未來市場需求。其中一個必不可少的步驟就是要能模擬各種情況，其中包括車輛正面或側面碰撞、乘員各種坐姿、座椅方向、車輛內(nèi)部和運動，以及眾多的約束系統(tǒng)類型等。針對這一復雜的優(yōu)化問題，西門子將繼續(xù)尋求全球最佳解決方案。有鑒于此，下文將對這種集成式安全仿真框架進行描述。

1、解決方案Simcenter Madymo 是一款用于車輛乘員和弱勢道路使用者安全仿真的軟件解決方案。多體動力學的概念與多物理場求解器相結合可以方便安全仿真建模。該軟件配備多種人體和假人多體模型，可用于分析各種各樣的安全悠關場景。得益于多體動力學遠超 FEA 的計算速度優(yōu)勢，工程師能夠通過研究人體和假人模型的生物力學反應，省時高效地設計安全系統(tǒng)。鑒于上文討論的內(nèi)容，Simcenter 3D 軟件團隊開發(fā)出一種與 Simcenter Madymo 結合使用的集成式安全應用程序。該應用程序叫做 FORTE。

FORTE 具有以下優(yōu)點：?  多用性?  可快速學習入門?  模塊化?  用戶友好性?  設置簡便?  運行時間比 FEA 短

2、多用性使用 FORTE 應用程序時，可以先用假人或人體模型，在一般的車輛環(huán)境中仿真各種場景。然后由用戶指定這種通用車輛多體模型的運動，指定車輛運動形態(tài)可讓用戶仿真多種不同情況，例如碰撞事件、規(guī)避機動、緊急制動等。指定相關車輛運動形態(tài)還有助于創(chuàng)建多種用戶定義場景。通過對各種不同的動態(tài)駕駛場景使用類似的仿真設置，安全系統(tǒng)設計師就能夠評估約束系統(tǒng)在各種情況下的性能。

3、FORTE 的模塊化根據(jù)需要，車輛內(nèi)部環(huán)境（包括座椅、安全帶和安全氣囊系統(tǒng)）可以方便地替換為用戶選擇的系統(tǒng)。這些模型被分為多個子系統(tǒng)并加以參數(shù)化，可以提高用戶友好性的易用性。此外，用戶可以輕松選擇任何類型的假人和人體模型。座椅姿勢和配置可以使用適當?shù)念A定義參數(shù)進行調(diào)整。這種模塊化和參數(shù)化仿真設置使得該應用程序適用于廣泛的參數(shù)化或優(yōu)化研究。

4、用戶友好性和簡便設置FORTE 應用程序采用模塊化設計，大大提升了用戶友好性。只需改變相關參數(shù)即可定義特定負荷情況，用戶無需從頭開始設置仿真。

5、FORTE 滿足了集成式安全仿真的需求針對不斷變化的汽車市場安全需求，F(xiàn)ORTE 應用程序提供了可靠的自適應解決方案。通過快速改變指定的運動形態(tài)，可對任何車輛的動力學進行建模。隨著汽車領域逐漸向更高自動化水平過渡，在這個集成式安全框架中模擬座椅位置和人體/假人的姿勢既方便又簡單。FORTE 中的模型最適合分析車輛在各種安全悠關情景下的運動學響應。除了運動學，也可以對各種傷害標準進行量化，例如頭部傷害標準 (HIC) 和腦部傷害標準 (BrIC)。此類傷害標準是各種動態(tài)參量函數(shù)。各種動態(tài)參量（例如運動副/約束力、主動和被動元素引起的力）也可以量化，從而提供關于人體/假人運動的詳細信息。FORTE 內(nèi)的模型都已經(jīng)過驗證，所用的試驗數(shù)據(jù)來自 TASS 國際測試中心和多所大學的研究實驗室。

四、結語

FORTE 應用程序的開發(fā)人員仍在不斷探索新方法，以期賦予該仿真產(chǎn)品更多價值。集成式安全解決方案沒有一個普適性答案。當務之急是優(yōu)化設計，使其適合不同身高、不同族群和不同性別的人，以確保全球范圍內(nèi)所有乘員的安全，而不僅僅是部分乘員的安全。因此，在西門子團隊感興趣的諸多選項中，有一項是使用可擴展（在質(zhì)量和尺寸方面）的假人和人體模型進行仿真。根據(jù)最新消息，該團隊已經(jīng)解決了這一問題，其方法是在工作區(qū)工具上增加了縮放功能，并在 Tecnomatix®產(chǎn)品組合中加入了 Jack? 軟件的縮放功能。這種縮放工具大大增加了可用于擴展 Simcenter Madymo 模型的人群資料庫的數(shù)量和類型。但是，要實現(xiàn)為所有乘員提供相同水平的安全，整個行業(yè)還有很長的路要走。參考文獻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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