事故再現(xiàn)中不利天氣仿真系統(tǒng)開發(fā)

周 揚，崔 靜，劉永濤

(1.西安航空學院車輛工程系，西安 710077;2.西安市蓮湖區(qū)大興實驗小學，西安 710014;3.長安大學汽車學院，西安 710064)

有研究表明，在不利天氣如降雨、降雪、大霧天氣下，交通事故發(fā)生的概率大大增加，并且一旦事故發(fā)生，造成的人員傷亡與財產(chǎn)損失往往非常嚴重［1］。事故發(fā)生后的關(guān)鍵是對事故進行公正、科學的處理，最終進行責任判定。目前，利用計算機技術(shù)輔助分析交通事故并對事故發(fā)生過程進行還原已成為處理事故的一種有效且直觀的方法［2］。采用這種方法對雨雪、大霧天氣下發(fā)生的事故進行再現(xiàn)分析時，須考慮這些因素對于車輛行駛安全性的影響，而為了增強事故再現(xiàn)效果的真實感及將其作為事故處理證據(jù)的說服力，對于雨雪、大霧天氣的模擬尤為必要。

目前，常用的事故再現(xiàn)軟件越來越多地應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來提高事故模擬的真實感［3］。例如在車輛模型、道路設施上摒棄簡單的二維模型轉(zhuǎn)而使用CAD軟件制作的三維模型，但該研究在對天氣的模擬方面仍為空白。本文在建立事故三維綜合演示平臺的基礎上，研究建立不利天氣仿真系統(tǒng)。

1 不利天氣對道路交通安全的影響

在不利天氣條件下，車輛安全會受到一定影響，車輛在行駛過程中發(fā)生交通事故的可能性會相應提高。在降雨條件下，雨水會使得路面濕滑，路面附著系數(shù)降低，尤其是對于高速行駛的汽車，在經(jīng)過積水路面時輪胎與路面之間會形成水膜，使附著系數(shù)進一步下降。另外，在強降雨條件下，能見度也會受到影響［4］。在降雪條件下，大氣溫度一般低于0℃，此時車輛使用性能受到影響，路面一旦出現(xiàn)積雪、結(jié)冰等現(xiàn)象，附著系數(shù)會大大降低。而對于大霧天氣來說，車輛行駛安全性的影響主要在于霧天能見度的下降導致駕駛員的視覺受到影響，進而影響駕駛員對突發(fā)情況的觀察和判斷。

不利天氣對于車輛安全的影響主要體現(xiàn)在路面附著系數(shù)下降以及能見度變差兩個方面。

對于一輛高速行駛的車輛，當駕駛員發(fā)現(xiàn)前方車輛過近或有障礙物時采取制動措施，車輛開始減速，當車速降低到一定值時，其制動距離決定了交通事故發(fā)生的可能性。制動過程分為兩個階段［5］:第一階段為駕駛員發(fā)現(xiàn)危險到做出判斷開始采取制動的過程，此階段車輛行駛的距離L1為

式中:v0為車輛行駛初速度;t1為該階段時間即制動反應時間。

第二階段為車輛制動過程，屬于純減速運動，制動距離L2為

式中:v1為車輛制動末速度;g為重力加速度;φ為路面附著系數(shù)。

車輛的制動總距離為

車輛在不利天氣下行駛，當能見度受到影響時，駕駛員發(fā)現(xiàn)危險到采取制動措施的時間會延長，尤其是在大霧天氣中，能見距離嚴重受限，此時t1會顯著增大;當車輛在濕滑、結(jié)冰路面行駛時，φ值顯著降低。這兩種情況都將導致車輛制動距離L增大［6］，車輛發(fā)生追尾等事故的可能性增加。

2 不利天氣仿真原理

2.1 雨雪天氣實現(xiàn)原理

雨雪天氣有著顯著的隨機性與復雜性，對雨雪天氣進行模擬時，普遍且有效的方法是使用粒子系統(tǒng)［7］。

粒子系統(tǒng)是一種模擬不規(guī)則模糊圖形的算法。在一個粒子系統(tǒng)中，每個粒子具有一定的初始屬性，如位置、角度、紋理、壽命等。這些屬性并不是固定不變的，在使用過程中會通過計算來實時更新粒子的相關(guān)屬性。例如對于粒子的壽命，粒子會不斷處于產(chǎn)生與消亡的過程中，當粒子滿足一定條件后即消亡，系統(tǒng)產(chǎn)生新的粒子，這使得粒子系統(tǒng)具有實時性特點［8］。另外，每個粒子的位置、紋理等屬性可在粒子存在的整個過程中進行隨機定義，該特性使得粒子系統(tǒng)能夠用來模擬一些復雜的現(xiàn)象。

使用粒子系統(tǒng)對雨雪天氣進行模擬的步驟［9］如下:

步驟1 產(chǎn)生新粒子并對其進行初始化。一般來說，在降雪過程中，雪花表現(xiàn)出不同的形態(tài)，具有不同的速度，在下降的同時會隨風飄動。而在降雨過程中，由于對車輛行駛安全性構(gòu)成影響的雨勢較大，故可忽略雨點隨風飄動的效果。對雨雪粒子的初始化是一個隨機分布的過程，可利用隨機函數(shù)進行相應賦值［10］。為了滿足事故再現(xiàn)的流暢性，將雨雪粒子初始位置固定在視點前的立方體區(qū)域內(nèi)，避免視線可見區(qū)域外雨雪粒子的產(chǎn)生，從而防止系統(tǒng)資源的浪費。設第i個雨雪粒子初始屬性為particle［i］，則:

CRect Rect;//獲取窗口尺寸

particle［i］.x=rand()%Rect.Width;

particle［i］.y=Rect.Height/2;

particle［i］.z=rand()%－d;

其中rand()為隨機函數(shù)，Rect.Width為窗口寬度，Rect.Height為窗口高度，d為粒子z方向修正常數(shù)，這些參數(shù)用來控制粒子產(chǎn)生的范圍。

步驟2 實時更新粒子屬性，產(chǎn)生動態(tài)效果。實時更新每一幀粒子的位置，以一定速率播放每一幀的靜態(tài)粒子，即形成動態(tài)的降雨、降雪效果［11］。雨雪粒子實際下落過程是一個非常復雜的過程，其運動受到重力、空氣阻力以及風力的相互作用。考慮到對其運動進行精確計算將極大增加系統(tǒng)的負擔，影響繪制速率，本文對雨雪粒子的運動進行相應簡化，使其在豎直方向上做勻加速運動，對于雪花粒子，在水平方向附加勻速旋轉(zhuǎn)運動。設粒子的下落速度用dropsp表示，rotatesp為其旋轉(zhuǎn)速度，粒子運動可表示為:

glRotatef(rotatesp，0.0f，0.0f，1.0f);

particle［i］.y－ =dropsp;

步驟3 判定粒子壽命，對消亡粒子進行再利用。雨雪粒子下落到視線外區(qū)域后即判定該粒子達到消亡條件，系統(tǒng)停止對該粒子的繪制與計算［12］。為避免刪除粒子以及產(chǎn)生新粒子帶來的系統(tǒng)開銷，對消亡粒子的屬性進行再次賦值，方法與初始化方法相同。

步驟4 繪制粒子。使用紋理融合技術(shù)［13］描繪粒子的形態(tài)，在實現(xiàn)較好視覺效果的同時提高其繪制效率。將雨滴、雪花紋理圖片綁定融合到矩形載體上，形成逼真立體的雨點、雪花效果。

2.2 大霧天氣實現(xiàn)原理

當前我國大氣污染嚴重，霧霾天氣時有發(fā)生，嚴重影響車輛的行駛安全。大霧天氣的主要特征是能見度較低，離視點較遠的物體變得模糊不清。

對于大霧的模擬可通過OpenGL霧效果實現(xiàn)。OpenGL霧效果［14］作為一種視覺模擬應用，主要用來模擬可視性受限的場合。霧效果啟用后，遠離觀察點的物體(比如車輛、道路設施)逐漸融入到霧中，其顏色與設置的霧色相融合。在霧效果中可以設置霧的濃度，濃度增加，物體融入到霧顏色中的速度增加。使用OpenGL霧效果時應首先聲明啟用霧功能，然后制定霧的濃度，必要時還可制定霧化計算的精度，從而獲得更加合適的霧效果。關(guān)鍵代碼如下:

其中，參數(shù)DENS用于控制霧的濃度，ST、ED用于控制霧產(chǎn)生的范圍。

3 不利天氣仿真系統(tǒng)

通過上述原理建立不利天氣仿真模塊，在該模塊中添加天氣強度控制功能，設置選項對雨雪粒子數(shù)量、霧濃度進行指定，根據(jù)需要實現(xiàn)小(輕)、中、大等不同強度的雨雪霧天氣。在不利天氣條件下，車輛遇到突發(fā)情況時采取緊急制動，由于路面附著系數(shù)的下降，車輛在制動過程中輪胎滑移率會有所增加［15］，輪胎在路面上會留下較長且清晰的制動痕跡。制動痕跡是輪胎與路面相對滑動而產(chǎn)生的印跡，其長度反映制動距離的長短。本文引入制動痕跡再現(xiàn)功能，駕駛員在踩下制動踏板、車輛開始減速的同時，系統(tǒng)開始繪制制動痕跡。通過相關(guān)計算可得出事故中車輛的運動軌跡。車輛的制動痕跡與其運動軌跡相關(guān)，二者間距為車輛軸距的一半。該過程代碼如下:

if(α＜0)

{glColor3f(0.0f，0.0f，0.0f);//設置車輛制動痕跡顏色

glLineWidth(2.0f);//設置痕跡寬度

glBegin(GL_LINE_STRIP);//開始繪制…

glEnd();}

本文最終建立了不利天氣仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)包含不利天氣仿真模塊、制動痕跡再現(xiàn)模塊。利用本系統(tǒng)實現(xiàn)的事故再現(xiàn)中不利天氣實時仿真流程見圖1。

圖1 不利天氣實時仿真流程

4 實例

應用本系統(tǒng)對3例真實交通事故進行事故再現(xiàn)。圖2所示事故發(fā)生在大雨天氣條件下，直行越野車由于雨天視線受到影響未及時采取制動措施而撞上左轉(zhuǎn)向三廂轎車。圖3所示事故發(fā)生在大雪天氣條件下，藍色轎車由于路面結(jié)冰導致附著系數(shù)下降，制動距離增加而撞上直行黑色卡車。圖4所示事故發(fā)生在大霧天氣條件下，大霧導致駕駛員視距下降以致后方黃色大客車追尾從輔道駛?cè)氲陌霋熵涇?。?例事故涉及的事故現(xiàn)場及天氣情況進行仿真，對車輛運動軌跡進行解算，還原事故發(fā)生過程中車輛制動所產(chǎn)生的痕跡，最終分別得到3例事故關(guān)鍵幀，如圖2～4所示。

圖2 大雨天氣下事故

圖3 大雪天氣下事故

圖4 大霧天氣下事故

5 結(jié)束語

本文針對不利天氣(如雨、雪、霧天氣)對車輛安全造成的影響進行分析并得出結(jié)論:不利天氣條件下車輛的制動距離增加，能見度下降，發(fā)生事故的可能性增加。研究對雨、雪、霧天氣進行模擬仿真，實現(xiàn)車輛制動痕跡的再現(xiàn)，最終建立不利天氣仿真系統(tǒng)。應用本系統(tǒng)對3例真實事故進行事故再現(xiàn)，結(jié)果表明該方法能為事故處理提供更為有力的依據(jù)。

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