基于Pc-Crash的车辆侧翻事故逆向分段事故再现方法

吴凯丽，王 琰，李京泽，岳永恒

(1.东北林业大学 交通学院， 哈尔滨 150000；2.国家质检总局 缺陷产品管理中心， 北京 100000)

道路交通事故再现是交通安全的重要研究内容之一。道路交通事故再现不仅能为交通管理部门对事故的责任认定提供科学的依据，更重要的是能为道路事故预防及道路安全设计提供详实的数据支撑。道路交通事故再现是研究交通事故形成原因的方法之一，以事故现场车辆终态位置信息、车辆碰撞痕迹及地面痕迹等信息为基础，运用动力学、运动学基本原理或计算机仿真软件等技术分析碰撞车辆初始状态及交通事故发生及发展的全过程。其中，基于计算机仿真技术的道路交通事故再现方法，因以直观可见的动画形式再现交通事故碰撞全过程备受交通安全领域专家关注。在众多道路交通事故仿真软件中，奥地利DSD公司开发的Pc-Crash软件因专业化及车辆模型精确化等优点在国内外得到了广泛应用[1-5]。

目前，国内基于Pc-Crash的道路交通事故再现主要集中在人车碰撞等事故方面的研究[6-15]。对于多车碰撞逆向分段仿真在文献[2]中有详细的论述，但是对于两车碰撞事故中，因碰撞导致车辆侧滑和翻滚等复杂运动过程的事故类型研究较少。由于仿真需要同时控制车辆碰撞过程、碰撞后侧滑过程及侧翻过程，因而很难确保事故再现过程与客观事实的一致性。

鉴于此，本文针对车辆追尾碰撞导致车辆侧滑及侧翻事故，提出一种基于Pc-Crash软件的逆向分段事故再现方法，首先逆向仿真车辆侧翻运动过程，再仿真车辆碰撞滑移运动过程。根据此案例，详细演示所提出方法的流程，应用动力学方法推演分析两车碰撞前车速，并与仿真结果中所获得车速进行比对分析，验证逆向分段事故再现方法的正确性。

1 基于Pc-Crash的车辆侧翻事故的分布再现流程

通常情况下，以道路交通事故现场痕迹为基础，应用Pc-Crash软件再现事故发生过程。其中事故现场痕迹包括碰撞点、碰撞后滑移痕迹、是否存在侧翻痕迹或翻滚痕迹、车辆停止位置等重要信息。首先，在Pc-Crash软件中导入事故现场图，并调入车辆模型，将其置于碰撞点位置，反复调整两车碰撞前速度大小及角度，直到仿真中的车辆运动轨迹与现场痕迹相吻合，且最终停止位置与事故现场车辆终态位置相一致，以此证明仿真中两车碰撞前速度为实际事故前车速。此方法的不足之处在于：对于较为复杂的多模态交通事故，中间变量较多，且相互耦合，因此难于获得合理的结果。例如：当车辆碰撞、滑移，最后发生侧翻时，由于车辆在运动过程中运动状态不断发生变化，故难以控制仿真中的车辆运动过程以保证车辆运动轨迹与事故现场痕迹相吻合。对此，可以采用逆向再现的方法，分段仿真事故的全过程，即先仿真车辆侧翻运动过程，再仿真车辆碰撞过程和之后的侧滑运动过程。具体流程如图1所示。

2 事故介绍

2015年某月某日，某哈弗与帕杰罗越野车同向行驶于哈尔滨市某景观大道且发生追尾事故，事故现场图如图2所示，事故现场道路及地面痕迹照片如图3～5所示。根据现场痕迹可以分析出两车碰撞后向前行驶，向左滑移至对向车道，帕杰罗车冲上对向车道路缘石后驶入人行道并向右转向，由于速度过快且转弯半径过小，在离心力作用下，帕杰罗车发生侧翻。其中，在图2标记A处为碰撞点位置，标记B处为帕杰罗车冲上对向车道路缘石的位置，标记C处为帕杰罗车发生侧翻的位置，标记D处为帕杰罗车的最终停止位置。

图1 车辆侧翻事故再现流程

图2 事故现场图

图3 事故现场概览

图4 事故现场痕迹(图2B处)

图5 事故现场痕迹(图2B到C处)

3 道路交通事故再现

根据逆向分段事故再现方法所提出的仿真流程：首先在软件中重建事故现场，再构建并调入两车的车辆模型，然后仿真帕杰罗车侧翻运动过程，最后仿真车与车碰撞过程以及之后的侧滑运动过程。

3.1 事故现场重建

将CAD绘制的事故现场图(图2)导入到Pc-Crash中，选择图2中A处与B处之间的实际距离对其进行缩放，考虑到帕杰罗车在向左滑移至对向车道后，冲上路缘石并驶入人行道，因此需要在道路两侧建立与道路长度相同的路缘石和人行道模型。由于事故发生道路为干燥平坦路面，故将地面摩擦因数设置为0.8，地面坡度设置为0。

3.2 车辆模型的构建和调入

当事故现场重建后，需要构建两车车辆模型并调入：首先，对事故车辆的主要参数进行采集；其次，在Pc-Crash中打开车辆数据库调入车辆模型并修改主要参数，依据所测量的事故车辆变形量修改车辆模型的变形量；最后，打开车辆DXF导入车辆二维模型。

3.3 车辆侧翻运动再现

当事故现场重建完毕且调入事故车辆模型后，首先仿真帕杰罗车侧翻运动过程，在事故现场图(图2)中选择两车碰撞后侧滑轨迹上的某一点，在保证两车运动轨迹与现场痕迹重合的基础上，不断调整两车的初始速度、相对位置及角度，直至仿真中帕杰罗车的侧翻位置与事故现场图(图2)中标记的实际侧翻位置(C处)相同，且最终停止位置与事故现场车辆终态位置(D处)相一致。经过反复调整，当帕杰罗车和哈弗车速度分别为87.3 km/h和68 km/h时，仿真中帕杰罗车侧翻位置与实际情况相符，如图6所示，且帕杰罗车最终停止位置与实际停止位置一致(见图7)。此致认定车辆侧翻运动仿真过程是成功的。其中，选取的两车初始运动状态参数如图8所示。

图6 帕杰罗车侧翻位置(三维)

图7 帕杰罗车最终停止位置(二维)

图8 两车初始运动状态参数

3.4 车-车碰撞及之后的侧滑运动再现

当再现了帕杰罗车侧翻运动后，需要对车车碰撞过程及之后的侧滑运动过程进行仿真再现。依据图1的流程，选取一个合理的时刻作为本次仿真的结束时刻。为保证两次仿真过程的连续性，将两车速度87.3 km/h和68 km/h作为本次仿真结束时的速度。其次，将车辆模型置于碰撞点位置，不断调整两车的碰撞前速度和初始相对位置，直到仿真中车辆侧滑轨迹与现场痕迹相吻合，且在某时刻两车的速度分别为87.3 km/h和68 km/h。经过反复调整，当仿真时间为3.80 s时，车辆运动情况符合要求(见图9)。由此，可以认为车与车碰撞过程和之后的侧滑运动过程仿真符合要求，此时帕杰罗车和哈弗车的碰撞前速度分别为80.4 km/h和118.2 km/h(见图10)。本次仿真中车辆碰撞前运动状态参数如图11所示。

图9 3.80 s时两车运动状态(三维)

图10 碰撞前两车的位置(三维)

4 运用动力学模型推演分析两车碰撞前车速

根据现场痕迹得知两车发生碰撞后，帕杰罗车向对向车道方向滑移距离约120 m，最终停止位置距离车辆与路缘石碰撞点约50 m。哈弗车向对向车道方向滑移约220 m。由采集的车辆信息可知，帕杰罗车的车宽为1.875 m，车高为1.9 m，总质量为2 285 kg；哈弗车总质量为1 836 kg，等效塑性变形量为0.22 m。

图11 碰撞前两车的运动状态参数

帕杰罗碰撞后行驶速度计算公式为

(1)

式中：重力加速度g=9.8m/s2；S11=120m为帕杰罗碰撞后滑行距离；S12=50m为帕杰罗侧翻后滑行距离；B和h分别为帕杰罗车宽和车高；φ11=0.97×0.01+0.08为帕杰罗滑行时横向附着系数；φ12=0.4为帕杰罗车身滑动摩擦因数。因此，由式(1)可得帕杰罗碰撞后行驶速度v1=26.56m/s，即93.62km/h。

哈弗车碰撞后行驶速度计算公式为

2S2gφ21φ22=0

(2)

式中：重力加速度g=9.8 m/s2;t=3×0.75 s为驾驶员反应时间；φ21=0.225为哈弗车左前轮制动等效附着系数；φ22=0.65为哈弗车制动等效附着系数；S2=220 m为哈弗车碰撞后滑行距离。因此，由式(2)可得哈弗碰撞后行驶速度v2=26.1 m/s，即93.96 km/h。

哈弗碰撞前行驶速度计算公式为

式中：m1为帕杰罗的整备质量；m2为哈弗的整备质量；L=0.22m为哈弗的等效塑性变形量。因此，由式(3)可得哈弗碰撞前行驶速度v20=32.84m/s，即118.22km/h。

帕杰罗碰撞前行驶速度计算公式为

式中：m1为帕杰罗的整备质量；m2为哈弗的整备质量。因此，由式(4)可得帕杰罗碰撞前行驶速度v10=21.23m/s，即76.43km/h。

通过分析计算得出，帕杰罗车和哈弗车的碰撞前速度分别为76.43km/h和118.22km/h。

综上所述，对于帕杰罗车碰撞前速度，依据Pc-Crash的仿真结果与推演分析结果基本一致；对于哈弗车碰撞前速度，依据Pc-Crash的仿真结果与运用动力学模型推演分析的结果完全一致。因此，验证了事故再现正确性。

5 结束语

本文所提出的逆向分段事故再现方法可以降低复杂多模态交通事故仿真难度，提高仿真结果的准确性。本文案例再现分析表明：仿真结果可满足所有事故现场痕迹信息，且仿真分析中车辆碰撞前速度与基于力学分析推演的两车碰撞前车速基本相同，因此仿真结果可信度较高。

逆向分段事故再现方法为其他类型的多模态交通事故仿真分析和研究提供了一个新思路，可为交通管理部门进行责任认定提供有效的技术支撑。

致谢

感谢岳永恒老师、东北林业大学交通学院实验室老师和李忠康同学的热心指导与帮助。