4.3.6 保护防线
保护防线指生命保障体系在发生道路交通事故时保护事故参与人的那部分功能，是预防防线失效后的被动保护措施，能减轻伤害而难以避免伤害。
1.交通碰撞伤害
大部分道路交通伤害都是由碰撞引起的，虽然有的翻车和乘员被甩出车外由离心力等非碰撞因素所致，但致人伤害的形式或引起的原因却绝大部分是碰撞，例如车辆火灾致人伤害，但起火的原因则可能是碰撞。医学界认为，碰撞是交通伤害的广义原因，对碰撞的研究理所当然地成为被动安全的研究基础。在一定的语境中，汽车的被动安全性又称为“汽车的碰撞安全性”。
按照碰撞的方位不同，碰撞可分为正撞（含偏置撞）、侧撞、尾撞和翻滚等多种形式；按碰撞物分类，可分为车对车、车对固定物、车对人、车对牲畜等碰撞形式。汽车在碰撞过程中，通过两个物体间的接触发生了动量交换，在很短的时间内，改变了各自运动的速度矢量。
行人在道路交通事故中可能受到多次碰撞伤害。汽车高速撞击行人时，车体前部撞击行人造成第一次伤害；接着，惯性力将人抛掷，可能再次遭受前进中的汽车碰撞，造成第二次伤害；然后，从车体上摔落在地上，造成第三次伤害；落地后，人体还可能次被汽车碾压，造成第四次伤害。
车内的乘员在遭遇碰撞时，同样也可能遭受多次伤害。第一次伤害发生在车辆碰撞时，这一刹那间，乘员相对车体的位置和速度都发生着剧烈改变或者承受着剧烈改变的趋势，如果减速度足够大，即使系上了安全带，体内的脏器也会由于惯性而保持高速移动，脏器和组织可能受到损伤。如果没有系安全带，又无其他有效的保护措施，则可能受到随后的伤害。第二次伤害发生在身体撞击到车内结构，或者被甩出车外，这时可能导致严重的创伤。第三次伤害发生在身体内部的脏器因身体受撞产生的巨大惯性而相互撞击，因惯性而挣断、撕裂组织，造成重创；如果乘员被抛出车外，则会再次遭受撞击。此外，车体变形可能对车内的乘员产生挤压损伤。如果不幸遭遇连环撞车，则可能从不同的角度多次遭受这样的撞击伤害。
医学专家认为，道路交通伤害虽然包含多种损伤，但其最具代表性的损伤是撞击损伤。损伤的机理为：生物组织在外力作用下发生变形，当变形量超过组织的恢复极限时，即导致组织结构的破坏。典型的交通伤害为器官的拉伸应变（tensile strain）和剪切应变（shear strain），应变速率也是影响损伤发生和严重程度的一个重要因素，例如，当某个充满液体的器官被慢慢挤压时，大部分能量通过器官的变形而被吸收，而损伤通常较轻或者不发生；而快速加载时，器官来不及变形，因而在显著变形之前就可能发生撕裂。试验证明，如果胸部在20～50ms内才被压缩至承受的限度，躯体可承受大幅压缩而损伤很轻，但在5ms就压缩至限度时，即使胸廓的应变很小，也会引起严重的内脏损伤。动物实验发现，在狗的心脏收缩期末，以5m/s的速度，在5cm的距离，用铝制小圆柱垂直撞击心脏，七只受试狗无一例发生心脏破裂；在舒张期末进行同样的撞击时，七只受试狗中有六只发生心脏破裂。王正国分析了舒张期受低速碰撞心室易破裂的原因：低心室压，心室硬度低，厚度为收缩期的1/3，心腔内血液多，这些因素使撞击的有效作用增加。用不同硬度的转向盘做撞击猪腹部的试验表明，致伤的主要因素是转向盘硬度，肝脏损伤的程度取决于撞击速度和被压缩的程度[37]。
道路交通碰撞事故的形态统计因时因地不同，但很多统计都支持正碰（全宽度正面碰撞和重叠碰撞）和侧碰的事故次数、死亡人数、受伤人数最高。汽车的侧面结构最为薄弱，离乘员最近，吸能变形空间小，且侧向稳定性差，侧撞容易造成汽车滚翻，是一种容易造成重大伤害的碰撞形式。
2.汽车的被动安全措施
对碰撞伤害机理的分析告诉人们，减小碰撞动能传递，阻止碰撞对方钻入货运车底盘（防钻装置），将车内人员有效地约束在固定的位置，使可能刺伤人员的车内凸出物在碰撞时具有溃缩功能，让车身具有吸收和疏散碰撞动能的功能等都可有效地减轻和避免伤害。
（1）安全带
座椅安全带和安全气囊同属乘员约束系统，发生碰撞时，能将乘员约束在座椅上。WHO和WB的报告指出，安全带能使所有伤害的危险减少40%～50%，重度损伤人数减少43%～65%，死亡人数减少40%～60%，正确使用安全带每年可以挽救数以万计的生命。安全气囊估计可使驾驶人和前座乘客死亡率降低8%～14%，在正向碰撞中可降低22%～29%。同时使用安全带和安全气囊可使驾驶人和前座乘员的死亡率降低约68%[38]。《全球道路安全状态报告2015》再次提醒，佩戴安全带可使驾驶人和前排乘员减小40%～50%遭受致命伤害的风险，可减少后排乘员25%的死亡和重伤风险，减少70%的未成年人受伤风险。并指出，安全带的佩戴率很大程度取决于有没有、是否强制佩戴的法律。161个国家的法律对佩戴安全带做出了规定，105国要求前后排车内人员在汽车行驶中佩戴安全带。
安全带是一种简单有效的约束装置，在惯性力的作用下，卷收器能自动迅速收紧织带，把乘员约束在座椅上，防止遭受第二次碰撞。19世纪后期，带式乘员约束装置已经出现在马车上，以防乘员从车上摔落。美国等自20世纪60年代开始在轿车、轻型客车的驾驶人座椅上装备二点式安全带。由于保护效果显著，逐步扩大了安全带的使用范围，成为强制性的安全措施，安全带的结构亦有了长足发展。我国标准规定，从1999年7月1日起，所有小型客车在行驶时，驾驶人和前排乘员都必须佩戴安全带。我国《道路交通安全法》第五十一条规定，机动车行驶时，驾驶人、乘坐人员应当按规定使用安全带。为了提醒乘员佩戴安全带，一些轿车设置了前排座椅安全带警示蜂鸣。
依据佩戴安全带的动作主体，可分为主动安全带和被动安全带两类。目前在汽车上装备的绝大多数安全带均为主动式安全带，乘员入座后，需动手佩戴安全带，因而佩戴与不佩戴具有随意性。汽车上大多采用三点式安全带，可同时防止乘员躯体前移和上半身前倾，对前撞、翻车等具有良好的保护作用。赛车手和儿童采用全背式四点安全带，保护性能更佳。
如何在有效约束乘员的同时，又减轻安全带的约束力对乘员肩部和肋骨的伤害，是改进座椅安全带的方向。于是有了预紧器和限力器，卷收器限力器可减轻安全带收紧时对乘员肩部和肋骨的伤害，但同时放松了对上躯干的约束，如果不配备安全气囊，会增加头部受伤的概率。
为了减少佩戴安全带的麻烦，保障佩戴好安全带行车，开发了各种形式的无需动手佩、解的被动安全带。乘员入座后，随车门的关闭，系统自动为乘员佩戴安全带，乘员下车时亦能自动解开安全带。有的被动安全带还与起动装置连锁，只有当控制系统确认乘员系好了安全带才能起动汽车，如未系好安全带时起动汽车，蜂鸣器即会报警。
（2）安全气囊（SRS）
安全气囊在一次碰撞后，二次碰撞前在乘员和车内构件之间迅速打开充气的袋子，约束身体，避免剧烈的惯性运动。美国工程师赫特里克（John W.Hetrick，）1952年设计出一种充气软垫，1953年获得专利。1971年福特公司将其安装在一批试验车上，1974年通用在商品车驾驶座前装置安全气囊，1980年梅赛德斯-奔驰S系列在欧洲率先配置安全气囊。1984年颁布的FMVSS208规定，1987年以后生产的车型前排必须安装安全气囊，1998年修订案提出安装智能安全气囊以保护离位乘员和儿童安全的要求。安全气囊对乘员的保护作用在这一时期得到多数人认同，安全气囊逐渐成为轿车的标准配置，目前轿车的装备率已很高，还出现了多气囊化的趋势。
安全气囊按布置位置分为驾驶人用气囊，乘员用气囊、后排气囊、侧面气囊、膝部气囊和行人安全气囊等；按尺寸大小分为保护整个上身用的大型气囊和主要保护头、颈的小型气囊。欧洲开发的安全气囊以保护头部为主，胸部和膝部则主要由安全带保护，因而尺寸较小，造价也便宜。美国和日本出于对安全带佩戴率不高的考虑，他们认为，即使不使用安全带，气囊也应对乘员起到有效的保护作用，保护应不限于头部，还应对胸部和膝部实施保护，并且低速碰撞时也应起作用，因而使用的气囊尺寸较大，造价较昂贵。
安全气囊系统由碰撞传感器、ECU、点火控制器、气体发生器、气囊等部件组成。当汽车受到规定条件的撞击时，碰撞传感器测出汽车突然减速的信号，将减速度信号传输到ECU进行判断，如判断为碰撞，则向点火控制器发出点火指令，点火控制器即接通电热丝电路。电热丝发热引爆炸药，在极短的时间内产生大量的热量，使气体发生器内的充气剂受热分解，迅速释放大量的氮气充入气囊。气囊冲开装饰盖板，在乘员和车内构件之间铺设起吸能气垫，避免乘员受到伤害。
在不系安全带的情况下，气囊强大的爆发力与身体惯性向前运动叠加，足以对人颈椎造成严重伤害。儿童未发育完全的骨骼脆弱，气囊爆开的冲击力很可能造成胸部骨折、颈椎损伤、颅内出血等伤害。鉴于发生了一些安全气囊爆开致儿童死亡或重伤的案例，美国和一些欧洲国家立法强制使用儿童安全座椅，上海通过修改地方法，禁止未满12周岁的儿童坐在副驾驶座上，并规范了儿童安全座椅的使用，山东禁止在高速公路上行驶时安排未满12周岁的儿童坐在副驾驶座上。身材矮小者、坐姿不正确者的头、颈也可能受到气囊的伤害。智能安全气囊（intelligent restraint system）在普通型的基础上，在座椅上加入人员位置传感器、重量传感器、安全代扣传感器、座椅位置传感器，感知座椅上有无人员、佩没佩戴安全带、人员的位置、体态、重量，根据碰撞的烈度和力的作用方向，ECU决定是否点爆气体发生器和以什么方式点爆。智能安全气囊可根据ECU的判断实施多级点爆，使气囊的充气强度和充气时机与乘员的静态和动态状态相适应，既保护乘员，又不让乘员受到气囊的伤害。
（3）气囊式安全带
常规安全带的织带使乘员受到的约束力随惯性力几乎线性增加，过大的胸部压力可能使人受到伤害，福特公司为后座乘员开发的集安全带和安全气囊为一体的气囊式安全带可避免这一伤害，更好地保护容易遭受这一伤害的孩子和老人。为了不使佩戴者在充气时感到爆炸放出的热，气囊用冷压缩气体膨胀展开，激发时，能将位于座位底下的气罐中的气体在碰撞发生40ms内，通过特殊结构的扣环充入安全带内，在躯干和肩膀处胀开气囊。其气体膨胀的压力和速度比传统气囊小，因为无需像常规安全气囊那样，填充车内构件和乘员间的空隙，如图4-22所示。
图4-22 福特气囊式安全带
（4）乘员头颈保护系统（WHIPS）
颈椎支撑头颅，下接胸椎，椎管内包容着布满神经组织的脊髓。在脊柱中，颈椎的体积最小，活动范围最大，活动最为频繁。汽车追尾时，被撞车辆前移，座位带动躯干前移，但头颈相对自由，惯性造成头部运动滞后，头颈相对躯干猛然水平后移，随后又摆回前方，因头颈的运动如挥鞭一样，故称“挥鞭伤”（whiplash）。挥鞭伤拉伸甚至撕裂颈部肌腱和韧带，可能造成组织出血、甚至损伤颈椎，造成脊髓挤压，或招致脑损伤，也可能诱发或加重颈椎疾病。挥鞭伤是常见的一种交通伤害，虽不像头部和胸部受伤那样致命，但是很难完全治愈，容易落下后遗症，有的挥鞭伤不易诊断，使伤者遭受长期痛苦。
头枕可以在一定程度上避免和减轻挥鞭伤，FMVSS 202对头枕的技术性能做出了规定，WP29建立了头枕技术法规（GTR7）。出于将头枕设计与椅背的动态支撑功能组合成一个整体的思路，沃尔沃开发了WHIPS，并于1998年首次配置在商品车上，2000年作为标准装置配置在所有沃尔沃轿车的前排座椅上。追尾发生时，装有WHIPS的座椅靠背首先后移50mm，以抵消靠背前移推动躯体，见图4-23（b），乘员和靠背一起运动就像接球一般轻柔，随后，靠背后倾15°，见图4-23（c），用头部跟随靠背后倾减缓头部朝前的甩动。靠背的移动和转动都由靠背转轴上的一套机构执行。
图4-23 WHIPS的工作示意
（5）安全车身
保险杠是最早用于吸收正面碰撞动能的车载被动安全装置。约在1940年，戴姆勒-奔驰公司的工程师巴恩伊（Bela Barenyi，1907—1997）就设计了一种在侧向碰撞时能更好保护乘员的车身，1941年获得专利。他1948年重返戴姆勒-奔驰后，把1944—1945年设计的前后均设有碰撞变形缓冲区（crumple zone），中部为不变形的乘员舱（non-deformable passenger cell）的安全车身概念付诸实际，1952年1月获专利。这一专利第一次被用于1959年版梅赛德斯-奔驰W111系列[39]。巴恩伊因发明安全车身和压叠式转向管柱等而被称誉为“被动安全之父”。
19世纪90年代初，欧美提高了轿车碰撞安全防护标准，开展了轿车碰撞认证试验，促进了对车身安全性能的改进。对制造伤害的碰撞动能，是堵还是疏？这是方法论层面的思考。人们逐渐认识到，如果车身做得很坚固，虽可以保持座舱空间，却不能减弱乘员受到的冲击，为减小伤害，需要在车身溃缩吸能和保障避难空间之间找到平衡。在这样的背景下，结构刚柔兼济、辩证保护的安全车身理念受到重视。1996年6月在京举行的“当代国际汽车新产品、开发技术与中国汽车工业技术交流研讨及展示会”（AUTO TECH PSE'96）上，丰田公司首先以GOA车身为题目把“安全车身”的概念带入国内。GOA安全车身由三项技术措施组成：高强度的座舱、前后可溃缩吸能的车体、合适的乘员约束系统。
安全车身指车身具有可预见和受控的变形缓冲区和具有足够强度和刚度抵御变形的乘员舱，在发生碰撞时，碰撞释放的能量可被引入预定的变形区并分散到车身各部，在那里被车身的变形吸收，达到在各种碰撞形态下乘员舱的变形都能维持在不给乘员造成致命伤害的限度之内的目的。后来加了入了多气囊等全方位保护，使保护作用更趋完善。
轿车车身可分为缓冲吸能区、能量分散区、安全保护区和乘员安全区。如果仅出于保护乘员不被变形的车体挤伤的角度考虑，碰撞后乘员安全区的变形应越小越好，但这就要求缓冲吸能区有足够大的总刚度，与该区的缓冲吸能功能相矛盾；如果仅出于获得良好的缓冲吸能功能考虑，缓冲吸能区的碰撞刚度应足够小，才能通过变形吸收足够的能量，这就导致了车身的不同区域刚度相异的要求。理想的吸能区须要采用外柔内刚的结构，即吸能区与安全区的界面被设计成具有较大刚度的结构，安全保护区支撑乘员的安全空间，具有较大的刚度，能量分散区设有若干载荷轨道，用来有意识地快速分散引来的碰撞动能。图4-24（a）表示了正面碰撞后动能在安全车身上耗散的流向。
车身前部首先接受到正面碰撞传来的能量，造成前围板区域变形，前围板区的变形会引起转向管柱、仪表板等位移，车底的变形会引起座椅位移，门框和车门的变形会锁闭车门。这些变形会对乘员产生直接或间接伤害，所以车身前部需要长度适当的变形区和某些预设部件（如波纹管纵梁）溃缩以衰减碰撞产生的动能。阻尼保险杠、弹性保险杠、主动作用保险杠也起到吸能的作用。
图4-24 安全车身
汽车的侧部结构的吸能缓冲区和侧面可容纳变形的空间极为有限，故需要足够的冲击刚度。为此，加强A、B柱，并在B柱处用钢梁形成封闭结构，在车门里设置超强超高强度钢制造的防撞梁，在车门内装置铝蜂窝板，在车门上设置凸筋等措施用来增强侧面刚度和吸能能力。车门凸筋既可增强侧向刚度，还可用来营造力量美感。利用B柱的特殊设计，把能量分散导入车顶和车底可变形的钢制构架上，来缓解碰撞能量。考虑到碰撞时乘员可能撞击车厢内板，故内板的刚度不宜过大。针对翻车事故，采取增强车顶纵梁及立柱的强度和刚度，在车顶设置横梁等措施，在乘员安全区的四周用钢梁构成一个所谓“笼”（cage），在碰撞时为乘员撑起一片生存的空间。载货汽车则在货箱上设置翻车保险架，发生翻车时，让保险架触地保护驾驶室顶盖。改进门锁和铰链的可靠性，既要防止发生碰撞时车门自动开启，乘员被甩出车外，又保证发生碰撞后门锁仍能用常力打开。帘式气囊提供了从A柱到C柱的侧面和顶棚缓冲保护。
轿车连接发动机与车架的支架可采用碰撞时容易断裂的材料和结构，碰撞发生时使支架断裂，让发动机下沉落地，使其不致冲入驾驶舱伤害乘员。转向管柱、各种踏板在汽车受到碰撞时能溃断，也是减少对头、胸、腿伤害的有效方法。
追尾碰撞的相对车速一般较低，且车尾除两厢车外一般也有相当的吸能缓冲区，车尾的吸能缓冲设计似乎不如前部那么重要，但考虑到追尾碰撞容易对乘员造成颈椎损伤，且轿车的燃油箱又多布置在车身后部，严重的追尾碰撞可能引发火灾，故同样不能对汽车尾部的吸能缓冲功能掉以轻心。
安全车身的结构设计和选材应遵循如下原则：①除满足正常承载的强度和刚度要求外，还须保证碰撞时能以渐进压溃的形式破坏，以耗散动能；②碰撞动能不可逆地耗散，耗能过程不伴生穿刺、碎片、飞崩等伤害；③破坏形式稳定，即破坏形式具有可重复性；④具有较高的吸能比；⑤碰撞后可更换；⑥易损件制造经济，更换方便。
在具体做法上，安全车身根据不同部位的作用使用厚度和强度不同的钢板构造刚度不同的结构，例如，前后翼子板、发动机舱盖、后备箱盖部位使用较薄的钢板和刚度较低的结构，在安全保护区和能量分散区则使用较厚的高强度钢板。用五倍于普通钢材强度的硼钢制造处于安全保护区内的A柱和B柱，用DP600高级钢材制造纵梁，这种材料在变形时强度会显著增加。有的轿车的左右纵梁内壁是楔形渐变的，越靠前钢板越薄，越靠近驾驶舱钢板越厚，其他构件也采用渐变厚度的钢板制造。这样，在发生碰撞时，车身的变形可渐次递减，让车身前（后）部吸收大部分撞击能量。图4-24（b）是一款用安全车身理念设计的以不同强度金属构建的车身骨架，乘员安全区的围笼用强度最高的超强高强度钢制成，保险杠和发动机舱前部构件分别用强度最低的铝、镁制造。
图4-25是丰田凯美瑞（Camry）经轿车新车评定程序（NCAP）碰撞检测后的受损状况。结果证明，凯美瑞通过前部的溃缩耗散了大部分碰撞能量，通过对座舱的增强保护，未发生明显变形。
图4-25 NCAP碰撞检测后的丰田安全车身
3.汽车碰撞安全性检测
汽车碰撞包含正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞和行人碰撞，碰撞检测通过试验分别模拟四种碰撞检测汽车的碰撞安全性。鉴于碰撞时的乘员保护兹事体大，美国运输部1973年颁布FMVSS 214 Side Impact protection（《侧面碰撞保护》），规定了车门静强度试验，对车门的受力变形特性做出了规定，1990修订时加入了假人实车碰撞试验的要求，并于1993年起分阶段实施。1984年颁布FMVSS 208 Occupant crash protection（《乘员碰撞保护》）规定1987以后生产的车型前排座椅需装置安全带，以后也增加了假人实车碰撞试验的要求。UN欧洲经济委员会（UNECE）1995年颁布了ECE R94和ECE R95，欧洲议会和欧洲理事会1996年颁布了96/27/EC和96/79/EC。日本国土交通省颁布了TRAIS11-4-30等。国家技术监督局于1989年颁布《汽车乘员碰撞保护》（GB/T 11551—89），提出了实车试验检验安全带性能的试验规范，但是一个推荐标准，不具强制力。2003年，国家质监局和标准化委员会颁布了强制执行的《汽车正面碰撞的乘员保护》（GB 11551—2003）取代GB/T 11551—89,2006年又颁布了《汽车侧面碰撞的乘员保护》（GB 20071—2006）和《乘员车后碰撞燃油系统安全要求》（GB 20072—2006）。各国/区域组织根据管辖地的事故和伤害形态统计以及人群的生理特征制定和修订碰撞安全法规和标准，使检测贴近实际，促使保护有效性的提升。各种法规或标准体系还规定了商用车驾驶室顶压和摆锤动态撞击试验。(https://www.daowen.com)
法规和标准只规定了市场准入的门槛要求，企业出于竞争的需要和社会责任，需要瞄准更高的安全标准，他们需要以有公信力的方式向社会公布产品的安全性能；另一方面，消费者出于保护自身的需要，需要知晓真实的安全性比较评定。谁来充当两者间的桥梁呢？美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）于1979年根据Motor Vehicle In formation and Cost Savings Act of 1972（《1972年汽车信息和节约成本法》）首先建立新车评定规程（NCAP），从而催生出各种NCAP。NCAP是由具有资质的非营利的独立第三方进行的假人实车碰撞评定程序，为确保公信力，NCAP应是受政府和公益组织支持的无偿公益行为。各国、各区域的NCAP相似而不相同，除撞击的形式和速度不同外，评分细则也有差异。NCAP的试验条件可能比法规、强制标准严苛，如FMVSS 208规定的正碰速度是48km/h，NHTSA-NCAP为56km/h。NCAP的评定分星级定期向社会公布，一颗星表示安全性最低，星越多表示安全性越高。现有美国NHTSA-NCAP和IIHS-NCAP、欧洲Euro-NCAP、澳大利亚A-NCAP、日本J-NCAP、拉丁美洲Latin-NCAP、韩国Korea-NCAP、中国C-NCAP，其中一些NCAP评定由政府部门主导，以增强其公信力。表4-5表示了几种NCAP的撞击速度。
表4-5 几种NCAP的撞击速度 单位：km/h
4.对行人和弱势道路使用者的碰撞保护
道路交通是个强弱实体混流的系统，在车祸中，行人毫无碰撞保护措施，处于绝对弱势，只能诉求汽车的保护措施减轻伤害。同样，在车祸中，自行车相对于汽车，轿车相对于货运车，也处于绝对弱势，也只能诉求强势主体的保护措施减轻伤害。在2011年中国大陆发生的道路交通事故中，行人死亡占总人数的25.15%，受伤占17.21%。死亡的比例与WHO的统计25%吻合。据日本东京都交通事故统计记载，自1994年到2003年10年中，每年发生汽车碰撞行人的事故占道路交通事故总数的6.1%～6.7%，但死亡人数却占到34%～39.4%，足见这类事故危害之甚。2013年，全球一半的道路交通伤害死亡人为行人、摩托车和自行车骑行人，分别占总死亡人数的22%、23%和4%，轿车使用者的死亡人数占31%，其他道路使用人占22%。不同的收入水平又决定了不同道路使用人的死亡比例，欧洲轿车使用者的死亡人比例为51%，行人为26%，非洲前者为40%，后者为39%，东南亚前者为16%，后者为13%，但两轮和三轮摩托车使用者的死亡比例高达34%[40]。1994年到2003年在东京都内的道路交通事故中罹难的1413名行人中，60岁以上的人达58.7%，65岁以上的人占48.5%，老龄行人由于感知和行动迟钝遭遇车祸的风险较高。
（1）行人碰撞保护法规
欧洲促进车辆安全委员会（EEVC）的WG10在20世纪80年代就开展了保护行人的研究，在1994年提交的最终报告中提出了实行车辆行人保护碰撞试验的建议，1997年组建WG17继续这方面的工作。NHTSA在1994—1998年间实施了行人碰撞数据研究（PCDS），日本汽车研究所（JARI）分别在1987—1988年和1994—1998年研究了行人碰撞数据。
经多年工作，欧盟于2003年11月颁布了2003/102/EC Protection of pedestrians and other vulnerable road users before and in the event of a collision with a motor vehicle and amending Directive 70/156/EEC（《受到汽车碰撞前和碰撞中保护行人和其他易受伤害的道路使用者，暨修改70/156/EEC指令》），规定了分阶段对总质量不大于2.5t的车辆实施行人保护的要求和时间表。鉴于汽车装置前保护装置增多，有些前保护装置给行人和其他易受伤害的道路使用者造成了风险，欧盟于2005年10月发布2005/66/EC，对最大质量≤3.5t的M1和N1类车前保护装置技术性能做出规定。2003/102/EC第一阶段自2005年10月1日起实施后，欧盟在结合实际碰撞试验的测量数据对阶段性要求做出评估后，认为定于2010年9月1日实施的二阶段要求缺乏可行性，于2009年1月颁布Regulation（EC）No78/2009，推迟了二阶段实施时间，重新设定了实施行人保护要求的时间表，废止了70/156/EEC和2005/66/EC，全面提出了行人保护的要求。78/2009适度放宽了对二阶段的要求，如在小腿模拟器与保险杠碰撞试验中，模拟膝关节的最大弯曲角从15°增大到19°，胫骨上端承受的最大加速度从150g增大到170g，2.5kg的儿童头部模拟器撞击发动机舱盖试验改为一阶段采用的3.5kg的儿童/矮个成人模拟器，速度也由40km/h降回到第一阶段的35km/h，试验头部碰撞性能指标（HPC）的取值方法和限值都有所改变。欧盟委托的研究证实，主动安全和被动安全结合可显著提高对行人的保护，78/2009提出了装置制动辅助系统的要求。2009年7月，欧盟颁布Regulation（EC）No631/2009，对实施78/2009附录Ⅰ的细节做出规定。2011年5月，欧盟发布Regulation459/2011，对631/2009作了修改。
全球汽车法规（GTRs）成为了各国制定行人碰撞保护法规的基础。日本国土交通省2004年颁布以GTRs为基础的《步行者头部保护标准》，2005年9月底销售的新车开始施行。2009年，我国颁布GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》推荐性国家标准，2010年7月1日实施。2009年8月23日，中国进行了首例行人保护假人碰撞试验。
（2）行人保护措施
轿车对行人的碰撞接触主要是保险杠、发动机罩和挡风玻璃处。研究表明，改进汽车前部结构可以减少对行人的伤害。实际上，由于气动性的需要，汽车的外表已经变得比以前滑顺流畅，已减轻了对行人的刺入伤害，我们所面临的挑战是：如何减轻高速碰撞对行人的撞击伤害。
保险杠撞击行人的概率大，保险杠撞击腿部是轿车对行人的第一次伤害。腿部冲击器试验和保险杠碰撞的有限元分析表明，汽车前部的结构，尤其是保险杠的高度尺寸、形状和刚度在很大程度上影响到行人的腿部骨折的临床参数，决定了保险杠首先接触受害人腿部的位置是在膝关节之上还是在之下，抑或碰撞膝关节，其伤害的模式和后果极不相同，碰撞接近膝关节中心，膝关节的剪切和弯曲变形都会增大。此外，汽车前部结构还影响到首次碰撞之后受害人的运动参数。
保险杠的离地高度和铅垂方向上的宽度影响到腿和膝关节的变形和损伤的程度。SAE J689推荐，道路镶边石的高度为203mm，即保险杠最小离地距离不能小于203mm，轿车保险杠上缘离地高度一般为500mm左右。有人认为，综合考虑保险杠的功能，保险杠宽取130～180mm为宜，太窄则载荷分配不好，太宽则受伤比例增高（增加伤害风险）。由于膝关节受伤比腿部其他部位受伤的后果更为严重，保险杠离地高度还是低于膝关节为宜。研究还表明，降低保险杠的高度使腿的碰撞位置过低，也会使腿和膝关节受到较严重的伤害[41]。
行人在遭受汽车撞击之后，可能被巨大的惯性力抛掷，再次遭受汽车前部碰撞，头部受撞是此时最危险的伤害。减少头部伤害程度的方法之一就是增大发动机罩和其后部件（如发动机）之间的吸能空间，但布置的需要和一些必要的附加结构又使发动机罩的下面难以留足变形空间。针对这种进退维谷的处境，日本的汽车公司开发了被称为“突然弹出”的发动机罩（pop-up hood system）。图4-26展示了本田公司（Honda）用POLARⅡ假人试验pop-up hood system的实况。该系统在前保险杠内装置了三个探测碰撞的传感器，系统还设有车速传感器，如果系统感知到保险杠发生足够强度的碰撞，执行器立即支起发动机罩的后部约100mm，发动机罩与发动机或其他刚性部件间的这部分间隙即为碰撞变形的自由空间。本田用头部冲击器进行的实验室试验表明，使用pop-up hood system可降低约40%的HIC值。
图4-26 用假人试验pop-up hood system
用于保护行人的安全气囊分为发动机罩气囊和前围气囊，两者配合使用可减少行人在碰撞中的伤亡。发动机罩气囊在保险杠上方紧靠保险杠处开始展开，由预警传感器激发，充气状态可保持数秒钟。充气后，气囊在前照灯之间的部位展开，由保险杠顶面向上伸展到发动机罩表面以上。前围气囊则起着防止行人被甩到发动机罩上被挡风玻璃底部碰伤的作用。该系统包括两个气囊，各由汽车中心线向一侧的A柱延伸，气囊由传感器探测到行人与保险杠发生初始碰撞后触发。在行人倒在发动机罩上滚向挡风玻璃这段时间内，气囊完成充气，两个气囊沿挡风玻璃底部将左右A立柱之间的整个汽车宽度完全覆盖，但不完全遮蔽驾驶人的视线，如图4-27所示。
图4-27 车外安全气囊
Kelliske等计算了满足HIC＝1000的头部冲击器对发动机罩的碰撞试验变形位移：儿童约为53mm，成人约为63mm。他们同时指出，典型的吸能效率实际到达的成人头部冲击器碰撞发动机罩的变形位移可达100mm。同样以满足HIC＝1000为目标，Otubushin和Green得出在冲击速度11.1m/s（40km/h）时的理论最小变形位移为51mm。成人和儿童头部冲击器斜向冲击的发动机罩的垂直变形分别为46mm和39mm。他们还指出，如果使用当时（1998年）的发动机罩设计技术，发动机罩受到成人头部冲击器冲击后的允许最小变形可达70mm[42]。
虽然在发动机罩下面的大多数部件，如发动机、蓄电池等对于头部的碰撞都是相当刚性的，但仍有一部分部件，如塑料进气管等是可以变形的，这些部件可设计为能对行人起一定保护作用的结构。
设计中棘手的矛盾在于：为了降噪和抗震，发动机罩必须具有一定的整体弯扭刚度和抗冲击强度，而行人的头部碰撞保护又要求头和发动机罩的接触刚度在一定的限度内。高速摄像显示，头部冲击器撞击发动机罩产生的局部凹陷占总变形（包括整体的弹性变形和局部的塑性变形）的大部分。塑性变形通常只发生在冲击器接触区附近。因此，减少发动机罩在冲击方向上的接触刚度，可降低HIC值。用内嵌吸能材料层的复合板制造发动机罩是达此目的的选择。
总之，研发汽车的被动安全技术充满了进与退、取与舍、刚与柔的矛盾，被动安全技术就是在矛盾的对立与统一中发展起来的。人与车、车与车的碰撞相容性就是从追求对立统一的目的提出的，我们也只有在实践中运用辩证法才能达到目的。
（3）行人碰撞的试验装置
道路交通事故调查发现，在轿车和行人的碰撞中，通常下肢首先遭受撞击，身体随后倒在发动机罩上，头部受到汽车的碰撞。对头部的伤害是对生命最严重的威胁，腿部受到的伤害多半也是重伤。Danner等人在1979年分析了3000例轿车碰撞行人事故后指出，头和腿受伤最多，老人遭受下肢、盆骨、股骨骨折居多，由于身高的原因，儿童头部、躯干和大腿受伤的概率较高[43]。
轿车前部碰撞行人时，最先撞击行人的部位是保险杠和发动机罩（后置发动机为前行李箱罩）前边缘。保险杠撞击行人的小腿或膝部，发动机罩前边缘撞击行人的大腿或盆骨，撞击行人后，致使头、肩、胸、背被发动机罩、前挡风玻璃或窗框撞击。如果碰撞速度高，罹撞者可能继续绕头或肩翻转，然后腿部撞击顶棚；罹撞者还可能以与车速相当的速度被甩出。如果碰撞速度很低，行人仅与保险杠和发动机罩前边缘接触，被撞倒在地，而不与发动机罩和挡风玻璃接触。
EEVC提出了基于子系统试验（sub-system tests）又称部件试验（component tests）的试验程序来评估轿车车身的行人碰撞保护性能。子系统试验使用模拟人体不同部位的试验器具——冲击器（impactor）来模拟车身前部与人体典型部位的碰撞。冲击器具有类似人体相应部位的生物力学特性，共四种：成人头型冲击器（adult headform impactor）、儿童头型冲击器（child headform impactor）、小腿型冲击器（legform impactor）和大腿型冲击器（upper legform impactor），见图4-28。
图4-28 行人碰撞测试冲击器及测试碰撞区
头型冲击器模拟含脑浆的颅骨球壳，外表包裹模拟皮层组织，并假设皮层、颅骨具有均匀、各向同性的力学性能，头皮具有黏弹性吸能特性。腿型器由股骨、胫骨和连接它们的膝关节变形元件组成。小腿型器的胫骨部分包含了脚的质量，膝关节变形元件具有类似人的膝关节对剪切和弯曲载荷的反应特性。腿型器的外层包有吸能泡沫和尼龙层（氯丁橡胶），分别模拟人体腿部肌肉和皮肤的力学特性，膝关节处装有传感器，用于测量膝关节的弯曲角度和剪切变形，胫骨段不受撞击一侧装有一个单轴加速度传感器，用于测量碰撞的方向。虽然腿型器的外形和人腿及膝关节并不完全一样，但其长度、质量、重心位置和惯性矩等参数代表了50百分位成年男性的生物力学特性。
由于行人保护部件试验法是用人体局部部位模拟冲击器分别进行的，无法全面、综合地了解车辆与行人发生碰撞后的运动以及人体与车体接触的具体部位。鉴于此，制造了专门的行人碰撞假人，供假人碰撞试验使用。
（4）保护儿童
由于生理和心理不成熟，儿童相对于成人是道路的弱势使用者，瑞典等国早在20世纪80年代就开始制定保护儿童乘车安全的法规。我国保护儿童道路交通安全的法规至今仍是空白，使得我们对儿童的道路交通伤害保护落后于汽车社会的发展，例如，怀抱孩子坐在副驾驶座上这样危险的行为由于未被法规禁止，交警无法在现场纠正。还须规范无行为能力的儿童在公路上骑行非机动车的行为，明确对学校、幼儿园周围交通环境的特殊要求，以及确保校车安全性能达到标准要求。
人们误以为抱孩子乘车能使其处于家长的保护下，这其实是一种相当危险的行为。在遭遇碰撞时，巨大的惯性力会使孩子脱手而出，孩子可能飞出车外，即使抛在车内，家长的惯性运动也可能挤压孩子。让儿童坐在前面装有气囊的副驾驶座上，让幼童使用成人安全带，未使用儿童安全锁，未锁好车窗等都可能给儿童带来严重伤害。使用儿童汽车安全座椅、儿童安全锁、ISO-FIX系统（ISO固定装置）、LATCH系统、车窗防夹技术、儿童增高坐垫、儿童头部保护气垫等都能保护儿童的乘车安全。
5.公路安全护栏
公路安全护栏设置在公路的高边坡路段、陡崖路段、高速或高等级公路中央隔离带、车辆有可能跌落到铁路或公路上的路段、车辆可能跌入水域造成极大危险的路段、桥梁及其他车辆冲出可能造成伤害和损害的路段，是事故已然发生后的被动保护措施。由于坠车是一种主要的群死群伤的恶性事故形式，近年来，公路安全护栏作为预防坠车的被动安全措施而受到关注。2007年4月23日发生在重庆北碚的26死6伤的客车坠崖事故等特大交通事故就与公路安全护栏的防撞性能不达标有关。交通部1994年颁布了《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》（JTJ 074—94）规定了必须设置、应设置、可设置路侧护栏的情况，规定了应设置中央分隔带护栏和桥梁护栏的情况。2006年7月，交通部发布《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2006）和《公路交通安全设施施工规范》（JTG F71—2006），自当年9月1日起取代JTJ 074—94。与JTJ 074—94相比，JTG D81—2006把适用范围从高速公路、一级公路扩大到新建和改建的各等级公路；进一步明确了公路护栏的防撞性能，调整、扩充了护栏的防撞等级，对各类形式护栏的设置原则作了较大修改；引入了路侧安全净区、宽容设计、运行速度和安全性评价等概念，图4-29是公路安全护栏试验的实况。虽然修订标准实施后全面提升了我国公路和桥梁的被动安全性能，但高速重载车辆仍不在规范的保护之内，尤其是高速行驶的超载车辆更远离护栏保护的红线。
图4-29 公路安全防护栏试验
公路安全护栏是一种承受瞬时冲击载荷、防止汽车跨越或穿越的构件，它必须具备以下功能：①具有足够的强度、刚度、高度，能有效地将失控车辆阻挡在路内；②车辆碰撞护栏时乘员受到的加速度在允许的限值之内，以控制乘员的伤害风险，为此，护栏必须刚柔相宜；③护栏的迎撞面要求具有良好的导向功能，能使车辆碰撞护栏后能以较小的驶出角导出，以利恢复正常的行驶方向，避免发生二次碰撞。
要使安全护栏较好地满足上述三项要求，就必须按照给定的碰撞条件（用碰撞车辆的质量、重心高度、碰撞速度与角度描述），合理设计护栏的结构和选择合适的材料，使其碰撞性能参数——强度、刚度、高度、导向性等符合规定的要求。由于安全护栏是防止坠车的屏障，它的各项安全性技术参数又是相互制约的，因此，对于安全护栏的结构设计不可掉以轻心。
基于安全护栏的重要作用，它的研发需要用有限元动态仿真模拟，辅以模型试验，对结构进行优化，最终还要通过实车实物碰撞试验检验其碰撞性能。美国、日本等国规定，只有按照标准经实车碰撞试验，确认满足要求的安全护栏才能在工程实际中使用。我国已在北京昌平区建成了可进行重型车辆碰撞安全护栏试验的试验场，试验车辆最大质量40t，最高碰撞速度可达100km/h。
6.紧急避险车道
货运车在下长坡时多次使用制动后，制动效能因热衰退下降，容易出现制动失效的险情，车辆超载尤甚。紧急避险车道（runaway truck ramp，escape lane，emergency escape ramp）是设置在易发事故路段，为失控车辆提供分流避险的车道。它是在危险已经出现后保全人、货安全的设施，危险出现后，只要驶入紧急避险道，应能转危为安。
美国加州1956年修建了第一条紧急避险车道，证明了避险的有效性，20世纪70年代未在联邦公路管理局的指导下有了较大的发展[44]。1998年，自北京八达岭高速公路设置了紧急避险车道后，在多条国内公路上修建了紧急避险车道，已多次化险为夷，被驾驶员称为“救命道”，如图4-30所示。
完善的避险车道应由引道、避险车道、辅助车道（供救援车辆拖离避险车辆用）、地锚、末端吸能设施、增阻路床材料等组成。避险车道利用车辆在纵坡上受到的重力分力，沙砾、砾石产生的滚动阻力，以及废轮胎、沙桶的缓冲作用，耗散失控车辆的动能，使其停止。避险车辆在避险车道阻停后应立即离开避险车道，以免被其他避险车辆碰撞。
图4-30 紧急避险车道
我国目前尚无设计和使用紧急避险车道的规范，对设计和使用紧急避险车道的行为没有约束的依据，致使因紧急避险车道设计不完善酿成避险车辆冲出车道坠崖的惨剧，当有损害发生时无法无规可依，使“救命道”变为“伤心道”。