PC—CRASH仿真系統(tǒng)在交通事故處理課程教學(xué)中的應(yīng)用

黎曉龍 劉杰元

【摘要】目前公安院校學(xué)歷教育及在職民警培訓(xùn)的交通事故處理課程教學(xué)中并不具備在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)的條件，學(xué)員對(duì)交通事故車輛碰撞、相關(guān)參數(shù)及交通事故發(fā)生過(guò)程的認(rèn)識(shí)常停留在理論層面，無(wú)法有效地解決交通事故處理中存在的問(wèn)題。本文詳細(xì)地闡述了如何使用Pc-Crash仿真系統(tǒng)模擬再現(xiàn)交通事故過(guò)程，模塊化地實(shí)現(xiàn)Pc-Crash仿真系統(tǒng)在交通事故處理課程教學(xué)中的使用方法，主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查與輸入模塊、車輛模型建立模塊、交通事故碰撞模塊、仿真與評(píng)價(jià)模塊，能有效彌補(bǔ)上述不足，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)交通事故碰撞機(jī)理的認(rèn)識(shí)和理解，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

【關(guān)鍵詞】交通事故 碰撞 教學(xué) Pc-Crash仿真 模塊

【基金項(xiàng)目】公安部應(yīng)用創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目《基于云技術(shù)的虛擬公安辦公系統(tǒng)》，基金號(hào)：2011YYCXZJST046。

【中圖分類號(hào)】U491 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2014）12-0205-02

交通事故處理課程是道路交通管理專業(yè)的重要課程，交通事故處理也是交通警察的重要工作。近年來(lái)，所有公安院校均已開(kāi)設(shè)了交通事故處理等相關(guān)課程，如交通事故現(xiàn)場(chǎng)攝影技術(shù)、交通事故再現(xiàn)技術(shù)、交通事故鑒定技術(shù)等，在學(xué)歷教育、在職民警培訓(xùn)的教學(xué)過(guò)程中，為了提高學(xué)生、民警對(duì)交通事故碰撞過(guò)程的理解，需要對(duì)碰撞形態(tài)、碰撞參數(shù)設(shè)置及其參數(shù)不確定性進(jìn)行分析，分析方法主要包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)，考慮到學(xué)員、教官的人身安全、實(shí)驗(yàn)資金等因素，現(xiàn)場(chǎng)車輛碰撞不能輕易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此，有必要系統(tǒng)的提出基于仿真實(shí)驗(yàn)的交通事故處理課程教學(xué)與分析方法。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者已使用計(jì)算機(jī)仿真的方法對(duì)交通事故處理問(wèn)題展開(kāi)了較多的研究，在交通事故處理課程的教學(xué)中，需選用一款成熟、穩(wěn)定、可靠且擴(kuò)展性強(qiáng)的，能滿足各種不同類型研究需求的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。Pc-Crash仿真軟件是應(yīng)用動(dòng)量/沖量法進(jìn)行交通事故再現(xiàn)的典型軟件，是奧地利的Steffan博士以 Kudlich-Slibar模型為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)。Pc-Crash可以對(duì)機(jī)動(dòng)車與機(jī)動(dòng)車、機(jī)動(dòng)車與固定物的交通事故進(jìn)行再現(xiàn)，還可以對(duì)機(jī)動(dòng)車與行人及翻車的交通事故類型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，該軟件可以同時(shí)模擬32輛車多次碰撞并進(jìn)行完全的三維動(dòng)畫顯示。本文將基于Pc-Crash計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，闡述在交通事故處理課程教學(xué)中如何實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)交通事故碰撞的仿真模擬以及應(yīng)注意的相關(guān)專業(yè)問(wèn)題。

1.基于Pc-Crash的交通事故再現(xiàn)流程

利用Pc-Crash仿真軟件再現(xiàn)交通事故過(guò)程，其優(yōu)勢(shì)在于Pc-Crash既擁有豐富的車輛數(shù)據(jù)庫(kù)又能清晰而高效地仿真交通事故元素在交通事故中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在Pc-Crash仿真中，首先將事故車輛置于事故痕跡開(kāi)始點(diǎn)，其中包括空間點(diǎn)和時(shí)間點(diǎn)，并通過(guò)該仿真軟件界面中的“Sequences”菜單設(shè)置車輛不同時(shí)刻、不同位置的制動(dòng)情況、轉(zhuǎn)向角等參數(shù)，然后反復(fù)仿真，同時(shí)優(yōu)化碰撞過(guò)程，讓車輛運(yùn)動(dòng)并自動(dòng)判別與其它交通事故元素的碰撞。利用Pc-Crash仿真交通事故過(guò)程有三個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題需要解決：一是接觸點(diǎn)的確定，交通事故接觸點(diǎn)是指車輛碰撞瞬間接觸部位在地面的正投影，可以通過(guò)制動(dòng)痕跡的拐點(diǎn)，滑移痕跡的起點(diǎn)，散落物的起點(diǎn)等進(jìn)行分析判斷，需要認(rèn)真調(diào)查，仿真時(shí)必須保證在接觸點(diǎn)位置車輛開(kāi)始碰撞，這需要反復(fù)仿真測(cè)試，控制難度大；二是整個(gè)過(guò)程既要控制交通事故車輛碰撞前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，又要控制碰撞位置、角度、能量損失等參數(shù)，還要控制車輛碰撞后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使仿真中的痕跡與交通事故中的痕跡相吻合，控制難度很大，需要花費(fèi)大量時(shí)間反復(fù)仿真優(yōu)化才有可能實(shí)現(xiàn)；三是碰撞導(dǎo)致的車體變形等很有價(jià)值的痕跡在該方法中如何得到有效的利用。考慮到Pc-Crash的相關(guān)特點(diǎn)，可分步仿真交通事故，即先仿真碰撞前車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再仿真車輛碰撞及碰撞后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，具體流程如圖1所示。

圖1 Pc-Crash交通事故再現(xiàn)流程

Fig.1 Pc-Crash reconstruction flow chart

2.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查與輸入

使用Pc-Crash仿真系統(tǒng)模擬交通事故，進(jìn)行交通事故處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，首先勘查交通事故現(xiàn)場(chǎng)，采集相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，標(biāo)定仿真中交通事故現(xiàn)場(chǎng)元素的基礎(chǔ)屬性。需采集和調(diào)研的數(shù)據(jù)主要包括：道路數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)、車體與道路的附著系數(shù)及其他數(shù)據(jù)。

2.1道路參數(shù)采集與輸入

道路參數(shù)的作用是為仿真交通事故發(fā)生地點(diǎn)道路環(huán)境建立而做的準(zhǔn)備。需要調(diào)查的道路參數(shù)主要包括：路段車道數(shù)、車道寬度、車道坡度，交叉口進(jìn)口道分車道功能的車道數(shù)與車道寬度，交通安全設(shè)施，道路環(huán)境。在Pc-Crash交通事故再現(xiàn)仿真中，道路參數(shù)數(shù)據(jù)主要通過(guò)仿真軟件界面中的“DXF”模塊輸入。

2.2車輛數(shù)據(jù)與輸入

車輛數(shù)據(jù)是為了標(biāo)定仿真中的車輛基本特性、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需采集的車輛數(shù)據(jù)主要包括：①機(jī)動(dòng)車的品牌型號(hào)；②機(jī)動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)排量、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、外形尺寸、軸距、重量。以上車輛數(shù)據(jù)可直接在Pc-Crash界面中的“ ”車輛數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中進(jìn)行輸入。③機(jī)動(dòng)車重心位置，該數(shù)據(jù)在Pc-Crash仿真中的車輛數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中默認(rèn)設(shè)定（50/50的重量分布），也可以根據(jù)實(shí)際情況在Pc-Crash仿真中的車輛數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中輸入實(shí)測(cè)重心位置。車輛數(shù)據(jù)將會(huì)直接作用于交通事故的碰撞程度，在車體勘驗(yàn)中需認(rèn)真仔細(xì)的調(diào)查數(shù)據(jù)。④車輛發(fā)生交通事故前瞬間的車輛速度，在Pc-Crash仿真界面中的“Sequences”車輛運(yùn)行狀態(tài)模塊中輸入通過(guò)GA/T1133-2014和GA/T643-2006的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)分析獲得的值。

2.3車輛輪胎及其與道路的附著系數(shù)輸入

車輛輪胎的外形尺寸可以通過(guò)“Tire model”模塊進(jìn)行輸入。附著系數(shù)的大小，主要取決于路面的種類和干燥狀況，并且和輪胎的結(jié)構(gòu)、胎面花紋以及行駛速度都有關(guān)系。車輛輪胎或車體（翻車交通事故）與道路的附著系值的大小直接決定了車體的制動(dòng)距離和滑移距離。需調(diào)查的不同車輛輪胎與不同性質(zhì)道路的附著系數(shù)主要包括：①車輛輪胎與不同性質(zhì)道路的制動(dòng)附著系數(shù)，如車輛輪胎與瀝青道路的制動(dòng)附著系數(shù)，在GA/T643-2006可以查詢到一個(gè)范圍區(qū)間，在Pc-Crash仿真中使用“Sequences-brake1”模塊輸入；②發(fā)生碰撞后車輛輪胎與不同性質(zhì)的道路的滑移附著系數(shù)，其中包括橫向滑移和旋轉(zhuǎn)滑移附著系數(shù)，在GA/T643-2006可以查詢到一個(gè)范圍區(qū)間，在Pc-Crash仿真中通過(guò)“Sequences-brake1”模塊輸入；以上附著系數(shù)的值在實(shí)踐操作中可以通過(guò)在GA/T643-2006國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照查詢，也可以通過(guò)擺式附著系數(shù)測(cè)量?jī)x進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，還可以利用事故車輛或與事故車輛相同品牌型號(hào)的車輛進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)獲得。

3.交通事故碰撞模型

交通事故碰撞模型是Pc-Crash事故仿真中最為重要的物理模型。碰撞模型的定義是否正確直接關(guān)系到事故再現(xiàn)的精確度和可信程度。一個(gè)碰撞模型包含：碰撞點(diǎn)、碰撞角度、沖擊力及碰撞過(guò)程中駕駛?cè)瞬扇〉拇胧┑?個(gè)方面的數(shù)據(jù)，在定義碰撞模型時(shí)，用戶必須根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，交通事故發(fā)生時(shí)，當(dāng)沖擊力不是非常大時(shí)，在碰撞過(guò)程中，駕駛?cè)说拇胧?huì)很大程度上影響碰撞后車輛的運(yùn)行狀態(tài)及停止位置。Crash Simulation （F8）碰撞仿真對(duì)話框用來(lái)定義和改變碰撞參數(shù)，仿真交通事故現(xiàn)場(chǎng)的最大道路長(zhǎng)度為200m。

3.1仿真模型的選擇

按照流程，參與碰撞車輛的初始位置、車輛參數(shù)、附著系數(shù)及順序參數(shù)都已確定，下面是確定仿真參數(shù)，首先，使用者要選擇仿真模型，仿真采用的是三維動(dòng)力學(xué)模型，時(shí)間步長(zhǎng)多數(shù)情況下選擇為 0.5ms，但當(dāng)使用者需要用到車輛碰撞前的運(yùn)動(dòng)路徑的時(shí)候，就應(yīng)該選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。當(dāng)碰撞沖擊力不大，碰撞后路徑也可以進(jìn)行定義，因?yàn)榇藭r(shí)駕駛?cè)藶榱私档团鲎矒p失，可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，使車輛運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變。如圖2、圖3所示，案例中的交通事故發(fā)生在鄂爾多斯，結(jié)合交通事故視頻制作的仿真分析，說(shuō)明駕駛?cè)嗽谂鲎策^(guò)程中通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤來(lái)改變車輛碰撞后的運(yùn)動(dòng)路徑。

圖2 Pc-Crash車輛碰撞前仿真

Fig.2 Pc-Crash reconstruction before vehicles crashing

圖3 Pc-Crash碰撞后仿真

Fig.3 Pc-Crash reconstruction after vehicles crashing

定義車輛運(yùn)動(dòng)路徑，在Pc-Crash中使用“Define path points”模塊輸入，經(jīng)過(guò)多次碰撞仿真，分析比對(duì)交通事故現(xiàn)場(chǎng)痕跡與車體痕跡，確定以上仿真結(jié)果。通過(guò)視頻資料與仿真3D效果圖（如圖4）觀測(cè)，車輛在碰撞的過(guò)程中輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)影響碰撞后車輛的運(yùn)行軌跡。

圖4 Pc-Crash 3D效果圖

Fig.4 Pc-Crash 3D picture

3.2碰撞點(diǎn)坐標(biāo)、回彈系數(shù)、能量變化量的確定

交通事故碰撞點(diǎn)的確定可以通過(guò)建立局部坐標(biāo)系、碰撞車輛的損壞程度來(lái)確定，這就要求考慮到車輛碰撞時(shí)的回彈系數(shù)，這是因?yàn)樵趐c-crash中碰撞點(diǎn)的定義是：在完全碰撞中兩車達(dá)到相同速度時(shí)的那一點(diǎn)。在這一點(diǎn)，動(dòng)量發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是碰撞發(fā)生的最后相位，接下來(lái)車輛分開(kāi)。在這種情況下車輛變形分為塑性變形和彈性變形，所以，下一步是定義車輛的能量變化（EES），Pc-Crash可以準(zhǔn)確的分配碰撞過(guò)程中每輛車發(fā)生的能量變化，通過(guò)比較碰撞車輛的變形與Pc-Crash數(shù)據(jù)庫(kù)中車輛變形，當(dāng)兩者圖片差不多時(shí)認(rèn)為變形能相當(dāng)，一般情況下，車輛變形的回彈系數(shù)為0.10～0.15。

4.Pc-Crash數(shù)據(jù)輸出模塊

數(shù)據(jù)輸出模塊是最能體現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)價(jià)值的部分。對(duì)比實(shí)地實(shí)驗(yàn)，一方面，在仿真實(shí)驗(yàn)中，能無(wú)限制的精確重復(fù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，并可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，控制仿真的速度與精度，這是在實(shí)地車輛碰撞實(shí)驗(yàn)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。另一方面，在仿真中能實(shí)時(shí)地精確獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)如車體變形量、道路路面痕跡等，能直接對(duì)碰撞模型設(shè)定進(jìn)行衡量，也是在實(shí)地實(shí)驗(yàn)中無(wú)法做到的。車輛碰撞過(guò)程數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 車輛碰撞過(guò)程數(shù)據(jù)

Table 1 data of vehicles crashing

在交通事故處理課程的教學(xué)中，無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)中對(duì)碰撞模型以及參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)員無(wú)法直觀地觀察到模型和參數(shù)的改變對(duì)交通事故的影響。因此，基于仿真系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法成為必然選擇。本文詳細(xì)、系統(tǒng)和模塊化地闡述了Pc-Crash仿真系統(tǒng)用于分析交通事故的發(fā)生過(guò)程，從交通事故再現(xiàn)流程、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)研與輸入、碰撞模型的建立、仿真與評(píng)價(jià)，結(jié)合筆者的使用經(jīng)驗(yàn)，提出了在使用仿真軟件時(shí)所應(yīng)注意的事項(xiàng)。本文所闡述的內(nèi)容能很好的指導(dǎo)交通事故處理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，增強(qiáng)學(xué)員對(duì)分析交通事故過(guò)程的深層次認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力。

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作者簡(jiǎn)介：

黎曉龍（1978-），廣東江門人，內(nèi)蒙古警察職業(yè)學(xué)院，講師，碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)榻煌ㄐ盘?hào)控制、交通事故再現(xiàn)。