事故再现的研究方法及难点.doc

道路交通事故再现研究方法及难点探讨重庆交通大学 闫利勇1.概述以汽车为主要交通工具的道路交通的发展,无疑对我国国民经济的发展,人民生活水平的提高,社会的进步起了相当大的推动作用,但是从80 年代以来,我国道路交通事故发生起数和死亡人数已超过美国,居世界第一位,而机动车辆的保有量仅是美国的十六分之一,众多的交通事故不仅造成了巨大的经济损失,也给无数的幸福家庭带来了无法挽回的精神痛苦和人员伤亡,严重影响了人们的生活质量,交通事故被列为21 世纪人类社会严重公害之一。交通事故再现是在事故发生后，由汽车的最终位置开始，运用按经验建立的运动学和动力学模型往回推算，使整个事故过程的实际情况在时间和空间上得以重现，从而对事故进行鉴定分析。目前各级交通管理部门在事故处理中大多是依据事故现场肇事车辆的轮胎痕迹，当事人各方及目击者的陈述、事故现场图等来确定事故发生前当事各方的运动状态和事故发生经过，这种方式具有一定的局限性。例如为抢救受伤人员现场遭到破坏，没有留下轮胎痕迹；或者因驾驶员来不及采取措施已发生事故，现场没有留下痕迹等，事故处理人员就只能根据当事人及目击者的陈述来确定事故发生的经过，并以此作为责任认定的依据。在这种情况下，当事人往往都会避重就轻、极力为自己开脱责任，尤其是一方当事人死亡、死无对证的情况下则更为严重，给交通事故处理带来一定的难度。所以能否真实再现事故发生前后当事各方的运动状态及瞬时位置，确定接触点及接触部位，科学地分析事故成因，不仅关系到能否公正地处理交通事故，给责任者以相应的处罚，而且对如何预防和减少交通事故的发生、维护交通管理法规的权威性、保证交通安全具有极其重要的意义。利用计算机来对事故进行分析,模拟和再现,为汽车碰撞事故的处理和分析、判断,提供了科学的依据。事故再现分析计算机软件的开发和应用主要集中在欧美和日本等国家。其中具有代表性的应用软件有美国的CRASH和IMPAC, 奥地利GRAZ理工大学研制的PCCRASH，日本的J2DACS和CARS,德国的WACCAR,法国的ANAC等。国内一些科研单位+ 比如吉林工业大学、西安公路交通大学和清华大学等, 也正在积极进行事故再现技术的研究。尽管现有的各种碰撞模型和事故再现软件一直在不断改进和完善，但在技术方面还存在着许多关键问题有待于深入研究。2.交通事故再现的方法学科关联：交通事故再现是综合性的边缘科学，它是一门理论性较强的学科，与工程力学、汽车构造、汽车动力学、汽车理论、交通工程学、计算机技术等学科密切相关。同时，事故再现又离不开丰富的事故现场处理经验，因为交通事故千变万化，不可一概而言。每一起事故的特征取决于肇事车辆碰撞部位、车辆型号、质量分布、碰撞前后的速度和相对速度等一系列因素。但由于碰撞发生和结束的时间极短，所以，事故再现主要是依据事故现场的证据而展开的。方法分类：交通事故再现采用的方法通常分为两种，一种是由事故后的状态反推事故前的状态，称为分析法；另一种是通过假设事故前的一系列状态，然后模拟该假设条件下所对应的事故结果，将该结果与实际事故结果做比较，把与实际结果最接近的假设作为事故前真实状态的方法，称为模拟法。在实际应用中一般将两种方法结合起来，对前一种方法，利用计算机建立各种碰撞模型推算初始速度，而后一种方法通过对现场分析，结合专家经验对推算出的初始状态加以验证，反复比较得出最终的分析结果。基本原理：道路交通事故再现的方法通常是以运动学、动力学的原理，如牛顿定律、尤拉算式及运量守恒、能量守恒原理等为理论基础，建立多组物理和数学模型，以反映事故过程中诸元素的相对运动及相互状态和内在联系。同时，通过在事故现场中采集的各种物理参数，运用计算机模拟该事故的碰撞过程，最终可确定事故处理中所需要的数据和资料，从而认定事故责任。分析过程：事故再现分析的基本过程一般包括：前处理绘制事故现场图并将各种参数数据输入计算机；事故再现利用模型的分析计算进行运动学和动力学再现；后处理通过图示和动画仿真等给出最终的分析结果。其中，通过人工或摄影测量方法进行事故现场信息采集，获取真实可靠的数据，再利用事故再现模型准确计算出各种未知参数，再现事故发生的全过程，然后结合专家经验，依照相应法律法规对交通事故责任进行认定。建模方法：用于交通事故再现的汽车、人体及其环境的建模方法主要包括集中质量和多体系统等方法。其中，集中质量模型比较简单，多用于定性分析预测交通事故中汽车的运动，也可以用来建立正面或侧面碰撞中汽车结构的简单模型；多体系统方法主要适合于人体动力学响应的仿真，即碰撞受害者仿真模型，以此应用于事故再现分析。对汽车碰撞过程进行分析，已有利用动量、能量、动力学和实体的弹塑性质等不同方法建立的各种计算模型，以及在此基础上开发的事故再现软件。由于这些模型要适用于多种典型的碰撞类型，具有普遍的意义，因此称这种建模方法为统一模型方法。该方法大都由直接描述碰撞阶段特性的特征参数出发，建立联立方程，这些参数包括碰撞中心位置、回弹系数、接触面的摩擦系数和车辆变形特性等。为了辅助事故分析人员合理选择这些特征参数，国外进行了大量的实车碰撞试验。如NHTSA（国家道路交通安全局）, 通过试验得出了变形刚度等参数的数据值。一些具体方法在事故再现中的应用：（1）有限元有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个，且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。而且当单元足够小、网格划分得足够细密时，这个由近似所产生的误差随着网格细化而逐步收敛，因此计算精度也可以得到充分的保证。汽车碰撞是车身结构在剧烈碰撞动态载荷作用下极短时间内发生的复杂非线性过程，从力学角度而言，是一个同时包含几何非线性、材料非线性、边界非线性的复杂力学问题。对该类高度非线性问题，采用基于显式中心差分法的非线性有限元法就比较高效，该算法有两大优点:采用集中质量矩阵阵，运动方程是非耦合的，不需要组集成总体刚度矩阵，因此大大节省存储空间和求解机时。显式方法不需要对刚度矩阵进行多次分解和迭代。（2）不确定度不确定度的含义是指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。确定汽车碰撞的行驶速度是交通事故鉴定的重要依据,是交通事故再现的重要内容,也是公正处理道路交通事故的关键。然而,对事故再现所需车速分析计算的准确性,目前尚无严格的理论检验方法。如何评判事故再现结果(分析计算) 的置信度和可靠性,也就成为汽车碰撞事故再现技术应用的前提。（3）神经网络神经网络具有通过学习逼近任意非线性映射的能力。将神经网络作为辨识器和建模工具，实质上是将神经网络作为实际系统的黑箱模型，利用实际系统的输入/输出数据训练网络，使神经网络可以获得输入/输出数据之间的非线性映射关系。根据碰撞事故的特点，提出以主要吸能零部件关键点变形量作为事故评价指标，记为X1，X2 ,，Xn，这里n为关键点的数目。由事故现场调查和测量数据得到这些评价指标的测量值X1e，X2e，Xne，而由计算机模拟可以得到相应的计算值Xlc, X2c,Xnc，测量值与计算值的偏差记为D1，D2，Dn，则，定义事故再现度E，则，式中E值越接近1，则说明事故再现结果愈接近真实情况。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，以汽车碰撞事故发生前瞬时的运动参数(如运动速度，角速度等)作为神经网络的输入数据，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，使得关键点变形量的测量值和仿真计算值偏差最小，此时E最大。这里就可认为事故再现度E最大的碰撞过程模拟结果就是真实事故的再现。（4）OpenGL技术OpenGL 是由SGI 公司开发的图形硬件的软件接口。近年来随着计算机图形学技术的发展,OpenGL 已成为制作三维动画的主要工具。交通事故的整个过程比较复杂。若要解释事故车辆在此过程中的运动情况及事故发生的原因, 需要使用大量数据。如果这些数据采用数值的形式, 则解释与理解都比较困难。如果采用三维动画的形式, 则能够比较直观地演示与理解车辆的运动情况, 且能够验证事故分析的结果。（5）最小割集割集,也叫做截集或截止集，它是导致顶上事件发生的基本事件的集合。也就是说事故树中一组基本事件的发生，能够造成顶上事件发生，这组基本事件就叫割集。引起顶上事件发生的基本事件的最低限度的集合叫最小割集。假设交通事故发生原因是G是一个集合，它由许多原因组成，把这些原因中逐次移去一部分，交通事故仍然会发生。3.事故再现关键及难点（1）事故现场的信息采集交通事故现场的信息采集是事故分析的前提，采集数据的准确程度直接影响事故再现结果的准确性。人工测量和绘图总是存在一定的误差，而采用计算机视觉与图像识别处理方法可以快速、准确获取现场信息。通过摄影测量自动采集事故信息并输入计算机，由计算机绘制交通事故现场图获取特征参数，已成为今后研究和应用的主要方向。信息采集的准确性取决于摄影测量方法的精度和应用水平的情况。当前，采用先进的数字化摄影测量的软件和技术，可以通过对现场场景和汽车变形的测量，利用计算机数字化描述事故现场，创建损坏汽车的三维模型，由此确定汽车结构遭到的破坏程度，再根据变形和结果尺寸由相关软件模拟来确定汽车的碰撞中心和等效碰撞速度等参数，辅助进行事故分析。试验表明此种方法已达到较高的精度。（2）事故再现的估算速度及其误差确定汽车的碰撞前速度是交通事故技术鉴定的关键所在。推算汽车碰撞速度的常用方法包括理论计算、经验推算和综合分析方法。采用计算机仿真来推算汽车碰撞速度，具有高效、准确等特点，并能综合考虑各种计算方法，通过反复比较分析，辅以专家经验，最后给出最接近真实情况的分析结果。汽车碰撞事故再现的计算机分析结果尚无严格的理论检验方法。从试验或事故现场调查中获取的数据往往是不精确的，其测量值的不确定性通常容易发现，但对测量值的不确定性与计算结果的不确定性之间的联系则难以考察。应用不确定分析技术可以了解测量误差对计算结果的影响程度，辅助分析计算结果的准确性和置信度。在事故重现的求解基本方程中引入不确定分析等数学理论，建立严格的误差分析方法，从而为检验事故再现结果提供必要的理论依据。（3）交通事故中人体的模似人体是交通事故的直接受害者也是汽车安全的重点保护对象，“以人为中心”已成为汽车安全性研究和开发的基本要求。人体是极其复杂的系统，人体模型则是事故再现的重要环节，也是仿真实现的难点所在。建立新的、适用的人体模型，在事故再现中实现对驾驶员、乘客及被撞行人的运动模拟和分析，以此确切判断人在汽车碰撞过程中的角色和行为，关系到事故分析鉴定结果的准确程度，也将会推进事故再现的应用水平。目前，对交通事故中人体的模拟开始受到重视并已展开研究。比如PC-crash软件中采用多体系统动力学理论方法建立了人体模型用于车撞行人等情形的分析，Hermann Steffan等人将MADYMO的人体模型引入PC-crash中，实现了对交通事故中乘客运动的仿真。另外，对人体在行走、奔跑中遇到危险时的动作行为和反应变化（速度、加速度）也已有了研究，从而探索改进行人保护措施E 减少事故危害的途径。（4）人、车、环境之间作用的描述在汽车碰撞过程中，人体、汽车和环境三者之间在极短时间内发生了强烈的相互作用。比如翻车事故中，汽车与地面都因此发生了大幅度变形，而现有事故再现技术还不能予以反映。为此，建立完善的力学模型，改进接触算法，确切描述碰撞阶段发生的变化，才能从不同角度了解事故过程，更加准确地进行再现。模拟人体与车体及环境之间的作用是事故再现水平的体现。现有软件基本上未能达到这样的效果，如何描述乘员与车内环境、行人与车体、车与车及路面、护栏等障碍物的接触变形和相互作用力，成为事故再现技术研究的至高点。现有的每种碰撞模型都对碰撞过程设定了相应的各种各样假设，即只有在一定的前提下才能对事故进行计算和分析，这就造成了事故再现的局限性。如果在保证模型适用的基础上，尽量减少假设和限定条件，使其更符合客观情况，就能实现更为准确实用的事故分析。4.小结与展望利用事故再现计算机软件能快速准确地判定交通事故的起因和性质，但开发一套完善的事故再现软件却是一项庞大的系统工程。它不但需要对各种复杂的交通事故进行分类、建立各种具体的交通事故再现模型、车身和人体模型等必要的准备工作，而且还得依靠经验丰富的事故鉴定专家的支持。总体来说，结合先进的计算机仿真和人工智能技术分析交通事故，研制新的模型和算法，改善仿真结果的可靠性，推进专家系统软件的实用化，尽可能包含详尽的法规和经验数据，仍是今后研究和发展的重点。参考文献：1刘志强等，交通事故再现技术研究现状与发展趋势,中国安全科学学报,20072袁泉，李一兵，参数不确定度对汽车侧面碰撞事故再现结果的影响，农业机械学报，20053胡建保，道路交通事故现场数据采集与绘制系统开发研究，长安大学，20054陆玉凯等，数字摄影测量技术在交通事故再现中的应用，计算机辅助设计与图形学学报，20055杨帆，交通事故再现技术述评，四川工业学院学报，20046朱聆,道路交通事故再现模型中参数优化的研究,辽宁工学院，20077丁同强，道路交通事故再现模型研究，昆