小汽車與摩托車交通事故仿真方法研究*

常安德 朱晨陽(yáng) 陳 松

（1.公安部痕跡檢驗(yàn)鑒定技術(shù)處，遼寧 沈陽(yáng)110035;2.中國(guó)刑事警察學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110035）

引言

隨著機(jī)動(dòng)車保有量、駕駛員數(shù)量及道路里程的不斷增加，道路交通安全問題已成為我國(guó)最嚴(yán)重的社會(huì)難題之一。摩托車作為比較弱勢(shì)的交通參與方，在發(fā)生交通事故時(shí)通常后果更加嚴(yán)重。對(duì)有摩托車參與的交通事故再現(xiàn)，可以為交通事故處理劃分責(zé)任提供合理依據(jù)，同時(shí)對(duì)事故進(jìn)行再現(xiàn)也有利于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)提高摩托車駕駛?cè)说陌踩雷o(hù)，有效降低交通事故后果的嚴(yán)重性。

PC-CRASH 是奧地利的一款交通事故仿真軟件，其分析過程依據(jù)力學(xué)動(dòng)量守恒與能量守恒原理，根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)的車輛、地面等痕跡及其他現(xiàn)場(chǎng)信息，反推車輛碰撞過程。PCCRASH具有豐富的車輛庫(kù)與假人模型，其強(qiáng)大的算法可以同時(shí)進(jìn)行多輛車的碰撞模擬研究，可以進(jìn)行車輛與車輛、車輛與行人的碰撞模擬研究。

目前對(duì)于PC-CRASH 事故仿真的應(yīng)用研究較多。鄒鐵方等提出了一種優(yōu)先模擬出車輛側(cè)滑運(yùn)動(dòng)的PC-CRASH 事故仿真方法［1］；伊若愚等提出了一種多車碰撞事故的PC-CRASH 仿真方法［2］；陶孫文等提出了基于PC-CRASH 逆向分步再現(xiàn)仿真方法［3］；吳凱麗等提出了PCCRASH逆向分段事故再現(xiàn)方法［4］。對(duì)于小汽車與摩托車的事故仿真，我國(guó)學(xué)者也做了研究。冉啟林等利用PC-CRASH 建立了摩托車與小汽車成90°的碰撞模型［5］；胡林等利用PC-CRASH建立了自行車、騎行人和小汽車的交通事故仿真模型［6］。但目前對(duì)于小汽車與摩托車交通事故仿真過程的研究較少。

本文將對(duì)小汽車與摩托車交通事故仿真方法本身進(jìn)行研究，從而提高此類交通事故仿真方法的可操作性。

1 小汽車與摩托車事故仿真方法

在對(duì)小汽車與摩托車交通事故仿真時(shí)，如果已知事故后摩托車乘員的最終位置，則需引入多剛體摩托車乘員模型，若直接將其引入會(huì)增加仿真的復(fù)雜性，影響仿真效率；同時(shí)摩托車的質(zhì)量遠(yuǎn)小于汽車的質(zhì)量，在與汽車發(fā)生碰撞之后，對(duì)汽車的行駛軌跡影響較小。因此，本文提出一種基于PC-CRASH 的分步仿真方法，即首先模擬汽車的行駛軌跡，之后引入摩托車乘員多剛體模型進(jìn)行仿真修正。利用該方法可在滿足仿真準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上大大地提高此類事故的仿真效率。

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 案情簡(jiǎn)介

2016年11 月某日早上，某地十字路口發(fā)生一起小汽車與摩托車交通事故。一輛吉利牌小汽車由北向西右轉(zhuǎn)進(jìn)入路口，與一輛由東向西行駛進(jìn)入該路口的雅馬哈牌兩輪輕便摩托車發(fā)生碰撞，由于霧天視線受阻，兩者均未做出相應(yīng)的措施，發(fā)生碰撞后小汽車車主順勢(shì)向右前方停車，事故造成摩托車乘客頭部重傷送往醫(yī)院救治，摩托車駕駛?cè)艘驗(yàn)榕宕靼踩蔽词軅?。事故現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 交通事故現(xiàn)場(chǎng)圖

2.2 事故現(xiàn)場(chǎng)信息提取

在利用PC-CRASH 進(jìn)行事故重建過程中，需要對(duì)案例中的信息進(jìn)行提取。本案例中對(duì)車輛進(jìn)行勘查發(fā)現(xiàn)，小汽車前保險(xiǎn)杠左側(cè)距離地面20～30cm，前至后20～40cm 有油漆減層痕跡；距地面60～70cm，前至后50～55cm處有凹陷痕跡；引擎蓋前至后25～30cm，左至右15～20cm 有凹陷痕跡。摩托車右側(cè)車身塑料保護(hù)殼距地面20～30cm，前至后70～100cm 處破損，并伴有油漆增層痕跡；距地面50～80cm，前至后15～30cm 處有塑料減層痕跡。如圖2 所示。第一碰撞點(diǎn)往往受力較大易形成凹陷痕跡，因此可推斷出兩車第一接觸部位為小汽車左前方車頭與摩托車右側(cè)車身。根據(jù)當(dāng)事人陳述，小汽車由右轉(zhuǎn)道駛?cè)肼房?，摩托車沿機(jī)動(dòng)車非機(jī)動(dòng)車道分界線處駛進(jìn)路口，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)其他痕跡分析可得碰撞發(fā)生的大致范圍。

圖2 車輛受損情況

2.3 事故現(xiàn)場(chǎng)重建

根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)圖，用autoCAD 進(jìn)行精確繪圖，如圖3 所示。小汽車頭西尾東停在東西走向道路路口西北側(cè)，右前輪、右后輪距路口西口北側(cè)分別為210cm、210cm；右前輪距路口西口人行橫道的東側(cè)邊緣為270cm。摩托車頭西尾東往右側(cè)側(cè)翻倒在小型汽車東側(cè)，前輪、后輪距路口西北側(cè)邊緣分別為590cm、590cm；前輪距小汽車的左后輪的距離為320cm。事故發(fā)生在干燥、瀝青鋪設(shè)的平坦道路上，因此不需要對(duì)路面進(jìn)行3D建模，直接把事故圖導(dǎo)入PCCRASH中并進(jìn)行比例尺對(duì)標(biāo)即可，地面摩擦系數(shù)取0.8。

圖3 antoCAD繪制的交通事故現(xiàn)場(chǎng)圖

2.4 模型建立

2.4.1 小汽車模型建立

PC-CRASH 有 DSD、KBA、ADAC、VYS?KOCL、DSD JAPAN 5 個(gè)單獨(dú)的車輛數(shù)據(jù)庫(kù)，車輛數(shù)據(jù)庫(kù)包括車輛尺寸、質(zhì)量、制造廠商以及行駛參數(shù)等。如果事故車型為合資車或者進(jìn)口車型，可以從PC-CRASH 中找到相應(yīng)車型直接導(dǎo)入；如果事故車輛為國(guó)產(chǎn)車，那么需要找到相似車型，然后根據(jù)實(shí)車數(shù)據(jù)修改具體參數(shù)。本案例中小汽車型號(hào)為吉利牌JL7152L13，修改的參數(shù)主要有：前輪距1490mm、后輪距1470mm、 車 輛 尺 寸 4547mm × 1734mm ×1470mm、軸距2600mm、空載總質(zhì)量1620kg等。

2.4.2 摩托車模型建立

在對(duì)小汽車與摩托車進(jìn)行碰撞事故重建時(shí)，如果沒有摩托車乘員的最終停止位置，則可直接選擇PC-CRASH 車輛數(shù)據(jù)庫(kù)中的摩托車進(jìn)行導(dǎo)入，并修改具體參數(shù)；如果已知摩托車乘員的最終停止位置，則需要導(dǎo)入摩托車乘員多剛體模型。本案例采用后者方法導(dǎo)入MOT多剛體摩托車模型，修改摩托車模型與成員模型的參數(shù)。主要包括摩托車質(zhì)量、長(zhǎng)寬高參數(shù)；乘員的質(zhì)量、身高、年齡；以及乘員與地面摩擦系數(shù)、摩托車與地面的摩擦系數(shù)、摩托車及其乘客與汽車的摩擦系數(shù)。

2.5 事故的仿真與分析

完成事故現(xiàn)場(chǎng)重建、小汽車與摩托車模型導(dǎo)入這2 個(gè)步驟后，根據(jù)當(dāng)事人給出的大致速度范圍，與事故信息提取得到的其他信息，根據(jù)參數(shù)敏感度［7］不斷調(diào)整車輛的速度、小汽車與摩托車碰撞位置及其他重要參數(shù)，使仿真中摩托車、摩托車乘員與汽車的接觸部位與汽車的損傷部位相一致。通過不斷的仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小汽車速度為22km·h-1，摩托車速度為18km·h-1時(shí)仿真的結(jié)果與實(shí)際情況最為接近。小汽車、摩托車、摩托車乘員最終停止位置與實(shí)際位置相一致。如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比圖

當(dāng)碰撞開始時(shí)，如圖5 所示，小汽車車頭與摩托車車身右側(cè)發(fā)生碰撞，形成小汽車前保險(xiǎn)杠左側(cè)距離地面20～30cm，前至后20～40cm有油漆減層痕跡；距地面60～70cm，前至后50～55cm處有凹陷痕跡以及摩托車右側(cè)車身塑料保護(hù)殼距地面20～30cm，前至70～100cm 處破損，并伴有油漆增層痕跡；距地面50～80cm 前至后15～30cm處有塑料減層痕跡。

圖5 碰撞發(fā)生時(shí)仿真畫面

圖6 T=0.38s時(shí)仿真畫面

當(dāng)T=0.38s時(shí)，如圖6所示，駕駛?cè)祟^帶安全帽與汽車引擎蓋發(fā)生碰撞，與小型汽車引擎蓋前至后25～30cm，左至右15～20cm 有凹陷痕跡相一致。

當(dāng)T=0.75s時(shí)，如圖7所示，摩托車后座乘客頭部與地面發(fā)生碰撞，位置與地面血液痕跡所留部位相一致。

圖7 T=0.75s時(shí)仿真畫面

圖8 T=0.93s時(shí)仿真畫面

當(dāng)T=0.93S時(shí)，如圖8所示，摩托車駕駛?cè)伺c摩托車乘客最終停止位置分別位于摩托車兩側(cè)，與當(dāng)事人陳述相符合。

對(duì)于乘員損傷分析，損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)側(cè)是通過與損傷輕度相關(guān)的物理參數(shù)或由幾個(gè)物理參數(shù)組成的函數(shù)來定義，它是用來衡量負(fù)載是否超過了耐受極限所對(duì)應(yīng)的閥值，從而判定人體某部位產(chǎn)生損傷的可能性。在汽車與摩托車事故中，摩托車駕駛?cè)伺c乘客的頭部最易產(chǎn)生損傷，交通安全方面最常用的頭部損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則為韋恩州立大學(xué)WSTC頭部耐受極限曲線、簡(jiǎn)明損傷定級(jí)法AIS、以及頭部損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則HIC［8］。本為主要介紹HIC 的計(jì)算方法，HIC 計(jì)算公式為：

其中，t0為碰撞初始時(shí)刻；te為碰撞結(jié)束時(shí)刻；t1為最大HIC 值對(duì)應(yīng)的初始時(shí)刻；t2為最大HIC 值對(duì)應(yīng)的結(jié)束時(shí)刻；a 為人體頭部合成加速度。

圖9 為PC-CRASH 仿真整個(gè)碰撞過程輸出的頭部加速度時(shí)間圖，3 個(gè)峰值分別對(duì)應(yīng)摩托車駕駛?cè)祟^部與小轎車引擎蓋發(fā)生碰撞、摩托車乘客頭部與地面發(fā)生碰撞以及摩托車駕駛?cè)祟^部與地面發(fā)生碰撞時(shí)的加速度。以摩托車乘客頭部與地面發(fā)生碰撞時(shí)為例，取這一過程中加速度最大值時(shí)刻相鄰36ms區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，帶入公式可以對(duì)摩托車乘員的頭部損傷情況進(jìn)行分析，結(jié)果與真實(shí)情況相符。

圖9 頭部加速度時(shí)間圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種小汽車與摩托車交通事故再現(xiàn)分步仿真方法，針對(duì)一起典型小汽車與摩托車交通事故進(jìn)行了PC-CRASH 仿真再現(xiàn)，驗(yàn)證了仿真碰撞信息與事故現(xiàn)場(chǎng)的信息的符合性以及仿真所得的損傷情況與乘員受傷情況的一致性，實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果證實(shí)了仿真方法的可行性。