基于EDR 數(shù)據(jù)的汽車碰撞行人事故重建

邱健斌，張?jiān)姴?2,3*，劉 奇，羅龍浩，查治涌，張 璐

（1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院,四川成都 610039；2.西華大學(xué)汽車測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610039；3.四川西華交通司法鑒定中心,四川成都 610039）

交通事故重建是指根據(jù)調(diào)查獲取的各類證據(jù)材料，運(yùn)用相關(guān)數(shù)學(xué)與物理原理對(duì)事故發(fā)生過(guò)程進(jìn)行推演與印證。隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，事故牽涉方、事故及汽車安全研究相關(guān)方等對(duì)事故重建的需求不斷增加，對(duì)事故重建科學(xué)性、精密性和準(zhǔn)確性的要求也不斷增強(qiáng)。交通事故的形態(tài)多種多樣，每起事故能夠獲得的重建信息也不盡相同，以致對(duì)不同的事故所能夠采取的重建方法也不盡相同。汽車碰撞行人的交通事故（以下簡(jiǎn)稱“人車事故”），由于車輛與行人質(zhì)量差異巨大，加之事故后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)痕跡勘查獲得信息的不確定性，以致對(duì)人車事故的重建方法也有不同要求。

在人車事故重建中，最核心的是確定碰撞速度。傳統(tǒng)的人車事故車速估算方法有基于制動(dòng)拖印、基于行人拋距、基于散落物以及基于視頻圖像（監(jiān)控視頻或行車視頻）等幾種方法。這些方法在具備相應(yīng)條件下，可以實(shí)現(xiàn)一定精確程度的車速重建[1]。盡管如此，由于配備ABS 的車輛很難遺留完整清晰的制動(dòng)拖印痕跡、缺乏有效視頻記錄、行人拋距無(wú)法確定、現(xiàn)場(chǎng)沒有有效痕跡等原因，仍然有為數(shù)不少的人車事故無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)重建。近年來(lái)，隨著事件數(shù)據(jù)記錄器EDR（event data recorder）越來(lái)越多地安裝到汽車上，并且越來(lái)越多的車型開放EDR 讀取接口，使得事故重建的技術(shù)路徑又有了一種新的可能。

美國(guó)國(guó)家公路安全管理局（NHTSA）2006 年發(fā)布的“49CFR Part563”聯(lián)邦法規(guī)中將EDR 定義為：“用于提取車輛碰撞后記錄車輛碰撞前（速度與時(shí)間）和碰撞時(shí)（速度變化與時(shí)間）對(duì)應(yīng)時(shí)間序列的車輛動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的裝置或功能”，并要求從2012 年9 月1 日及之后制造生產(chǎn)或銷售于美國(guó)的車輛需要遵守該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)[2]。中國(guó)關(guān)于EDR 的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB39732-2020《汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)》也已經(jīng)發(fā)布，將于2022 年1 月1 日實(shí)施[3]。

當(dāng)前，針對(duì)EDR 數(shù)據(jù)的研究主要包括汽車與汽車事故有效碰撞速度重建[4]，汽車與兩輪車事故車速重建[5]，通過(guò)EDR 記錄的側(cè)翻角重建側(cè)翻及跌落事故[6]，通過(guò)車速、油門加速、制動(dòng)踏板及轉(zhuǎn)向輸入數(shù)據(jù)重建事故車輛運(yùn)動(dòng)軌跡[7]以及氣囊模塊算法改進(jìn)[8]等?；谝陨涎芯楷F(xiàn)狀，EDR 的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)具備相應(yīng)條件。本文基于筆者所在機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期以來(lái)在交通事故鑒定活動(dòng)中采集的包含EDR 數(shù)據(jù)的人車事故案例，探索EDR 數(shù)據(jù)用于支撐實(shí)現(xiàn)人車事故重建的方法路徑，并使用痕跡信息和視頻信息相對(duì)充分的案例演示驗(yàn)證。

1 EDR 記錄的事件、數(shù)據(jù)及其讀取

1.1 EDR 記錄的事件類型

EDR 技術(shù)最早于1974 年起源于美國(guó)通用汽車公司，并在20 世紀(jì)90 年代基本形成了現(xiàn)代EDR技術(shù)[9]。長(zhǎng)期以來(lái)，EDR 的安裝與使用均定位于汽車廠商的企業(yè)級(jí)行為，并沒有一個(gè)行業(yè)性或更高級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行要求和規(guī)范，以致EDR 及其記錄的數(shù)據(jù)也很少被汽車廠商之外的其他主體所認(rèn)識(shí)和解讀，并且EDR 所記錄的事件類型和數(shù)據(jù)形式也不盡相同。近年來(lái)，隨著許多國(guó)家對(duì)于EDR 的強(qiáng)制性要求越來(lái)越明確，EDR 所記錄的事件類型也越來(lái)越清晰。EDR 觸發(fā)記錄信號(hào)一般來(lái)自安全氣囊點(diǎn)爆算法的信號(hào)源，所記錄的事件類型一般分為非點(diǎn)爆事件和點(diǎn)爆事件。

非點(diǎn)爆事件是指減速度達(dá)到安全氣囊“算法實(shí)現(xiàn)”的觸發(fā)閾值，但安全氣囊未觸發(fā)或者預(yù)緊器未工作的事件。這類事件的數(shù)據(jù)會(huì)被之后滿足觸發(fā)條件的事件數(shù)據(jù)滾動(dòng)覆蓋。點(diǎn)爆事件是指減速度達(dá)到安全氣囊點(diǎn)爆的觸發(fā)閾值，且安全氣囊點(diǎn)爆或者預(yù)緊器工作的事件。這類事件的數(shù)據(jù)不能被擦除或改寫，一旦安全氣囊被點(diǎn)爆，該EDR 將不可再用，并且在更換安全氣囊的同時(shí)也應(yīng)更換新的EDR[10]。如果氣囊電子控制單元（ECU）電源在事件中損壞，部分或全部事件數(shù)據(jù)將無(wú)法記錄。

1.2 EDR 記錄的數(shù)據(jù)

美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)“49CFR Part563”中規(guī)定安裝EDR 的車輛必須記錄指定的15 個(gè)數(shù)據(jù)元素及可選擇記錄額外的30 種數(shù)據(jù)[2]，并且為了確保不同品牌車輛EDR 數(shù)據(jù)的一致性，該法規(guī)在數(shù)據(jù)精度、頻率、范圍等方面都有明確規(guī)定，當(dāng)前汽車上安裝有EDR 的美系車基本都是遵從這項(xiàng)規(guī)定。中國(guó)的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)》規(guī)定安裝汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的M1 類車輛應(yīng)記錄17 種A 級(jí)元素，配備EDR 系統(tǒng)的車輛且配備了相關(guān)裝置或具有相關(guān)功能時(shí)應(yīng)記錄43 種B 級(jí)元素[3]。整理相關(guān)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)EDR 數(shù)據(jù)主要包含系統(tǒng)基本信息、事件基本信息、預(yù)碰撞數(shù)據(jù)及碰撞后數(shù)據(jù)。系統(tǒng)基本信息主要包括車輛識(shí)別代碼（VIN）、EDR 報(bào)告保存時(shí)間、EDR 報(bào)告文件是否完整、檢索時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)、點(diǎn)火循環(huán)次數(shù)及凍結(jié)信號(hào)等。事件基本信息包括事件觸發(fā)計(jì)數(shù)（TRG）、碰撞類型、故障診斷代碼（DTC）及事件觸發(fā)時(shí)間序列等。預(yù)碰撞階段主要記錄按時(shí)間節(jié)點(diǎn)排列的車速、加速踏板、制動(dòng)踏板、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向輸入、檔位、巡航控制狀態(tài)等數(shù)據(jù)。碰撞后主要記錄按時(shí)間節(jié)點(diǎn)排列的縱向加速度、橫向加速度、翻滾角度及最大加速度等數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)被動(dòng)安全裝置配備情況記錄相關(guān)信息。EDR 記錄的數(shù)據(jù)有助于事故發(fā)生后推演再現(xiàn)事故過(guò)程，追溯事故致因，對(duì)事故分析與重建能起到關(guān)鍵作用。

1.3 EDR 數(shù)據(jù)讀取

目前，廣泛使用的EDR 讀取裝置是碰撞數(shù)據(jù)檢索工具CDR(Crash Data Retrieval)。該工具由CDR 接口模塊、模塊連接線、適配器、CDR 軟件等組成。不同的車型需有不同的適配器和數(shù)據(jù)線，軟件可在Windows 系統(tǒng)上運(yùn)行。利用CDR 讀取EDR 數(shù)據(jù)有兩種途徑[11]，一種是將數(shù)據(jù)線直接連接到車輛的故障診斷接口（OBD 接口），另一種是將安全氣囊控制模塊（ACM）取下后利用CDR 讀取工具獲得事故車輛的碰撞數(shù)據(jù)報(bào)告，適用于事故受損嚴(yán)重導(dǎo)致車輛無(wú)法通電等情況。

2 EDR 數(shù)據(jù)在人車事故重建中的應(yīng)用

2.1 人車事故重建對(duì)EDR 數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求

EDR 數(shù)據(jù)在人車事故重建中的應(yīng)用需求有車速重建、駕駛?cè)藨?yīng)急操作重建、車輛運(yùn)動(dòng)軌跡重建、車輛被動(dòng)安全系統(tǒng)效用評(píng)價(jià)等方面。

1）車速重建。

EDR 數(shù)據(jù)中包含車輛在碰撞前5s 或2.5s 的速度，利用這些數(shù)據(jù)還原碰撞前車輛行駛速度的變化，從而確定車輛在事故前的行駛速度以及碰撞瞬間速度。EDR 記錄的車速還受輪胎尺寸影響，若事故時(shí)車輛輪胎尺寸與廠家指定的輪胎尺寸不一致，則需要對(duì)車速進(jìn)行修正，修正公式[12]為

式中：v為修正后車速；v1為修正前車速；r1為事故車輛的車輪輪胎半徑；r0為廠家指定的車輪輪胎半徑。

2）駕駛?cè)藨?yīng)急操作重建。

碰撞是一個(gè)瞬間過(guò)程，駕駛?cè)擞捎隗@嚇或緊張等原因容易出現(xiàn)誤操作或無(wú)應(yīng)急操作，使用傳統(tǒng)方法重建駕駛?cè)藨?yīng)急操作非常困難。利用EDR 記錄的事故車輛預(yù)碰撞階段數(shù)據(jù)能夠還原駕駛?cè)说木唧w操作步驟及時(shí)間，對(duì)事故致因分析有著直接幫助。

3）車輛運(yùn)動(dòng)軌跡重建。

利用EDR 記錄的車速變化、轉(zhuǎn)向輸入等數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)學(xué)方法完成車輛預(yù)碰撞階段的運(yùn)動(dòng)軌跡重建，可以提高重建準(zhǔn)確度，同時(shí)減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)痕跡勘查的依賴性，保障事故重建分析人員的安全。

4）車輛被動(dòng)安全系統(tǒng)效用評(píng)價(jià)。

分析EDR 記錄的碰撞后數(shù)據(jù)，根據(jù)加速度計(jì)算碰撞嚴(yán)重程度是否滿足氣囊或預(yù)緊器工作觸發(fā)條件；通過(guò)被動(dòng)安全裝置相關(guān)數(shù)據(jù)可以判斷氣囊、預(yù)緊器等是否及時(shí)展開工作及有效保護(hù)車內(nèi)乘員安全，以便對(duì)車輛被動(dòng)安全系統(tǒng)效用做出評(píng)價(jià)。

2.2 EDR 數(shù)據(jù)在人車事故重建系統(tǒng)中的體現(xiàn)

目前，人車事故重建的主流方法是基于事故相關(guān)的采集信息，利用計(jì)算機(jī)軟件（比如PC-Crash）仿真模擬[13?14]。人車事故仿真建模主要有道路建模、車輛建模及行人建模三個(gè)方面，其中道路建模和行人建模所需參數(shù)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)或目的物勘查獲取相關(guān)信息，建模難度相對(duì)較低且準(zhǔn)確性較高，車輛建模所需參數(shù)較多且采集難度較大。基于現(xiàn)有條件，利用EDR 數(shù)據(jù)結(jié)合PC-Crash 對(duì)人車事故進(jìn)行重建，能夠有效保證重建效率和準(zhǔn)確率，如圖1所示。

圖1 PC-Crash 仿真示意圖

EDR 能夠在仿真過(guò)程中提供數(shù)據(jù)支撐，主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。

1）車輛靜態(tài)建模。

EDR 數(shù)據(jù)包含車輛VIN 碼，通過(guò)查詢VIN 確定車輛型號(hào)、外形尺寸、底盤數(shù)據(jù)及動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)等。根據(jù)相關(guān)信息在PC-Crash 模型庫(kù)中選擇對(duì)應(yīng)車型，并可按照實(shí)際情況調(diào)整相關(guān)參數(shù)，完成車輛靜態(tài)建模。

2）仿真車速輸入。

PC-Crash 仿真需要直接輸入車輛開始速度，即碰撞速度。EDR 記錄的預(yù)碰撞階段車速能夠直接準(zhǔn)確地反應(yīng)碰撞前車輛行駛速度變化及碰撞瞬間車速，可直接輸入軟件。

3）動(dòng)態(tài)序列設(shè)置。

PC-Crash 中車輛動(dòng)態(tài)序列設(shè)置包含加速、制動(dòng)及轉(zhuǎn)向操作，需要還原碰撞瞬間的駕駛?cè)瞬僮鳌DR 記錄的加速踏板、制動(dòng)踏板及轉(zhuǎn)向輸入數(shù)據(jù)可直接輸入PC-Crash 軟件中完成車輛動(dòng)態(tài)序列重建。

4）仿真結(jié)果驗(yàn)證。

EDR 記錄了碰撞后一定時(shí)間內(nèi)的車輛速度及加速度變化，可與PC-Crash 仿真運(yùn)行的輸出結(jié)果進(jìn)行對(duì)比及誤差分析，驗(yàn)證重建結(jié)果的可靠性。

3 應(yīng)用案例

筆者所在機(jī)構(gòu)現(xiàn)有包含EDR 數(shù)據(jù)的人車碰撞事故14 例，碰撞類型全為正碰。選取其中一例車身碰撞痕跡明顯且有監(jiān)控視頻的人車事故，讀取EDR 數(shù)據(jù)和勘查信息，利用PC-Crash 軟件進(jìn)行事故重建,并利用監(jiān)控視頻信息驗(yàn)證事故重建結(jié)果。

3.1 案例事故概況

案例為2017 年4 月發(fā)生在成都市新津縣的一起豐田轎車碰撞行人事故，碰撞瞬間截圖如圖2 所示。

圖2 案例事故碰撞前瞬間截圖

事故導(dǎo)致行人受傷住院，車輛左前部位受損及擋風(fēng)玻璃破碎。事故采集資料有車檢照片、監(jiān)控視頻、行人傷情報(bào)告及EDR 數(shù)據(jù)。通過(guò)監(jiān)控視頻判斷第一接觸位置為行人左側(cè)身軀與車輛左前大燈附近。行人頭部與車輛碰撞位置為前擋風(fēng)玻璃左側(cè)邊框附近，碰撞后車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)間為2.89s。在事故視頻中車輛左前燈具前端取一固定參考線A，能夠辨別出事故車輛的左前照燈和左后尾燈通過(guò)該固定參考線A 的視頻幀數(shù)差為9 幀，經(jīng)測(cè)量?jī)蔁糁g的距離L約為4.75m，視頻幀率為29fps。參考線截圖如圖3 所示。

圖3 參考線A 截圖

利用速度–時(shí)間–位移關(guān)系，計(jì)算得出鑒定車輛通過(guò)視頻畫面虛擬參考線A 的速度為55.1km/h，據(jù)此得出事故車輛碰撞瞬間行駛速度約55.1km/h。

3.2 事故車輛EDR 數(shù)據(jù)檢讀

讀取事故車輛EDR 數(shù)據(jù)，對(duì)事件基本信息及預(yù)碰撞階段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以獲取事故發(fā)生前的車輛狀態(tài)，確定駕駛員是否正確使用安全帶、車輛本身是否存在故障等，對(duì)駕駛員損傷分析及事故致因分析有一定作用。根據(jù)表1 可以確定該車EDR系統(tǒng)共記錄8 次觸發(fā)事件，第8 次即為本次碰撞事件，數(shù)據(jù)記錄完整，無(wú)故障診斷代碼存在。碰撞類型為正碰，碰撞前駕駛座安全帶正常使用，駕駛座處于靠后的位置，變速器擋位處于前進(jìn)擋。

表1 事件基本信息表

表2 為EDR 記錄的觸發(fā)（碰撞）前5s 內(nèi)的車速、制動(dòng)踏板開關(guān)、油門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的人車事故碰撞速度求解方法，利用EDR 數(shù)據(jù)能夠極大地簡(jiǎn)化這一過(guò)程，且預(yù)碰撞階段的數(shù)據(jù)能夠?qū)κ鹿手乱蚍治銎鹬巫饔谩?/p>

表2 案例EDR 數(shù)據(jù)

碰撞發(fā)生前4.8～1.8s，駕駛員松開加速踏板，制動(dòng)踏板無(wú)操作，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由1600r/min 降低至怠速，事故車輛行駛速度由62km/h 降至60km/h。碰撞前1.8～0s，駕駛員踩下制動(dòng)踏板采取緊急制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐步升高至1200r/min，車速由60 km/h 降低至54km/h。該車實(shí)際使用輪胎型號(hào)與廠家標(biāo)準(zhǔn)一致，可以確定EDR 記錄的碰撞瞬間車速為54km/h。對(duì)EDR 記錄的碰撞后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)記錄完整，共記錄碰撞后200ms 內(nèi)事故車輛縱向加速度,最大縱向加速度為0.3km/h，如圖4所示。碰撞后200ms 內(nèi)由于人車質(zhì)量差異巨大，事故車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)未受較大影響。

圖4 事故車輛縱向Delta-V 曲線圖

3.3 案例事故重建實(shí)現(xiàn)

人車事故仿真建模主要分為道路建模、車輛建模、行人建模3 個(gè)模塊?；谑鹿受囕vEDR 數(shù)據(jù)及車檢照片，在PC-Crash 軟件中進(jìn)行建模，運(yùn)行仿真再現(xiàn)事故發(fā)生過(guò)程。PC-Crash 自帶道路模型，選擇需要的道路類型并設(shè)置長(zhǎng)度、寬度等基本參數(shù)，調(diào)整路面摩擦系數(shù)，完成事故道路建模。車輛建?？筛鶕?jù)車輛型號(hào)調(diào)用軟件數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)自帶的車輛模型，同時(shí)也可對(duì)車身幾何及車輛動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。PC-Crash 同時(shí)提供有多剛體模型庫(kù)，可以選擇不同百分位行人模型并調(diào)整基本參數(shù)和行人姿態(tài)。

根據(jù)實(shí)際信息1∶1 重建道路、車輛及行人模型，事故道路為潮濕瀝青路面，路面摩擦系數(shù)取0.6。碰撞前1.8s 汽車采取緊急制動(dòng)，碰撞瞬間車速輸入為54km/h。第一接觸位置為行人左側(cè)身軀與汽車左前大燈附近。碰撞后行人頭部與汽車左側(cè)邊框附近前擋風(fēng)玻璃發(fā)生碰撞。

運(yùn)行仿真，汽車左前部與行人左側(cè)身軀接觸，碰撞后135ms 時(shí)行人頭部與車輛左側(cè)邊框附近前擋風(fēng)玻璃發(fā)生碰撞，車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)間為2.70s，汽車最終位置距離第一碰撞點(diǎn)15.06m，行人拋距為19.47 m，如圖5 所示，碰撞對(duì)應(yīng)位置關(guān)系如圖6、圖7 所示，汽車及行人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖8 所示。導(dǎo)出行人頭部加速度，利用HIC（head injury criteretion）公式計(jì)算行人頭部損傷，最大值為709.519，與AIS 傷害等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為AIS2 級(jí)至AIS3 級(jí)之間[15]，屬于中等或嚴(yán)重事故損傷，與行人傷情基本符合。

圖5 汽車距離及行人拋距圖

圖6 第一接觸位置對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

圖7 頭部碰撞位置對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

圖8 仿真事故過(guò)程示意圖

對(duì)比仿真結(jié)果與視頻監(jiān)控采集信息，EDR 記錄的碰撞瞬間車速與視頻監(jiān)控計(jì)算車速誤差為2.0%。事故車輛仿真模擬運(yùn)動(dòng)時(shí)間與通過(guò)視頻監(jiān)控計(jì)算的運(yùn)動(dòng)時(shí)間誤差為6.5%。事故車輛與行人的第一接觸點(diǎn)及頭部碰撞位置對(duì)應(yīng)關(guān)系、碰撞過(guò)程、最終位置及傷情信息等具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，證明該仿真結(jié)果是可信的。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用EDR 數(shù)據(jù)結(jié)合車輛及行人勘查信息在PC-Crash 軟件中進(jìn)行仿真模擬，能夠有效解決傳統(tǒng)人車事故重建方法中的碰撞速度及預(yù)碰撞階段數(shù)據(jù)獲取難點(diǎn)，且可依據(jù)EDR 數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真結(jié)果。但由于EDR 數(shù)據(jù)的局限性，應(yīng)用EDR 數(shù)據(jù)進(jìn)行人車事故重建要綜合考慮事故整體資料，確保重建結(jié)果的可靠性。