基于PC-Crash車人碰撞事故再現(xiàn)研究

朱路生，潘公宇，張學榮

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著我國經濟的快速發(fā)展，國內的汽車保有量日益增加。加上道路條件落后，駕駛員和行人安全意識的薄弱等眾多因數(shù)的影響，道路交通事故已經成為刻不容緩的問題。而在復雜的道路交通事故中，行人受到的保護幾乎為0，汽車與行人的碰撞事故已是道路交通事故中的一種重要類型。據(jù)資料[1]顯示，2010年，我國道路交通事故共造成65 225人死亡，其中行人死亡人數(shù)為16 045，占總死亡人數(shù)的24.5%。相對于駕駛員和乘員，行人在交通道路事故中傷亡程度相當嚴重。車人碰撞事故數(shù)所占總事故數(shù)的百分比在美國約為12%，在歐洲和日本約為15%，30%[2]。這樣高的行人死亡人數(shù)及死亡率使得對車人事故再現(xiàn)和事故鑒定提出較高的要求。因此，有必要對車人事故再現(xiàn)方法和技術進行研究。

1 PC-Crash軟件簡介

PC-Crash是奧地利的Hermann Steffan博士以Kudlich-Slibar模型為基礎開發(fā)的軟件系統(tǒng)，其應用的碰撞模型屬于動量模型。它以運動學，動力學的原理，如速度、加速度關系式、牛頓定律、尤拉算式及動量守恒、能量守恒原理等為基礎，建立多組物理和數(shù)學模型，以反映事故過程中事故諸元素的相對運動及相互作用狀態(tài)和內在聯(lián)系。其作為一種交通事故再現(xiàn)軟件，在國內已被廣泛地應用。軟件里包含了車輛模型庫和人體模型庫，在仿真模擬時可以直接調用并適當修改參數(shù)。將車輛視作剛體，行人模型則基于多剛體動力學建立的，包括了15個剛體，每個剛體分別代表頭部、胸部、盆骨、上肢、下肢等，各剛體之間通過鉸鏈連接。人體外形用橢球體描述，橢球體參數(shù)及剛體的質量、接觸剛度、摩擦系數(shù)等可以指定。該軟件的優(yōu)點就是可以充分利用碰撞事故現(xiàn)場遺留的信息來實現(xiàn)事故再現(xiàn)。應用此軟件分析碰撞事故的過程大致為以下幾步：

1)繪制事故現(xiàn)場圖。根據(jù)事故現(xiàn)場，繪出車的停止位置和人的落點位置、車輪軌跡等。

2)建立車和人體的模型。根據(jù)采集的事故車輛與人體的信息，從模型庫中調用車輛及人體模型，并修改其參數(shù)。

3)設置車輛與行人的初始位置。初步估計車輛與行人的初始位置，并在軟件中設置。

4)設置行駛參數(shù)。輸入車輛行駛狀況參數(shù)，如制動、轉向等。

5)模擬人車的碰撞及驗證。通過多次調整車速、摩擦系數(shù)、碰撞位置等，模擬碰撞過程，直到模擬結果與真實情況基本符合。

2 案例介紹

2011年某日，一男性駕駛員駕駛小型普通客車，由南向北行駛至某沿海高速公路上行線出口處停車后，其車上一女性乘客下車，由東向西步行橫穿高速公路時與另一男性駕駛員駕駛的由南向北行駛的轎車碰撞，發(fā)生道路交通事故，致女者當場死亡，車輛損壞。事故車輛的型號為奧迪牌FV720TCVT型轎車，發(fā)生碰撞時，狀況良好。車主要參數(shù)如表1。

表1 事故車輛主要參數(shù)

事故發(fā)生時，天氣晴朗，道路為瀝青路面。事故造成車輛右大燈開裂，發(fā)動機蓋右前方有很明顯的變形，擋風玻璃下沿靠右有放射性裂紋，右大燈下方的保險杠有部分脫落。尸檢報告顯示：行人頭部有嚴重的軟組織挫傷，頭顱有裂紋，顱內有積血、胸部的肋骨有骨折，肺部受到擠壓、左大腿外側皮膚挫傷，膝關節(jié)有嚴重骨折。頭部和胸部受到劇烈的撞擊是造成行人當場死亡的主要原因，行人傷害等級AIS(abbreviated injury scale)為6級，屬于最大傷害。

道路交通事故現(xiàn)場草圖(圖1)顯示了事故發(fā)生的位置、事故發(fā)生后的行人落點位置、事故車輛的最終停止位置。

圖1 事故現(xiàn)場草圖Fig.1 Accident scene sketch

3 事故現(xiàn)場重建

根據(jù)交通事故現(xiàn)場草圖，在PC-Crash主界面里建立道路模型。道路模型長100 m，三車道寬均為3.7 m。事故車輛為奧迪牌FV720TCVT，在軟件中調入定制的車輛模型，然后根據(jù)實際采集到的車輛外形參數(shù)，修改車輛模型，圖2顯示了車輛主要的輪廓參數(shù)，其他參數(shù)采用默認值。調入PC-Crash軟件中自帶的行人模型，并修改外形參數(shù)，此事故中女性行人的身高為1.60 m，體重為58 kg。

圖2 車輛模型Fig.2 Vehicle model

4 仿真及分析

4.1 事故現(xiàn)象勘測參數(shù)

事故現(xiàn)場主要勘測到對再現(xiàn)結果有影響的參數(shù)有，汽車制動印跡不清晰，但可判斷起始點位置、地面摩擦系數(shù)μ為0.7左右、汽車和行人的最終位置、行人落地瞬間位置、行人散落物位置、汽車的損壞位置、行人的損傷情況、行人空中飛行時最高點(目擊證人提供，約為0.8 m)。

4.2 一些數(shù)據(jù)的初步估計

4.2.1 汽車速度

雖然制動印跡不清晰，但可以根據(jù)行人拋距公式(1)初步估計汽車速度v：

(1)

式中：h為行人被拋出時重心高度，m；s為行人拋距，m。

因此，由式(1)得到汽車初始速度v= 101 km/h。

4.2.2 碰撞點

根據(jù)駕駛員及目擊證人口供判斷，碰撞點與制動印跡起始點的距離約為9 m，另外現(xiàn)場遺落的行人鞋子位置也大約在9 m處。

4.3 正交法試驗法安排試驗

以改變參數(shù)模擬后車輛的位置與實際車輛停止位置的位移為輸出(以下簡稱位移)。選取表2中8個主要參數(shù)，每個參數(shù)設3個水平，因數(shù)水平的選取依據(jù)事故的實際情況而定。

表2 參數(shù)水平

選用正交表L27(313)，在PC-Crash軟件模擬輸出位移，觀察結果。模擬結果如表3。

表3 L27(313)Table 3 Orthogonal layout of L27 (313)

4.4 對正交表結果分析

極差分析方法可以反映各參數(shù)水平變動時，結果指標的變動幅值。極差大說明參數(shù)對指標的影響大，即權重大，所以可以用極差的大小作為參數(shù)權重，排出參數(shù)主次關系。

極差={ |xi1-xi2|，|xi2-，xi3|，|xi3-，xi1| }max

其中：xi1，xi2，xi3分別是參數(shù)i的水平1、水平2、水平3所得位移指標平均值。計算得到各參數(shù)極差如表4。

表4 各參數(shù)極差

表4顯示了參數(shù)權重大小依次為：車速>減速度>行人速度>車身偏角>碰撞點>摩擦系數(shù)>駕駛員反應時間>行人朝向。

4.5 模擬分析

按照參數(shù)權重的大小不同，通過微調車人的初始輸入，以使得車人碰撞接觸位置，碰撞點與事故信息相吻合以及碰撞后車人的最終位置與事故現(xiàn)場位置盡可能吻合。當誤差值在允許的范圍內時，則認為仿真結果是合理的。當仿真結果與事故現(xiàn)場吻合度較高時，各輸入參數(shù)為：車輛速度98 km/h、行人速度6 km/h、車身初始偏角-4.5°、駕駛員在碰撞后采取了全制動，將制動踏板踩到死、反應時間0.8 s、行人初始角度64°、車輛與地面的摩擦系數(shù)0.7、行人與地面的摩擦系數(shù)0.7，行人與車輛的摩擦系數(shù)0.2。圖3顯示了車人碰撞的全過程。

圖3 碰撞模擬過程Fig.3 Process of collision simulation

t= 0 ms時，駕駛員正常行駛，由于速度很快，碰撞時未及時采取制動措施；碰撞后駕駛員采取了全力制動，將制動踏板踩到底。行人為了避免事故，本能地往自身右方準備掉頭。

t= 25 ms時，車和行人開始接觸，行人的左大小腿分別與車輛的右大燈、保險杠處接觸，因此導致行人左大腿受傷，膝關節(jié)有骨折。車輛和人的接觸位置與實際車輛的損壞位置相符合。

t= 120 ms時，行人側翻過程中，頭部與擋風玻璃右下角處發(fā)生碰撞，碰撞位置與實際的擋風玻璃破損位置相符合。

t= 155 ms時，行人側翻后，完全脫離車輛，在空中做復雜的旋轉運動。

t= 2 500 ms時，行人頭部與地面接觸，落點位置與事故現(xiàn)場吻合。

t= 3 515 ms時，行人經空中旋轉后，落地時頭部率先與地面接觸，然后在地面滑行，最終停止在此位置。

5 仿真結果準確度分析

5.1 用位置誤差判斷仿真結果的準確度

交通道路二維再現(xiàn)結果的總體平均相對誤差在5%左右，三維再現(xiàn)誤差在7%左右[3]。由表5看出，仿真結果與實際測量值的誤差在允許的誤差范圍內。

表5仿真結果與事故現(xiàn)場測量值的誤差

Table5Errorsbetweensimulationresultsandthemeasuredvaluesinfiled

5.2 用行人損傷來判斷仿真結果的準確度

模擬仿真中影響頭部損傷程度的因素為載荷大小以及加速度的持續(xù)時間，所以選擇頭部損傷判據(jù)HIC(Head Injury Criterion)作為行人頭部損傷程度的判斷依據(jù)[4]，計算公式為[5]：

(2)

式中：t1，t2為使HIC達到最大值的時間段的起始和結束時間；T0，TE為碰撞起始時刻和碰撞結束時刻；a為頭部合成加速度。

圖4顯示，行人頭部與擋風玻璃的碰撞導致頭部合成加速度第1次達到峰值，t= 120 ms時，約為1 800 m/s2。之后行人落地，與地面發(fā)生碰撞，并在地面滑行時，頭部受到了2次傷害，其間最大合成加速度約為2 500 m/s2。

圖4 行人頭部加速度Fig.4 Head acceleration of the pedestrian

由式(2)計算得到仿真中HIC=1 732，發(fā)生在落地后的時間段。此值遠遠超過了安全界限值1 000[6]。

由圖5[7]知，行人確實受到AIS6級傷害，所以頭部損傷是造成行人死亡的主要原因，與實際情況相符合。

圖5 AIS與HIC關系曲線Fig.5 Relation curve between AIS and HIC

圖6為行人胸部的加速度曲線，仿真中行人的胸部加速度有2次較大的峰值，分別為1 480，1 100 m/s2。第1次是開始碰撞時胸部受到了車輛的急劇撞擊造成的，第2次是因為從空中落地且在路面滑行造成的。兩次胸部合成加速度均超過標準界限60 g[8]，與實際的行人胸部嚴重受損情況相符合。

圖6 胸部加速度曲線Fig.6 Chest acceleration curve

6 結 語

利用交通事故再現(xiàn)軟件PC-Crash，重建車人碰撞事故現(xiàn)場，以正交法可以判斷出參數(shù)的權重，但是不同事故類型的主要參數(shù)是不同的，主要參數(shù)的選取要根據(jù)實際的事故情況，充分利用現(xiàn)場的人車位置信息和行人損傷來驗證了仿真結果的合理性。利用計算機軟件對交通事故進行再現(xiàn)模擬仿真，為交通處理部門準確，客觀地處理道路交通事故提供了良好的方法。

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