（光学工程专业论文）基于拉丁超立方试验设计的事故再现结果不确定性分析.pdf

i i i ii ii ii i i i iii i ii iiii y 18 8 3 9 9 7 u n c e r t a i n t ya n a l y s i so f v e h i c l ea c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n r e s u l t sb a s e do nl a t i nh y p e r c u b es a m p l i n g b y d a iy i n g b i a o b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n d i s c i p l i n eo fv e h i c l ee n g i n e e r i n g l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl iy u e l i n a p r i l ，2 0 11 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者躲璃、筻知帆幽t 年上月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者虢德、笑肖吼z 庐上月厂日 跏签名童击牡日期：如萨卜月v 日 摘要 我国汽车工业正步入飞速发展时期，汽车保有量逐年增加，伴随而来的交通 事故问题日渐突出。为了协助司法部门对事故进行鉴定分析，明确事故当事人的 责任，也为了保护受害者的合法权益，必须对事故进行细致的调查与科学的分析。 而事故再现作为事故分析的重要手段，能为事故责任认定提供科学的依据，故引 起了国内外研究学者广泛的关注。因而加强对事故再现的研究有其重要的意义。 本文首先介绍了三种常见的交通事故类型：车人碰撞事故、两轮车与汽车碰 撞事故、车辆追尾碰撞事故的特点及力学模型。利用这些模型可使整个事故实际 情况得以重现，从而对事故进行鉴定分析。 事故再现模型中涉及许多参数，但并不是所有的参数对结果都有显著影响。 为了帮助事故调查专家重点关注敏感参数，提高再现结果的准确度，本文借助于 拉丁超立方试验设计方法，提出了可用于事故再现领域的参数敏感性分析方法。 该方法在已知事故再现参数不确定度前提下，首先根据拉丁超立方试验设计原理 建立试验表；然后根据此表进行数值试验，通过对试验结果的回归分析获得事故 再现模型的近似响应面函数；最后借助响应面可得到各参数对再现结果的敏感程 度。 事故现场勘测的参数并不是唯一准确的值，而具有一定的变动范围。为使再 现结果更加客观公正，则需要评判事故再现结果的准确度和可靠性。本文结合拉 丁超立方试验设计方法与蒙特卡洛法，可以将事故现场痕迹信息的不确定性引入 到事故再现结果中。该方法通过蒙特卡洛法抽取各不确定性参数大量随机数样本， 再结合拉丁超立方试验数据建立的响应面函数可以得到事故再现结果概率分布情 况。 最后，选取3 例已知事故算例，对已有学者运用不确定度分析方法研究的算 例一用本文的方法与蒙特卡洛法进行了分析，三者得到的结果十分接近。对于算 例二与算例三，用同样的方法进行比较研究，可知本文的方法适用于各种类型的 事故再现结果不确定性分析。结合拉丁超立方与蒙特卡洛方法考虑事故参数的不 确定性获得的车速分布情况比用确定性方法获得单一事故车速更合理客观。 关键词：事故再现；不确定性分析；敏感性分析；拉丁超立方试验设计；蒙特卡 洛方法 a b s t r a c t a u t o m o b i l ei n d u s t r yi no u rc o u n t r yi se n t e r i n gar a p i dd e v e l o p m e n tp e r i o d ，a u t o p o s s e s s i o n i n c r e a s e sy e a rb yy e a r ，w i t ht r a f f i ca c c i d e n t sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l y p r o m i n e n tp r o b l e m i no r d e rt oa s s i s tt h ej u d i c i a r yi ni n v e s t i g a t i n gt h ea c c i d e n ta n d f i n d i n go u tr e s p o n s i b i l i t y ，p r o t e c tr i g h t sa n di n t e r e s t so fv i c t i m s ，t h ea c c i d e n tm u s tb e c a r e f u lo fi n v e s t i g a t i o na n ds c i e n t i f i ca n a l y s i s a c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o na sa n i m p o r t a n t m e a n so fi d e n t i f i c a t i o n ，h a sa t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o n t h e r e f o r e ， i n v e s t i g a t i n ga c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n sh a s i t si m p o r t a n ts o c i a lb e n e f i t s f i r s t ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h r e ek i n d so fc o m m o nt r a f f i ca c c i d e n t s ： v e h i c l e p e d e s t r i a na c c i d e n t ，t w ow h e e l s v e h i c l ec r a s h , t h ev e h i c l e sr e a r - e n dc r a s h a c c i d e n t sc h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i c sm o d e l s u s i n gt h e s em o d e l sc a nm a k et h e w h o l ea c c i d e n tr e c r e a t et h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t oi d e n t i f ya n da n a l y s ea c c i d e n t a c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o nm o d e l si n v o l v em a n yp a r a m e t e r s ，b u tn o ta l lt h e p a r a m e t e r sh a v es i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ee f f e c t t oh e l pt h ea c c i d e n ti n v e s t i g a t i o n e x p e r t sf o c u so nt h es e n s i t i v ep a r a m e t e r st oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f t h er e s u l t s t h i s p a p e rp r o p o s e dt h ea c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o np a r a m e t e rs e n s i t i v i t ya n a l y s i sb a s e do n l a t i nh y p e r c u b es a m p l i n g ( l h s ) d e s i g n f i r s t ，b u i l d i n gt e s tt a b l ea c c o r d i n gt ot h e d e s i g np r i n c i p l e oft h el hsi nt h ek n o w na c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s u n c e r t a i n t y sp r e m i s e ；s e c o n d ，t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nb a s e do nt h i st a b l e ；t h i r d ， t h r o u g ht h er e g r e s s i o na n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，o b t a i n i n gt h ea p p r o x i m a t e r e s p o n s e s u r f a c ef u n c t i o n so fa c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o nm o d e l s ；f i n a l l y , g e t t i n g p a r a m e t e r ss e n s i t i v ed e g r e e a b o u tt h er e s u l t so nt h eb a s i so fr e s p o n s es u r f a c e f u n c t i o n s t h es u r v e y i n gp a r a m e t e r so ft h ea c c i d e n t sa r en o tt h eo n l ya c c u r a t ev a l u e s ，b u t h a v ec e r t a i nc h a n g i n gr a n g e t om a k et h er e s u l t sm o r eo b j e c t i v ea n df a i r ，a c c u r a c y a n dr e l i a b i l i t yo fa c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o nr e s u l t sn e e dt ob ej u d g e d c o m b i n e dl h s w i t hm o n t ec a r l om e t h o d ，t h eu n c e r t a i n t yo ft r a c e si nt h ea c c i d e n ts i t e sc a nb e i n t r o d u c e di n t ot h ea c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o nr e s u l t s a c c o r d i n gt od i s t r i b u t i o no f u n c e r t a i np a r a m e t e r si na c c i d e n t ，m o n t ec a r l oe x t r a c t sal a r g en u m b e ro fr a n d o m s a m p l e s ，c o m b i n e dw i t ht h er e s p o n s es u r f a c ef u n c t i o nb yl a t i nh y p e r c u b es a m p l i n g d a t a ，o b t a i n st h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no ft h er e s u l t so fa c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n f i n a l l y ，s e l e c t i n gt h r e ea c c i d e n tc a s e s ，t h ec a s e1h a sb e e ns t u d i e db yu n c e r t a i n t y a n a l y s i sm e t h o di sa n a l y z e di np a p e r sm e t h o da n dm o n t ec a r l om e t h o d r e s u l t s o b t a i n e db yt h r e em e t h o d sa r ev e r yc l o s e f o re a s e2a d de a s e3a r es t u d i e db yt h e s a m ew a y ，w h i c hi sp r o v e dt h a tt h em e t h o di nt h i sp a p g i i sa p p l i c a b l et ou n c e r t a i n t y a n a l y s i so fa l lt y p e so fa c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o nr e s u l t s t h e u s e o ft h eu n c e r t a i n t y a n a l y s i si nt h i sp a p e ro b t a i n st h es p e e dd i s t r i b u t i o no ft h ea c c i d e n t s ，w h i c hi s m o r e r e a s o n a b l ea n do b j e e t i v et h a nas i n g l ea c c i d e n ts p e e di nd e t e r m i n i s t i cm e t h o d s k e y w o r d s ：a c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n ；u n c e r t a i n t ya n a l y s i s ；s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ； l h s ；m o n t ec a r l om e t h o d i i i l j 目，录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义l 1 2国内外的研究现状3 1 3 本文的主要研究内容7 第二章交通事故再现力学分析与再现方法9 2 1 概述9 2 2 行人事故分析与再现：9 2 3 汽车与两轮车事故分析与再现1 2 2 4 车辆的追尾事故分析与再现1 6 2 5 本章小结1 9 第三章基于拉丁超立方的事故再现结果不确定性分析2 0 3 1 概述2 0 3 2事故再现分析中常见的不确定性参数2 0 3 3拉丁超立方试验设计原理2 3 3 4m a t l a b 基于模型工具箱( m b c ) 的拉丁超立方设计步骤。2 5 3 5 基于拉丁超立方的事故再现模型参数敏感性分析法一2 6 3 6 基于拉丁超立方一蒙特卡洛的事故再现结果概率分布分析法2 8 3 7本章小结3 0 第四章方法验证31 4 1 概j 遣31 4 2 算例一31 4 3算例二3 5 4 4 算例三，3 9 4 5本章小结4 2 第五章结论与展望4 3 5 1 本文工作总结4 3 5 2 研究展望4 4 参考文献4 5 i v 致谢 附录a 攻 附录b v j 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 现代交通业和汽车工业的迅猛发展，对人类的生活方式和生产方式产生了巨 大影响。当今，无论是人类社会的政治还是经济及生活等活动，无一例外不与汽 车发生着密切的联系，汽车以其特有的优越性为现代社会的发展和人类生活条件 的改善做出了巨大贡献，成为人类文明与进步的象征和标志【卜2 1 。汽车给人类以舒 适和便捷等正面影响，同时也给人类带来环境污染、噪声、交通事故等负面效应。 1 9 9 1 年伴随着我国改革开放的不断深入，我国经济势力不断攀升，交通运输业和 汽车工业迅猛发展，汽车等机动车辆保有量急剧增加( 图卜1 给出了2 0 0 4 年到 2 0 0 9 年这十年之间我国汽车的保有量情况) 。道路交通流量的急剧增大，车辆与 道路的比例严重失调，加之道路交通管理不到位等原因，交通事故发生率居高不 下，伤亡人数的逐年增长，经济损失日益增大。当今世界，道路交通事故不仅威 胁着人们的生命安全，而且还造成巨大的经济损失，令人不得不发出“车祸猛于 虎 的感叹1 1 - 2 o 图卜12 0 0 4 年一2 0 0 9 年我国机动乖保有量情况 道路交通事故已成为现代社会的第一公害，在全国总死亡人数中排在脑血管、 呼吸系统、恶性肿瘤、心脏病、损伤与中毒以及消化系统疾病后面，居第7 位。 据统计自1 8 8 9 年世界上发生第一起车祸死亡事故至今，全球死于交通事故的人数 总计高达3 2 0 0 多万人，远高于同期死于战争的人数。据交通管理部门统计，近三 交通事故类型主要有：车人碰撞事故、两轮车与汽车碰撞事故、车辆追尾碰 撞事故、汽车与其它固定物碰撞事故等。每一类事故都有其各自的特点，复杂程 2 度各不相同。进行事故再现就是要搞清楚事故发生的详细而真实的经过，找出造 成事故的直接原因和间接原因，从而准确的确定事故各方当事人的责任，以正确 处理交通事故。同时，从中总结经验，吸取教训，以制定防止类似事故的预防措 施。因此开展交通事故的研究，具有重要的现实的社会意义。 从上述分析可知，对交通事故展开研究是十分必要的，不仅有重要的理论研 究价值还有重要的社会经济效益：交通事故的鉴定；可以有效地协助交通警察 和司法部门对交通事故进行鉴定和处理， 通工具的设计；通过对交通事故的研究， 提高事故鉴定的科技含量和效率。交 可以优选汽车结构型式和参数，提高对 驾驶员、行人等的保护能力【5 1 。辅助保险公司车险理赔；提高理赔的准确性避 免纠纷【4 1 。交通管理法规的完善；通过对交通事故的研究，从交通管理上提出 改进措施制定合理的车速限制法规。 1 2国内外的研究现状 事故再现是指在事故发生后，以事故现场车辆损坏情况、停止位置、各种痕 迹信息及人员伤害情况为依据，运用相关理论方法，试验数据以及专家经验建立 的运动学和动力学模型，对事故发生时车辆的行驶速度和碰撞速度进行推断的过 程【6 1 ，即：碰撞后一碰撞阶段一碰撞前。事故再现是一个非常复杂的逆动力学问题。 在国外，最早开始交通事故研究的是美国，其研究主要是各种条件下的实车碰撞 试验，包括实车实验和模拟碰撞试验。此后很多学者根据大量实车碰撞数据及经 验获得了很多的解析或半解析公式，在此基础上开发了比较成熟的商业软件，从 而可从较多途径分析交通事故的再现问题【4 。5 】。我国对交通事故再现研究起步较 晚，分析手段处理技术相对滞后。 如今经过国内外专家几十年的努力探索，事故再现的方法越来越丰富成熟。 当前有关事故再现分析方法有：理论及经验方法和仿真方法，由于事故现场勘测 数据提取较难，各方法所得事故再现结果受事故现场所得的各种不确定信息影响 较大，因而评估所得事故再现结果的不确定性显得相当重要。当前关于事故再现 结果的不确定性问题也引起了很多专家学者的广泛研究。下面将从事故再现理论 及经验方法、事故再现仿真方法及事故再现结果不确定性分析方法三方面展开叙 述。 1 2 1事故再现理论及经验方法 动量守恒和能量守恒定律等基本力学理论是事故再现中最常用的理论方法。 经验方法则根据已有的实验、统计数据和经验公式推算碰撞速度。综合方法则结 合理论方法和经验方法，以事故现场存在的多个数据为依据推算速度，并经过优 化处理得出更为准确可靠的结果。一般的事故分析中，通常是综合了理论计算和 3 经验推算对事故速度进行估算【6 】。 在多种理论方法中，动量守恒方法是一种相对“万能 的方法，也是最常用 的方法。动量守恒指碰撞前的动量总和与碰撞后动量总和相等，一般车辆质量和 行人的质量为已知量，考虑车辆行驶方向与碰撞后的相对位置( 对于车辆变形较 大的情况下，要结合碰撞恢复系数等参数) 建立车辆碰撞力学模型，借以推算碰 撞前后车速的变化。由于车辆碰撞后会产生平动运动，碰撞前后的方向角度获取 难度大、引入的不确定度较大，故应用动量守恒方法会产生较大的误差。 能量守恒定律的应用是根据事故发生后车辆制动距离、车辆变形情况，停止 位置等因素，结合原有的车辆碰撞试验数据，相互对比确定车辆碰撞过程中的能 量损失以此推断碰撞前后车速的变化。由于能量守恒需利用车辆的塑性变形及其 转化的变形能，此项内容取决于已有的同类车型及形态的碰撞试验，如无对应的 碰撞试验规律，则很难计算出准确数值【6 】。基于人体抛距运动的方法，主要是用 在汽车碰撞行人的车速分析中，此方法可与能量守恒方法联合使用，主要问题是 碰撞点通常难以获取，人体与路面的摩擦系数也无法实测，因此各参数存在较大 的不确定度。动量守恒、能量守恒等经典理论方法的综合运用，同时可以将先进 的数学方法，如蒙特一卡罗模拟方法引入事故分析，测定车辆碰撞速度的概率分布 情况，为车速估算与事故再现提供新的思路【6 l 。 近几年来随着人工神经网络算法的普及，也有越来越多的研究者开始用其解 决车辆事故再现问题。人工神经网络是一种模拟人的神经系统建立的非线性动力 学系统，具有一定的自学习、自组织、自适应和预测等功能特性。人工神经网络 具有通过学习来逼近任意非线性映射的能力，以汽车碰撞事故发生前瞬问的典型 运动参数作为神经网络的输入数据，以关键点变形量的测量值和仿真计算值偏差 为神经网络的输出数据，训练神经网络。在网络训练满足精度要求后，可以得到 汽车运动参数与关键点变形量偏差值的非线性映射关系。将事故再现度作为目标 函数，神经网络的输入作为优化变量，对训练完毕的神经网络进行优化，使得关 键点变形量测量值和仿真计算值的偏差最小化，此时可认为模拟结果即是对实际 事故的再现。关于神经网络运用于事故再现国内学者张晓云等提出采用有限元法 和神经网络技术对一起车一障碍物碰撞事故案例进行再现分析验证了该方法的有 效性【7 1 。 优化方法用于事故再现的车辆轨迹模拟中，为包含清晰轮胎印迹的交通事故 提供有效的分析方法。通常情况下，以描述车辆轨迹的典型参数，如碰撞发生的 起始位置、车辆停止位置等确定优化的目标函数。选择合适的优化算法求得目标 函数的最小值，如高斯一赛德尔坐标轮换算法、梯度法、牛顿法、蒙特一卡罗算法 和遗传算法等。其中，选用遗传算法可保证计算的鲁棒性、数值稳定性和计算效 率等因素【4 - 6 1 。 4 1 2 2 事故再现仿真技术 随着计算机仿真技术的发展，关于事故再现的碰撞模拟仿真方法不断涌现， 填补了由于理论及经验方法只能根据固定的某些痕迹来推算事故车辆车速的不 足。且根据理论及经验方法来推算车辆事故费时费力，且效率很低，而利用仿真 软件实现事故再现分析，能快速、高效、准确地辅助事故调查专家进行事故调查、 分析和处理，进而研究事故形成机理，并寻求避免事故的途径【5 】。 关于事故再现仿真分析软件主要有基于多刚体方法的软件和以有限元方法的 软件。多刚体方法中有代表性的软件有m a d y m o 、s m a c 、a d a m s 、p c c r a s h h e v 等，有限元方法中有代表性的软件l s d y n a 等。其中s m a c 软件主要根据 牛顿第二定律的数值积分进行求解，s m a c 软件主要用于碰撞事故的正向模拟， 需事先给定碰撞前瞬时速度【8 】。如用于事故分析与再现，可首先估计碰撞前速度， 然后根据碰撞过程的受力情况模拟碰撞过程的运动，将模拟结果与实际情况进行 比较，找出差异再修改碰撞初始值，直到与现场痕迹吻合为止。s m a c 的逻辑判 断很复杂，有时改变初值并不能得到满意的结果。奥地利h e r m a n ns t e f f a n 博士于 1 9 9 9 年开发了p c c r a s h 软件，p c c r a s h 软件是用于典型交通事故的模拟系统。 c r a s h 软件采用碰撞前后的能量守恒和平移动量守恒求解碰撞速度。在c r a s h 软件 中假定挤压力与汽车前端变形是呈线性关系，碰撞中没有回弹，忽略碰撞前后汽 车的旋转动能、热能等损失，碰撞过程结束时接触面有相同的速度【9 】。c r a s h 所做 假设太多，因此精度不高。近年来该软件在不断完善，如改进了对乘员和行人的 模拟，在事故再现研究领域应用同益广泛【1 0 】。由d d a y 研f l 盐j h e v 仿真软件，为 一综合性的实用化仿真软件。h v e 整合了多种计算模型，适用于不同的碰撞类型， 并可体现车辆载荷转移等多种动力学特性【1 1 】。各种软件由于使用模型的差异，其 相应的理论基础、适用领域和基本功能也各具特色。将各种软件相互集成，进行 优势互补，是事故再现计算机模拟软件应用发展的一大特点【6 j 。 多刚体方法的特点是模型简单、编程方便以及运算快捷，但利用该方法不能 很好地反映车身的变形特性，因此该方法在汽车碰撞仿真中主要用于分析行人各 部位的响应。该方法在事故分析中主要用于研究j 下问题，即假设初始条件已知， 研究行人的响应。考虑到实际需求，将多刚体方法应用于求解逆动力学问题受到 越来越多学者的关注，相应地提出了很多事故再现的方法如：基于车人接触位置、 车辆停止距离及行人抛距的事故再现；基于乘员运动的事故再现：以及基于行人 损伤的事故再现等。由于多刚体方法的简洁实用性，使得该方法成为目前国内外 极受欢迎的碰撞事故再现分析方法 1 2 1 。 车辆塑性变形是车辆碰撞后所产生的重要原始证据，这一信息一般在理论和 经验方法中很少采用。而有限元法可以考虑材料的弹塑性变形，因而基于该方法 但与此同时输入参数的信息也较多【2 1 。蒙特卡洛方法y p t l 随机模拟方法，应用此 方法可求解工程技术的确定性问题和随机性问题。随着对蒙特卡洛方法的不断深 入，事故再现领域专家也用其解决再现结果的不确定性问题【16 1 。 6 事故再现按照不确定性来源分主要由测量数据的不确定性、数学模型的不确 定性以及计算的不确定性三部分组成。测量的不确定性指事故现场测量所得的信 息不准确，许多现场参数不可能是唯一的准确值，而是处于一定的变动范围。一 般来说大部分事故再现中测量参数服从正态分布。数学模型的不确定性指由于建 立事故再现模型做了一些必要的假设，使得数学模型无法反映实际的物理情况。 文献 1 8 】中张雷，李一兵就此展开了一些相应的研究，提出了冗余信息交通事故 再现可靠性分析的综合模型法。计算的不确定性指因测量数据误差引起计算结果 误差，即误差的传递。测量的不确定性及模型的不确定性本文不予讨论，本文讨 论的重点为计算的不确定性。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要在三种常见的交通事故类型( 车人碰撞事故、两轮车与汽车的碰撞 事故、车辆的追尾碰撞事故) 的研究基础上，对再现结果的不确定性进行了分析 研究。 事故再现作为协助司法部门对事故鉴定的重要手段要求再现结果尽量客观、 准确。而事故现场勘测的数据真正具有确定值的参数几乎是不存在的，为确保这 些不确定性参数引入到事故再现结果中，使再现结果更加令人信服更有说服力， 本文以拉丁超立方试验设计为基础，首先提出了事故再现模型的参数敏感性，从 许多不确定性因素中找出敏感因素，以便于事故专家在调查时重点关注这些敏感 参数，以降低结果的不确定度；再结合拉丁超立方试验设计与蒙特卡洛法，可得 出事故车辆车速的概率分布情况，这样就可以把测量参数的不确定性与结果的不 确定性联系起来。 本文所做的主要工作具体如下： ( 1 ) 通过查阅大量的文献资料，对研究的目的和意义进行了阐述。纵观国内 外研究现状总结了事故再现常见的研究方法，将其具体分为三大类：理论及经验 方法、仿真方法、不确定分析方法，并详细介绍了每一种方法的特点及使用范围。 ( 2 ) 利用了动量定理、能量定理、自由抛体运动等理论方法介绍了三种常见 的交通事故类型即：车人碰撞事故、两轮车与汽车碰撞事故、车辆追尾碰撞事故 的车速求解方法，同时也分析了三类事故的特点，以及模型的使用范围。 ( 3 ) 研究了车辆事故再现模型中的参数敏感性分析。通过以拉丁超立方试验 设计为基础，提出了可用于事故再现领域的参数敏感性分析法。通过参数敏感性 分析可以得到事故模型中对再现结果有显著影响的参数，以便在事故调查时重点 关注此类参数，达到降低结果的不确定度目的。并详细的阐述了拉丁超立方试验 设计的基本原理，介绍了m a t l a b 里基于模型的标准工具箱里建立拉丁超立方试 验设计表的方法。 7 4 ) 结合拉丁超立方试验设计与蒙特卡洛方法对事故再现结果进行了概率统 。在实际交通事故中所勘测到的参数并不是一个确定值，而是具有一定的 围。蒙特卡洛法根据事故中不确定参数的概率分布情况，抽取若干随机变 ，使这组随机值与实际总体具有相同的分布特征，再结合以拉丁超立方试 建立的响应面函数可以得到事故车速的分布情况。 5 ) 用三种已知事故算例，验证本论文的方法的有效性。 6 ) 最后对本文进行总结，并提出展望。 对上述问题，本论文的研究技术路线图如图1 - 3 ： 图1 - 3 本研究技术路线图 第二章交通事故再现力学分析与再现方法 2 1概述 事故再现中再现肇事车速唯一可靠的方法，是根据事故现场收集的信息，如 机动车停止的位置、碰撞的痕迹、事故受害人抛落的位置和散落物的分布、路面 上遗留的各种痕迹( 包括轮胎的拖印、压印、侧滑印、车身和人体的刮擦印等等) 然后对这些信息进行细致的分析，做出科学的结论。对交通事故的科学分析应建 立在正确的数学模型上，只有建立正确的事故再现模型，才能较准确地推断事故 车辆的碰撞速度，所以建立正确的车辆碰撞模型，是事故再现的关键问题。车辆 碰撞符合力学规律，因此本节将介绍事故再现力学分析方法，总结出三种常见的 交通事故类型：车人碰撞事故、两轮车与汽车的碰撞事故、车辆追尾事故的车速 估算模型。 2 2 车人碰撞事故分析与再现 2 2 1 背景介绍 车人碰撞事故是道路交通事故的主要形式，危害性也较大。我国城乡道路上 的行人很多，特别是城市里道路上的行人更多，因此车人碰撞事故是一个较为突 出的交通问题【l - ”。车人碰撞事故与很多因素有关如行人的运动状态、车辆的外形 尺寸、车辆的速度、行人的身材高矮、行人的速度大小和方向有关。本论文主要 讨论无坡度的水平路面上汽车与行人( 成年人) 的碰撞事故分析【l9 1 。 车人碰撞事故率与汽车的行驶速度有很大的关系。表2 1 是2 0 0 起不同车速下 发生车人事故的统计数据l 。由于车速快使车辆的行驶安全性下降，驾驶员的反 应时间和行人的躲避时间大大缩短，因此车速越高越容易发生交通事故。 表2 - 1 车速与行车事故的统计结果 车人碰撞事故的再现主要推算汽车的初始速度、汽车的碰撞速度、反应地点 ( 时刻) 、碰撞点2 0 1 。车人碰撞事故再现的证据是从事故现场勘测的痕迹和目击 者证词中提取的，主要包括事故汽车的最终停止位置，行人的终止位置，滑移物 体的终止位置( 如汽车附属物，玻璃碎片，行人的鞋、帽) ，制动印迹，道路附 9 着系数，碰撞地点位置。 j 2 2 2基于人体抛距的事故车辆车速计算模型 人体抛距是人车碰撞事故所特有的，且最能直接反映碰撞速度的因素。尤其是 当汽车制动状况不明时，抛距的应用可以避免对制动印迹的依赖。行人的质量一 般相当于汽车质量的5 左右，相对较小，当行人被正面碰撞时，会立刻产生加速， 速度几乎达到与碰撞车速度一样【2 1 1 。被撞行人因汽车的紧急制动，会从发动机罩 上呈水平方向抛出，呈抛物线轨迹落在地面上。落地后在路面上滑行，因摩擦功 而减速，最后停止。 根据上述分析，可以将行人的运动过程大致划分为：1 ) 车辆与行人接触，行 人身体受到碰撞后并加速，身体迅速移向发动机机罩；2 ) 从发动机罩上抛向地面； 3 ) 落地后由于惯性作用继续向前滑行至静止。整个过程即接触阶段、飞行阶段、 滑移阶段三个阶段。图2 - 1 给出了这类事故的示意图，并给出了车人碰撞事故再 现中常见的分析参数及相应的假设。 行人的接触阶段：事故车辆车速为1 ，。行人与车辆第一次接触，经过一个作 用时间t 口。车人撞击在瞬间完成，因此该过程的位移可忽略不计。 飞行阶段：行人从发动机罩上以初始速度y 抛出，抛出的距离为r ； 滑移阶段：行人落地后( 无回弹) ，继续向前滑移，假设为以一均匀的减速 度在地面滑行至静止； 在此期间，行人与路面的摩擦系数为。，行人滑行距离为s ，则人体抛距为 s p = s + r 。与此同时，车辆被认为完全制动并以均匀的制动减速度滑行至停止位置， 汽车与路面间的摩擦系数为一，制动距离为s 一 阵辆汀次磷劁i f 川 攀辆停止位麓l l 行人停止位麓li( 磁掩缘後i 曼哆， 蠹 i f 人嚣次斓 - ( 卜伊 y l 赘地两l 衫崎 ( 、f ： ? l h 最孓一书 碟量震 r 隧缀缓缓籀豳酸褥i貉卅燃缀缴缀翳缓缓戮燃锄滋缓獭国翰黝缀翔 r 一 霉 一 作用时阔，o s p _ _ 二- ，氛 图2 1 车人碰撞附着弹出示意图 根据上述分析，行人碰撞事故可以通过行人的翻倒距离推算肇事车辆的碰撞 速度。根据平抛运动和动能定理可得： l o 消去t ，则 r = w 1 ， h 2 i g t 。 二 尺_ v 臣 yg l ， m v 2 ：m g t , , s 2 s ：上 2 9 l t p s e = r + s = v 2 詹g g + 瓦v 2 故 y = 西，( 一万) ( 2 1 ) j ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 因此只要能测出人体抛距、人体被撞时的重心高度和路面摩擦系数就可以按 式( 2 - 7 ) 计算汽车撞人后的速度y ，但这还不是汽车的行驶速度，还要根据动量 守恒定理计算碰撞前的速度。由于人体质量相对于汽车质量来说可以忽略，故按 上式计算的速度就等于汽车撞人前的速度。在实际的事故发生过程中，人体被抛 出时有一个抛出的角度，尤其当车速在4 0 k m h 以上时，抛出的角度对结果的影响 相对显著，此时若计算时忽略这一角度则速度的计算结果偏高1 2 引。 表2 2 为采用了式( 2 7 ) 计算所得车速结果与试验的对照( 注：碰撞时车辆 均制动，i i 义, u p = 0 6 ) ，由此可见，对于各不同的公司、不同车辆的试验，该计算 公式的精度均在9 3 以上，可以用于实际车人碰撞事故的再现分析【2 2 1 。 表2 2 车人碰撞事故车速计算公式的结果与试验值的对照 2 2 3 以制动印迹长度计算车辆速度 汽车驾驶员在驾驶过程中突然遇到危险情况时，在本能的情况下会采取紧急 制动措施，而在事故现场留下明显的制动印迹。制动印迹是制动过程中的持续制 动时间内车轮所驶过的距离，所以拖印距离又叫持续制动距离，持续制动距离是 和车辆行驶速度的平方成正比的。 汽车紧急制动停止时，汽车的绝大部分动能转化为轮胎与地面的摩擦功。根 据能量守恒原理，汽车制动时摩擦阻力功近似等于汽车制动减速度过程中所消耗 的动能即【2 3 】： f x 昂= 0 5 弧伊 ( 2 8 ) f 为汽车制动时的摩擦阻力，f = 豫豇 如果制动所做的功是全部作用在全部车轮上即所有车轮制动都有效，附着重 量被充分利用时，就可以推算出车辆出现拖印时的初速度【2 3 1 ，即： v = 2 豇s ( 2 9 ) 若制动不是作用在全部车轮上，则出现各种制动方式时，肇事车辆出现拖印 时的初速度推算公式，列表于2 2 t 1 1 表2 2 各种制动方式拖印的初速度计算公式 舅婺型鍪衾摹囊里只有前轮制动只有后轮制动罡! 而嬲 冀萎= 赢斗2 文最卜止文矧= 瓜 备注b 轴距的长度；x 前轴中心线至重心的水平距离； d 后轮中心线至重心的水平距离； 2 3 两轮车与汽车事故分析与再现 两轮车主要指摩托车和自行车。本章主要讨论摩托车交通事故的特点、事故 分析和事故再现o 由于自行车和摩托车事故运动学关系的相似性，故不再单独讨 论。 2 3 1摩托车与汽车碰撞的特点 因是多种多样的。例如，逆向行驶的汽车突然左转弯挡住了摩托车的去路；垂直 1 2 方向行驶的汽车和摩托车在十字路1 3 会车，摩托车抢先闯过路1 2 1 等等【2 4 1 。事故类 型大至有两种情况：一种是摩托车迎面撞击汽车；另一种是摩托车的侧面遭到汽 车横向撞击。此外还有一种特殊情况，摩托车与汽车同方向并排行驶，当汽车右 转弯时，摩托车因避让不及被汽车右侧刮倒在地。大客车和大货车特别容易发生 这类事故，因这些车的驾驶室高，驾驶员通过右驾驶室窗或右视镜，往往看不见 和汽车靠的很近而又低矮的摩托车，甚至出了事故也不知道。 摩托车与汽车碰撞有一些显著的特点： 第一、摩托车与汽车质量相差悬殊。摩托车轻的只有数十公斤，重的也不够 时二百多公斤，而汽车即使是小轿车般也有一吨多重。质量相差较大的后果是， 一方面是这类事故的发生，总是摩托车一方受伤严重，另一方面，更重要的是， 由于摩托车质量比汽车小许多，碰撞后汽车原来的运动状态不一定会显著改变， 这样一来动量守恒定律不一定能派上用场。 第二、摩托车受到碰撞后造成骑车人与摩托车分离。碰撞前，可以把摩托车 和驾驶员看成一个整体，即看成质点的运动，由于巨大的碰撞冲击力造成人车分 离现象。从绝大多数事故现场可以发现，驾驶员和摩托车的最终停止位置都是分 开的甚至还隔得很远。人车分离现象一方面增加了事故的复杂程度，但从另一方 面来讲，正是因为人车的分离这一线索，增加了另一条求解的途径，可以利用被 抛出人体的抛射距离或倒地摩托车的刮擦地面运动来计算摩托车及汽车的速度， 然后相互进行比较借鉴和取舍【2 5 1 。 第三、汽车与摩托车碰撞时只考虑平动不考虑转动，因为汽车质量大，碰撞 过程中基本不发生转动，即使有一点转动，也可以忽略。摩托车虽有转动，甚至 转动较大，但因为质量小，转动惯量小，转动部分的能量可以忽略不计。这样汽 车和摩托车都不考虑转动，都按对心碰撞处理。 第四、摩托车驾驶员的身体与汽车只有一次碰撞。不论是摩托车与汽车的迎 面撞击，还是摩托车与汽车的侧面撞击，这两种情况，驾驶员和汽车发生的都是 直接的一次碰撞不产生二次碰撞。据此又可以分为两种情况讨论：第一种情况是 摩托车和骑车人冲击汽车后弹回现象；第二种是人体