基于EDR車輛事件數(shù)據(jù)的PC- CRASH交通事故重建方法驗證研究

黎曉龍

(浙江警察學(xué)院交通管理工程系, 浙江杭州 310053)

0 引言

道路交通事故重建是調(diào)查案件事實，改善汽車設(shè)計，預(yù)防道路交通事故的重要方法[1]。PC- CRASH是一款道路交通事故重建軟件，由DSD公司研發(fā)，適用于多種不同類型的道路交通事故仿真研究。軟件在強(qiáng)大的模型與算法支撐下，可以執(zhí)行復(fù)雜的重建計算。軟件包含了幾種不同的計算模型，有基于沖量的碰撞模型；有基于剛度的碰撞模型；有基于真實軌跡仿真的動力學(xué)模型和用于時間距離研究的簡單運(yùn)動學(xué)模型[2]。為驗證PC- CRASH交通事故重建方法的有效性，可引入EDR車輛事件數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，EDR車輛事件數(shù)據(jù)記錄器(Event Data Recorders)是安裝在車輛上具有存儲功能的芯片，設(shè)備可記錄碰撞前5 s或8 s內(nèi)、碰撞前和碰撞后0.2 s內(nèi)的車輛速度值和速度變化值(等效能量速度EES)。這些被記錄的信息可以用來對PC- CRASH重建的交通事故車輛速度、EES等特征參數(shù)進(jìn)行驗證。

1 PC- CRASH交通事故重建

PC- CRRASH軟件仿真重建交通事故，是以道路交通事故現(xiàn)場痕跡、物證為基礎(chǔ)進(jìn)行的建模和碰撞優(yōu)化。交通事故現(xiàn)場關(guān)鍵信息包括車輛行駛方向、交通事故接觸點(diǎn)、碰撞接觸部位、碰撞后的滑移痕跡、車輛停止位置等。

1.1 PC- CRASH仿真流程

車輛在發(fā)生交通事故時其運(yùn)動狀態(tài)是不斷發(fā)生變化的，為了使仿真的事故車輛運(yùn)行軌跡與交通事故現(xiàn)場痕跡吻合，可分階段進(jìn)行逆向重建[3]，即先仿真車輛碰撞前瞬間、碰撞后的運(yùn)動狀態(tài)，再仿真車輛碰撞前一段時間的運(yùn)動狀態(tài)。仿真流程如圖1所示。

1.2 PC- CRASH仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入

(1)案例一車輛行駛情況

甲車在道路上左轉(zhuǎn)彎時與相對方向直行的乙車發(fā)生碰撞，造成交通事故，如圖2所示。

圖2 碰撞前車輛行駛方向

碰撞后甲車、乙車在道路上滑移一段距離后停止，如圖3、4所示。

圖3 甲車

圖4 乙車

(2)導(dǎo)入交通事故現(xiàn)場圖

現(xiàn)場圖中的信息主要包括現(xiàn)場元素空間位置信息：車輛停止位置、交通事故接觸點(diǎn)、路面痕跡位置和尺寸等，其他信息：時間、地點(diǎn)、天氣、方向、道路附著系數(shù)等。其中，測量目標(biāo)長度小于0.5 m時，最大誤差不得超過0.005 m。測量目標(biāo)長度為0.5 m至10 m時，最大誤差不得超過1%；測量目標(biāo)長度大于10 m時，最大誤差不得超過0.1 m[4]。導(dǎo)入交通事故現(xiàn)場比例圖，如圖5所示。

圖5 在PC- CRASH中導(dǎo)入交通事故現(xiàn)場比例圖

(3)導(dǎo)入交通事故車輛信息

如圖6、7所示，事故車輛信息包括車輛品牌、型號、生產(chǎn)年份、參數(shù)及重量、減震、載重、后閘力、車輛形狀、碰撞參數(shù)、穩(wěn)定性控制、輪胎模式等。

圖6 車輛參數(shù)及重量

圖7 車輛輪胎模式

1.3 PC- CRASH仿真車輛運(yùn)動狀態(tài)

仿真車輛運(yùn)動狀態(tài)的關(guān)鍵是運(yùn)用好PC- CRASH中的3個重要功能，即車輛運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)設(shè)置、碰撞優(yōu)化和運(yùn)動學(xué)工具欄，如圖8、9、10所示。

圖8 車輛運(yùn)動狀態(tài)設(shè)置

圖9 碰撞優(yōu)化

圖10 運(yùn)動學(xué)工具欄

(1)仿真碰撞前瞬間及碰撞后的車輛運(yùn)行狀態(tài)

根據(jù)已輸入的基礎(chǔ)信息，軟件對碰撞進(jìn)行優(yōu)化[5]，如圖11所示，本次仿真利用遺傳算法共進(jìn)行了17次優(yōu)化，碰撞優(yōu)化顯示：仿真結(jié)果與現(xiàn)場元素位置吻合度誤差值為1.0%，說明仿真的事故車輛運(yùn)行軌跡與現(xiàn)場痕跡吻合。軟件輸出的碰撞前瞬間速度值：甲車為13.5 km/h，乙車為83.3 km/h。

圖11 碰撞優(yōu)化和EES計算

同時，仿真軟件計算了每輛車的碰撞等效能量速度(EES)， EES類似于EBS(有效碰撞速度)，是北美常用的一個術(shù)語[6]。兩者的區(qū)別在于EES考慮了沖擊的反彈速度。因此，在具有更高恢復(fù)系數(shù)的低速碰撞中，EES與EBS大不相同[2]。然而，對車輛速度變化值大于16 km/h的碰撞，EES和EBS之間的差異通常是微不足道的。碰撞中兩車損失的能量分別取決于車輛質(zhì)量和車體變形量。以下為EES的計算模型：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：ED1，ED2——甲車、乙車碰撞中損失的能量

F——甲車、乙車碰撞作用力

m1，m2——甲車、乙車的質(zhì)量

X1，X2——甲車、乙車的碰撞變形量

WD——車輛在碰撞中變形而損失的總能量

EES1，EES2——甲車、乙車碰撞等效能量速度

仿真計算的EES值如圖11所示：

甲車EES1=31 km/h

乙車EES2=37 km/h

(2)仿真碰撞前某一時刻至碰撞前瞬間車輛的運(yùn)動狀態(tài)

根據(jù)運(yùn)動學(xué)原理仿真碰撞前某一時刻至碰撞前瞬間車輛的運(yùn)動狀態(tài)，如圖12所示，計算車輛碰撞前某一時刻的速度值：碰撞前0.3 s甲車為14.0 km/h，碰撞前0.2 s乙車為90.0 km/h。仿真的事故車輛運(yùn)行軌跡與現(xiàn)場痕跡吻合。

圖12 運(yùn)動學(xué)計算碰撞前某一時刻的車輛速度

(3)仿真輸出速度- 時間關(guān)系圖

PC- CRASH仿真的交通事故車輛運(yùn)行軌跡與現(xiàn)場痕跡吻合，輸出的車輛速度與時間關(guān)系如圖13所示。這里特別指出，在PC- CRASH仿真中，設(shè)定了車輛碰撞前后動量守恒，將碰撞的0.2 s時間內(nèi)動量損失值進(jìn)行了忽略處理，因此甲車、乙車的速度- 時間關(guān)系曲線出現(xiàn)了垂直現(xiàn)象[4]。

圖13 甲車、乙車的速度- 時間關(guān)系

(4)仿真輸出的關(guān)鍵參數(shù)

將需要分析的車輛碰撞前某一時刻、碰撞前瞬間的速度和碰撞速度的變化值EES等參數(shù)進(jìn)行整理歸納，見表1。

表1 PC- CRASH仿真輸出的關(guān)鍵參數(shù)

2 EDR車輛事件數(shù)據(jù)讀取分析

目前，EDR一般可存儲3～4次車輛事件[7]。EDR車輛事件數(shù)據(jù)為線性數(shù)據(jù)，如根據(jù)輪胎的速度，可直接計算出車輛的速度[8]，根據(jù)制動尾燈的輸入值，可計算出制動踏板的行程和車輛的制動狀態(tài)，根據(jù)發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速，可以計算出發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速等[9]。此外，根據(jù)其他連接的傳感器，EDR也可獲得對應(yīng)的感應(yīng)數(shù)據(jù)[10]。案例一的兩輛事故車均為豐田品牌，EDR車輛事件數(shù)據(jù)可以讀取。

2.1 甲車EDR車輛事件數(shù)據(jù)

事件摘要顯示，共讀取了甲車4次車輛事件數(shù)據(jù)，其中兩次側(cè)面碰撞，兩次前后碰撞，最近的一次EDR車輛事件數(shù)據(jù)顯示為前后碰撞，見表2。

表2 甲車EDR數(shù)據(jù)報告摘要

如圖14所示，最近的EDR車輛事件數(shù)據(jù)(計數(shù)7)顯示：碰撞后縱向速度脈沖表明，在碰撞后0.2 s內(nèi)，甲車速度變化值為31.3 km/h。

圖14 碰撞后0.2 s內(nèi)甲車縱向速度脈沖

見表3，最近的EDR車輛事件數(shù)據(jù)(計數(shù)7)顯示：車輛速度欄目，計量單位為mph(英里/小時)和km/h，是指甲車在碰撞前4.3 s、3.3 s 、2.3 s、1.3 s 、0.3 s 、0 s的速度值，分別是24 km/h、16 km/h、14 km/h、12 km/h、14 km/h、14 km/h。結(jié)合現(xiàn)場勘查和制動情況分析駕駛?cè)说男袨?，甲車在轉(zhuǎn)彎前通過制動進(jìn)行了減速，當(dāng)速度為14 km/h時，甲車駕駛?cè)岁P(guān)閉了制動踏板，碰撞瞬間駕駛?cè)税l(fā)現(xiàn)危險，在碰撞瞬間又采取了制動措施。

表3 甲車碰撞前5 s(秒)內(nèi)的數(shù)據(jù)(最近的事件，計數(shù)7)

2.2 乙車EDR車輛事件數(shù)據(jù)

事件摘要顯示，共讀取了乙車3次車輛事件數(shù)據(jù)，其中一次側(cè)面碰撞，兩次前后碰撞，最近的一次車輛事件數(shù)據(jù)顯示為前后碰撞，見表4。

表4 乙車EDR數(shù)據(jù)報告摘要

如圖15所示，最近的EDR車輛事件數(shù)據(jù)(計數(shù)13)

圖15 碰撞后乙車縱向速度脈沖

顯示：碰撞后縱向速度脈沖表明，在碰撞后0.2 s內(nèi)，乙車速度變化值為40.3 km/h。見表5，最近的EDR車輛事件數(shù)據(jù)(計數(shù)13)顯示：乙車在碰撞前4.2 s、3.2 s 、2.2 s、1.2 s 、0.2 s 、0 s的速度值分別是106 km/h、106 km/h、106 km/h、102 km/h、90 km/h、82 km/h。結(jié)合現(xiàn)場勘查和制動情況分析駕駛?cè)说男袨椋?dāng)乙車發(fā)現(xiàn)前方危險時采取了制動措施，制動措施在碰撞前2.2 s生效，碰撞前瞬間乙車速度降至82 km/h。

表5 乙車在碰撞前5 s(秒)內(nèi)的數(shù)據(jù)(最近的事件，計數(shù)13)

2.3 EDR讀取的關(guān)鍵參數(shù)

將用于PC- CRASH交通事故重建驗證的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行整理歸納，見表6。

表6 EDR讀取的關(guān)鍵參數(shù)

3 EDR數(shù)據(jù)與PC- CRASH仿真輸出數(shù)據(jù)對比分析

3.1 數(shù)據(jù)對比

(1)案例一數(shù)據(jù)對比

將案例一中的EDR與PC- CRASH數(shù)據(jù)同一項內(nèi)容進(jìn)行對比，并計算差值百分比，所涉及的參數(shù)包括碰撞前0.2 s(乙)或0.3 s(甲)的速度、碰撞瞬間的速度及碰撞速度的變化值，碰撞速度的變化值在EDR數(shù)據(jù)中是指碰撞接觸后0.2 s的速度變化值，在PC- CRASH數(shù)據(jù)中是指EES的值，見表7。

表7 案例一中的EDR數(shù)據(jù)與PC- CRASH仿真輸出數(shù)據(jù)對比驗證

(2)案例二、三、四數(shù)據(jù)對比

按照案例一的方法將案例二、三、四的情況進(jìn)行計算機(jī)仿真和車輛事件數(shù)據(jù)讀取，分別將得到的PC- CRASH與EDR數(shù)據(jù)中同一項內(nèi)容進(jìn)行對比，并計算差值百分比，所涉及的參數(shù)包括碰撞前某一時刻、碰撞瞬間的速度和碰撞速度的變化值，見表8～10。

表8 案例二中的EDR數(shù)據(jù)與PC- CRASH仿真輸出數(shù)據(jù)對比驗證

表9 案例三中的EDR數(shù)據(jù)與PC- CRASH仿真輸出數(shù)據(jù)對比驗證

表10 案例四中的EDR數(shù)據(jù)與PC- CRASH仿真輸出數(shù)據(jù)對比驗證

3.2 分析案例一、二、三、四中的表格數(shù)據(jù)

根據(jù)表7～10的數(shù)據(jù)和PC- CRASH實驗結(jié)果，仿真的四起交通事故車輛運(yùn)行軌跡能夠與現(xiàn)場痕跡吻合，PC- CRASH輸出的車輛碰撞前某一時刻、碰撞前瞬間的速度值與讀取的EDR數(shù)據(jù)幾乎相同；將碰撞后0.2 s EDR的車輛速度變化值與PC- CRASH輸出的車輛EES值進(jìn)行分析，4起事故的車輛速度變化值平均差百分比分別是4.6%、3.7%、3.4%、4.0%，均小于5%，平均值為3.9%。通過對整體數(shù)據(jù)的驗證可知，4起事故中的整體平均差百分比分別是2.4%、1.2%、1.1%、1.6%，均小于3%，平均值為1.6% 。

4 結(jié)語

根據(jù)驗證分析可知，使用計算機(jī)仿真進(jìn)行交通事故重建時，PC- CRASH與EDR的相關(guān)數(shù)據(jù)差值小，仿真車輛的運(yùn)行軌跡也與現(xiàn)場痕跡吻合，說明仿真的交通事故過程與實際情況非常接近，只要導(dǎo)入正確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并規(guī)范地運(yùn)用PC- CRASH進(jìn)行交通事故重建，就可以取得準(zhǔn)確、客觀的結(jié)論。EDR汽車事件數(shù)據(jù)為線性數(shù)據(jù)，而PC- CRASH仿真輸出的是非線性數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果受限于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集的精度，因此，對交通警察現(xiàn)場勘查和使用者操作軟件的水平等有一定的要求，否則難以達(dá)到預(yù)期效果。