道路交通事故再現研究方法及難點探討重慶交通大學 閆利勇1.概述以汽車為主要交通工具的道路交通的發展,無疑對我國國民經濟的發展,人民生活水平的提高,社會的進步起了相當大的推動作用,但是從80 年代以來,我國道路交通事故發生起數和死亡人數已超過美國,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濟損失,也給無數的幸福家庭帶來了無法挽回的精神痛苦和人員傷亡,嚴重影響了人們的生活質量,交通事故被列為21 世紀人類社會嚴重公害之一。交通事故再現是在事故發生后，由汽車的最終位置開始，運用按經驗建立的運動學和動力學模型往回推算，使整個事故過程的實際情況在時間和空間上得以重現，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事故現場肇事車輛的輪胎痕跡，當事人各方及目擊者的陳述、事故現場圖等來確定事故發生前當事各方的運動狀態和事故發生經過，這種方式具有一定的局限性。例如為搶救受傷人員現場遭到破壞，沒有留下輪胎痕跡；或者因駕駛員來不及采取措施已發生事故，現場沒有留下痕跡等，事故處理人員就只能根據當事人及目擊者的陳述來確定事故發生的經過，并以此作為責任認定的依據。在這種情況下，當事人往往都會避重就輕、極力為自己開脫責任，尤其是一方當事人死亡、死無對證的情況下則更為嚴重，給交通事故處理帶來一定的難度。所以能否真實再現事故發生前后當事各方的運動狀態及瞬時位置，確定接觸點及接觸部位，科學地分析事故成因，不僅關系到能否公正地處理交通事故，給責任者以相應的處罰，而且對如何預防和減少交通事故的發生、維護交通管理法規的權威性、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,為汽車碰撞事故的處理和分析、判斷,提供了科學的依據。事故再現分析計算機軟件的開發和應用主要集中在歐美和日本等國家。其中具有代表性的應用軟件有美國的CRASH和IMPAC, 奧地利GRAZ理工大學研制的PCCRASH，日本的J2DACS和CARS,德國的WACCAR,法國的ANAC等。國內一些科研單位+ 比如吉林工業大學、西安公路交通大學和清華大學等, 也正在積極進行事故再現技術的研究。盡管現有的各種碰撞模型和事故再現軟件一直在不斷改進和完善，但在技術方面還存在著許多關鍵問題有待于深入研究。2.交通事故再現的方法學科關聯：交通事故再現是綜合性的邊緣科學，它是一門理論性較強的學科，與工程力學、汽車構造、汽車動力學、汽車理論、交通工程學、計算機技術等學科密切相關。同時，事故再現又離不開豐富的事故現場處理經驗，因為交通事故千變萬化，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。但由于碰撞發生和結束的時間極短，所以，事故再現主要是依據事故現場的證據而展開的。方法分類：交通事故再現采用的方法通常分為兩種，一種是由事故后的狀態反推事故前的狀態，稱為分析法；另一種是通過假設事故前的一系列狀態，然后模擬該假設條件下所對應的事故結果，將該結果與實際事故結果做比較，把與實際結果最接近的假設作為事故前真實狀態的方法，稱為模擬法。在實際應用中一般將兩種方法結合起來，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場分析，結合專家經驗對推算出的初始狀態加以驗證，反復比較得出最終的分析結果。基本原理：道路交通事故再現的方法通常是以運動學、動力學的原理，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，建立多組物理和數學模型，以反映事故過程中諸元素的相對運動及相互狀態和內在聯系。同時，通過在事故現場中采集的各種物理參數，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據和資料，從而認定事故責任。分析過程：事故再現分析的基本過程一般包括：前處理繪制事故現場圖并將各種參數數據輸入計算機；事故再現利用模型的分析計算進行運動學和動力學再現；后處理通過圖示和動畫仿真等給出最終的分析結果。其中，通過人工或攝影測量方法進行事故現場信息采集，獲取真實可靠的數據，再利用事故再現模型準確計算出各種未知參數，再現事故發生的全過程，然后結合專家經驗，依照相應法律法規對交通事故責任進行認定。建模方法：用于交通事故再現的汽車、人體及其環境的建模方法主要包括集中質量和多體系統等方法。其中，集中質量模型比較簡單，多用于定性分析預測交通事故中汽車的運動，也可以用來建立正面或側面碰撞中汽車結構的簡單模型；多體系統方法主要適合于人體動力學響應的仿真，即碰撞受害者仿真模型，以此應用于事故再現分析。對汽車碰撞過程進行分析，已有利用動量、能量、動力學和實體的彈塑性質等不同方法建立的各種計算模型，以及在此基礎上開發的事故再現軟件。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出發，建立聯立方程，這些參數包括碰撞中心位置、回彈系數、接觸面的摩擦系數和車輛變形特性等。為了輔助事故分析人員合理選擇這些特征參數，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的數據值。一些具體方法在事故再現中的應用：（1）有限元有限元法的基本思想是將連續的求解區域離散為一組有限個，且按一定方式相互聯結在一起的單元的組合體。由于單元能按不同的聯結方式進行組合，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雜的求解域。而且當單元足夠小、網格劃分得足夠細密時，這個由近似所產生的誤差隨著網格細化而逐步收斂，因此計算精度也可以得到充分的保證。汽車碰撞是車身結構在劇烈碰撞動態載荷作用下極短時間內發生的復雜非線性過程，從力學角度而言，是一個同時包含幾何非線性、材料非線性、邊界非線性的復雜力學問題。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，該算法有兩大優點:采用集中質量矩陣陣，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,是交通事故再現的重要內容,也是公正處理道路交通事故的關鍵。然而,對事故再現所需車速分析計算的準確性,目前尚無嚴格的理論檢驗方法。如何評判事故再現結果(分析計算) 的置信度和可靠性,也就成為汽車碰撞事故再現技術應用的前提。（3）神經網絡神經網絡具有通過學習逼近任意非線性映射的能力。將神經網絡作為辨識器和建模工具，實質上是將神經網絡作為實際系統的黑箱模型，利用實際系統的輸入/輸出數據訓練網絡，使神經網絡可以獲得輸入/輸出數據之間的非線性映射關系。根據碰撞事故的特點，提出以主要吸能零部件關鍵點變形量作為事故評價指標，記為X1，X2 ,，Xn，這里n為關鍵點的數目。由事故現場調查和測量數據得到這些評價指標的測量值X1e，X2e，Xne，而由計算機模擬可以得到相應的計算值Xlc, X2c,Xnc，測量值與計算值的偏差記為D1，D2，Dn，則，定義事故再現度E，則，式中E值越接近1，則說明事故再現結果愈接近真實情況。以關鍵點變形量的測量值和仿真計算值偏差為神經網絡的輸出數據，以汽車碰撞事故發生前瞬時的運動參數(如運動速度，角速度等)作為神經網絡的輸入數據，訓練神經網絡，在網絡訓練滿足精度要求后，可以得到汽車運動參數與關鍵點變形量偏差值的非線性映射關系。將事故再現度作為目標函數，神經網絡的輸入作為優化變量，對訓練完畢的神經網絡進行優化，使得關鍵點變形量的測量值和仿真計算值偏差最小，此時E最大。這里就可認為事故再現度E最大的碰撞過程模擬結果就是真實事故的再現。（4）OpenGL技術OpenGL 是由SGI 公司開發的圖形硬件的軟件接口。近年來隨著計算機圖形學技術的發展,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雜。若要解釋事故車輛在此過程中的運動情況及事故發生的原因, 需要使用大量數據。如果這些數據采用數值的形式, 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果。（5）最小割集割集,也叫做截集或截止集，它是導致頂上事件發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生，能夠造成頂上事件發生，這組基本事件就叫割集。引起頂上事件發生的基本事件的最低限度的集合叫最小割集。假設交通事故發生原因是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，交通事故仍然會發生。3.事故再現關鍵及難點（1）事故現場的信息采集交通事故現場的信息采集是事故分析的前提，采集數據的準確程度直接影響事故再現結果的準確性。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、準確獲取現場信息。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場圖獲取特征參數，已成為今后研究和應用的主要方向。信息采集的準確性取決于攝影測量方法的精度和應用水平的情況。當前，采用先進的數字化攝影測量的軟件和技術，可以通過對現場場景和汽車變形的測量，利用計算機數字化描述事故現場，創建損壞汽車的三維模型，由此確定汽車結構遭到的破壞程度，再根據變形和結果尺寸由相關軟件模擬來確定汽車的碰撞中心和等效碰撞速度等參數，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鑒定的關鍵所在。推算汽車碰撞速度的常用方法包括理論計算、經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、準確等特點，并能綜合考慮各種計算方法，通過反復比較分析，輔以專家經驗，最后給出最接近真實情況的分析結果。汽車碰撞事故再現的計算機分析結果尚無嚴格的理論檢驗方法。從試驗或事故現場調查中獲取的數據往往是不精確的，其測量值的不確定性通常容易發現，但對測量值的不確定性與計算結果的不確定性之間的聯系則難以考察。應用不確定分析技術可以了解測量誤差對計算結果的影響程度，輔助分析計算結果的準確性和置信度。在事故重現的求解基本方程中引入不確定分析等數學理論，建立嚴格的誤差分析方法，從而為檢驗事故再現結果提供必要的理論依據。（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的基本要求。人體是極其復雜的系統，人體模型則是事故再現的重要環節，也是仿真實現的難點所在。建立新的、適用的人體模型，在事故再現中實現對駕駛員、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，關系到事故分析鑒定結果的準確程度，也將會推進事故再現的應用水平。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動力學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、環境之間作用的描述在汽車碰撞過程中，人體、汽車和環境三者之間在極短時間內發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生了大幅度變形，而現有事故再現技術還不能予以反映。為此，建立完善的力學模型，改進接觸算法，確切描述碰撞階段發生的變化，才能從不同角度了解事故過程，更加準確地進行再現。模擬人體與車體及環境之間的作用是事故再現水平的體現。現有軟件基本上未能達到這樣的效果，如何描述乘員與車內環境、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，成為事故再現技術研究的至高點。現有的每種碰撞模型都對碰撞過程設定了相應的各種各樣假設，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的局限性。如果在保證模型適用的基礎上，盡量減少假設和限定條件，使其更符合客觀情況，就能實現更為準確實用的事故分析。4.小結與展望利用事故再現計算機軟件能快速準確地判定交通事故的起因和性質，但開發一套完善的事故再現軟件卻是一項龐大的系統工程。它不但需要對各種復雜的交通事故進行分類、建立各種具體的交通事故再現模型、車身和人體模型等必要的準備工作，而且還得依靠經驗豐富的事故鑒定專家的支持。總體來說，結合先進的計算機仿真和人工智能技術分析交通事故，研制新的模型和算法，改善仿真結果的可靠性，推進專家系統軟件的實用化，盡可能包含詳盡的法規和經驗數據，仍是今后研究和發展的重點。參考文獻：1劉志強等，交通事故再現技術研究現狀與發展趨勢,中國安全科學學報,20072袁泉，李一兵，參數不確定度對汽車側面碰撞事故再現結果的影響，農業機械學報，20053胡建保，道路交通事故現場數據采集與繪制系統開發研究，長安大學，20054陸玉凱等，數字攝影測量技術在交通事故再現中的應用，計算機輔助設計與圖形學學報，20055楊帆，交通事故再現技術述評，四川工業學院學報，20046朱聆,道路交通事故再現模型中參數優化的研究,遼寧工學院，20077丁同強，道路交通事故再現模型研究，昆