基于PC-Crash车人碰撞事故再现研究

朱路生，潘公宇，张学荣

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

随着我国经济的快速发展，国内的汽车保有量日益增加。加上道路条件落后，驾驶员和行人安全意识的薄弱等众多因数的影响，道路交通事故已经成为刻不容缓的问题。而在复杂的道路交通事故中，行人受到的保护几乎为0，汽车与行人的碰撞事故已是道路交通事故中的一种重要类型。据资料[1]显示，2010年，我国道路交通事故共造成65 225人死亡，其中行人死亡人数为16 045，占总死亡人数的24.5%。相对于驾驶员和乘员，行人在交通道路事故中伤亡程度相当严重。车人碰撞事故数所占总事故数的百分比在美国约为12%，在欧洲和日本约为15%，30%[2]。这样高的行人死亡人数及死亡率使得对车人事故再现和事故鉴定提出较高的要求。因此，有必要对车人事故再现方法和技术进行研究。

1 PC-Crash软件简介

PC-Crash是奥地利的Hermann Steffan博士以Kudlich-Slibar模型为基础开发的软件系统，其应用的碰撞模型属于动量模型。它以运动学，动力学的原理，如速度、加速度关系式、牛顿定律、尤拉算式及动量守恒、能量守恒原理等为基础，建立多组物理和数学模型，以反映事故过程中事故诸元素的相对运动及相互作用状态和内在联系。其作为一种交通事故再现软件，在国内已被广泛地应用。软件里包含了车辆模型库和人体模型库，在仿真模拟时可以直接调用并适当修改参数。将车辆视作刚体，行人模型则基于多刚体动力学建立的，包括了15个刚体，每个刚体分别代表头部、胸部、盆骨、上肢、下肢等，各刚体之间通过铰链连接。人体外形用椭球体描述，椭球体参数及刚体的质量、接触刚度、摩擦系数等可以指定。该软件的优点就是可以充分利用碰撞事故现场遗留的信息来实现事故再现。应用此软件分析碰撞事故的过程大致为以下几步：

1)绘制事故现场图。根据事故现场，绘出车的停止位置和人的落点位置、车轮轨迹等。

2)建立车和人体的模型。根据采集的事故车辆与人体的信息，从模型库中调用车辆及人体模型，并修改其参数。

3)设置车辆与行人的初始位置。初步估计车辆与行人的初始位置，并在软件中设置。

4)设置行驶参数。输入车辆行驶状况参数，如制动、转向等。

5)模拟人车的碰撞及验证。通过多次调整车速、摩擦系数、碰撞位置等，模拟碰撞过程，直到模拟结果与真实情况基本符合。

2 案例介绍

2011年某日，一男性驾驶员驾驶小型普通客车，由南向北行驶至某沿海高速公路上行线出口处停车后，其车上一女性乘客下车，由东向西步行横穿高速公路时与另一男性驾驶员驾驶的由南向北行驶的轿车碰撞，发生道路交通事故，致女者当场死亡，车辆损坏。事故车辆的型号为奥迪牌FV720TCVT型轿车，发生碰撞时，状况良好。车主要参数如表1。

表1 事故车辆主要参数

事故发生时，天气晴朗，道路为沥青路面。事故造成车辆右大灯开裂，发动机盖右前方有很明显的变形，挡风玻璃下沿靠右有放射性裂纹，右大灯下方的保险杠有部分脱落。尸检报告显示：行人头部有严重的软组织挫伤，头颅有裂纹，颅内有积血、胸部的肋骨有骨折，肺部受到挤压、左大腿外侧皮肤挫伤，膝关节有严重骨折。头部和胸部受到剧烈的撞击是造成行人当场死亡的主要原因，行人伤害等级AIS(abbreviated injury scale)为6级，属于最大伤害。

道路交通事故现场草图(图1)显示了事故发生的位置、事故发生后的行人落点位置、事故车辆的最终停止位置。

图1 事故现场草图Fig.1 Accident scene sketch

3 事故现场重建

根据交通事故现场草图，在PC-Crash主界面里建立道路模型。道路模型长100 m，三车道宽均为3.7 m。事故车辆为奥迪牌FV720TCVT，在软件中调入定制的车辆模型，然后根据实际采集到的车辆外形参数，修改车辆模型，图2显示了车辆主要的轮廓参数，其他参数采用默认值。调入PC-Crash软件中自带的行人模型，并修改外形参数，此事故中女性行人的身高为1.60 m，体重为58 kg。

图2 车辆模型Fig.2 Vehicle model

4 仿真及分析

4.1 事故现象勘测参数

事故现场主要勘测到对再现结果有影响的参数有，汽车制动印迹不清晰，但可判断起始点位置、地面摩擦系数μ为0.7左右、汽车和行人的最终位置、行人落地瞬间位置、行人散落物位置、汽车的损坏位置、行人的损伤情况、行人空中飞行时最高点(目击证人提供，约为0.8 m)。

4.2 一些数据的初步估计

4.2.1 汽车速度

虽然制动印迹不清晰，但可以根据行人抛距公式(1)初步估计汽车速度v：

(1)

式中：h为行人被抛出时重心高度，m；s为行人抛距，m。

因此，由式(1)得到汽车初始速度v= 101 km/h。

4.2.2 碰撞点

根据驾驶员及目击证人口供判断，碰撞点与制动印迹起始点的距离约为9 m，另外现场遗落的行人鞋子位置也大约在9 m处。

4.3 正交法试验法安排试验

以改变参数模拟后车辆的位置与实际车辆停止位置的位移为输出(以下简称位移)。选取表2中8个主要参数，每个参数设3个水平，因数水平的选取依据事故的实际情况而定。

表2 参数水平

选用正交表L27(313)，在PC-Crash软件模拟输出位移，观察结果。模拟结果如表3。

表3 L27(313)Table 3 Orthogonal layout of L27 (313)

4.4 对正交表结果分析

极差分析方法可以反映各参数水平变动时，结果指标的变动幅值。极差大说明参数对指标的影响大，即权重大，所以可以用极差的大小作为参数权重，排出参数主次关系。

极差={ |xi1-xi2|，|xi2-，xi3|，|xi3-，xi1| }max

其中：xi1，xi2，xi3分别是参数i的水平1、水平2、水平3所得位移指标平均值。计算得到各参数极差如表4。

表4 各参数极差

表4显示了参数权重大小依次为：车速>减速度>行人速度>车身偏角>碰撞点>摩擦系数>驾驶员反应时间>行人朝向。

4.5 模拟分析

按照参数权重的大小不同，通过微调车人的初始输入，以使得车人碰撞接触位置，碰撞点与事故信息相吻合以及碰撞后车人的最终位置与事故现场位置尽可能吻合。当误差值在允许的范围内时，则认为仿真结果是合理的。当仿真结果与事故现场吻合度较高时，各输入参数为：车辆速度98 km/h、行人速度6 km/h、车身初始偏角-4.5°、驾驶员在碰撞后采取了全制动，将制动踏板踩到死、反应时间0.8 s、行人初始角度64°、车辆与地面的摩擦系数0.7、行人与地面的摩擦系数0.7，行人与车辆的摩擦系数0.2。图3显示了车人碰撞的全过程。

图3 碰撞模拟过程Fig.3 Process of collision simulation

t= 0 ms时，驾驶员正常行驶，由于速度很快，碰撞时未及时采取制动措施；碰撞后驾驶员采取了全力制动，将制动踏板踩到底。行人为了避免事故，本能地往自身右方准备掉头。

t= 25 ms时，车和行人开始接触，行人的左大小腿分别与车辆的右大灯、保险杠处接触，因此导致行人左大腿受伤，膝关节有骨折。车辆和人的接触位置与实际车辆的损坏位置相符合。

t= 120 ms时，行人侧翻过程中，头部与挡风玻璃右下角处发生碰撞，碰撞位置与实际的挡风玻璃破损位置相符合。

t= 155 ms时，行人侧翻后，完全脱离车辆，在空中做复杂的旋转运动。

t= 2 500 ms时，行人头部与地面接触，落点位置与事故现场吻合。

t= 3 515 ms时，行人经空中旋转后，落地时头部率先与地面接触，然后在地面滑行，最终停止在此位置。

5 仿真结果准确度分析

5.1 用位置误差判断仿真结果的准确度

交通道路二维再现结果的总体平均相对误差在5%左右，三维再现误差在7%左右[3]。由表5看出，仿真结果与实际测量值的误差在允许的误差范围内。

表5仿真结果与事故现场测量值的误差

Table5Errorsbetweensimulationresultsandthemeasuredvaluesinfiled

5.2 用行人损伤来判断仿真结果的准确度

模拟仿真中影响头部损伤程度的因素为载荷大小以及加速度的持续时间，所以选择头部损伤判据HIC(Head Injury Criterion)作为行人头部损伤程度的判断依据[4]，计算公式为[5]：

(2)

式中：t1，t2为使HIC达到最大值的时间段的起始和结束时间；T0，TE为碰撞起始时刻和碰撞结束时刻；a为头部合成加速度。

图4显示，行人头部与挡风玻璃的碰撞导致头部合成加速度第1次达到峰值，t= 120 ms时，约为1 800 m/s2。之后行人落地，与地面发生碰撞，并在地面滑行时，头部受到了2次伤害，其间最大合成加速度约为2 500 m/s2。

图4 行人头部加速度Fig.4 Head acceleration of the pedestrian

由式(2)计算得到仿真中HIC=1 732，发生在落地后的时间段。此值远远超过了安全界限值1 000[6]。

由图5[7]知，行人确实受到AIS6级伤害，所以头部损伤是造成行人死亡的主要原因，与实际情况相符合。

图5 AIS与HIC关系曲线Fig.5 Relation curve between AIS and HIC

图6为行人胸部的加速度曲线，仿真中行人的胸部加速度有2次较大的峰值，分别为1 480，1 100 m/s2。第1次是开始碰撞时胸部受到了车辆的急剧撞击造成的，第2次是因为从空中落地且在路面滑行造成的。两次胸部合成加速度均超过标准界限60 g[8]，与实际的行人胸部严重受损情况相符合。

图6 胸部加速度曲线Fig.6 Chest acceleration curve

6 结 语

利用交通事故再现软件PC-Crash，重建车人碰撞事故现场，以正交法可以判断出参数的权重，但是不同事故类型的主要参数是不同的，主要参数的选取要根据实际的事故情况，充分利用现场的人车位置信息和行人损伤来验证了仿真结果的合理性。利用计算机软件对交通事故进行再现模拟仿真，为交通处理部门准确，客观地处理道路交通事故提供了良好的方法。

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