王鑫，張道文，2，張光輝

（1.西華大學汽車與交通學院，四川成都610039；2.四川西華機動車司法鑒定所，四川成都610039）

汽車與自行車碰撞事故重建研究

王鑫1，張道文1，2，張光輝1

（1.西華大學汽車與交通學院，四川成都610039；2.四川西華機動車司法鑒定所，四川成都610039）

汽車與自行車碰撞事故重建主要包括傳統(tǒng)模型、經驗模型和基于PC-Crash和Madymo軟件的多剛體動力學仿真模型3類，分別用3類模型對國家車輛事故深度調查體系（NAIS）中一起汽車與自行車碰撞事故案例進行了事故重建，對各模型的相關參數進行了對比。研究結果顯示：多剛體動力學模型能夠較好地還原事故的碰撞過程，重建事故過程中的碰撞車速、碰撞對應關系、人員損傷等；基于Madymo軟件的仿真模型能夠更好地重建騎車人損傷的詳細事故過程。

汽車與自行車碰撞；事故重建；模型分析；車速計算；碰撞分析

根據事故數據資料采集情況和特點，汽車與自行車碰撞事故重建有3類常用的方法：第1類是傳統(tǒng)模型，包括基于制動痕跡的Neptune模型［1］和基于視頻圖像的幀間差法模型［2］；第2類是經驗模型，包括基于自行車和騎車人拋距的Burg模型［3］和拋距模型［4］；第3類是多剛體動力學模型，包括PCCrash模型［5］和Madymo模型［6］。湖南大學的聶進［7］等人做了自行車騎車人在汽車與自行車碰撞過程中的動力學響應的研究，長安大學的曹文娟［8］等人研究了汽車與自行車碰撞的速度不確定度，日本的MAKI［9］等對行人和自行車分別與汽車碰撞進行了對比分析，提出行人法規(guī)中的不見試驗要針對騎自行車者的保護進行一些更改。

本文中運用上述3類方法對一起真實的汽車與自行車碰撞事故案例進行了事故重建，對各模型的相關參數進行了對比，最后通過事故相關數據來驗證模型的可行性。

1　模型建立

1.1傳統(tǒng)模型

汽車與自行車碰撞事故中，碰撞后駕駛人多采取緊急制動，在道路表面留下制動痕跡。根據制動拖印長度求解汽車制動車速：

1）采用Neptune模型求解汽車制動車速［1］：

式中：t為制動協(xié)調時間，取0.2 s；φ為車輛制動縱滑附著系數；i為道路坡度，%；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；s為制動距離。

2）應用幀間差法對車速進行計算［2］，其平均車速計算公式為

式中：t為視頻圖像幀間隔時間；l為選取的2個參照點的距離；n為汽車通過2個參照點的幀數。由于圖像拍攝存在各種誤差，使車速計算結果不準確。因此該方法存在一定局限性。

1.2經驗模型

經驗模型是基于自行車、騎車人的拋距，不考慮自行車和騎車人的拋射過程，憑借經驗用回歸曲線的方法擬合出碰撞車速和拋距的函數關系式。

1）利用假人及自行車靜止固定在汽車前方，進行了37組實車碰撞試驗，提出了騎車人及自行車平均拋距與碰撞車速之間的關系［3］：

2）利用PC-Crash軟件建立汽車正面碰撞自行車側面事故模型，研究騎車人拋距及自行車拋距與碰撞車速之間的關系，其模型為［4］

式中：v為碰撞車速，km·h-1；S1和S3為騎車人拋距，m；S2和S4為自行車拋距，m。模型（3）及模型（4）的輸入為拋距，輸出為碰撞車速，其對比如圖1所示。在同一拋距條件下，兩者的騎車人拋距模型及自行車拋距模型計算碰撞車速不同；隨著拋距的增加，相對誤差隨之增加［10］。

圖1　模型對比

1.3多剛體動力學模型

多剛體動力學模型主要應用PC-Crash和Mad?ymo軟件。PC-Crash是根據碰撞后汽車、自行車和騎車人的最終位置和狀態(tài)反推碰撞時各參與方的狀態(tài)，然后通過調整各參數重建事故過程。Mady?mo主要通過建立車輛模型和假人模型重建事故過程，最后通過輸入假人的損傷指標來驗證模型的可行性。本文中主要研究汽車碰撞自行車的事故，需要建立車輛前部結構、自行車和騎車人的多剛體模型（圖2）。根據歐洲新車安全評價協(xié)會（E-NCAP）的試驗數據［11-12］定義車輛前部結構的剛度特性；根據自行車測量參數，得到自行車模型；騎自行車人模型采用瑞典查爾摩斯大學的多體人體模型（Chalmers Pedestrian Model）［13］。該人體模型為50百分位成人男子模型（身高175 cm，體重78 kg），根據真實案例中騎車人的身高、體重等參數，用假人縮放工具進行等比例縮放得到符合真實案例情況的假人模型；然后通過定義各仿真參數，讓仿真結果盡可能地接近真實事故結果；最后將仿真結果與事故數據對比，驗證模型的可行性。

圖2　多剛體動力學模型

2　事故案例

事故案例來源于國家車輛事故深度調查體系（NAIS），主要用于驗證3類模型的可行性。深度調查涉及到多個領域，主要包括復雜的人車路系統(tǒng)、心理學、汽車力學、理論力學、道路基礎設施、醫(yī)藥等多學科交叉領域［14］。

2013年9月成都某路段，雪鐵龍普通汽車與一橫過道路的自行車發(fā)生碰撞，雪鐵龍前部明顯損壞，自行車騎車人當場死亡，具體信息如下：

1）駕駛員和騎車人信息駕駛員車速為50～60 km·h-1。自行車騎車人為女性，50歲，身高1.65 m，體重76 kg；頭面部多處擦挫傷，其余部位呈多處不規(guī)則損傷；雙側胸部多發(fā)性肋骨骨折，分析其顱腦、胸腹部復合性損傷明顯，且損傷嚴重，可構成其致命傷。

2）車輛損壞信息汽車前保險杠蒙皮右側局部脫落且右側有擦痕；右前燈組破損脫落；發(fā)動機罩右側大面積凹陷；前擋風玻璃右側穿透性破損。自行車前叉向右彎曲表面有擦撞痕，前擋泥板后端有擦撞痕；車架中部呈“V”字形向右彎曲；后擋泥板左側支架向右彎曲變形，后座支架斷裂，后座（貨物架）有摩擦痕。

3）道路信息車輛緊急制動痕跡為［15，16］m；自行車拋距為［22，23］m；騎車人拋距為［20，21］m。

根據雪鐵龍汽車和自行車的損壞情況以及死者的尸檢報告可知，雪鐵龍駕駛員在事故發(fā)生前已發(fā)現(xiàn)對方，并馬上采取緊急制動并向左打方向盤，但此時兩者距離已經很近且雪鐵龍車速較快故避讓不及仍然撞上對方。碰撞時，自行左側腳踏板首先與雪鐵龍前號牌發(fā)生碰撞，自行車倒向雪鐵龍并與之發(fā)生碰撞，自行車騎車人碰撞后被加速，倒向雪鐵龍，其身體與雪鐵龍發(fā)動機罩右側發(fā)生碰撞，頭部與擋風玻璃碰撞，然后被拋出。自行車和騎車人被拋出后，倒地滑行一段距離后最終停止在碰撞點正前方，位于雪鐵龍最終停止位置右前方。

圖4　PC-Crash中汽車與自行車瞬時碰撞關系

3　車速計算結果

駕駛員車速深度調查結果為［50，60］km·h-1，各模型的車速計算結果如表1所示，都符合深度調查結果。

表1　車速計算結果表

事故再現(xiàn)模擬過程中，科學預估碰撞車速、碰撞位置等參數，可以提高仿真效率和精度［15］。PCCrash V8.0中設置車與地面的摩擦系數為0.7，人與地面和人與汽車的摩擦系數分別為0.6和0.3。預估車速值V0為53 km·h-1，通過調整碰撞參數，進行仿真試驗。當碰撞車速V0為55 km·h-1時，車輛、自行車和騎車人最終停止位置與現(xiàn)場數據基本相符（圖3）。整個事故過程碰撞對應關系見圖4，碰撞開始時，自行車車架中部與前保險杠中部發(fā)生碰撞（t為30 ms）；然后騎車人的盆骨和胸腹部與發(fā)動機罩發(fā)生碰撞（t為60 ms），與尸檢報告中雙側胸部多發(fā)性肋骨骨折吻合；最后行人的枕部和擋風玻璃發(fā)生碰撞（t為90 ms），造成騎車人嚴重顱腦損傷。

圖3　PC-Crash最終位置對比

在Madymo軟件中，經過多次調試，當碰撞車速V0為56 km·h-1，汽車與自行車碰撞的對應關系如圖5所示，仿真過程中假人模型輸出的頭部和胸部損傷值［16］超出了人體耐受極限（表2），騎車人死亡的主要原因是頭部和胸部的復合傷，這與實際情況相吻合。

表2　行人損傷與仿真結果對比

圖5　Madymo中汽車與自行車瞬時碰撞關系

4　重建結果分析

第1類是傳統(tǒng)模型，Neptune模型提出了碰撞車速與制動痕跡長度的關系；基于視頻錄像應用幀間差法分析碰撞車速。第2類是經驗模型，Burg模型和拋距模型總結歸納出車速與拋距關系的。這2種模型都是通過各種假設將模型公式化，但是沒有考慮車輛尺寸，測量學參數等實際參數的影響，這使模型的精度也受到影響。第3類是多剛體動力學模型。多剛體動力學模型可以重建汽車與自行車事故的運動過程，PC-Crash可以用汽車與自行車碰撞對應關系和參與方的最終位置來驗證模型的可靠性，Madymo還可以輸出假人損傷指標，比如：頭部的HIC值，胸部的TTI值等能夠定量地說明假人的損傷程度，與實際騎車人的損傷情況進行驗證，而且Madymo將車輛幾何尺寸、人體各環(huán)節(jié)慣性、人車接觸特性等作為輸入參數，更加貼近事故真實情況［17］。因此，PC-Crash軟件雖然操作更簡單，但是在評價騎車人損傷指標方面的仿真精度不如Madymo。通過對模型參數的對比，得出各模型的特點與適用范圍（表3）。

表3　各模型參數對比

5　結論

用3類汽車碰撞自行車事故的常用方法進行了建模，其中基于制動痕跡的Neptune模型和基于視頻圖像的幀間差法模型的傳統(tǒng)模型，基于自行車與騎車人拋距的Burg模型和拋距模型的經驗模型都是通過假設將模型公式化，簡化了事故重建過程，雖然使用起來較為簡單，實際忽略了事故的相關細節(jié)，可能會造成重建結果的失真。

對一起交通事故深度調查案例進行事故重建，結果顯示3類方法都可以估算出合理的車速范圍，可用于相關汽車與自行車的碰撞事故重建的研究。

通過各模型參數的對比，多剛體動力學模型能夠較好地還原事故的碰撞過程，對事故過程中的碰撞車速、碰撞對應關系、人員損傷能更好地解析；基于Madymo軟件的仿真模型能更好地重建騎車人損傷的詳細事故過程。

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Research on Accident Reconstruction of Vehicle-bicycle Collision

Wang Xin1，Zhang Daowen1，2，Zhang Guanghui1
（1.School of Automobile&Transportation，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.Sichuan Xihua Vehicle Forensic Institute，Chengdu 610039，China）

Methods for reconstructing vehicle-bicycle accidents can be classified into three categories：the traditional model，empirical model，multi-body（MB）dynamic models based on the PC-Crash and Madymo software.An accident case of the vehicle-bicycle collision was restored respectively with the three kinds of models，provided by national automobile accident in-depth investigation system（NAIS），and the related parameters of accident reconstruction model were compared.The results show the multibody dynamic models can restore the collision process of the accident，and reconstruct the collision speed，collision correspondence，personnel injury in the process of the accident.The simulation model based on Madymo software can better reconstruct the detailed accident process of the cyclist injury.

vehicle-bicycle collision；accident reconstruction；model analysis；vehicle speed calcula?tion；collision analysis

U491.3

A

1008-5483（2016）02-0013-05

10.3969/j.issn.1008-5483.2016.02.004

2016-04-13

四川省教育廳自然科學重點項目（12ZA287）；省部級學科平臺開放課題（szjj2015-047）；西華大學研究生創(chuàng)新基金（ycjj2015153）

王鑫（1990-），男，四川遂寧人，碩士生，從事道路交通安全方面的研究。E-mail：1030386854@qq.com