基于pc-crash事故再现技术研究

基于PC-Crash软件的交通事故再现技术研究---本科科研项目院系名称：工学院；作者姓名：林涌周，邓燕辉，林文锋，马业晓，游渊；指导老师：蔡铭副教授；2009年12月基于PC-Crash软件的交通事故再现技术研究摘要:随着汽车工业和交通运输业的高速发展，交通事故日益严重，而通过对道路交通事故的再现模拟，既能为事故责任认定提供依据，又能辅助研究事故的一般成因。如何在现有研究基础上准确、快速、有效地实现对实际道路交通事故的再现分析，是目前该领域亟待解决的问题。本文以交通事故为研究对象，以PC-Crash软件为工具，基于已有的实际数据，研究在不同事故形态下，利用该软件实现事故再现分析时所采用的模型，分析不同事故形态下实现事故再现分析时输入参数选择、调整的方法。在现有研究基础上准确、快速、有效地实现对实际道路交通事故的再现分析，具有一定的应用价值。关键词：PC-Crash事故再现参数敏感性不确定度第一章绪论1.1道路交通事故再现分析的意义汽车的发明和使用，使人类的生活方式和生产方式产生了巨大的变化，进而影响到整个社会面貌的变革。然而汽车在给人们带来便利和快捷的同时，也给人类的生命财产安全造成了巨大的威胁，人们把交通事故称之为“无休止的战争”。2008年，全国共发生道路交通事故265204起，造成73484人死亡、304919人受伤，直接财产损失10.1亿元。从图1可以看到，自2000年以来，我国交通事故发生次数和上网情况虽然有所好转，但仍然居高不下，事故死亡率甚至有所提高，解决道路交通事故率偏高的问题仍然是今后交通安全工作者的重要任务之一。图12000年以来中国道路交通事故发生情况惨重的道路交通安全状况逐渐引起了有关专家和学者的高度重视，并开始应用计算机技术、智能仿真技术及各相关领域的知识到交通安全研究工作当中。其中基于计算机仿真软件的事故再现分析技术成为其中一股强劲力量，得到有关专家和学者的高度重视，并被广泛的应用到实际操作当中。通过对道路交通事故的再现模拟，既可为事故责任认定提供依据，又可辅助研究事故的一般成因，具有很高的研究价值和现实意义。1.2国内外研究的历史和现状国外在20世纪60年代就开始了道路交通事故再现分析领域的研究，并已初具规模，各种专业的事故再现仿真软件相继问世，道路交通事故仿真分析软件的开发和应用，主要集中在欧美和日本，比如美国的SMAC、CRASH等软件，奥地利的PC-Crash软件，法国INRETS的ANAC，日本JARI的J2DACS软件等。尽管现有的各种碰撞模型和仿真软件不断地在改进和完善，但在关键技术方面还有待进一步提高。奥地利的PC-Crash软件是目前国内外应用最为广泛的事故再现分析软件，在国外已经能够较为成熟的应用该软件进行实际交通事故的仿真，并作为指导事故责任认定和再现分析的理论依据。国内方面，长安大学，吉林大学，清华大学相继开发了道路交通事故计算机辅助分析系统，广东警官学院也是把PC-Crash软件的推广与实践教学相结合。如今，国内研究交通事故再现这一领域的高校、研究所如雨后春笋般冒出。但由于国内在事故再现这一领域开展的研究比较晚，相关方面研究才刚刚起步。前期的试验数据积累和关键技术的掌握方面仍然亟待提高。1.3事故再现分析软件的发展和应用目前的交通事故再现分析模型一般是基于动量定理、动能定理，结合空间几何模型，采用迭代优化算法，实现目标函数最优化，得到最优算法[1]。国外研究机构在20世纪60年代末，70年代初做了大量的富有成效的基础性研究工作，并开发出了相应的汽车碰撞模拟软件，如美国的SMAC，CRASH等分析软件，德国的EES-ARAM，荷兰的MADYMO3D，奥地利的HermannSteffan博士及其研究小组开发的PC-Crash软件等。其中，Steffan博士及其研究小组在PC-Crash软件内引入行人多刚体模型，使得该软件能够应用于车人碰撞事故的再现分析。因而该软件在事故再现领域的应用得到扩展，几乎可以用于研究所有的道路交通事故。这是目前为止最成熟，市场推广最好的道路交通事故再现软件。1.4本课题的研究内容和研究目的（1）可确定不同事故形态下，事故再现模型中所需的输入参数及其不确定度。这些资料是事故再现结果不确定性研究、参数敏感性分析的基础。（2）通过对PC-Crash软件内各模型输入参数的敏感性进行分析，可对各模型有一个全面的了解，了解其中的缺陷，进而为模型改进奠定基础。（3）项目完成后，项目组成员可学习到交通事故的相关知识，能够利用PC-Crash软件熟练实现对道路交通事故进行再现模拟，培养了研究的解决实际问题的能力。第二章事故再现的方法和主要碰撞模型交通事故再现分析的主要目的是计算汽车制动前的速度,模拟事故的全过程,以帮助执法人员鉴定事故责任。在分析交通事故时,一般都将整个过程分为3个阶段:碰撞前的运动、碰撞过程、碰撞后的运动。汽车接触并且有明显力作用的阶段称为碰撞过程,碰撞过程的运动之前称为碰撞前运动,之后的运动称为碰撞后运动。碰撞后运动的求解主要应用轨迹模型,在文献[2]中有比较适用的轨迹模型介绍。目前应用最广的事故再现碰撞模型分别是Crash模型、SMAC模型和PC-Crash模型（如图2），下面分别对这三种碰撞模型进行介绍。图2事故再现碰撞模型2.1CRASH模型CRASH模型的原理是用碰撞前后的能量守恒和线动量守恒求解碰撞过程。在CRASH模型当中，假定挤压力与汽车的前端变形有线性关系,建立起有效碰撞速度和车辆头部塑性变形平均深度之间的线性关系[3]。碰撞中没有回弹,忽略碰撞前后汽车的旋转动能,忽略变形能以外的噪声、热等能量损失,碰撞过程结束时接触面有相同的速度。由于CRASH碰撞模型在事故再现领域中应用非常广泛,而且所做假设又比较多,所以CRASH的精度一直是关注的焦点，目前CRASH模型也一直在不断地完善发展中。2.2SMAC模型SMAC软件是模拟类软件的代表,主要使用牛顿第二定律的数值积分求解。在碰撞过程的任一时刻,将接触面分成很多的小块,根据此刻的变形情况计算此刻微元上的接触力,将接触力矢量合成,计算此刻汽车的加速度,根据数值积分计算整个碰撞过程的加速度变化,积分可得速度曲线。SMAC模型能比较精确地模拟碰撞过程的速度变化曲线,在事故再现领域中应用比较广泛。SMAC属于“开放”型的软件,比较费时,SMAC的判断逻辑非常复杂,需要汽车的变形特性,而且改变初始值并不一定能得到比原来结果更好的值。2.3PC-Crash模型PC-Crash应用的碰撞模型属于动量模型。它的功能很强大,在事故再现领域中一直非常流行。PC-Crash属于模拟类的软件,需要用户确定碰撞过程的摩擦系数、回弹系数等参数,然后修改初始值和摩擦系数、回弹系数、碰撞中心位置、接触面角度等参数,模拟事故的整个过程。该模型假设:等效冲量通过碰撞中心,碰撞中心位置已知。需要用户确定接触面回弹系数和摩擦系数的值。综上所述，基于PC-Crash软件进行事故再现分析研究，最重要的就是合理选取输入参数，特别是敏感参数的选取、各敏感参数的不确定度确定和病态分析，是进行仿真的关键。在使用PC-Crash进行交通事故仿真，其核心是敏感参数的选取和不确定度的确定，目前国内在这方面缺乏基础数据和碰撞试验数据的积累。因此本课题的提出，对于PC-Crash在中国交通事故再现领域的推广和应用，有一定的应用价值。第三章：道路交通事故模型的敏感参数及其不确定度3.1参数敏感性分析方法综述敏感性分析(SensitivityAnalysis)[4]，就是假设模型表示为其中为模型的第i个属性值，令每个属性值在可能的取值范围（不确定度）内变动，研究和预测这些属性的变动对模型输出值的影响程度。我们将影响程度的大小用该属性值的敏感性系数度量，敏感性系数越大，说明该属性值对模型输出的影响越大。敏感性分析的核心目的就是通过对模型的各个属性值进行分析，得到各属性敏感性系数的大小，在实际应用中根据经验去掉敏感性系数很小的属性，重点考虑敏感性系数较大的属性。这样就可以大大降低模型的复杂度，减少数据分析处理的工作量，在很大程度上提高了模型的精度，同时研究人员可利用各属性敏感性系数的排序结果，解决相应的问题。简而言之，敏感性分析就是一种定量描述模型输入变量对输出变量的重要性程度的方法。3.2PC-Crash模型中的敏感参数分析PC-Crash是基于动量定理建立的汽车碰撞事故再现模型。其参数敏感性表现在：若某些参数在特定的范围内变动，则使得模型呈现病态[5]，具体表现为某些参数的微小变化，可引起计算结果的较大误差。在车辆的碰撞中，分析其中涉及到的参数，并确定这些参数的敏感程度以及它们的取值范围，对于合理构建事故再现仿真模型，落实事故责任认定工作有着十分重要的意义。其中一般事故当中较为敏感的参数包括汽车碰撞前的速度，碰撞后的速度，车辆制动情况，汽车的质量，地面附着系数，碰撞后滑行距离，碰撞角度等。3.3参数敏感性的函数表示和具体算例根据数值分析，一个数值函数对于某个特定参数的敏感性取决于该函数所含的独立变量和该函数表达式，对于函数y对于的敏感性[6]如下：在交通事故再现分析当中，碰撞速度对于事故的责任认定是最重要的一个参数(用以判断事故参数车辆是否有超速现象)，因此，研究碰撞速度v对于其相关参数的敏感性显得异常重要。两车碰撞后，汽车在二维平面内做刚性运动，车辆的动能转化为与地面摩擦消耗，于是我们得到其碰撞后速度的表达式如下：（其中m为碰撞车辆的质量，u是轮胎与地面的摩擦系数，x是碰撞点位置到车辆停止位置的运动距离。）化简得到：因而车速对两者的敏感性可以表示为:因此,在通常的事故形态下,汽车的行驶速度v的大小，对于地面摩擦系数u和滑行距离x的敏感性是一致的,即轮胎与地面间的摩擦系数和汽车滑移到停止位置的运动距离对汽车的速度分析同样重要,因此在现场对二者的调查应当同样仔细而准确的勘查。3.4PC-Crash模型中的敏感参数的不确定度分析不确定度，是属于误差分析的范畴，是指测量获得的结果的不确定的程度[7]。不确定度的值即为各个取值点距离平均值的最大距离。在实际处理问题的过程中，不确定度所表征的，是由于测量误差的存在，对被测量值的不能肯定的程度。反过来，也表明该结果的可信赖程度。它是测量结果质量的指标。在道路交通事故处理中，我们首先是要确定分析过程中的敏感参数，进而确定这些碰撞参数的取值范围，这些参数包括包括汽车的质量、地面附着系数等指标，其中有些参数可以通过各种渠道得到准确值，有些参数只能通过概率统计与经验积累相结合的方法给出，下面将分别对一些敏感参数进行参数不确定度分析。3.4.1碰撞车辆质量的不确定度汽车的质量，通常情况下我们可以准确得到其空载的质量，然后根据载客情况和载货情况给出大概的取值空间，对于一般交通事故，我们能够得到碰撞车辆的准确型号和具体车辆结构外形数据。结合PC-Crash软件内嵌的车辆数据库模块，我们也可以调用2006年之前基本上所有车辆的信息。至于新款车型，则可以通过相关的官方网站得到技术外形数据，从而确定碰撞车辆的实际质量的不确定度。3.4.2碰撞车辆滑行距离的不确定度从碰撞事故功能转换的模型来看，我们可以认识到事故发生后碰撞车辆的滑行距离，对于计算分析其碰撞前速度有很强的知道意义。在实际事故处理当中，滑行距离常常可以通过事故现场勘察和取证得到其不确定度，因此，有目的性的获得事故车辆滑行距离和滑行痕迹，在事故现场勘察取证当中，应当予以足够的重视。3.4.3地面附着系数的不确定性对于地面附着系数，由于它与道路的结构，材料，粗糙程度，以及车辆的轮胎特性有密切的关系，一般来说它是一个非确定值，变化有一个比较大的范围，对于它的确定有一定的难度，但是我们可以根据路面的情况，参照相关的数据，确定它的取值范围。3.4.2.1速度对附着系数的影响（如表1）速度对附着系数的影响路面状况干燥潮湿速度(km/h)32963296峰值附着系数0.8770.8730.6550.467滑动附着系数0.750.7490.5320.23表1速度对附着系