基于PC-Crash的載人兩輪車事故再現(xiàn)仿真

劉朱紫，劉陽(yáng)陽(yáng)，謝麗琴，鄒鐵方

（1.長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114）

0 引 言

事故再現(xiàn)是指根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)遺留痕跡并參考證人證言等證據(jù)逆向推導(dǎo)碰撞車速及事故發(fā)生的全過(guò)程［1］，再現(xiàn)結(jié)果可應(yīng)用于法醫(yī)學(xué)研究［2］、事故責(zé)任認(rèn)定［3］及車輛被動(dòng)安全設(shè)計(jì)［4-5］、智能車測(cè)試［6-7］等諸多領(lǐng)域。事故再現(xiàn)已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

道路交通事故有車撞人［8］、車撞車［9］、車撞兩輪車［10］、單車［11-12］、多車碰撞［13］以及復(fù)雜多形態(tài)耦合［14］等很多類型，如何再現(xiàn)不同類型事故已有諸多討論?？傮w來(lái)說(shuō)均是先重建事故現(xiàn)場(chǎng)及事故參與者，再反復(fù)優(yōu)化以獲得與痕跡最為吻合的仿真結(jié)果，再分析結(jié)果以反饋、優(yōu)化仿真而獲得更為可信的最終再現(xiàn)結(jié)果［13-15］。每一類事故又有其自身固有特征，很難拿一套流程或標(biāo)準(zhǔn)去解決所有問(wèn)題，這也是迄今有諸多研究基于PC-Crash的事故再現(xiàn)方法［16］的原因。

隨著素質(zhì)教育在高等教育中的全面推進(jìn)，大學(xué)理論課時(shí)被嚴(yán)重壓縮，以期給學(xué)生更多時(shí)間開(kāi)展自主學(xué)習(xí)，更好地開(kāi)展個(gè)性化教育培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。課時(shí)壓縮并不等價(jià)于知識(shí)點(diǎn)壓縮，為更好地傳授知識(shí)，需開(kāi)發(fā)大量實(shí)驗(yàn)仿真，使學(xué)生從仿真中獲得知識(shí)、掌握技能、提高能力，實(shí)現(xiàn)從要我學(xué)到我要學(xué)的轉(zhuǎn)變。以交通安全類教學(xué)為例，相關(guān)課程不僅需教授人、車、路、環(huán)境及管理等道路交通安全基礎(chǔ)知識(shí)以及相關(guān)的道路交通安全法規(guī)，還需確保學(xué)生掌握事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及事故再現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)。受課時(shí)限制，需要流程清晰地針對(duì)不同事故形態(tài)的仿真，以降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度并保證教學(xué)效果。

注意到我國(guó)載人兩輪車現(xiàn)象極為普遍，甚至還有摩的這一職業(yè)［10］，學(xué)生必須在課程中掌握此類事故的再現(xiàn)技術(shù)。加之載人兩輪車事故與一般交通事故不同，它有騎車人和乘員共2 人，具體到仿真中則有兩輪車加騎乘人共3 組多剛體，導(dǎo)致仿真極難。如不能科學(xué)合理實(shí)施再現(xiàn)，極難得到理想結(jié)果，會(huì)顯著降低學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情而影響教學(xué)效果。為更好地再現(xiàn)此類事故，本文將在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，總結(jié)載人兩輪車事故的清晰再現(xiàn)流程，并用實(shí)際事故案例對(duì)所提流程進(jìn)行演示和驗(yàn)證。

1 基于PC-Crash 的載人兩輪車事故再現(xiàn)流程

運(yùn)用PC-Crash 軟件再現(xiàn)汽車碰撞載人兩輪車事故時(shí)，分4 個(gè)步驟：事故現(xiàn)場(chǎng)重建；事故參與者建模；再現(xiàn)仿真；結(jié)果與分析。流程和步驟如圖1 所示。

圖1 基于PC-Crash的載人兩輪車事故再現(xiàn)流程圖

1.1 事故現(xiàn)場(chǎng)重建

事故現(xiàn)場(chǎng)重建是事故再現(xiàn)的基礎(chǔ)。重建事故現(xiàn)場(chǎng)通常以事故現(xiàn)場(chǎng)信息及事故現(xiàn)場(chǎng)草圖為依據(jù)，利用相關(guān)繪圖軟件（如Auto CAD）繪制出事故現(xiàn)場(chǎng)圖，然后將其導(dǎo)入PC-Crash，并按相應(yīng)比例進(jìn)行縮放。繪制事故現(xiàn)場(chǎng)圖的方法有：

（1）利用相關(guān)繪圖軟件（如Auto CAD）根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)草圖繪制事故現(xiàn)場(chǎng)圖。

（2）利用PC-Crash 軟件內(nèi)自帶的繪圖工具“Edit DXF Drawing”繪制事故現(xiàn)場(chǎng)圖，通過(guò)這種方法繪制的事故現(xiàn)場(chǎng)圖可直接使用，無(wú)須再進(jìn)行縮放。

（3）利用PC-Rect對(duì)所拍攝的事故現(xiàn)場(chǎng)圖片進(jìn)行轉(zhuǎn)換后獲得俯視圖，得到事故現(xiàn)場(chǎng)圖。

當(dāng)完成二維事故現(xiàn)場(chǎng)圖建立后，若事故發(fā)生在平坦干燥的路面上只需再建立如護(hù)欄、行道樹(shù)等其他事故參與者；若事故發(fā)生在三維道路時(shí)，則還需利用PCCrash自帶的三維道路模型重建三維道路及周邊環(huán)境。

1.2 事故參與者建模

車-載人兩輪車事故參與者包含汽車、兩輪車及騎乘人。針對(duì)車輛建模，PC-Crash 內(nèi)的車輛數(shù)據(jù)庫(kù)可以獲得不同車輛模型，如小轎車、SUV、MPV、大型客車、摩托車等機(jī)動(dòng)車以及電動(dòng)兩輪車等非機(jī)動(dòng)車。若已知事故車輛品牌信息則只需從車輛數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出對(duì)應(yīng)車輛模型；若未知車輛品牌信息或數(shù)據(jù)庫(kù)中無(wú)對(duì)應(yīng)車型，則可找到與之外形相似的車輛側(cè)視圖，將其導(dǎo)入PCCrash軟件，利用軟件內(nèi)測(cè)量工具獲得車輛尺寸參數(shù)，然后修改車輛輪廓參數(shù)。修改車輛參數(shù)信息時(shí)需格外注意軸距、輪距、車重及車頭等參數(shù)。

針對(duì)兩輪車及騎乘人建模，該軟件內(nèi)包含很多多剛體模型，包括兩輪車、駕駛員、后座乘員和行人等模型，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)用，依據(jù)事故信息中的兩輪車信息、人體尺寸及形態(tài)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其盡量與實(shí)際情況一致。

1.3 再現(xiàn)仿真

完成事故現(xiàn)場(chǎng)重建及對(duì)事故參與者建模后，便可進(jìn)行事故再現(xiàn)：

步驟1依據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)圖確定碰撞前車輛與載人兩輪車的碰撞位置。

步驟2根據(jù)事故調(diào)查信息輸入仿真初始參數(shù)，如車輛及兩輪車碰撞速度、碰撞位置、碰撞角度、制動(dòng)減速度及摩擦系數(shù)等。

步驟3開(kāi)始仿真，并對(duì)比仿真中車輛、兩輪車及騎乘人路面痕跡與實(shí)際情況的吻合度，若吻合度低，回到步驟2 步，調(diào)整仿真初始參數(shù)后再仿真；反復(fù)迭代優(yōu)化直至吻合度高。

1.4 再現(xiàn)結(jié)果與分析

為保證再現(xiàn)結(jié)果的有效性，最后還需將車輛變形、騎乘人損傷等痕跡與實(shí)際情況逐一對(duì)比，若仿真與實(shí)際情況相符，則認(rèn)可并輸出再現(xiàn)結(jié)果；否則返回到步驟2，重新開(kāi)始仿真，通過(guò)迭代優(yōu)化直至獲得與實(shí)際情況高度吻合的仿真結(jié)果為止。

2 案例演示

事故介紹：2020 年8 月某天下午，一輛搭載甲（騎車人）乙（后座乘員）兩人（均未佩戴安全頭盔）、自北向南行駛的無(wú)牌照兩輪車于十字路口違反交通信號(hào)燈，與一輛自東向西行正常行駛的面包車發(fā)生碰撞，事故造成兩輪車上甲當(dāng)場(chǎng)死亡、乙受傷及兩車不同程度損壞。兩輪車上兩人與車輛發(fā)生碰撞后被拋出，兩輪車及騎乘人拋距分別為23.5、27.5 和13.5 m。根據(jù)事故調(diào)查報(bào)告，甲因頭部受到撞擊造成顱腦嚴(yán)重?fù)p傷而死亡、且其右下肢完全骨折，乙身體表面多處擦傷及瘀青；面包車前保險(xiǎn)杠脫落，左側(cè)車門前端有刮擦痕跡，左A柱嚴(yán)重變形且留有血跡，前擋風(fēng)玻璃及左側(cè)大燈碎裂。事故現(xiàn)場(chǎng)如圖2 所示。

圖2 事故現(xiàn)場(chǎng)示意圖（m）

2.1 事故現(xiàn)場(chǎng)重建

事故發(fā)生在路面干燥且平坦的十字路口，可將事故現(xiàn)場(chǎng)圖直接導(dǎo)入PC-Crash，再按現(xiàn)場(chǎng)圖中所標(biāo)注的道路尺寸進(jìn)行縮放即可完成事故現(xiàn)場(chǎng)重建。

2.2 車輛、兩輪車及騎乘人建模

從PC-Crash內(nèi)調(diào)用模型，根據(jù)事故車輛信息修改車型參數(shù)，將其長(zhǎng)、寬、高和車重分別設(shè)置為4 500、1 615、1 900 mm和1 370 kg，車頭參數(shù)可將事故車輛側(cè)視圖輸入軟件通過(guò)縮放后測(cè)量獲得，本案例事故車輛外形輪廓參數(shù)見(jiàn)圖3。

圖3 事故車輛輪廓參數(shù)

采用PC-Crash 多剛體模型對(duì)兩輪車和騎乘人進(jìn)行建模，根據(jù)事故兩輪車的外形尺寸、車重及甲、乙的體型特征調(diào)整對(duì)應(yīng)參數(shù)，將兩輪車的長(zhǎng)、寬、高和質(zhì)量分別設(shè)置為2 055、730、1 050 mm和130 kg；騎乘人的身高和體重分別為168 cm和69 kg、156 cm和56 kg。本案例中兩輪車及騎乘人模型如圖4 所示。

圖4 兩輪車及騎乘人模型

2.3 再現(xiàn)仿真

按照1.3 節(jié)的步驟，通過(guò)反復(fù)迭代優(yōu)化以使車、兩輪車及騎乘人四者的最終停止位置與事故現(xiàn)場(chǎng)圖中盡可能一致。最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)車速取48 km／h，兩輪車速度取19 km／h，仿真最符合實(shí)際情況，車、兩輪車和騎乘人的最終停止位置與現(xiàn)場(chǎng)圖中的對(duì)應(yīng)位置基本吻合（見(jiàn)圖5）。仿真中兩輪車及騎乘人的拋距分別為25.13、29.19 和14.48 m，與實(shí)際拋距亦接近。

圖5 仿真中人車最終停止位置

2.4 再現(xiàn)結(jié)果分析與驗(yàn)證

根據(jù)1.4 節(jié)，先驗(yàn)證車輛變形情況。圖6、7 分別給出仿真中不同時(shí)刻人車相對(duì)位置。t＝105 ms 時(shí)騎車人頭部碰撞面包車左A 柱及前擋風(fēng)玻璃，兩輪車碰撞車輛前保險(xiǎn)杠左部車燈處，與實(shí)際情況中汽車前擋風(fēng)玻璃和左側(cè)大燈碎裂及左A 柱變形情況相符；t＝133 ms時(shí)后座乘員碰撞汽車左側(cè)車門前端后視鏡處，與實(shí)際情況中汽車左側(cè)車門變形情況相符。

圖6 t ＝105 ms時(shí)仿真中兩輪車及騎乘人與車輛碰撞部位及車輛左A柱變形情況對(duì)比

圖7 t ＝133 ms時(shí)仿真中兩輪車及騎乘人與車輛碰撞部位及車輛左變形情況對(duì)比

表1 為仿真中騎乘人員各部位損傷情況。由表可知，騎車人（頭部傷害準(zhǔn)則（Head Injury Criterion，HIC））HIC15 ＝1 280.57，超過(guò)頭部損耐受極限；騎車人胸部3 ms加速度超過(guò)其安全界限；撞擊側(cè)右大腿所受剪切力峰值和右小腿所受剪切力峰值均超過(guò)其安全界限，表明騎車人頭部受到嚴(yán)重傷害，右大腿及右小腿均骨折，與報(bào)告中騎車人因嚴(yán)重顱腦損傷死亡和右下肢完全骨折情況相符。乘員頭部和胸部均未受到嚴(yán)重傷害，左右下肢均未骨折，與報(bào)告中乘員無(wú)嚴(yán)重傷害，身體表面多處淤青和擦傷情況相符。

表1 騎乘人各部位損傷情況及損傷判斷

據(jù)此，可認(rèn)為此次仿真很好地反映了真實(shí)事故情況，仿真結(jié)果可靠。

通過(guò)對(duì)該車-載人兩輪車事故的再現(xiàn)演示，發(fā)現(xiàn)仿真中的事故參與者最終停止位置等路面等級(jí)、車輛變形及人體損傷痕跡等都能很好地再現(xiàn)，說(shuō)明利用PCCrash可很好地再現(xiàn)車-載人兩輪車事故。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化流程再現(xiàn)車-載人兩輪車事故，不僅能保證仿真中路面痕跡與真實(shí)情況一致，還能通過(guò)比對(duì)車輛變形以及人體損傷以保證再現(xiàn)結(jié)果的客觀性。仿真結(jié)果表明，依照本研究所提仿真流程，不僅可得到客觀、可信的再現(xiàn)結(jié)果，還能保證仿真過(guò)程的可控性，可按步指導(dǎo)相關(guān)學(xué)生或研究者據(jù)此開(kāi)展再現(xiàn)與仿真研究。