基于PC-Crash软件的道路交通事故再现技术研究进展

2018-03-31何永旺曾晓锋宋天周段腾龙

法医学杂志 2018年3期

何永旺，曾晓锋，闫文，李彦，宋天周，黄俭，段腾龙，李立，李桢

（1.昆明医科大学法医学院，云南昆明 650500；2.昆明市公安局交通警察支队事故处，云南昆明 650500）

随着计算仿真技术和数字模拟技术的发展，运用数字化方法进行道路交通事故现场处理和过程分析逐渐替代了传统计算方法。道路交通事故再现研究方法主要有动量守恒法、能量守恒法和有限元法[1]。基于动量守恒的软件主要包括PC-Crash、IMPAC、J2DACSH和CARS等，基于能量守恒的软件主要包括SMAC、CRASH和EES-ARM等，应用有限元法进行车辆碰撞事故再现的典型软件包括LS-DYNA、MSC/DYTRAN和PAM-CRASH等。道路交通事故再现仿真软件主要有 MADYMO、CRASH、TACAR 和 PC-Crash 等[2]。PC-Crash软件（奥地利DSD公司）可对32辆以下的道路交通事故车辆进行仿真再现，已被交通警察部门和鉴定机构广泛使用，国内外学者也对其进行了大量研究[3-19]。本文对PC-Crash软件用于道路交通事故再现的相关研究进行综述，探讨基于PC-Crash软件的道路交通事故再现技术在法医学实践中的应用及存在的一些问题，为道路交通事故仿真再现的研究与鉴定提供参考，同时为事故处理提供理论依据。

1 基于PC-Crash软件的车-人碰撞事故再现

车-人碰撞道路交通事故较为常见，也极为复杂，传统方法往往难以直接对事故进行重现。鉴于此，国内外学者[20]提出以PC-Crash软件为仿真平台，构建事故现场及车、人多刚体模型，根据事故中车、人接触部位及最终停止位置等信息对事故进行仿真模拟，并利用人体损伤等其他事故信息验证仿真结果，同时采用不确定性分析理论评估所得结果的不确定度。该方法包括事故现场重建、车人模型建立、仿真分析及结果、仿真结果的验证和仿真结果不确定度评估五个步骤，主要应用于对行人的运动状态及损伤情况的分析及车速的判断。

1.1 车-人碰撞事故中行人的运动状态及损伤情况

在法医学实践中，对行人的运动状态及损伤情况的再现是车-人碰撞事故现场重现的重要内容及难点，对判断车速等现场信息具有重要的意义。国内外研究[21-25]表明，在车-人碰撞事故中，车辆的不同类型、不同撞击速度、行人身高和体位、不同的运动状态等都会使行人发生不同的运动行为和损伤。范艳辉等[21]基于PC-Crash和MADYMO的计算机建模仿真方法模拟与再现汽车行人碰撞运动学过程，发现汽车行人碰撞后的行人运动轨迹主要受汽车前部外形及结构参数、汽车前端与行人身体几何尺寸对比关系的显著影响。在相同车速下，长头车碰撞行人比平头车碰撞行人造成的伤害大。林庆峰等[22]运用PC-Crash软件模拟高速行驶的汽车不刹车撞击行人的过程，发现轿车未采取制动措施的条件下撞击行人后，行人抛距随撞击速度的增加而明显增加。且车速越大，行人头部接触到汽车的时间越短，头部受到的损伤也越大。当行人正面、后部或侧面分别与车辆前部中间位置、车辆前部右侧三分之一车宽处接触碰撞时，若事故车速小于某一临界车速，则行人被碰撞后会经过车辆顶部并与车顶接触然后落到车辆后部；若事故车速大于某一临界车速，则行人碰撞后被抛到空中，在车辆上方飞行后最终落到车辆后方的地面上，且不与车辆接触[23]。行人身高一定的情况下，行人抛距会随着车辆速度的增加而增大[24]。身高较低的儿童被撞击后基本上是被撞倒或向前抛出，而身高较高的行人在车速较低时或车体较大时会被撞倒或向前抛出[25]。在实际案例中，由于撞击部位、撞击时的形态和车型的不同，行人身高与抛距的关系往往难以确定。行人在不同的运动状态下遭受撞击后的运动状态及损伤情况的差异仍然缺乏明确的研究报道。

1.2 车-人碰撞事故中车速的计算

行车速度在现场重现以及责任划分中起到了至关重要的作用，对各类碰撞事故中车速的计算具有重要的意义。行人与不同类型车辆碰撞的研究[26]表明，车速判断与车辆外形有关。车辆外形决定碰撞点的高低，而碰撞点的位置对行人弹出方向又有较大影响，同时也关系到行人与车身接触的范围，同时行人在碰撞时的姿势和面对的方向在一定程度上影响着行人与车辆碰撞时接触的身体部位，进而影响事故时车速的计算。MARTÍNEZ等[27]通过析因实验的方法，采用影响实验结果较大的参数（行人高度、碰撞角、车罩高度和行人路摩擦系数）和行人抛距与车速建立了回归模型，为道路交通事故重现中的车速计算提供了一种新方法，缩短了事故再现时间。苏海洋[23]运用PC-Crash车-人碰撞模型，对行人的正面、后部和侧面分别与碰撞车辆的中部、车头右侧三分之一车宽处的六种相撞情况进行研究，得出了车速与行人抛距之间的拟合公式，并结合真实事故案例验证该公式的可行性。庹永恒等[28]在不同碰撞部位、不同碰撞角度和不同碰撞车速下对车-人碰撞事故进行仿真试验，得出行人与车辆在不同的碰撞部位、不同的碰撞角度下的安全车速，并指出：当车速大于40 km/h时，行人的安全受到了极大的威胁，而且车速是影响行人伤害严重程度的关键因素，限制车速对降低行人的损伤风险非常有利。

1.3 PC-Crash软件的仿真模拟准确度验证

对车-人碰撞事故再现结果的误差来源和影响因素的研究[29]表明：行人相对车辆质量较小，对车辆的运动响应影响不大；调整参数时应先满足车辆的准确度，并调整好车辆轨迹，再对行人参数进行调整。行驶距离和行人的抛距主要受车辆车速的影响，影响车辆行驶轨迹的参数主要是减速度、转弯半径等[29]，这为车-人碰撞事故的再现模拟积累了宝贵的经验。此外，利用PC-Crash仿真软件在设置好车、人参数的情况下，可以高精度地模拟车-人碰撞过程、准确地显示行人与车辆的最终位置等信息[19]。邹铁方等[30]在正交试验设计的基础上引入参数敏感性分析方法，并将该方法运用于PC-Crash的参数敏感性分析，最终筛选出对碰撞后车辆运行轨迹有显著影响的参数，表明借助正交试验设计辅助PC-Crash进行事故仿真模拟具有重要的意义。张勇刚[31]借助PC-Crash软件计算出车人碰撞事故中肇事车辆的行车速度，与监控视频所获得的车速进行比较，发现两者数值基本一致，进一步证明了PC-Crash软件可以对车-人碰撞事故进行准确的仿真再现。综上所述，PC-Crash软件的仿真模拟准确度已经得到充分的验证，并在实际应用中取得良好效果。

2 基于PC-Crash软件的车-车碰撞事故再现

在法医学实践中，经常遇到道路交通事故现场除事故车以外，没有遗留多余的线索。对于类似缺少现场信息的道路交通事故，通常无法直接确定事故碰撞点、碰撞轨迹及碰撞过程等信息，故运用传统方法无法对事故进行分析重现。王晓宇等[32]根据事故车最终位置构建车-车碰撞模型，以事故车最终位置推测事故前车辆可能行驶的车道，进而推测碰撞点的所在区域，接下来不断改变车速进行碰撞拟合，确保车辆在碰撞后的最终位置与实际最终位置基本吻合，从而确定车速和碰撞过程，最终实现两车碰撞的交通事故重现。作者结合实际案例，证明了该方法具有较高的准确性。王宏雁等[33]详细介绍了PC-Crash软件中各参数在车-车碰撞事故中对仿真结果的影响，并指出参数的权重从大到小顺序依次为碰撞前车速、水平接触平面角度、减速度、摩擦因数、碰撞中心位置、车辆碰撞位置、碰撞恢复系数、重心高度和车重。同时还建立了车-车斜撞模型，为减小事故再现误差提供了依据。邹铁方等[34]建立了基于PC-Crash的事故再现仿真分步方法，将多车碰撞过程划分为多个独立的两车碰撞过程并分别进行仿真，为多车碰撞事故重现提供了参考。

3 基于PC-Crash软件的车辆侧翻事故再现

国内外研究[6-8]表明，驾驶模型与Sequence模块是常用仿真模拟方法，可对车辆侧滑事故进行仿真再现。分别运用Sequence模块与驾驶模型对同一典型单车侧滑事故进行仿真再现，结果发现两种仿真再现方法具有良好的互通性[35]。邹铁方等[6]运用PC-Crash软件对车辆侧滑事故进行分步重现，即先仿真出车辆侧滑运动，再仿真出车辆碰撞及之后的运动，最终将车辆侧滑事故过程重现出来。何烈云[36]也对PC-Crash软件仿真车辆侧翻事故的步骤进行了介绍，即根据交通事故现场的基本情况，先假定事故车辆侧翻前运动状态已知，再推导出侧翻后的运动状态，然后不断调整假设侧翻前的运动状态，直到所得侧翻后运动状态与实际情况相吻合。并通过具体交通事故案例，演示了PC-Crash软件仿真车辆侧翻事故的重现过程。

4 基于PC-Crash软件的道路交通事故仿真再现系统在教学实践中的应用

道路交通事故具有特定性和复杂性，而公安院校高等教育和在职民警交通事故处理培训难以进行道路交通事故现场碰撞试验，学员对交通事故过程仅停留在理论层面，并无直观的认识。鉴于此，黎晓龙等[37]对如何运用PC-Crash仿真系统模拟再现交通事故的过程进行了详细的介绍，并指出该过程主要包括：基础数据调查与输入、车辆模型建立、交通事故碰撞模型建立以及PC-Crash数据的输出等。通过对PC-Crash软件在交通事故处理课程教学中使用方法的介绍，有效地解决了上述问题，很好地指导了交通事故处理课程的教学实践工作，增强了学员对交通事故过程的认识。此外，杨建军等[38]也证明PC-Crash能较好地再现事故过程，其仿真结果具有科学性和直观可视性，有利于对事故过程进行分析和判断，可用于交通事故教学实践。PC-Crash能以直观的动态画面还原事故过程，可以加深学员对交通事故碰撞机制的认识和理解，提高学员解决实际问题的能力。

5 PC-Crash软件的仿真系统存在的问题以及拟解决的方法

PC-Crash软件已经广泛运用于道路交通事故重现中，但目前主要存在以下问题：（1）PC-Crash仿真系统需要事故分析人员根据实际事故碰撞情况来确定各参数的取值，仿真模型内部参数设置是否正确、合理会直接影响到仿真结果的准确性[31]。但我国的事故分析人员多为基层民警，且国内关于碰撞试验的数据寥寥无几，事故分析人员在处理事故时，难以根据事故现场信息准确地选择对于计算结果影响较大的特征参数值。（2）事故重现时的行人抛距和碰撞时车辆的速度受到现场勘验、痕迹物证提取和损伤分析完整性和准确性的影响。（3）PC-Crash的数据库都是基于国外车型和国外人体特征的[3-5]，运用到国内难免会产生误差，最终影响仿真结果。而且目前对国内的大型车辆，仍然缺乏建模及相应的数据库支撑，因此对大型车辆交通事故现场重现效果不佳。（4）PC-Crash软件中的行人模型属于多刚体模型，使用的是24刚体、15铰接点的人体模型。其模型的各部分是由数十个刚体通过铰接点相连接构成的。多刚体模型是一个固定统一的模型，其并未考虑人体个性化差异针对该问题，有学者应用有限元数学模型[39]，建立个性化的生物力学模型，可以对行人的损伤部位、程度和致伤方式得到更详细精确的反映，提高PC-Crash事故再现的精度和准确性。基于以上原因，目前运用PC-Crash软件进行道路交通事故仿真的结果尚无法作为法庭证据直接使用[1]，需要进行更多的案例确证和试验研究。鉴于国内目前碰撞试验研究和计算机模拟碰撞基础都很薄弱，笔者认为，比较理想的办法是结合国外事故再现软件和我国计算机模拟技术，开发出适合我国道路交通事故的再现软件。