汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫的建立與應(yīng)用研究①

崔曉東， 朱西產(chǎn)， 馬志雄， 鄭祖丹， 吳 斌， 于 峰

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車安全技術(shù)研究所，上海 201804;2.上海機(jī)動(dòng)車檢測中心，上海 201805)

0 引言

隨著我國汽車保有量的迅速攀升，道路交通事故越來越成為危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全的一大公害.在汽車碰撞安全性能開發(fā)、道路設(shè)施設(shè)計(jì)及交通事故分析中，往往需要各種車型的碰撞載荷特征作為研究基礎(chǔ).

目前在國外的一些碰撞試驗(yàn)室中，以汽車碰撞測力墻為代表的汽車碰撞載荷測量系統(tǒng)已普遍用于汽車安全性能開發(fā)性試驗(yàn).由于國外汽車碰撞測力墻技術(shù)相對(duì)成熟，獲取汽車碰撞載荷信息也比較便捷，國外的汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫的建立工作起步較早，碰撞載荷數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也比較完善.例如美國NHTSA等機(jī)構(gòu)都通過大量的汽車—測力墻碰撞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，建立起了主要車型的碰撞載荷數(shù)據(jù)庫，積累了大量的汽車碰撞載荷特征.相比而言，雖然我國已經(jīng)建成了十多個(gè)汽車碰撞試驗(yàn)室，但是到目前為止，這些碰撞試驗(yàn)室配置汽車碰撞載荷測量系統(tǒng)的工作才剛剛起步，在汽車碰撞安全性試驗(yàn)中不能全面地收集珍貴的汽車碰撞載荷信息，無法建立我國汽車的碰撞載荷數(shù)據(jù)庫，更無從獲取汽車碰撞載荷特征.

本文將以國內(nèi)某次汽車—測力墻碰撞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立起碰撞載荷數(shù)據(jù)庫并對(duì)碰撞載荷特征的提取工作做出初步探討.

圖1 汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫的功能模塊流程圖

1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

需求分析不僅需要根據(jù)用戶所希望數(shù)據(jù)庫建成后的用途來確定數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能，還應(yīng)當(dāng)充分考慮這些功能日后的改變和擴(kuò)充，為數(shù)據(jù)庫今后的升級(jí)更新打下基礎(chǔ).數(shù)據(jù)庫需求分析主要集中在“數(shù)據(jù)”和“數(shù)據(jù)處理”兩個(gè)方面[1].數(shù)據(jù)需求方面，數(shù)據(jù)庫需要安全可靠地而且盡可能全面地儲(chǔ)存汽車—測力墻碰撞試驗(yàn)的有效原始試驗(yàn)數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)處理需求方面，數(shù)據(jù)庫需要具備對(duì)有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、截取、輸入、修改、刪除、查詢和可視化操作的功能.圖1為汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫的功能模塊流程.

圖2 汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫E－R模型

1.2 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段需要通過對(duì)數(shù)據(jù)庫所要描述的現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行抽象，得到數(shù)據(jù)庫的概念模型.E－R模型(實(shí)體－關(guān)系模型)法是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用最廣泛的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[1].利用E－R模型法建立數(shù)據(jù)庫的概念模型，有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):確定概念模型中的實(shí)體以及確定實(shí)體之間的聯(lián)系.

數(shù)據(jù)庫需要安全可靠地而且盡可能全面地存儲(chǔ)有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).因此，數(shù)據(jù)庫概念模型中實(shí)體需要盡可能多地包含汽車—測力墻碰撞試驗(yàn)所涉及到的客觀存在的所有事物.文獻(xiàn)[2]列出了現(xiàn)行的汽車—測力墻碰撞試驗(yàn)所需記錄的全部信息.因此，本文根據(jù)文獻(xiàn)[2]并結(jié)合實(shí)際某次汽車—測力墻碰撞試驗(yàn)所需記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，抽象出汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫概念模型的全部實(shí)體信息.概念模型中實(shí)體之間的聯(lián)系由實(shí)體所代表的現(xiàn)實(shí)世界中的具體事物之間的聯(lián)系抽象而得;由文獻(xiàn)[2]也可以得出一部分實(shí)體之間的聯(lián)系.

為準(zhǔn)確描述汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫中各實(shí)體的關(guān)系，經(jīng)過自頂向下的需求分析和自底向上的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到了本數(shù)據(jù)庫的E－R模型，如圖2所示.

圖3 車輛－測力墻位置關(guān)系的投影[3]

圖4 撞擊力柱狀圖

1.3 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是把概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)好的E－R模型轉(zhuǎn)換成與所選定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)所支持的數(shù)據(jù)模型相符合的邏輯結(jié)構(gòu)[1].本文中汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)就是將E－R模型轉(zhuǎn)換成選定數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Microsoft SQL Server 2005所支持的關(guān)系模型.

E－R模型向關(guān)系模型轉(zhuǎn)換步驟和所遵循的規(guī)則如下:

圖5 B06測力單元撞擊力曲線圖

圖6 撞擊力總和的曲線圖

1.先轉(zhuǎn)換E－R模型中的各個(gè)實(shí)體:“一個(gè)實(shí)體轉(zhuǎn)化為一個(gè)表(Table)，實(shí)體的屬性就是表中的列”，實(shí)體的碼就是表的主鍵[1].

2.再轉(zhuǎn)換E－R模型中各實(shí)體之間的聯(lián)系，并更新第一步中生成的表:“一對(duì)一”二元聯(lián)系與任意一端對(duì)應(yīng)的表合并，選定一端已轉(zhuǎn)換好的表作為基礎(chǔ)，將另一端表的主鍵并入作為基礎(chǔ)表的外鍵;“一對(duì)多”二元聯(lián)系與“多”對(duì)應(yīng)一方的表合并，選定“多”對(duì)應(yīng)一方的表作為基礎(chǔ)，將另一端表的主鍵并入作為基礎(chǔ)表的外鍵;“多對(duì)多”二元聯(lián)系轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的獨(dú)立的表，將兩端相連的表的主鍵并入作為基礎(chǔ)表的外鍵，并將外鍵的集合作為新生成表的主鍵.

圖7 1ms撞擊力等高線圖

圖8 6ms撞擊力等高線圖

圖9 27ms撞擊力等高線圖

轉(zhuǎn)換成功的關(guān)系模型總共包括17個(gè)表，各個(gè)表之間通過主鍵和外鍵相互聯(lián)系.同時(shí)，通過個(gè)表中主鍵的設(shè)計(jì)保證數(shù)據(jù)庫的實(shí)體完整性規(guī)則[1]，通過外鍵的設(shè)計(jì)保證參照完整性規(guī)則[1].

圖10 48ms撞擊力等高線圖

圖11 75ms撞擊力等高線圖

1.4 數(shù)據(jù)庫的實(shí)施

參照轉(zhuǎn)換成功的關(guān)系模型，本文在Microsoft SQL Server 2005開發(fā)環(huán)境中編寫Transact－SQL代碼建立起以“CRASHLOAD”為命名的汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫實(shí)例.汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫的實(shí)施分為兩個(gè)階段:數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建和數(shù)據(jù)庫中邏輯對(duì)象的創(chuàng)建.先創(chuàng)建汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)文件，再將數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)－關(guān)系模型－中的對(duì)象創(chuàng)建到數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)文件的“容器”中.

1.5 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

由于單次汽車—測力墻碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)量龐大，手工錄入試驗(yàn)數(shù)據(jù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且準(zhǔn)確性低.為了解決這一問題，本文利用Microsoft SQL Server 2005自帶的SQL Server Business Intelligence Development Studio開發(fā)出一套程序包，并集成到Math-Works MATLAB R2010a GUI設(shè)計(jì)工具(GUIDE)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能模塊的用戶界面中，專門用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的大批量自動(dòng)導(dǎo)入.

2 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序開發(fā)

應(yīng)用程序是用戶與汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫交互的接口，用戶需要通過應(yīng)用程序才能使用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù).本文采用MathWorks MATLAB R2010a為開發(fā)平臺(tái)，以MATLAB語言為基礎(chǔ)通過ODBC連接訪問Microsoft SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，完成對(duì)汽車碰撞數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的調(diào)用.并使用GUI設(shè)計(jì)工具開發(fā)出應(yīng)用程序用戶界面，方便用戶使用.

3 碰撞載荷特征的提取與分析

碰撞載荷特征主要通過汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用程序的后處理模塊的相關(guān)功能提取.碰撞載荷特征主要包括汽車—測力墻碰撞試驗(yàn)時(shí)車輛施加在測力墻上的撞擊力大小、分布及其作用高度.

雖然碰撞載荷特征是從測力墻所記錄的撞擊力提取得來，但由于測力墻所記錄的撞擊力與車輛所受到的撞擊力是一對(duì)作用力與反作用力，因此可以用所提取出的碰撞載荷特征表征車輛本身的特性，并可用于車輛的耐撞性和相容性研究中.

3.1 撞擊力大小和分布

撞擊力主要通過三種方式顯示:柱狀圖、曲線圖和等高線圖.本文利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用程序調(diào)用數(shù)據(jù)庫中試驗(yàn)編號(hào)為“07481”[3]的汽車—測力墻碰撞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，分析此次試驗(yàn)中的碰撞載荷特征.圖3為試驗(yàn)車輛與測力墻之間位置關(guān)系的投影.

撞擊力柱狀圖形象地表征出各個(gè)測力單元所記錄的撞擊力的最大值，突出各個(gè)離散的測力單元所記錄的撞擊力大小的對(duì)比.如圖4所示，編號(hào)為“B03”(第2行第3列)、“B06”(第2行第6列)和“B07”(第2行第7列)的測力單元所受到的撞擊力較大，主要原因是它們剛好對(duì)應(yīng)車輛在碰撞中的主要承力部件－前縱梁區(qū)域.

撞擊力的曲線圖表征試驗(yàn)中單個(gè)測力單元所記錄的撞擊力大小(圖5)或者所有測力單元記錄的撞擊力的總和(圖6)隨時(shí)間變化的關(guān)系.

撞擊力等高線圖通過線性插值運(yùn)算，將各個(gè)離散測力單元在試驗(yàn)中所記錄的撞擊力在以整個(gè)測力墻撞擊面為顯示區(qū)域中分段連續(xù)化，用以表征測力墻撞擊面各個(gè)動(dòng)態(tài)顯示區(qū)域所受到撞擊力的大小.結(jié)合圖6至圖11可知，試驗(yàn)過程中1ms時(shí)刻車輛已經(jīng)與測力墻接觸，圖7中顯示車輛前端保險(xiǎn)杠中部(“B05”測力單元)開始受力;6ms時(shí)刻測力墻主要受力區(qū)域分為兩個(gè)(“B03”，“B06”和“B07”測力單元)，表明車輛左右前縱梁前端的吸能盒開始受力;27ms時(shí)刻車輛左側(cè)前縱梁所受到的撞擊力達(dá)到最大值(“B06”測力單元);48ms時(shí)刻等高線圖所顯示的受力區(qū)域向左上角和右上角擴(kuò)展，表明車輛兩側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙上縱梁開始受力;75ms時(shí)刻整個(gè)測力墻區(qū)域受力明顯減小，表明車輛已經(jīng)開始回彈.

圖12 撞擊力高度

3.2 撞擊力高度

Stephen Summers[4]使用撞擊力平均高度(AHOF)作為評(píng)價(jià)車輛相容性的一個(gè)重要指標(biāo).撞擊力平均高度是撞擊力高度(HOF)在時(shí)間歷程0～t上的平均值.在任意時(shí)刻t，將測力墻所有測力單元記錄的各個(gè)撞擊力等效合成為一個(gè)作用于測力墻撞擊面上的集中力，這個(gè)集中力的作用點(diǎn)距離地面的高度就是t時(shí)刻的撞擊力高度.

其中:AHOF(t):t時(shí)刻的撞擊力平均高度;HOF(t):t時(shí)刻的撞擊力高度;Fi(t):第i塊測力單元t時(shí)刻所記錄的撞擊力;Hi:第i塊測力單元撞擊面的幾何中心距離地面的高度;N:試驗(yàn)時(shí)測力墻所包含的測力單元塊數(shù);

在車輛與測力墻接觸的初期和末期，車輛作用在測力墻上的撞擊力較小，即式(3)中分母較小，計(jì)算出來的AHOF(t)的值不穩(wěn)定.一般，為了得到穩(wěn)定的數(shù)值，在t∈[T1，T2]?(0，T)的時(shí)間區(qū)間內(nèi)計(jì)算AHOF(t)，其中T是車輛與測力墻分離的時(shí)刻.一般將t=T2時(shí)AHOF(t)的值稱為撞擊力平均高度.

試驗(yàn)“07481”中，撞擊力高度隨時(shí)間的變化過程(HOF)和撞擊力平均高度隨時(shí)間的變化過程(AHOFconverge)以及最終的撞擊力平均高度的值(AHOF)如圖12所示.撞擊力高度呈現(xiàn)“先上升后下降”的趨勢.試驗(yàn)中車輛前端保險(xiǎn)杠的中部一般先接觸測力墻，因此在車輛與測力墻接觸的初期撞擊力高度一般與車輛保險(xiǎn)杠的高度相近;隨著試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，車輛上越來越多的位置高于保險(xiǎn)杠的部件(散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋及發(fā)動(dòng)機(jī)艙上縱梁等)參與到與測力墻的接觸中，撞擊力高度呈現(xiàn)“先上升”的趨勢;之后由于車輛的速度急劇下降造成車身的俯仰運(yùn)動(dòng)，帶來車輛前端不斷下沉，引起撞擊力在測力墻上的作用位置下移，撞擊力高度因此出現(xiàn)“后下降”的趨勢.

4 結(jié)論

本文以國內(nèi)某一次汽車—測力墻碰撞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)用戶需要利用基于E－R模型的設(shè)計(jì)方法，采用Microsoft SQL Server 2005作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，建立了汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫.在MathWorks MATLAB R2010a平臺(tái)上，利用GUI設(shè)計(jì)工具及MATLAB編程語言開發(fā)出了利用ODBC連接訪問SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序.利用應(yīng)用程序調(diào)用數(shù)據(jù)庫中試驗(yàn)編號(hào)為“07481”的汽車—測力墻碰撞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，提取并分析了該次試驗(yàn)中的撞擊力大小、撞擊力分布以及撞擊力高度等碰撞載荷特征，為汽車的耐撞性及相容性研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

[1]王珊，薩師煊.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論[M].第四版.北京:高等教育出版社，2006.5，49 －49，201 －208，224 －225.

[2]ISO/TS 13499–RED A:2005(E)Road Vehicles—Multimedia Data Exchange Format for Impact tests Related Electronic Document A Examples and Hints Version 1.4[S].

[3]Steven D.Matsusaka，F(xiàn)rank Richardson.Final Report of New Car Assessment Program Testing of a 2012 Hyundai Tucson GLS AWD PZEV 5 － Door MPV NHTSA No.MC0506[EB/OL].http://www － nrd.nhtsa.dot.gov/database/aspx/getmedia.aspx?tstno=7481＆index=1＆database=V＆type=R，2011.10.31.

[4]Stephen Summers，William T.Hollowell，Aloke Prasad.Design Considerations for a Compatibility Test Procedure[J].SAE Technical Paper Series，2002 －01 －1022.

[5]黃傳真，莊新強(qiáng)，鄒斌，等.汽車覆蓋件模具鋼高速切削數(shù)據(jù)庫的研究[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，41(5):9 －12，25.