基于EDR车辆事件数据的PC- CRASH交通事故重建方法验证研究

黎晓龙

(浙江警察学院交通管理工程系, 浙江杭州 310053)

0 引言

道路交通事故重建是调查案件事实，改善汽车设计，预防道路交通事故的重要方法[1]。PC- CRASH是一款道路交通事故重建软件，由DSD公司研发，适用于多种不同类型的道路交通事故仿真研究。软件在强大的模型与算法支撑下，可以执行复杂的重建计算。软件包含了几种不同的计算模型，有基于冲量的碰撞模型；有基于刚度的碰撞模型；有基于真实轨迹仿真的动力学模型和用于时间距离研究的简单运动学模型[2]。为验证PC- CRASH交通事故重建方法的有效性，可引入EDR车辆事件数据进行验证，EDR车辆事件数据记录器(Event Data Recorders)是安装在车辆上具有存储功能的芯片，设备可记录碰撞前5 s或8 s内、碰撞前和碰撞后0.2 s内的车辆速度值和速度变化值(等效能量速度EES)。这些被记录的信息可以用来对PC- CRASH重建的交通事故车辆速度、EES等特征参数进行验证。

1 PC- CRASH交通事故重建

PC- CRRASH软件仿真重建交通事故，是以道路交通事故现场痕迹、物证为基础进行的建模和碰撞优化。交通事故现场关键信息包括车辆行驶方向、交通事故接触点、碰撞接触部位、碰撞后的滑移痕迹、车辆停止位置等。

1.1 PC- CRASH仿真流程

车辆在发生交通事故时其运动状态是不断发生变化的，为了使仿真的事故车辆运行轨迹与交通事故现场痕迹吻合，可分阶段进行逆向重建[3]，即先仿真车辆碰撞前瞬间、碰撞后的运动状态，再仿真车辆碰撞前一段时间的运动状态。仿真流程如图1所示。

1.2 PC- CRASH仿真基础数据输入

(1)案例一车辆行驶情况

甲车在道路上左转弯时与相对方向直行的乙车发生碰撞，造成交通事故，如图2所示。

图2 碰撞前车辆行驶方向

碰撞后甲车、乙车在道路上滑移一段距离后停止，如图3、4所示。

图3 甲车

图4 乙车

(2)导入交通事故现场图

现场图中的信息主要包括现场元素空间位置信息：车辆停止位置、交通事故接触点、路面痕迹位置和尺寸等，其他信息：时间、地点、天气、方向、道路附着系数等。其中，测量目标长度小于0.5 m时，最大误差不得超过0.005 m。测量目标长度为0.5 m至10 m时，最大误差不得超过1%；测量目标长度大于10 m时，最大误差不得超过0.1 m[4]。导入交通事故现场比例图，如图5所示。

图5 在PC- CRASH中导入交通事故现场比例图

(3)导入交通事故车辆信息

如图6、7所示，事故车辆信息包括车辆品牌、型号、生产年份、参数及重量、减震、载重、后闸力、车辆形状、碰撞参数、稳定性控制、轮胎模式等。

图6 车辆参数及重量

图7 车辆轮胎模式

1.3 PC- CRASH仿真车辆运动状态

仿真车辆运动状态的关键是运用好PC- CRASH中的3个重要功能，即车辆运动状态参数设置、碰撞优化和运动学工具栏，如图8、9、10所示。

图8 车辆运动状态设置

图9 碰撞优化

图10 运动学工具栏

(1)仿真碰撞前瞬间及碰撞后的车辆运行状态

根据已输入的基础信息，软件对碰撞进行优化[5]，如图11所示，本次仿真利用遗传算法共进行了17次优化，碰撞优化显示：仿真结果与现场元素位置吻合度误差值为1.0%，说明仿真的事故车辆运行轨迹与现场痕迹吻合。软件输出的碰撞前瞬间速度值：甲车为13.5 km/h，乙车为83.3 km/h。

图11 碰撞优化和EES计算

同时，仿真软件计算了每辆车的碰撞等效能量速度(EES)， EES类似于EBS(有效碰撞速度)，是北美常用的一个术语[6]。两者的区别在于EES考虑了冲击的反弹速度。因此，在具有更高恢复系数的低速碰撞中，EES与EBS大不相同[2]。然而，对车辆速度变化值大于16 km/h的碰撞，EES和EBS之间的差异通常是微不足道的。碰撞中两车损失的能量分别取决于车辆质量和车体变形量。以下为EES的计算模型：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：ED1，ED2——甲车、乙车碰撞中损失的能量

F——甲车、乙车碰撞作用力

m1，m2——甲车、乙车的质量

X1，X2——甲车、乙车的碰撞变形量

WD——车辆在碰撞中变形而损失的总能量

EES1，EES2——甲车、乙车碰撞等效能量速度

仿真计算的EES值如图11所示：

甲车EES1=31 km/h

乙车EES2=37 km/h

(2)仿真碰撞前某一时刻至碰撞前瞬间车辆的运动状态

根据运动学原理仿真碰撞前某一时刻至碰撞前瞬间车辆的运动状态，如图12所示，计算车辆碰撞前某一时刻的速度值：碰撞前0.3 s甲车为14.0 km/h，碰撞前0.2 s乙车为90.0 km/h。仿真的事故车辆运行轨迹与现场痕迹吻合。

图12 运动学计算碰撞前某一时刻的车辆速度

(3)仿真输出速度- 时间关系图

PC- CRASH仿真的交通事故车辆运行轨迹与现场痕迹吻合，输出的车辆速度与时间关系如图13所示。这里特别指出，在PC- CRASH仿真中，设定了车辆碰撞前后动量守恒，将碰撞的0.2 s时间内动量损失值进行了忽略处理，因此甲车、乙车的速度- 时间关系曲线出现了垂直现象[4]。

图13 甲车、乙车的速度- 时间关系

(4)仿真输出的关键参数

将需要分析的车辆碰撞前某一时刻、碰撞前瞬间的速度和碰撞速度的变化值EES等参数进行整理归纳，见表1。

表1 PC- CRASH仿真输出的关键参数

2 EDR车辆事件数据读取分析

目前，EDR一般可存储3～4次车辆事件[7]。EDR车辆事件数据为线性数据，如根据轮胎的速度，可直接计算出车辆的速度[8]，根据制动尾灯的输入值，可计算出制动踏板的行程和车辆的制动状态，根据发动机曲轴转速，可以计算出发动机的转速等[9]。此外，根据其他连接的传感器，EDR也可获得对应的感应数据[10]。案例一的两辆事故车均为丰田品牌，EDR车辆事件数据可以读取。

2.1 甲车EDR车辆事件数据

事件摘要显示，共读取了甲车4次车辆事件数据，其中两次侧面碰撞，两次前后碰撞，最近的一次EDR车辆事件数据显示为前后碰撞，见表2。

表2 甲车EDR数据报告摘要

如图14所示，最近的EDR车辆事件数据(计数7)显示：碰撞后纵向速度脉冲表明，在碰撞后0.2 s内，甲车速度变化值为31.3 km/h。

图14 碰撞后0.2 s内甲车纵向速度脉冲

见表3，最近的EDR车辆事件数据(计数7)显示：车辆速度栏目，计量单位为mph(英里/小时)和km/h，是指甲车在碰撞前4.3 s、3.3 s 、2.3 s、1.3 s 、0.3 s 、0 s的速度值，分别是24 km/h、16 km/h、14 km/h、12 km/h、14 km/h、14 km/h。结合现场勘查和制动情况分析驾驶人的行为，甲车在转弯前通过制动进行了减速，当速度为14 km/h时，甲车驾驶人关闭了制动踏板，碰撞瞬间驾驶人发现危险，在碰撞瞬间又采取了制动措施。

表3 甲车碰撞前5 s(秒)内的数据(最近的事件，计数7)

2.2 乙车EDR车辆事件数据

事件摘要显示，共读取了乙车3次车辆事件数据，其中一次侧面碰撞，两次前后碰撞，最近的一次车辆事件数据显示为前后碰撞，见表4。

表4 乙车EDR数据报告摘要

如图15所示，最近的EDR车辆事件数据(计数13)

图15 碰撞后乙车纵向速度脉冲

显示：碰撞后纵向速度脉冲表明，在碰撞后0.2 s内，乙车速度变化值为40.3 km/h。见表5，最近的EDR车辆事件数据(计数13)显示：乙车在碰撞前4.2 s、3.2 s 、2.2 s、1.2 s 、0.2 s 、0 s的速度值分别是106 km/h、106 km/h、106 km/h、102 km/h、90 km/h、82 km/h。结合现场勘查和制动情况分析驾驶人的行为，当乙车发现前方危险时采取了制动措施，制动措施在碰撞前2.2 s生效，碰撞前瞬间乙车速度降至82 km/h。

表5 乙车在碰撞前5 s(秒)内的数据(最近的事件，计数13)

2.3 EDR读取的关键参数

将用于PC- CRASH交通事故重建验证的关键参数进行整理归纳，见表6。

表6 EDR读取的关键参数

3 EDR数据与PC- CRASH仿真输出数据对比分析

3.1 数据对比

(1)案例一数据对比

将案例一中的EDR与PC- CRASH数据同一项内容进行对比，并计算差值百分比，所涉及的参数包括碰撞前0.2 s(乙)或0.3 s(甲)的速度、碰撞瞬间的速度及碰撞速度的变化值，碰撞速度的变化值在EDR数据中是指碰撞接触后0.2 s的速度变化值，在PC- CRASH数据中是指EES的值，见表7。

表7 案例一中的EDR数据与PC- CRASH仿真输出数据对比验证

(2)案例二、三、四数据对比

按照案例一的方法将案例二、三、四的情况进行计算机仿真和车辆事件数据读取，分别将得到的PC- CRASH与EDR数据中同一项内容进行对比，并计算差值百分比，所涉及的参数包括碰撞前某一时刻、碰撞瞬间的速度和碰撞速度的变化值，见表8～10。

表8 案例二中的EDR数据与PC- CRASH仿真输出数据对比验证

表9 案例三中的EDR数据与PC- CRASH仿真输出数据对比验证

表10 案例四中的EDR数据与PC- CRASH仿真输出数据对比验证

3.2 分析案例一、二、三、四中的表格数据

根据表7～10的数据和PC- CRASH实验结果，仿真的四起交通事故车辆运行轨迹能够与现场痕迹吻合，PC- CRASH输出的车辆碰撞前某一时刻、碰撞前瞬间的速度值与读取的EDR数据几乎相同；将碰撞后0.2 s EDR的车辆速度变化值与PC- CRASH输出的车辆EES值进行分析，4起事故的车辆速度变化值平均差百分比分别是4.6%、3.7%、3.4%、4.0%，均小于5%，平均值为3.9%。通过对整体数据的验证可知，4起事故中的整体平均差百分比分别是2.4%、1.2%、1.1%、1.6%，均小于3%，平均值为1.6% 。

4 结语

根据验证分析可知，使用计算机仿真进行交通事故重建时，PC- CRASH与EDR的相关数据差值小，仿真车辆的运行轨迹也与现场痕迹吻合，说明仿真的交通事故过程与实际情况非常接近，只要导入正确的基础数据，并规范地运用PC- CRASH进行交通事故重建，就可以取得准确、客观的结论。EDR汽车事件数据为线性数据，而PC- CRASH仿真输出的是非线性数据，仿真结果受限于基础数据采集的精度，因此，对交通警察现场勘查和使用者操作软件的水平等有一定的要求，否则难以达到预期效果。