車輛護欄碰撞事故仿真參數(shù)敏感性分析＊

王科超 常安德 陳松

1. 中國刑事警察學(xué)院 2. 公安部痕跡檢驗鑒定技術(shù)重點實驗室

引言

護欄是公路上的主要安全防護設(shè)施，承擔(dān)著限制失控車輛在道路內(nèi)移（阻擋功能）、引導(dǎo)道路上的車流（導(dǎo)向功能）、吸收車輛撞擊能量的功能（緩沖功能）。從變形的角度來看，公路護欄可分為剛性護欄、半剛性護欄和柔性護欄三種類型[1]。車輛與護欄發(fā)生碰撞時常伴隨著劇烈的能量變化，使車體與護欄產(chǎn)生不同程度的刮擦、變形，往往會導(dǎo)致車輛行駛失控和護欄部件部分功能失效，對人民生命和財產(chǎn)安全造成巨大損害。

隨著公路交通安全問題不斷突出，國內(nèi)外關(guān)于護欄安全的研究日益增多，但由于車輛和護欄相撞的動力學(xué)過程相當(dāng)復(fù)雜，這方面的研究尚不完善[2]，隨著各種仿真技術(shù)的日益成熟，使用軟件仿真方法對護欄事故進行分析逐漸受到信賴。程國柱等利用PC-Crash軟件構(gòu)建了基礎(chǔ)模型，通過模擬試驗定量評估公路護欄設(shè)置對載重貨車、小型客車路側(cè)事故的風(fēng)險[3]。Neves等通過有限元仿真和現(xiàn)場碰撞試驗研究了汽車碰撞作用下的柔性和剛性道路約束系統(tǒng)，并利用汽車軌跡研究了螺栓連接的失效極限及其對護欄碰撞結(jié)果的影響[4]。車輛與護欄碰撞事故的再現(xiàn)仿真優(yōu)化對參數(shù)的選擇要求較高，目前缺少車輛護欄碰撞事故過程中仿真參數(shù)敏感性分析方面的研究成果。本文將以車輛護欄碰撞事故深度調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于經(jīng)典碰撞力學(xué)理論及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析知識，運用交通事故仿真軟件及數(shù)據(jù)分析工具，重建車輛與公路半剛性護欄碰撞交通事故，重點開展車輛護欄碰撞事故仿真參數(shù)敏感性分析的研究，篩選出對事故仿真再現(xiàn)影響較大的參數(shù)，為減少公路護欄場景下交通事故仿真誤差提供支持，也為PC-Crash軟件應(yīng)用于公路護欄交通事故分析奠定理論基礎(chǔ)。

一、仿真參數(shù)敏感性分析

（一）參數(shù)分類

在對車輛護欄碰撞事故進行分析時，通常有兩種方法，一個是根據(jù)道路環(huán)境、駕駛?cè)瞬僮餍袨?、乘員狀態(tài)、車輛狀況，借助物理碰撞模型和數(shù)學(xué)模型由事故原因推出結(jié)果的正向模擬方法；另一個是根據(jù)事故發(fā)生后現(xiàn)場的車輛停車位置、路面剎車痕跡、護欄和車輛的變形情況及乘員損傷狀況，借助計算機仿真平臺由事故結(jié)果推測原因的逆向解析方法[5]。要獲得錄入交通事故仿真系統(tǒng)參數(shù)的一般步驟為識別分類、敏感性分析獲得權(quán)重、參數(shù)采集與校正[6]。并非所有參數(shù)在各種事故類型中都被需要，如事故車輛無掛車就無需輸入掛點到掛車前軸距離、車末端到掛點距離、連接中心高度、最大拖掛力等，結(jié)合車輛護欄碰撞具體事故類型，根據(jù)軟件不同模塊的功能設(shè)置和計算需要，將仿真參數(shù)按采集方式歸為三大類：第一類是確定參數(shù)，即PC-Crash軟件數(shù)據(jù)庫中內(nèi)置或通過文獻資料可以查閱到的參數(shù)，內(nèi)置的、確定的、易獲得的參數(shù)，如車輛尺寸、輪胎型號等；第二類是測量參數(shù)，經(jīng)過測量可以獲得的參數(shù)，測量參數(shù)的準確程度取決于現(xiàn)場采集人員的測量方法，如乘客質(zhì)量、碰撞點位置等；第三類是經(jīng)驗推測參數(shù)，在處理不同類型的交通事故中總結(jié)的經(jīng)驗參數(shù)或者根據(jù)公式推導(dǎo)出的參數(shù)，如碰撞前速度、分離速度，碰撞恢復(fù)系數(shù)等[7]。具體分類詳見表1。

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（二）實驗設(shè)計

基于大量文獻研究得知，事故仿真參數(shù)分析和仿真再現(xiàn)結(jié)果是一個互證的邏輯關(guān)系，根據(jù)這個特點總結(jié)出一般車輛碰撞事故仿真參數(shù)敏感性分析實驗流程圖，如圖1所示。在一般車輛碰撞事故研究基礎(chǔ)上，研究車輛護欄碰撞事故PC-Crash仿真參數(shù)敏感性，并獲取參數(shù)權(quán)重排序。主要按照以下幾個步驟進行實驗：

第一階段：結(jié)合事故分析情況利用專家經(jīng)驗法對全部參數(shù)進行初步分析，篩除對車輛護欄碰撞事故再現(xiàn)影響較小且不具有針對性的參數(shù)，作為初步事故仿真參數(shù)。

第二階段：針對初步事故仿真參數(shù)，運用控制變量法，以形變量為評價指標，評估某一參數(shù)對于車輛護欄碰撞事故再現(xiàn)的影響程度。

第三階段：運用單因素參數(shù)敏感性分析法對初步事故仿真參數(shù)進行深入分析比較，篩除部分對車輛護欄碰撞事故再現(xiàn)影響較小的參數(shù)，獲得影響程度較大的參數(shù)。

第四階段：針對影響程度較大的參數(shù)，設(shè)計正交試驗以車輛碰撞后繼續(xù)行駛角度為標準，分析各參數(shù)對仿真結(jié)果的顯著性，并對參數(shù)權(quán)重大小進行排序。

其中，通過參數(shù)賦值進行重復(fù)性仿真試驗是基于單因素的參數(shù)敏感性分析和基于正交試驗的參數(shù)敏感性分析中的重要組成部分，也是整個實驗設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。具體車輛護欄碰撞事故仿真參數(shù)敏感性分析實驗流程設(shè)計如圖2所示。

（三）基于單因素的參數(shù)敏感性分析

1. 建立護欄模型

在PC-Crash軟件中建立護欄模型有兩種方式，第一種是以帶有前橋轉(zhuǎn)向的兩軸拖車為模型基礎(chǔ)部件，使用幾個相互連接的部件組成護欄，并根據(jù)試驗需要修改每個部件的參數(shù)，能使虛擬護欄接近真實護欄[8]，如圖3所示。第二種是在軟件庫中直接調(diào)用已經(jīng)開發(fā)出的護欄模型，該護欄模型與真實護欄外形接近，各單元具體參數(shù)也能夠根據(jù)試驗需要進行修改，如圖4所示。

本研究中將在調(diào)用軟件庫中的半剛性護欄模型基礎(chǔ)之上進行車輛護欄碰撞重復(fù)性仿真試驗。

2. 輸入事故車輛和環(huán)境仿真參數(shù)

為提高事故仿真精度，需要削減不必要的參數(shù)數(shù)據(jù)量對碰撞模型的影響，故先借助專家經(jīng)驗法篩除對車輛護欄碰撞事故影響較小的參數(shù)，選取出PC-Crash軟件中相對重要的29個參數(shù)（表2）作為初步事故仿真參數(shù)進行研究[9]。

在DSD 2006車輛數(shù)據(jù)庫中調(diào)出試驗車輛，設(shè)置車輛型號為Audi 100-2.0，路面附著系數(shù)為0.8（dry），車輛沖入初速度為80km/h，沖入角度為20°，車輛重心初始位置為（20.900，-5.090），護欄第一單元位置為（20.900，0.00），車輛護欄之間距離為5.09m，車輛前排乘員質(zhì)量為70kg，車輛后排乘員質(zhì)量為70kg，車頂載重20kg，后備箱載重20kg，車輛制動遲滯時間為0.18s，制動距離為100m。

3. 仿真試驗

本文主要研究車輛護欄碰撞事故仿真參數(shù)的敏感性，選取車輛和護欄的形變量，即不同試驗條件下車輛碰撞護欄后，車輛和護欄的最大形變與車輛和護欄初始狀態(tài)（形變數(shù)值為0）之間的數(shù)值差為評價指標。

為貼近事故真實情況，車輛和護欄的參數(shù)調(diào)用軟件中的默認值。依據(jù)控制變量法，以形變量為評價指標進行大量重復(fù)性試驗，評估某一參數(shù)對車輛護欄碰撞事故的影響程度。試驗得到的車輛和護欄參數(shù)變動的形變量△s詳見表2。

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4.單因素方差分析

由表2可以發(fā)現(xiàn)，主觀性判斷與軟件系統(tǒng)計算得到的客觀數(shù)據(jù)存在差異，為降低主觀性的影響，使用SPSS軟件對表2中的參數(shù)進行單因素方差分析，結(jié)果詳見表3和表4。

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綜合表2、表3和表4中數(shù)據(jù)分析，得到對事故仿真影響較大的12個參數(shù)：車輛重心到前軸距離sf、 車輛重心高度hv、 車輛重心位置x、車輛重心位置y、車輛空重w、碰撞點位置X、碰撞點位置Y、路面附著系數(shù)μ、車輛初速度v0、車輛最大減速度vm、車輛偏向角PSI、護欄單元連接中心高度hg。

（四）基于正交試驗的參數(shù)敏感性分析

護欄、車輛和環(huán)境仿真參數(shù)情況同前文中試驗參數(shù)情況，將通過單因素參數(shù)敏感性分析法獲得的12個影響較大的參數(shù)作為正交試驗的輸入，并為每個參數(shù)選取水平級后進行正交試驗，輸出車輛碰撞后繼續(xù)行駛角度作為評價指標。

車輛碰撞后繼續(xù)行駛角度即車輛與護欄發(fā)生碰撞事故時，車輛碰撞護欄后駛離碰撞點繼續(xù)前進的角度，是交通事故再現(xiàn)分析中評估車輛行駛狀態(tài)和評價護欄安全性的非常重要的參數(shù)。

1.確定參數(shù)水平級

分別取低、中、高3個水平級對12個參數(shù)進行水平級標定（詳見表5），水平制定時遵循下列原則：

（1）對于軟件中已內(nèi)置較為確定取值的車輛、護欄和環(huán)境參數(shù)，包括車輛重心到前軸距離、車輛重心高度、車輛重心位置、車輛空重、路面附著系數(shù)、護欄單元連接中心高度，中水平級應(yīng)參照軟件中參數(shù)默認值取值。

（2）對于不確定的隨機參數(shù)，包括碰撞點位置、車輛初速度、車輛最大減速度、車輛偏向角PSI，水平級分級標定應(yīng)參照大量的文獻資料和碰撞仿真試驗結(jié)果，確定低水平和高水平的大致取值。

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2.選取正交試驗表和結(jié)果分析

要試驗的因素為12個參數(shù)，依據(jù)制定的3個水平級選擇標準正交表L27(313)，設(shè)置一列為空列。依據(jù)試驗序號在PCCrash軟件中完成27次車輛護欄碰撞仿真試驗，得到車輛碰撞后繼續(xù)行駛角度，詳見表6。

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極差分析法作為正交試驗結(jié)果分析中一項實用性很強的分析方法，能夠?qū)Ω饕蛩氐挠绊懘笮∵M行直觀地比較，因此本文選用極差分析法對表6中各因素試驗數(shù)據(jù)及試驗結(jié)果進行分析。均值1、均值2、均值3分別代表了低水平、中水平、高水平三個水平級的數(shù)據(jù)平均值，計算各因素的最大均值與最小均值的差值得到極差，通過極差間的比較得到因素排序，即確定參數(shù)對于車輛護欄碰撞事故仿真的顯著性，詳見表7。

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表7中極差較大的因素，表示了對應(yīng)參數(shù)對于事故仿真的敏感性較大，反之則小。通過因素間極差比較，得到影響車輛碰撞后繼續(xù)行駛角度的參數(shù)排序：車輛偏向角PSI>車輛重心到前軸距離sf>碰撞點位置Y>護欄單元連接中心高度hg> 車輛重心位置y>車輛空重w>車輛重心高度hv>路面附著系數(shù)μ>車輛初速度v0>車輛最大減速度vm>碰撞點位置X>車輛重心位置x。根據(jù)權(quán)重排序，優(yōu)先調(diào)整影響程度大的參數(shù)，能夠使得車輛護欄碰撞事故仿真的準確度提高。

二、案例驗證

（一）事故基本情況

2016年某日，某市收費站附近公路護欄段發(fā)生單車事故，駕駛員駕駛紅旗牌轎車由北向南右側(cè)車道內(nèi)行駛，由于躲閃前方突然出現(xiàn)的障礙物，不慎與非機動車道西側(cè)的半剛性護欄發(fā)生碰撞，車內(nèi)乘員受傷，車輛及護欄損壞，事故現(xiàn)場圖如圖5所示。

（二）仿真參數(shù)輸入及結(jié)果分析

在PC-Crash軟件庫中調(diào)用道路、車輛和半剛性護欄模型，依據(jù)事故現(xiàn)場信息修改參數(shù)，使得模型與真實道路、車輛和護欄盡可能相符，輸入車輛重心位置、車輛與護欄碰撞位置等初始參數(shù)，在不考慮參數(shù)權(quán)重的情況下調(diào)整各個仿真參數(shù)，仿真效果與實際事故情況相差較大，也增加了車輛碰撞護欄后繼續(xù)行駛角度及車輛停止位置等的誤差，如圖6所示。若依據(jù)前面得到的參數(shù)權(quán)重有針對性地優(yōu)先調(diào)整敏感性較強的參數(shù)，微調(diào)敏感性較弱的參數(shù)，則能夠在較短時間內(nèi)得到與實際事故情況大致符合的仿真效果，如圖7所示，由于車輛碰撞護欄后繼續(xù)行駛角度的誤差值控制在5%左右，故在誤差允許的范圍內(nèi)認為利用PC-Crash軟件對車輛護欄碰撞全過程的仿真結(jié)果合理，表明了前面對于仿真參數(shù)敏感性的研究有助于提高仿真的準確度[10]。

三、結(jié)語

本文基于PC-Crash軟件的仿真支持，主要運用控制變量法、單因素參數(shù)敏感性分析法和正交試驗法實現(xiàn)了對車輛護欄碰撞事故仿真參數(shù)的篩選和敏感性分析，得到了對車輛護欄碰撞事故仿真影響較大的12個參數(shù)及權(quán)重排序：車輛偏向角PSI>車輛重心到前軸距離sf>碰撞點位置Y>護欄單元連接中心高度hg>車輛重心位置y>車輛空重w>車輛重心高度hv> 路面附著系數(shù)μ>車輛初速度v0>車輛最大減速度vm>碰撞點位置X>車輛重心位置x，不僅擴充了交通事故微觀分析理論基礎(chǔ)，為單車事故預(yù)警算法選取及護欄結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供參考，也為交通部門微觀分析與處理車輛護欄碰撞事故提供了技術(shù)支持。