黎曉龍 劉杰元

【摘要】目前公安院校學(xué)歷教育及在職民警培訓(xùn)的交通事故處理課程教學(xué)中并不具備在現(xiàn)場進行碰撞實驗的條件，學(xué)員對交通事故車輛碰撞、相關(guān)參數(shù)及交通事故發(fā)生過程的認識常停留在理論層面，無法有效地解決交通事故處理中存在的問題。本文詳細地闡述了如何使用Pc-Crash仿真系統(tǒng)模擬再現(xiàn)交通事故過程，模塊化地實現(xiàn)Pc-Crash仿真系統(tǒng)在交通事故處理課程教學(xué)中的使用方法，主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查與輸入模塊、車輛模型建立模塊、交通事故碰撞模塊、仿真與評價模塊，能有效彌補上述不足，加強學(xué)生對交通事故碰撞機理的認識和理解，提高學(xué)生解決實際問題的能力。

【關(guān)鍵詞】交通事故 碰撞 教學(xué) Pc-Crash仿真 模塊

【基金項目】公安部應(yīng)用創(chuàng)新計劃項目《基于云技術(shù)的虛擬公安辦公系統(tǒng)》，基金號：2011YYCXZJST046。

【中圖分類號】U491 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）12-0205-02

交通事故處理課程是道路交通管理專業(yè)的重要課程，交通事故處理也是交通警察的重要工作。近年來，所有公安院校均已開設(shè)了交通事故處理等相關(guān)課程，如交通事故現(xiàn)場攝影技術(shù)、交通事故再現(xiàn)技術(shù)、交通事故鑒定技術(shù)等，在學(xué)歷教育、在職民警培訓(xùn)的教學(xué)過程中，為了提高學(xué)生、民警對交通事故碰撞過程的理解，需要對碰撞形態(tài)、碰撞參數(shù)設(shè)置及其參數(shù)不確定性進行分析，分析方法主要包括現(xiàn)場實驗和仿真實驗，考慮到學(xué)員、教官的人身安全、實驗資金等因素，現(xiàn)場車輛碰撞不能輕易進行實驗，因此，有必要系統(tǒng)的提出基于仿真實驗的交通事故處理課程教學(xué)與分析方法。國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者已使用計算機仿真的方法對交通事故處理問題展開了較多的研究，在交通事故處理課程的教學(xué)中，需選用一款成熟、穩(wěn)定、可靠且擴展性強的，能滿足各種不同類型研究需求的計算機仿真系統(tǒng)。Pc-Crash仿真軟件是應(yīng)用動量/沖量法進行交通事故再現(xiàn)的典型軟件，是奧地利的Steffan博士以 Kudlich-Slibar模型為基礎(chǔ)開發(fā)的軟件系統(tǒng)。Pc-Crash可以對機動車與機動車、機動車與固定物的交通事故進行再現(xiàn)，還可以對機動車與行人及翻車的交通事故類型進行數(shù)值模擬計算，該軟件可以同時模擬32輛車多次碰撞并進行完全的三維動畫顯示。本文將基于Pc-Crash計算機仿真系統(tǒng)，闡述在交通事故處理課程教學(xué)中如何實現(xiàn)對真實交通事故碰撞的仿真模擬以及應(yīng)注意的相關(guān)專業(yè)問題。

1.基于Pc-Crash的交通事故再現(xiàn)流程

利用Pc-Crash仿真軟件再現(xiàn)交通事故過程，其優(yōu)勢在于Pc-Crash既擁有豐富的車輛數(shù)據(jù)庫又能清晰而高效地仿真交通事故元素在交通事故中的運動狀態(tài)。在Pc-Crash仿真中，首先將事故車輛置于事故痕跡開始點，其中包括空間點和時間點，并通過該仿真軟件界面中的“Sequences”菜單設(shè)置車輛不同時刻、不同位置的制動情況、轉(zhuǎn)向角等參數(shù)，然后反復(fù)仿真，同時優(yōu)化碰撞過程，讓車輛運動并自動判別與其它交通事故元素的碰撞。利用Pc-Crash仿真交通事故過程有三個難點問題需要解決：一是接觸點的確定，交通事故接觸點是指車輛碰撞瞬間接觸部位在地面的正投影，可以通過制動痕跡的拐點，滑移痕跡的起點，散落物的起點等進行分析判斷，需要認真調(diào)查，仿真時必須保證在接觸點位置車輛開始碰撞，這需要反復(fù)仿真測試，控制難度大；二是整個過程既要控制交通事故車輛碰撞前的運動狀態(tài)，又要控制碰撞位置、角度、能量損失等參數(shù)，還要控制車輛碰撞后的運動狀態(tài)，使仿真中的痕跡與交通事故中的痕跡相吻合，控制難度很大，需要花費大量時間反復(fù)仿真優(yōu)化才有可能實現(xiàn)；三是碰撞導(dǎo)致的車體變形等很有價值的痕跡在該方法中如何得到有效的利用?？紤]到Pc-Crash的相關(guān)特點，可分步仿真交通事故，即先仿真碰撞前車輛運動狀態(tài)，再仿真車輛碰撞及碰撞后運動狀態(tài)，具體流程如圖1所示。

圖1 Pc-Crash交通事故再現(xiàn)流程

Fig.1 Pc-Crash reconstruction flow chart

2.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查與輸入

使用Pc-Crash仿真系統(tǒng)模擬交通事故，進行交通事故處理實驗教學(xué)時，首先勘查交通事故現(xiàn)場，采集相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，標定仿真中交通事故現(xiàn)場元素的基礎(chǔ)屬性。需采集和調(diào)研的數(shù)據(jù)主要包括：道路數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)、車體與道路的附著系數(shù)及其他數(shù)據(jù)。

2.1道路參數(shù)采集與輸入

道路參數(shù)的作用是為仿真交通事故發(fā)生地點道路環(huán)境建立而做的準備。需要調(diào)查的道路參數(shù)主要包括：路段車道數(shù)、車道寬度、車道坡度，交叉口進口道分車道功能的車道數(shù)與車道寬度，交通安全設(shè)施，道路環(huán)境。在Pc-Crash交通事故再現(xiàn)仿真中，道路參數(shù)數(shù)據(jù)主要通過仿真軟件界面中的“DXF”模塊輸入。

2.2車輛數(shù)據(jù)與輸入

車輛數(shù)據(jù)是為了標定仿真中的車輛基本特性、運動狀態(tài)，需采集的車輛數(shù)據(jù)主要包括：①機動車的品牌型號；②機動車的發(fā)動機排量、發(fā)動機功率、外形尺寸、軸距、重量。以上車輛數(shù)據(jù)可直接在Pc-Crash界面中的“ ”車輛數(shù)據(jù)庫模塊中進行輸入。③機動車重心位置，該數(shù)據(jù)在Pc-Crash仿真中的車輛數(shù)據(jù)庫模塊中默認設(shè)定（50/50的重量分布），也可以根據(jù)實際情況在Pc-Crash仿真中的車輛數(shù)據(jù)庫模塊中輸入實測重心位置。車輛數(shù)據(jù)將會直接作用于交通事故的碰撞程度，在車體勘驗中需認真仔細的調(diào)查數(shù)據(jù)。④車輛發(fā)生交通事故前瞬間的車輛速度，在Pc-Crash仿真界面中的“Sequences”車輛運行狀態(tài)模塊中輸入通過GA/T1133-2014和GA/T643-2006的國家標準結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)分析獲得的值。

2.3車輛輪胎及其與道路的附著系數(shù)輸入

車輛輪胎的外形尺寸可以通過“Tire model”模塊進行輸入。附著系數(shù)的大小，主要取決于路面的種類和干燥狀況，并且和輪胎的結(jié)構(gòu)、胎面花紋以及行駛速度都有關(guān)系。車輛輪胎或車體（翻車交通事故）與道路的附著系值的大小直接決定了車體的制動距離和滑移距離。需調(diào)查的不同車輛輪胎與不同性質(zhì)道路的附著系數(shù)主要包括：①車輛輪胎與不同性質(zhì)道路的制動附著系數(shù)，如車輛輪胎與瀝青道路的制動附著系數(shù)，在GA/T643-2006可以查詢到一個范圍區(qū)間，在Pc-Crash仿真中使用“Sequences-brake1”模塊輸入；②發(fā)生碰撞后車輛輪胎與不同性質(zhì)的道路的滑移附著系數(shù)，其中包括橫向滑移和旋轉(zhuǎn)滑移附著系數(shù)，在GA/T643-2006可以查詢到一個范圍區(qū)間，在Pc-Crash仿真中通過“Sequences-brake1”模塊輸入；以上附著系數(shù)的值在實踐操作中可以通過在GA/T643-2006國家標準對照查詢，也可以通過擺式附著系數(shù)測量儀進行實地測量，還可以利用事故車輛或與事故車輛相同品牌型號的車輛進行現(xiàn)場測試來獲得。

3.交通事故碰撞模型

交通事故碰撞模型是Pc-Crash事故仿真中最為重要的物理模型。碰撞模型的定義是否正確直接關(guān)系到事故再現(xiàn)的精確度和可信程度。一個碰撞模型包含：碰撞點、碰撞角度、沖擊力及碰撞過程中駕駛?cè)瞬扇〉拇胧┑?個方面的數(shù)據(jù)，在定義碰撞模型時，用戶必須根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)進行設(shè)定，交通事故發(fā)生時，當(dāng)沖擊力不是非常大時，在碰撞過程中，駕駛?cè)说拇胧艽蟪潭壬嫌绊懪鲎埠筌囕v的運行狀態(tài)及停止位置。Crash Simulation （F8）碰撞仿真對話框用來定義和改變碰撞參數(shù)，仿真交通事故現(xiàn)場的最大道路長度為200m。

3.1仿真模型的選擇

按照流程，參與碰撞車輛的初始位置、車輛參數(shù)、附著系數(shù)及順序參數(shù)都已確定，下面是確定仿真參數(shù)，首先，使用者要選擇仿真模型，仿真采用的是三維動力學(xué)模型，時間步長多數(shù)情況下選擇為 0.5ms，但當(dāng)使用者需要用到車輛碰撞前的運動路徑的時候，就應(yīng)該選擇運動學(xué)模型。當(dāng)碰撞沖擊力不大，碰撞后路徑也可以進行定義，因為此時駕駛?cè)藶榱私档团鲎矒p失，可以通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，使車輛運動方向發(fā)生改變。如圖2、圖3所示，案例中的交通事故發(fā)生在鄂爾多斯，結(jié)合交通事故視頻制作的仿真分析，說明駕駛?cè)嗽谂鲎策^程中通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤來改變車輛碰撞后的運動路徑。

圖2 Pc-Crash車輛碰撞前仿真

Fig.2 Pc-Crash reconstruction before vehicles crashing

圖3 Pc-Crash碰撞后仿真

Fig.3 Pc-Crash reconstruction after vehicles crashing

定義車輛運動路徑，在Pc-Crash中使用“Define path points”模塊輸入，經(jīng)過多次碰撞仿真，分析比對交通事故現(xiàn)場痕跡與車體痕跡，確定以上仿真結(jié)果。通過視頻資料與仿真3D效果圖（如圖4）觀測，車輛在碰撞的過程中輪胎轉(zhuǎn)動會影響碰撞后車輛的運行軌跡。

圖4 Pc-Crash 3D效果圖

Fig.4 Pc-Crash 3D picture

3.2碰撞點坐標、回彈系數(shù)、能量變化量的確定

交通事故碰撞點的確定可以通過建立局部坐標系、碰撞車輛的損壞程度來確定，這就要求考慮到車輛碰撞時的回彈系數(shù)，這是因為在pc-crash中碰撞點的定義是：在完全碰撞中兩車達到相同速度時的那一點。在這一點，動量發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是碰撞發(fā)生的最后相位，接下來車輛分開。在這種情況下車輛變形分為塑性變形和彈性變形，所以，下一步是定義車輛的能量變化（EES），Pc-Crash可以準確的分配碰撞過程中每輛車發(fā)生的能量變化，通過比較碰撞車輛的變形與Pc-Crash數(shù)據(jù)庫中車輛變形，當(dāng)兩者圖片差不多時認為變形能相當(dāng)，一般情況下，車輛變形的回彈系數(shù)為0.10～0.15。

4.Pc-Crash數(shù)據(jù)輸出模塊

數(shù)據(jù)輸出模塊是最能體現(xiàn)仿真實驗價值的部分。對比實地實驗，一方面，在仿真實驗中，能無限制的精確重復(fù)實驗場景，并可根據(jù)實驗需求，控制仿真的速度與精度，這是在實地車輛碰撞實驗中無法實現(xiàn)的。另一方面，在仿真中能實時地精確獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)如車體變形量、道路路面痕跡等，能直接對碰撞模型設(shè)定進行衡量，也是在實地實驗中無法做到的。車輛碰撞過程數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 車輛碰撞過程數(shù)據(jù)

Table 1 data of vehicles crashing

在交通事故處理課程的教學(xué)中，無法在現(xiàn)場中對碰撞模型以及參數(shù)進行實驗，學(xué)員無法直觀地觀察到模型和參數(shù)的改變對交通事故的影響。因此，基于仿真系統(tǒng)的實驗方法成為必然選擇。本文詳細、系統(tǒng)和模塊化地闡述了Pc-Crash仿真系統(tǒng)用于分析交通事故的發(fā)生過程，從交通事故再現(xiàn)流程、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)研與輸入、碰撞模型的建立、仿真與評價，結(jié)合筆者的使用經(jīng)驗，提出了在使用仿真軟件時所應(yīng)注意的事項。本文所闡述的內(nèi)容能很好的指導(dǎo)交通事故處理課程的實驗教學(xué)工作，增強學(xué)員對分析交通事故過程的深層次認識，提高學(xué)生的動手能力和實踐能力。

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作者簡介：

黎曉龍（1978-），廣東江門人，內(nèi)蒙古警察職業(yè)學(xué)院，講師，碩士學(xué)位，主要研究方向為交通信號控制、交通事故再現(xiàn)。