事故再現(xiàn)的研究方法及難點.doc

道路交通事故再現(xiàn)研究方法及難點探討重慶交通大學(xué) 閆利勇1.概述以汽車為主要交通工具的道路交通的發(fā)展,無疑對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展,人民生活水平的提高,社會的進步起了相當(dāng)大的推動作用,但是從80 年代以來,我國道路交通事故發(fā)生起數(shù)和死亡人數(shù)已超過美國,居世界第一位,而機動車輛的保有量僅是美國的十六分之一,眾多的交通事故不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失,也給無數(shù)的幸福家庭帶來了無法挽回的精神痛苦和人員傷亡,嚴(yán)重影響了人們的生活質(zhì)量,交通事故被列為21 世紀(jì)人類社會嚴(yán)重公害之一。交通事故再現(xiàn)是在事故發(fā)生后，由汽車的最終位置開始，運用按經(jīng)驗建立的運動學(xué)和動力學(xué)模型往回推算，使整個事故過程的實際情況在時間和空間上得以重現(xiàn)，從而對事故進行鑒定分析。目前各級交通管理部門在事故處理中大多是依據(jù)事故現(xiàn)場肇事車輛的輪胎痕跡，當(dāng)事人各方及目擊者的陳述、事故現(xiàn)場圖等來確定事故發(fā)生前當(dāng)事各方的運動狀態(tài)和事故發(fā)生經(jīng)過，這種方式具有一定的局限性。例如為搶救受傷人員現(xiàn)場遭到破壞，沒有留下輪胎痕跡；或者因駕駛員來不及采取措施已發(fā)生事故，現(xiàn)場沒有留下痕跡等，事故處理人員就只能根據(jù)當(dāng)事人及目擊者的陳述來確定事故發(fā)生的經(jīng)過，并以此作為責(zé)任認(rèn)定的依據(jù)。在這種情況下，當(dāng)事人往往都會避重就輕、極力為自己開脫責(zé)任，尤其是一方當(dāng)事人死亡、死無對證的情況下則更為嚴(yán)重，給交通事故處理帶來一定的難度。所以能否真實再現(xiàn)事故發(fā)生前后當(dāng)事各方的運動狀態(tài)及瞬時位置，確定接觸點及接觸部位，科學(xué)地分析事故成因，不僅關(guān)系到能否公正地處理交通事故，給責(zé)任者以相應(yīng)的處罰，而且對如何預(yù)防和減少交通事故的發(fā)生、維護交通管理法規(guī)的權(quán)威性、保證交通安全具有極其重要的意義。利用計算機來對事故進行分析,模擬和再現(xiàn),為汽車碰撞事故的處理和分析、判斷,提供了科學(xué)的依據(jù)。事故再現(xiàn)分析計算機軟件的開發(fā)和應(yīng)用主要集中在歐美和日本等國家。其中具有代表性的應(yīng)用軟件有美國的CRASH和IMPAC, 奧地利GRAZ理工大學(xué)研制的PCCRASH，日本的J2DACS和CARS,德國的WACCAR,法國的ANAC等。國內(nèi)一些科研單位+ 比如吉林工業(yè)大學(xué)、西安公路交通大學(xué)和清華大學(xué)等, 也正在積極進行事故再現(xiàn)技術(shù)的研究。盡管現(xiàn)有的各種碰撞模型和事故再現(xiàn)軟件一直在不斷改進和完善，但在技術(shù)方面還存在著許多關(guān)鍵問題有待于深入研究。2.交通事故再現(xiàn)的方法學(xué)科關(guān)聯(lián)：交通事故再現(xiàn)是綜合性的邊緣科學(xué)，它是一門理論性較強的學(xué)科，與工程力學(xué)、汽車構(gòu)造、汽車動力學(xué)、汽車?yán)碚?、交通工程學(xué)、計算機技術(shù)等學(xué)科密切相關(guān)。同時，事故再現(xiàn)又離不開豐富的事故現(xiàn)場處理經(jīng)驗，因為交通事故千變?nèi)f化，不可一概而言。每一起事故的特征取決于肇事車輛碰撞部位、車輛型號、質(zhì)量分布、碰撞前后的速度和相對速度等一系列因素。但由于碰撞發(fā)生和結(jié)束的時間極短，所以，事故再現(xiàn)主要是依據(jù)事故現(xiàn)場的證據(jù)而展開的。方法分類：交通事故再現(xiàn)采用的方法通常分為兩種，一種是由事故后的狀態(tài)反推事故前的狀態(tài)，稱為分析法；另一種是通過假設(shè)事故前的一系列狀態(tài)，然后模擬該假設(shè)條件下所對應(yīng)的事故結(jié)果，將該結(jié)果與實際事故結(jié)果做比較，把與實際結(jié)果最接近的假設(shè)作為事故前真實狀態(tài)的方法，稱為模擬法。在實際應(yīng)用中一般將兩種方法結(jié)合起來，對前一種方法，利用計算機建立各種碰撞模型推算初始速度，而后一種方法通過對現(xiàn)場分析，結(jié)合專家經(jīng)驗對推算出的初始狀態(tài)加以驗證，反復(fù)比較得出最終的分析結(jié)果?；驹恚旱缆方煌ㄊ鹿试佻F(xiàn)的方法通常是以運動學(xué)、動力學(xué)的原理，如牛頓定律、尤拉算式及運量守恒、能量守恒原理等為理論基礎(chǔ)，建立多組物理和數(shù)學(xué)模型，以反映事故過程中諸元素的相對運動及相互狀態(tài)和內(nèi)在聯(lián)系。同時，通過在事故現(xiàn)場中采集的各種物理參數(shù)，運用計算機模擬該事故的碰撞過程，最終可確定事故處理中所需要的數(shù)據(jù)和資料，從而認(rèn)定事故責(zé)任。分析過程：事故再現(xiàn)分析的基本過程一般包括：前處理繪制事故現(xiàn)場圖并將各種參數(shù)數(shù)據(jù)輸入計算機；事故再現(xiàn)利用模型的分析計算進行運動學(xué)和動力學(xué)再現(xiàn)；后處理通過圖示和動畫仿真等給出最終的分析結(jié)果。其中，通過人工或攝影測量方法進行事故現(xiàn)場信息采集，獲取真實可靠的數(shù)據(jù)，再利用事故再現(xiàn)模型準(zhǔn)確計算出各種未知參數(shù)，再現(xiàn)事故發(fā)生的全過程，然后結(jié)合專家經(jīng)驗，依照相應(yīng)法律法規(guī)對交通事故責(zé)任進行認(rèn)定。建模方法：用于交通事故再現(xiàn)的汽車、人體及其環(huán)境的建模方法主要包括集中質(zhì)量和多體系統(tǒng)等方法。其中，集中質(zhì)量模型比較簡單，多用于定性分析預(yù)測交通事故中汽車的運動，也可以用來建立正面或側(cè)面碰撞中汽車結(jié)構(gòu)的簡單模型；多體系統(tǒng)方法主要適合于人體動力學(xué)響應(yīng)的仿真，即碰撞受害者仿真模型，以此應(yīng)用于事故再現(xiàn)分析。對汽車碰撞過程進行分析，已有利用動量、能量、動力學(xué)和實體的彈塑性質(zhì)等不同方法建立的各種計算模型，以及在此基礎(chǔ)上開發(fā)的事故再現(xiàn)軟件。由于這些模型要適用于多種典型的碰撞類型，具有普遍的意義，因此稱這種建模方法為統(tǒng)一模型方法。該方法大都由直接描述碰撞階段特性的特征參數(shù)出發(fā)，建立聯(lián)立方程，這些參數(shù)包括碰撞中心位置、回彈系數(shù)、接觸面的摩擦系數(shù)和車輛變形特性等。為了輔助事故分析人員合理選擇這些特征參數(shù)，國外進行了大量的實車碰撞試驗。如NHTSA（國家道路交通安全局）, 通過試驗得出了變形剛度等參數(shù)的數(shù)據(jù)值。一些具體方法在事故再現(xiàn)中的應(yīng)用：（1）有限元有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個，且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。而且當(dāng)單元足夠小、網(wǎng)格劃分得足夠細密時，這個由近似所產(chǎn)生的誤差隨著網(wǎng)格細化而逐步收斂，因此計算精度也可以得到充分的保證。汽車碰撞是車身結(jié)構(gòu)在劇烈碰撞動態(tài)載荷作用下極短時間內(nèi)發(fā)生的復(fù)雜非線性過程，從力學(xué)角度而言，是一個同時包含幾何非線性、材料非線性、邊界非線性的復(fù)雜力學(xué)問題。對該類高度非線性問題，采用基于顯式中心差分法的非線性有限元法就比較高效，該算法有兩大優(yōu)點:采用集中質(zhì)量矩陣陣，運動方程是非耦合的，不需要組集成總體剛度矩陣，因此大大節(jié)省存儲空間和求解機時。顯式方法不需要對剛度矩陣進行多次分解和迭代。（2）不確定度不確定度的含義是指由于測量誤差的存在，對被測量值的不能肯定的程度。反過來，也表明該結(jié)果的可信賴程度。確定汽車碰撞的行駛速度是交通事故鑒定的重要依據(jù),是交通事故再現(xiàn)的重要內(nèi)容,也是公正處理道路交通事故的關(guān)鍵。然而,對事故再現(xiàn)所需車速分析計算的準(zhǔn)確性,目前尚無嚴(yán)格的理論檢驗方法。如何評判事故再現(xiàn)結(jié)果(分析計算) 的置信度和可靠性,也就成為汽車碰撞事故再現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用的前提。（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有通過學(xué)習(xí)逼近任意非線性映射的能力。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為辨識器和建模工具，實質(zhì)上是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為實際系統(tǒng)的黑箱模型，利用實際系統(tǒng)的輸入/輸出數(shù)據(jù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以獲得輸入/輸出數(shù)據(jù)之間的非線性映射關(guān)系。根據(jù)碰撞事故的特點，提出以主要吸能零部件關(guān)鍵點變形量作為事故評價指標(biāo)，記為X1，X2 ,，Xn，這里n為關(guān)鍵點的數(shù)目。由事故現(xiàn)場調(diào)查和測量數(shù)據(jù)得到這些評價指標(biāo)的測量值X1e，X2e，Xne，而由計算機模擬可以得到相應(yīng)的計算值Xlc, X2c,Xnc，測量值與計算值的偏差記為D1，D2，Dn，則，定義事故再現(xiàn)度E，則，式中E值越接近1，則說明事故再現(xiàn)結(jié)果愈接近真實情況。以關(guān)鍵點變形量的測量值和仿真計算值偏差為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出數(shù)據(jù)，以汽車碰撞事故發(fā)生前瞬時的運動參數(shù)(如運動速度，角速度等)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練滿足精度要求后，可以得到汽車運動參數(shù)與關(guān)鍵點變形量偏差值的非線性映射關(guān)系。將事故再現(xiàn)度作為目標(biāo)函數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入作為優(yōu)化變量，對訓(xùn)練完畢的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，使得關(guān)鍵點變形量的測量值和仿真計算值偏差最小，此時E最大。這里就可認(rèn)為事故再現(xiàn)度E最大的碰撞過程模擬結(jié)果就是真實事故的再現(xiàn)。（4）OpenGL技術(shù)OpenGL 是由SGI 公司開發(fā)的圖形硬件的軟件接口。近年來隨著計算機圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展,OpenGL 已成為制作三維動畫的主要工具。交通事故的整個過程比較復(fù)雜。若要解釋事故車輛在此過程中的運動情況及事故發(fā)生的原因, 需要使用大量數(shù)據(jù)。如果這些數(shù)據(jù)采用數(shù)值的形式, 則解釋與理解都比較困難。如果采用三維動畫的形式, 則能夠比較直觀地演示與理解車輛的運動情況, 且能夠驗證事故分析的結(jié)果。（5）最小割集割集,也叫做截集或截止集，它是導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的基本事件的集合。也就是說事故樹中一組基本事件的發(fā)生，能夠造成頂上事件發(fā)生，這組基本事件就叫割集。引起頂上事件發(fā)生的基本事件的最低限度的集合叫最小割集。假設(shè)交通事故發(fā)生原因是G是一個集合，它由許多原因組成，把這些原因中逐次移去一部分，交通事故仍然會發(fā)生。3.事故再現(xiàn)關(guān)鍵及難點（1）事故現(xiàn)場的信息采集交通事故現(xiàn)場的信息采集是事故分析的前提，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度直接影響事故再現(xiàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。人工測量和繪圖總是存在一定的誤差，而采用計算機視覺與圖像識別處理方法可以快速、準(zhǔn)確獲取現(xiàn)場信息。通過攝影測量自動采集事故信息并輸入計算機，由計算機繪制交通事故現(xiàn)場圖獲取特征參數(shù)，已成為今后研究和應(yīng)用的主要方向。信息采集的準(zhǔn)確性取決于攝影測量方法的精度和應(yīng)用水平的情況。當(dāng)前，采用先進的數(shù)字化攝影測量的軟件和技術(shù)，可以通過對現(xiàn)場場景和汽車變形的測量，利用計算機數(shù)字化描述事故現(xiàn)場，創(chuàng)建損壞汽車的三維模型，由此確定汽車結(jié)構(gòu)遭到的破壞程度，再根據(jù)變形和結(jié)果尺寸由相關(guān)軟件模擬來確定汽車的碰撞中心和等效碰撞速度等參數(shù)，輔助進行事故分析。試驗表明此種方法已達到較高的精度。（2）事故再現(xiàn)的估算速度及其誤差確定汽車的碰撞前速度是交通事故技術(shù)鑒定的關(guān)鍵所在。推算汽車碰撞速度的常用方法包括理論計算、經(jīng)驗推算和綜合分析方法。采用計算機仿真來推算汽車碰撞速度，具有高效、準(zhǔn)確等特點，并能綜合考慮各種計算方法，通過反復(fù)比較分析，輔以專家經(jīng)驗，最后給出最接近真實情況的分析結(jié)果。汽車碰撞事故再現(xiàn)的計算機分析結(jié)果尚無嚴(yán)格的理論檢驗方法。從試驗或事故現(xiàn)場調(diào)查中獲取的數(shù)據(jù)往往是不精確的，其測量值的不確定性通常容易發(fā)現(xiàn)，但對測量值的不確定性與計算結(jié)果的不確定性之間的聯(lián)系則難以考察。應(yīng)用不確定分析技術(shù)可以了解測量誤差對計算結(jié)果的影響程度，輔助分析計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和置信度。在事故重現(xiàn)的求解基本方程中引入不確定分析等數(shù)學(xué)理論，建立嚴(yán)格的誤差分析方法，從而為檢驗事故再現(xiàn)結(jié)果提供必要的理論依據(jù)。（3）交通事故中人體的模似人體是交通事故的直接受害者也是汽車安全的重點保護對象，“以人為中心”已成為汽車安全性研究和開發(fā)的基本要求。人體是極其復(fù)雜的系統(tǒng)，人體模型則是事故再現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，也是仿真實現(xiàn)的難點所在。建立新的、適用的人體模型，在事故再現(xiàn)中實現(xiàn)對駕駛員、乘客及被撞行人的運動模擬和分析，以此確切判斷人在汽車碰撞過程中的角色和行為，關(guān)系到事故分析鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確程度，也將會推進事故再現(xiàn)的應(yīng)用水平。目前，對交通事故中人體的模擬開始受到重視并已展開研究。比如PC-crash軟件中采用多體系統(tǒng)動力學(xué)理論方法建立了人體模型用于車撞行人等情形的分析，Hermann Steffan等人將MADYMO的人體模型引入PC-crash中，實現(xiàn)了對交通事故中乘客運動的仿真。另外，對人體在行走、奔跑中遇到危險時的動作行為和反應(yīng)變化（速度、加速度）也已有了研究，從而探索改進行人保護措施E 減少事故危害的途徑。（4）人、車、環(huán)境之間作用的描述在汽車碰撞過程中，人體、汽車和環(huán)境三者之間在極短時間內(nèi)發(fā)生了強烈的相互作用。比如翻車事故中，汽車與地面都因此發(fā)生了大幅度變形，而現(xiàn)有事故再現(xiàn)技術(shù)還不能予以反映。為此，建立完善的力學(xué)模型，改進接觸算法，確切描述碰撞階段發(fā)生的變化，才能從不同角度了解事故過程，更加準(zhǔn)確地進行再現(xiàn)。模擬人體與車體及環(huán)境之間的作用是事故再現(xiàn)水平的體現(xiàn)?，F(xiàn)有軟件基本上未能達到這樣的效果，如何描述乘員與車內(nèi)環(huán)境、行人與車體、車與車及路面、護欄等障礙物的接觸變形和相互作用力，成為事故再現(xiàn)技術(shù)研究的至高點?，F(xiàn)有的每種碰撞模型都對碰撞過程設(shè)定了相應(yīng)的各種各樣假設(shè)，即只有在一定的前提下才能對事故進行計算和分析，這就造成了事故再現(xiàn)的局限性。如果在保證模型適用的基礎(chǔ)上，盡量減少假設(shè)和限定條件，使其更符合客觀情況，就能實現(xiàn)更為準(zhǔn)確實用的事故分析。4.小結(jié)與展望利用事故再現(xiàn)計算機軟件能快速準(zhǔn)確地判定交通事故的起因和性質(zhì)，但開發(fā)一套完善的事故再現(xiàn)軟件卻是一項龐大的系統(tǒng)工程。它不但需要對各種復(fù)雜的交通事故進行分類、建立各種具體的交通事故再現(xiàn)模型、車身和人體模型等必要的準(zhǔn)備工作，而且還得依靠經(jīng)驗豐富的事故鑒定專家的支持?？傮w來說，結(jié)合先進的計算機仿真和人工智能技術(shù)分析交通事故，研制新的模型和算法，改善仿真結(jié)果的可靠性，推進專家系統(tǒng)軟件的實用化，盡可能包含詳盡的法規(guī)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，仍是今后研究和發(fā)展的重點。參考文獻：1劉志強等，交通事故再現(xiàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,中國安全科學(xué)學(xué)報,20072袁泉，李一兵，參數(shù)不確定度對汽車側(cè)面碰撞事故再現(xiàn)結(jié)果的影響，農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，20053胡建保，道路交通事故現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與繪制系統(tǒng)開發(fā)研究，長安大學(xué)，20054陸玉凱等，數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)在交通事故再現(xiàn)中的應(yīng)用，計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，20055楊帆，交通事故再現(xiàn)技術(shù)述評，四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報，20046朱聆,道路交通事故再現(xiàn)模型中參數(shù)優(yōu)化的研究,遼寧工學(xué)院，20077丁同強，道路交通事故再現(xiàn)模型研究，昆