一种基于安全包络的乘员下肢损伤评估方法及系统

本发明属于车辆底部防护与乘员安全，具体涉及一种基于安全包络的乘员下肢损伤评估方法及系统。

背景技术：

1、军用车辆和特种防护车辆在面临地雷或简易爆炸装置威胁时，车辆底部爆炸是主要的毁伤形式。爆炸产生的冲击波和结构变形会通过乘员舱地板猛烈撞击乘员的脚部和腿部，导致跟骨骨折、胫骨骨折、膝关节韧带撕裂等严重损伤，统称为“底部爆炸损伤”。其中，胫骨轴向力过大导致的胫骨骨折是最常见且最受关注的损伤形式之一。

2、目前，底部爆炸工况下的乘员下肢损伤评估主要依赖以下途径：

3、一是通过实爆试验或台架试验，使用装有传感器的拟人化测试装置进行测量。该方法能够直接获取下肢受力数据，但试验成本极高、周期长、可重复性差，且每次试验只能测试单一工况，无法满足车辆防护方案在设计初期需要海量迭代选型的需求。

4、二是采用高保真数值仿真方法，如基于ale（任意拉格朗日-欧拉）算法的爆炸流-固耦合有限元分析。该方法虽然能够较为准确地模拟爆炸载荷传递和人体力学响应，但单次计算涉及的网格数量庞大，求解时间往往以小时甚至天计，计算资源消耗巨大，同样无法适应快速设计迭代的节奏。

5、为提升评估效率，工程实践中也提出了一些简化评估方法。例如，直接以“底板加速度峰值”或“地板侵入速度”等单一指标作为损伤判据。然而，这类方法忽略了爆炸冲击载荷完整的时间历程特征，未能反映不同冲击阶段对损伤的贡献差异，评估准确率往往较低，容易导致误判或漏判。

6、此外，爆炸工况下采集的加速度信号通常含有大量高频噪声和电磁干扰成分，直接使用原始信号进行后续分析，会导致积分后的速度曲线产生漂移和失真，严重影响特征提取的准确性和评估结果的可靠性。因此，在评估流程中引入有效的信号降噪预处理环节，也是提升方法整体鲁棒性的关键。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于安全包络的乘员下肢损伤快速评估方法及系统，以解决现有技术中评估速度慢、信号噪声干扰导致准确性不足的问题。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于安全包络的乘员下肢损伤评估方法，包括如下步骤：

3、步骤（1）：获取目标车辆底部爆炸工况下乘员舱足部地板处的冲击加速度-时间历程曲线；

4、步骤（2）：对冲击加速度-时间历程曲线进行小波包分解与变分模态分解联合降噪处理，得到降噪后的加速度-时间历程曲线；

5、步骤（3）：对降噪后的加速度-时间历程曲线进行积分，得到速度-时间历程曲线，并截取前特征时间段内的曲线作为处理对象；

6、步骤（4）：在特征时间段的曲线上，识别出两个极值点，并以两个极值点对应的时刻为界，将特征时间段的速度曲线依时间顺序划分为第一时区、第二时区和第三时区；

7、步骤（5）：分别计算第一时区、第二时区和第三时区内的速度变化量，得到第一速度差、第二速度差和第三速度差，形成目前工况的三维特征向量；

8、步骤（6）：将三维特征向量与预先标定的三维安全包络空间进行比对；若三维特征向量落入三维安全包络空间内，则判定为乘员下肢未损伤；否则，判定为存在损伤风险，其中三维安全包络空间由所有判定为下肢未损伤的工况对应的第一速度差、第二速度差和第三速度差的边界值围成。

9、一种用于实现上述的评估方法的系统，包括：

10、信号采集模块：用于获取乘员舱足部地板处的冲击加速度-时间历程曲线；

11、信号预处理模块：用于执行小波包-变分模态联合降噪处理；

12、特征提取模块：用于执行积分、截取、峰值识别和速度差计算，输出三维特征向量；

13、安全包络存储模块：用于存储预先标定的三维安全包络空间边界数据；

14、损伤判定模块：用于比对特征向量与安全包络，输出损伤判定结果。

15、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

16、1.评估速度极快：整个评估过程仅涉及信号降噪处理、数值积分、曲线特征点识别和三维空间归属判断，计算量极小；一旦三维安全包络空间完成预先标定，对新工况的损伤判定可在毫秒级时间内完成，适用于实时或近实时的损伤预测场景。

17、2.抗噪能力强、准确性高：采用小波包与变分模态联合降噪作为前置环节，有效滤除了爆炸试验和实测环境中难以避免的高频噪声和电磁干扰，确保了后续积分运算的稳定性和速度差特征提取的准确性；同时，特征提取聚焦于与胫骨力损伤高度相关的速度曲线特征时间段的三阶段形态，三个速度差完整编码了爆炸冲击载荷在加速-过渡-再加速各阶段的能量输入特征，判别准确性显著提高。

18、3.工程实现简便：完全规避了人体下肢有限元建模或多体动力学建模的复杂环节，无需进行任何爆炸流-固耦合迭代求解；方法所依赖的输入仅为足部地板加速度信号，该信号可通过标准加速度传感器便捷获取，信号预处理和特征提取算法均可嵌入式部署，系统硬件成本低、部署容易。

1.一种基于安全包络的乘员下肢损伤评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的乘员下肢损伤评估方法，其特征在于，步骤（2）具体为：

3.根据权利要求2所述的乘员下肢损伤评估方法，其特征在于，步骤（21）具体为：选取小波基函数，对原始加速度信号进行层小波包分解，得到个终端节点的小波包系数，其中取值为3、4或5；

4.根据权利要求3所述的乘员下肢损伤评估方法，其特征在于，步骤（23）具体为：

5.根据权利要求4所述的乘员下肢损伤评估方法，其特征在于，步骤（24）中各本征模态函数的排列熵值的计算公式如下：

6.根据权利要求5所述的乘员下肢损伤评估方法，其特征在于，步骤（3）中对降噪后的加速度-时间历程曲线进行积分采用梯形积分法：

7.根据权利要求6所述的乘员下肢损伤评估方法，其特征在于，步骤（4）具体为：

8.根据权利要求7所述的乘员下肢损伤评估方法，其特征在于，步骤（5）中的第一速度差、第二速度差和第三速度差分别按以下公式计算：

9.根据权利要求8所述的乘员下肢损伤评估方法，其特征在于，步骤（6）中的“预先标定的三维安全包络空间”具体为：

10.一种用于实现权利要求1-9任一项所述的评估方法的系统，其特征在于，包括：