基于PC-Crash的混合交通環(huán)境下電動自行車事故仿真研究

齊 龍，韓 奇

(長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引言

汽車是人們不可缺少的交通工具，而隨著電動自行車的保有量逐年增加[1]，機(jī)非混行的交通形式成為我國交通流的主要特點(diǎn)[2]。電動自行車數(shù)量的快速增長帶來了許多交通問題，尤其是交叉路口的交通事故明顯增多[3]。但國內(nèi)目前對于混合交通環(huán)境下電動自行車事故的研究重視程度還有待提高。交叉路口的電動自行車和汽車碰撞事故分為汽車側(cè)面碰撞和汽車正面碰撞，而汽車車速的大小對汽車正面碰撞類型事故起著決定性作用。因此對于汽車正面碰撞，還原事故車速成為事故再現(xiàn)的主要目的之一。近年來，還原事故車速的方法有了許多新的突破，如玻璃碎片散落物推理法[4]，但如今汽車玻璃多為難以形成足夠多的碎片的夾層玻璃，因此無法用此方法推理。汽車剎車印測量法[5]則由于ABS防抱死系統(tǒng)而難以測量。因此較為常用的方法還是應(yīng)用騎車人拋距模型[6]還原汽車車速。對于汽車正面碰撞事故中騎車人的拋距與汽車車速的關(guān)系，國內(nèi)外早已有一大批學(xué)者對此進(jìn)行了研究，如GIDAS(德國深入事故研究組織)對于兩輪車與汽車事故經(jīng)過統(tǒng)計多次試驗(yàn)結(jié)果得到“騎車人拋距與車速表”[7]。林慶峰教授應(yīng)用動量與動能守恒關(guān)系而得出轎車車速與騎車人拋距的關(guān)系公式[8]。但目前對于騎車人拋距與車速的關(guān)系研究大多基于理論層面，并不能良好適用于具體的事故和車型，也未考慮到碰撞位置對拋射距離的影響，同時研究目標(biāo)更多傾向于物理系統(tǒng)，將人視為質(zhì)點(diǎn)而忽略了車速與人體系統(tǒng)間的聯(lián)系[9]，存在著一定的局限性。

1 交通事故類型

在交叉路口的電動自行車與汽車碰撞事故多為垂直碰撞[10]，可分為汽車側(cè)面碰撞和汽車正面碰撞。汽車側(cè)面碰撞類型事故的影響因素中汽車車速只占很小一部分，影響較大的因素是騎車人車速；而汽車正面碰撞類型事故中汽車車速則是事故決定性因素，相比之下無論是拋距還是受傷程度，汽車正面碰撞類型事故更大，因此也是本文研究的重點(diǎn)。正面碰撞事故的特點(diǎn)是其碰撞角度為90°，碰撞位置可分為電動自行車前輪碰撞、電動自行車中間碰撞和電動自行車后輪碰撞。本文運(yùn)用PC-Crash軟件通過調(diào)整碰撞位置，研究車輛碰撞瞬時車速與騎車人拋距的關(guān)系，結(jié)合人體傷害分析還原車輛碰撞瞬時車速。

2 案情介紹

2015-09-11深夜，趙某駕駛東風(fēng)悅達(dá)起亞K3，在西寧市城北區(qū)寧大路由北向南行駛，正面撞上由東向西駕駛某電動自行車的魏某，致使魏某當(dāng)場死亡。魏某電動車速約30 km/h，魏某，男，35歲，身材中等。被拋出后距離拋出點(diǎn)約20 m，經(jīng)法醫(yī)鑒定，魏某顱腦受到撞擊嚴(yán)重創(chuàng)傷，是其死亡主因，與此同時存在胸腔肋骨骨折、臀部軟組織受傷嚴(yán)重、腿部存在骨折等不同程度的傷害。

2.1 交通事故再現(xiàn)模型構(gòu)建

本次仿真時先構(gòu)建一個十字路口如圖1(a)所示。該單向車道寬度為6 m，其參數(shù)設(shè)置如圖1(b)所示。事故發(fā)生時天氣正常，故設(shè)道路摩擦系數(shù)為0.8，如圖1(c)所示。

(a)

(b)

(c)

車輛選用車庫中的起亞汽車模型如圖2(a)所示，具體參數(shù)可根據(jù)起亞K3車型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，圖2(b)事故中電動自行車的品牌車型未知，大體模型如圖2(c)所示。其中最重要的參數(shù)是電動車質(zhì)量。故采用常見的電動車質(zhì)量為準(zhǔn)即為40 kg，如圖2(d)所示。受害人則按照《中國國民體質(zhì)檢測報告》標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)為體重70 kg，身高169 cm，如圖2(e)所示，其他參數(shù)設(shè)為默認(rèn)值。電動自行車車速可設(shè)置為30 km/h。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

轎車制動時，設(shè)置制動的最大減速度為7.85 m/s2。對于該碰撞事故，可將碰撞位置分為前輪碰撞圖3(a)，中間碰撞圖3(b)和后輪碰撞圖3(c)三種情況，碰撞角度設(shè)置為90°，并以此分三組。

(a)

(b)

(c)

2.2 事故模擬

利用PC-Crash軟件進(jìn)行，對碰撞位置進(jìn)行控制，以汽車車速為變量進(jìn)行事故模擬，記錄下每次模擬的騎車人水平拋距。根據(jù)實(shí)際事故信息，實(shí)驗(yàn)車速可控制在20～90 km/h之間，適當(dāng)取量，本文選取25組速度。

3 數(shù)據(jù)處理

將25組車速與水平拋距實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中，分別按照前輪碰撞、中間碰撞、后輪碰撞進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得圖4。

圖4 三種碰撞中車速與拋距曲線對比圖

即使前、中、后三種碰撞的碰撞位置不同，騎車人水平拋距與車速的關(guān)系還是較為相似的，但對于同一車速，前、中、后三種碰撞位置的騎車人水平拋距依次遞減，并且隨著車速的增加差距逐漸增大。為了減少模擬的隨機(jī)性，并確定拋距與車速的相關(guān)性，采取一定的回歸模型進(jìn)行擬合，又根據(jù)動量守恒和動能守恒關(guān)系式得知，拋距與車速成冪函數(shù)關(guān)系，因此選擇冪函數(shù)回歸曲線(f(v)=a*vb)。擬合結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種碰撞中車速與拋距曲線擬合結(jié)果曲線圖

其中擬合評價效果如表1所示。

表1 擬合評價效果表

R-Square代表相關(guān)性系數(shù)，SSE則代表殘差平方和，本次模擬實(shí)驗(yàn)的三條碰撞曲線的擬合優(yōu)度都趨近于1，這說明因變量與自變量的總體關(guān)系擬合度高，殘差平方和較小，則說明擬合關(guān)系穩(wěn)定。

對于騎車人拋距與汽車車速的擬合結(jié)果呈如下關(guān)系：

前輪碰撞：S=0.011 17*v1.844

中間碰撞：S=0.006 613*v1.908

后輪碰撞：S=0.005 483*v1.895

4 事故還原

(a)

(b)

(c)

(d)

已知事故發(fā)生后，騎車人的拋距約為20 m，根據(jù)此信息計算前中后三個碰撞位置碰撞對應(yīng)車速分別為58 km/h、67 km/h、77 km/h。根據(jù)對應(yīng)分組，設(shè)置汽車車速，應(yīng)用PC-Crash進(jìn)行人體傷害分析。由于交通事故中頭部是人體受傷的主要部位，所以頭部受傷也是致死的重要因素[11](見圖6)。對人體的傷害分析具體過程如下：假設(shè)碰撞位置為前輪碰撞，則車速為58 km/h。

“交通事故中頭部損傷評價指標(biāo)，常用的是HIC(Head Injury Criterion)值，又稱頭部性能標(biāo)準(zhǔn)HPC(Head Performance Criterion)。這個指標(biāo)是與頭部加速度的時間歷程相關(guān)的，是一種改進(jìn)的頭部沖擊傷害評價標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)其>1 000時，則有死亡危險”。其計算方式如下[12]，取所有結(jié)果中的最大值。

其中a代表頭部加速度(以重力加速度g為單位)，t1和t2為任意兩個時刻，單位為s。從t1到t2的時間間隔不超過15 ms或36 ms。

PC-Crash軟件所得頭部加速度曲線如圖7所示。

圖7 前輪碰撞頭部加速度示意圖

以0.000 1 s為間隔將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab，并可將所求HIC值轉(zhuǎn)化為等效梯形面積進(jìn)行計算。

經(jīng)計算，頭部HIC值為870<1 000，并未造成嚴(yán)重傷害，這與實(shí)際事故傷害不符，因此可排除此種撞擊情況。

假設(shè)碰撞位置為中間碰撞，則車速為67 km/h。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖9 中間碰撞頭部加速度示意圖

經(jīng)計算，其HIC值為2 415，遠(yuǎn)遠(yuǎn)>1 000，因此可認(rèn)為其頭部受到致命撞擊，是死亡的主要原因(如圖8～9所示)。

假設(shè)碰撞位置為后輪碰撞，則車速為77 km/h。其頭部碰撞過程和頭部加速度如圖10～11所示。

根據(jù)PC-Crash模擬圖像圖10(a)～(e)，可知t=0.09 s時，雖然頭部加速度達(dá)到最大值，但此時頭部并未與車輛前部碰撞，因此并未實(shí)際受傷。當(dāng)如圖10(f)所示時，騎車人拋出后頭部與地面碰撞，此時受到撞擊傷害。經(jīng)計算，其HIC值為852，未超過安全臨界值1 000，不會造成致死傷害，因此可以認(rèn)為此種碰撞情況并不符合實(shí)際現(xiàn)場情況。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖11 后輪碰撞頭部加速度示意圖

綜合上面三種關(guān)于碰撞速度、碰撞位置的模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合頭部傷害分析，可對實(shí)際事故進(jìn)行預(yù)測，若頭部傷害情況還不足以判斷，則可以繼續(xù)對人體其他傷害部位分析。事故車速約為67 km/h，碰撞特征為正面垂直中間位置碰撞。利用PC-Crash軟件預(yù)測的事故車速與案件調(diào)查后的實(shí)際車速68 km/h較為接近，誤差在可接受范圍，可以將此種方法應(yīng)用到此類事故中，便于做出相對準(zhǔn)確的判斷，為事故還原提供一種新的途徑。

5 結(jié)語

在實(shí)際發(fā)生的交通事故中，汽車的車型、質(zhì)量以及多種參數(shù)的改變都會對騎車人的拋距和人體傷害造成較大影響，而缺乏針對性的事故分析往往不能符合實(shí)際情況。因此利用PC-Crash建立起符合實(shí)際情況的汽車模型十分必要，以便還原碰撞發(fā)生時的撞擊位置、撞擊角度、車身高度、前蓋弧度等信息。同時PC-Crash中騎車人多剛體模型的建立，則重現(xiàn)了事故發(fā)生后騎車人的軀干、肢體運(yùn)動，這比一般研究中將人體視為質(zhì)點(diǎn)的方法更加接近現(xiàn)實(shí)，也方便了對人體傷害的分析，增加了事故再現(xiàn)的準(zhǔn)確度。本文通過改變碰撞位置，建立起三種不同碰撞位置下碰撞汽車車速與騎車人的拋距關(guān)系，并對不同車速下人體傷害分析輔以佐證，還原了事故車輛碰撞瞬時車速。