基于PC-Crash軟件的道路交通事故再現(xiàn)技術(shù)研究進(jìn)展

何永旺 ，曾曉鋒 ，閆 文 ，李 彥 ，宋天周 ，黃 儉 ，段騰龍 ，李 立 ，李 楨

（1.昆明醫(yī)科大學(xué)法醫(yī)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.昆明市公安局交通警察支隊(duì)事故處，云南 昆明 650500）

隨著計(jì)算仿真技術(shù)和數(shù)字模擬技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用數(shù)字化方法進(jìn)行道路交通事故現(xiàn)場處理和過程分析逐漸替代了傳統(tǒng)計(jì)算方法。道路交通事故再現(xiàn)研究方法主要有動(dòng)量守恒法、能量守恒法和有限元法[1]。基于動(dòng)量守恒的軟件主要包括PC-Crash、IMPAC、J2DACSH和CARS等，基于能量守恒的軟件主要包括SMAC、CRASH和EES-ARM等，應(yīng)用有限元法進(jìn)行車輛碰撞事故再現(xiàn)的典型軟件包括LS-DYNA、MSC/DYTRAN和PAM-CRASH等。道路交通事故再現(xiàn)仿真軟件主要有 MADYMO、CRASH、TACAR 和 PC-Crash 等[2]。PC-Crash軟件（奧地利DSD公司）可對(duì)32輛以下的道路交通事故車輛進(jìn)行仿真再現(xiàn)，已被交通警察部門和鑒定機(jī)構(gòu)廣泛使用，國內(nèi)外學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了大量研究[3-19]。本文對(duì)PC-Crash軟件用于道路交通事故再現(xiàn)的相關(guān)研究進(jìn)行綜述，探討基于PC-Crash軟件的道路交通事故再現(xiàn)技術(shù)在法醫(yī)學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用及存在的一些問題，為道路交通事故仿真再現(xiàn)的研究與鑒定提供參考，同時(shí)為事故處理提供理論依據(jù)。

1 基于PC-Crash軟件的車-人碰撞事故再現(xiàn)

車-人碰撞道路交通事故較為常見，也極為復(fù)雜，傳統(tǒng)方法往往難以直接對(duì)事故進(jìn)行重現(xiàn)。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者[20]提出以PC-Crash軟件為仿真平臺(tái)，構(gòu)建事故現(xiàn)場及車、人多剛體模型，根據(jù)事故中車、人接觸部位及最終停止位置等信息對(duì)事故進(jìn)行仿真模擬，并利用人體損傷等其他事故信息驗(yàn)證仿真結(jié)果，同時(shí)采用不確定性分析理論評(píng)估所得結(jié)果的不確定度。該方法包括事故現(xiàn)場重建、車人模型建立、仿真分析及結(jié)果、仿真結(jié)果的驗(yàn)證和仿真結(jié)果不確定度評(píng)估五個(gè)步驟，主要應(yīng)用于對(duì)行人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及損傷情況的分析及車速的判斷。

1.1 車-人碰撞事故中行人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及損傷情況

在法醫(yī)學(xué)實(shí)踐中，對(duì)行人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及損傷情況的再現(xiàn)是車-人碰撞事故現(xiàn)場重現(xiàn)的重要內(nèi)容及難點(diǎn)，對(duì)判斷車速等現(xiàn)場信息具有重要的意義。國內(nèi)外研究[21-25]表明，在車-人碰撞事故中，車輛的不同類型、不同撞擊速度、行人身高和體位、不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等都會(huì)使行人發(fā)生不同的運(yùn)動(dòng)行為和損傷。范艷輝等[21]基于PC-Crash和MADYMO的計(jì)算機(jī)建模仿真方法模擬與再現(xiàn)汽車行人碰撞運(yùn)動(dòng)學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)汽車行人碰撞后的行人運(yùn)動(dòng)軌跡主要受汽車前部外形及結(jié)構(gòu)參數(shù)、汽車前端與行人身體幾何尺寸對(duì)比關(guān)系的顯著影響。在相同車速下，長頭車碰撞行人比平頭車碰撞行人造成的傷害大。林慶峰等[22]運(yùn)用PC-Crash軟件模擬高速行駛的汽車不剎車撞擊行人的過程，發(fā)現(xiàn)轎車未采取制動(dòng)措施的條件下撞擊行人后，行人拋距隨撞擊速度的增加而明顯增加。且車速越大，行人頭部接觸到汽車的時(shí)間越短，頭部受到的損傷也越大。當(dāng)行人正面、后部或側(cè)面分別與車輛前部中間位置、車輛前部右側(cè)三分之一車寬處接觸碰撞時(shí)，若事故車速小于某一臨界車速，則行人被碰撞后會(huì)經(jīng)過車輛頂部并與車頂接觸然后落到車輛后部；若事故車速大于某一臨界車速，則行人碰撞后被拋到空中，在車輛上方飛行后最終落到車輛后方的地面上，且不與車輛接觸[23]。行人身高一定的情況下，行人拋距會(huì)隨著車輛速度的增加而增大[24]。身高較低的兒童被撞擊后基本上是被撞倒或向前拋出，而身高較高的行人在車速較低時(shí)或車體較大時(shí)會(huì)被撞倒或向前拋出[25]。在實(shí)際案例中，由于撞擊部位、撞擊時(shí)的形態(tài)和車型的不同，行人身高與拋距的關(guān)系往往難以確定。行人在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下遭受撞擊后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及損傷情況的差異仍然缺乏明確的研究報(bào)道。

1.2 車-人碰撞事故中車速的計(jì)算

行車速度在現(xiàn)場重現(xiàn)以及責(zé)任劃分中起到了至關(guān)重要的作用，對(duì)各類碰撞事故中車速的計(jì)算具有重要的意義。行人與不同類型車輛碰撞的研究[26]表明，車速判斷與車輛外形有關(guān)。車輛外形決定碰撞點(diǎn)的高低，而碰撞點(diǎn)的位置對(duì)行人彈出方向又有較大影響，同時(shí)也關(guān)系到行人與車身接觸的范圍，同時(shí)行人在碰撞時(shí)的姿勢和面對(duì)的方向在一定程度上影響著行人與車輛碰撞時(shí)接觸的身體部位，進(jìn)而影響事故時(shí)車速的計(jì)算。MARTíNEZ等[27]通過析因?qū)嶒?yàn)的方法，采用影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果較大的參數(shù)（行人高度、碰撞角、車罩高度和行人路摩擦系數(shù)）和行人拋距與車速建立了回歸模型，為道路交通事故重現(xiàn)中的車速計(jì)算提供了一種新方法，縮短了事故再現(xiàn)時(shí)間。蘇海洋[23]運(yùn)用PC-Crash車-人碰撞模型，對(duì)行人的正面、后部和側(cè)面分別與碰撞車輛的中部、車頭右側(cè)三分之一車寬處的六種相撞情況進(jìn)行研究，得出了車速與行人拋距之間的擬合公式，并結(jié)合真實(shí)事故案例驗(yàn)證該公式的可行性。庹永恒等[28]在不同碰撞部位、不同碰撞角度和不同碰撞車速下對(duì)車-人碰撞事故進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得出行人與車輛在不同的碰撞部位、不同的碰撞角度下的安全車速，并指出：當(dāng)車速大于40 km/h時(shí)，行人的安全受到了極大的威脅，而且車速是影響行人傷害嚴(yán)重程度的關(guān)鍵因素，限制車速對(duì)降低行人的損傷風(fēng)險(xiǎn)非常有利。

1.3 PC-Crash軟件的仿真模擬準(zhǔn)確度驗(yàn)證

對(duì)車-人碰撞事故再現(xiàn)結(jié)果的誤差來源和影響因素的研究[29]表明：行人相對(duì)車輛質(zhì)量較小，對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響不大；調(diào)整參數(shù)時(shí)應(yīng)先滿足車輛的準(zhǔn)確度，并調(diào)整好車輛軌跡，再對(duì)行人參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。行駛距離和行人的拋距主要受車輛車速的影響，影響車輛行駛軌跡的參數(shù)主要是減速度、轉(zhuǎn)彎半徑等[29]，這為車-人碰撞事故的再現(xiàn)模擬積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。此外，利用PC-Crash仿真軟件在設(shè)置好車、人參數(shù)的情況下，可以高精度地模擬車-人碰撞過程、準(zhǔn)確地顯示行人與車輛的最終位置等信息[19]。鄒鐵方等[30]在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上引入?yún)?shù)敏感性分析方法，并將該方法運(yùn)用于PC-Crash的參數(shù)敏感性分析，最終篩選出對(duì)碰撞后車輛運(yùn)行軌跡有顯著影響的參數(shù)，表明借助正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)輔助PC-Crash進(jìn)行事故仿真模擬具有重要的意義。張勇剛[31]借助PC-Crash軟件計(jì)算出車人碰撞事故中肇事車輛的行車速度，與監(jiān)控視頻所獲得的車速進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)值基本一致，進(jìn)一步證明了PC-Crash軟件可以對(duì)車-人碰撞事故進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真再現(xiàn)。綜上所述，PC-Crash軟件的仿真模擬準(zhǔn)確度已經(jīng)得到充分的驗(yàn)證，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果。

2 基于PC-Crash軟件的車-車碰撞事故再現(xiàn)

在法醫(yī)學(xué)實(shí)踐中，經(jīng)常遇到道路交通事故現(xiàn)場除事故車以外，沒有遺留多余的線索。對(duì)于類似缺少現(xiàn)場信息的道路交通事故，通常無法直接確定事故碰撞點(diǎn)、碰撞軌跡及碰撞過程等信息，故運(yùn)用傳統(tǒng)方法無法對(duì)事故進(jìn)行分析重現(xiàn)。王曉宇等[32]根據(jù)事故車最終位置構(gòu)建車-車碰撞模型，以事故車最終位置推測事故前車輛可能行駛的車道，進(jìn)而推測碰撞點(diǎn)的所在區(qū)域，接下來不斷改變車速進(jìn)行碰撞擬合，確保車輛在碰撞后的最終位置與實(shí)際最終位置基本吻合，從而確定車速和碰撞過程，最終實(shí)現(xiàn)兩車碰撞的交通事故重現(xiàn)。作者結(jié)合實(shí)際案例，證明了該方法具有較高的準(zhǔn)確性。王宏雁等[33]詳細(xì)介紹了PC-Crash軟件中各參數(shù)在車-車碰撞事故中對(duì)仿真結(jié)果的影響，并指出參數(shù)的權(quán)重從大到小順序依次為碰撞前車速、水平接觸平面角度、減速度、摩擦因數(shù)、碰撞中心位置、車輛碰撞位置、碰撞恢復(fù)系數(shù)、重心高度和車重。同時(shí)還建立了車-車斜撞模型，為減小事故再現(xiàn)誤差提供了依據(jù)。鄒鐵方等[34]建立了基于PC-Crash的事故再現(xiàn)仿真分步方法，將多車碰撞過程劃分為多個(gè)獨(dú)立的兩車碰撞過程并分別進(jìn)行仿真，為多車碰撞事故重現(xiàn)提供了參考。

3 基于PC-Crash軟件的車輛側(cè)翻事故再現(xiàn)

國內(nèi)外研究[6-8]表明，駕駛模型與Sequence模塊是常用仿真模擬方法，可對(duì)車輛側(cè)滑事故進(jìn)行仿真再現(xiàn)。分別運(yùn)用Sequence模塊與駕駛模型對(duì)同一典型單車側(cè)滑事故進(jìn)行仿真再現(xiàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種仿真再現(xiàn)方法具有良好的互通性[35]。鄒鐵方等[6]運(yùn)用PC-Crash軟件對(duì)車輛側(cè)滑事故進(jìn)行分步重現(xiàn)，即先仿真出車輛側(cè)滑運(yùn)動(dòng)，再仿真出車輛碰撞及之后的運(yùn)動(dòng)，最終將車輛側(cè)滑事故過程重現(xiàn)出來。何烈云[36]也對(duì)PC-Crash軟件仿真車輛側(cè)翻事故的步驟進(jìn)行了介紹，即根據(jù)交通事故現(xiàn)場的基本情況，先假定事故車輛側(cè)翻前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)已知，再推導(dǎo)出側(cè)翻后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后不斷調(diào)整假設(shè)側(cè)翻前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到所得側(cè)翻后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際情況相吻合。并通過具體交通事故案例，演示了PC-Crash軟件仿真車輛側(cè)翻事故的重現(xiàn)過程。

4 基于PC-Crash軟件的道路交通事故仿真再現(xiàn)系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用

道路交通事故具有特定性和復(fù)雜性，而公安院校高等教育和在職民警交通事故處理培訓(xùn)難以進(jìn)行道路交通事故現(xiàn)場碰撞試驗(yàn)，學(xué)員對(duì)交通事故過程僅停留在理論層面，并無直觀的認(rèn)識(shí)。鑒于此，黎曉龍等[37]對(duì)如何運(yùn)用PC-Crash仿真系統(tǒng)模擬再現(xiàn)交通事故的過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并指出該過程主要包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查與輸入、車輛模型建立、交通事故碰撞模型建立以及PC-Crash數(shù)據(jù)的輸出等。通過對(duì)PC-Crash軟件在交通事故處理課程教學(xué)中使用方法的介紹，有效地解決了上述問題，很好地指導(dǎo)了交通事故處理課程的教學(xué)實(shí)踐工作，增強(qiáng)了學(xué)員對(duì)交通事故過程的認(rèn)識(shí)。此外，楊建軍等[38]也證明PC-Crash能較好地再現(xiàn)事故過程，其仿真結(jié)果具有科學(xué)性和直觀可視性，有利于對(duì)事故過程進(jìn)行分析和判斷，可用于交通事故教學(xué)實(shí)踐。PC-Crash能以直觀的動(dòng)態(tài)畫面還原事故過程，可以加深學(xué)員對(duì)交通事故碰撞機(jī)制的認(rèn)識(shí)和理解，提高學(xué)員解決實(shí)際問題的能力。

5 PC-Crash軟件的仿真系統(tǒng)存在的問題以及擬解決的方法

PC-Crash軟件已經(jīng)廣泛運(yùn)用于道路交通事故重現(xiàn)中，但目前主要存在以下問題：（1）PC-Crash仿真系統(tǒng)需要事故分析人員根據(jù)實(shí)際事故碰撞情況來確定各參數(shù)的取值，仿真模型內(nèi)部參數(shù)設(shè)置是否正確、合理會(huì)直接影響到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性[31]。但我國的事故分析人員多為基層民警，且國內(nèi)關(guān)于碰撞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)寥寥無幾，事故分析人員在處理事故時(shí)，難以根據(jù)事故現(xiàn)場信息準(zhǔn)確地選擇對(duì)于計(jì)算結(jié)果影響較大的特征參數(shù)值。（2）事故重現(xiàn)時(shí)的行人拋距和碰撞時(shí)車輛的速度受到現(xiàn)場勘驗(yàn)、痕跡物證提取和損傷分析完整性和準(zhǔn)確性的影響。（3）PC-Crash的數(shù)據(jù)庫都是基于國外車型和國外人體特征的[3-5]，運(yùn)用到國內(nèi)難免會(huì)產(chǎn)生誤差，最終影響仿真結(jié)果。而且目前對(duì)國內(nèi)的大型車輛，仍然缺乏建模及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫支撐，因此對(duì)大型車輛交通事故現(xiàn)場重現(xiàn)效果不佳。（4）PC-Crash軟件中的行人模型屬于多剛體模型，使用的是24剛體、15鉸接點(diǎn)的人體模型。其模型的各部分是由數(shù)十個(gè)剛體通過鉸接點(diǎn)相連接構(gòu)成的。多剛體模型是一個(gè)固定統(tǒng)一的模型，其并未考慮人體個(gè)性化差異針對(duì)該問題，有學(xué)者應(yīng)用有限元數(shù)學(xué)模型[39]，建立個(gè)性化的生物力學(xué)模型，可以對(duì)行人的損傷部位、程度和致傷方式得到更詳細(xì)精確的反映，提高PC-Crash事故再現(xiàn)的精度和準(zhǔn)確性?；谝陨显?，目前運(yùn)用PC-Crash軟件進(jìn)行道路交通事故仿真的結(jié)果尚無法作為法庭證據(jù)直接使用[1]，需要進(jìn)行更多的案例確證和試驗(yàn)研究。鑒于國內(nèi)目前碰撞試驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)模擬碰撞基礎(chǔ)都很薄弱，筆者認(rèn)為，比較理想的辦法是結(jié)合國外事故再現(xiàn)軟件和我國計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，開發(fā)出適合我國道路交通事故的再現(xiàn)軟件。

6 結(jié) 語

運(yùn)用PC-Crash軟件進(jìn)行道路交通事故仿真再現(xiàn)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，并在實(shí)踐中取得了良好的效果。但因國內(nèi)外道路、車輛和人體模型的差異以及受其他人為因素的影響，仿真結(jié)果也難免會(huì)產(chǎn)生誤差。因此，結(jié)合國外的軟件和我國計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)開發(fā)適合我國道路交通事故的再現(xiàn)軟件是解決當(dāng)前事故再現(xiàn)難題的理想方法。