PC—CRASH仿真系統在交通事故處理課程教學中的應用

黎曉龍 劉杰元

【摘要】目前公安院校學歷教育及在職民警培訓的交通事故處理課程教學中并不具備在現場進行碰撞實驗的條件，學員對交通事故車輛碰撞、相關參數及交通事故發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仿真系統模擬再現交通事故過程，模塊化地實現Pc-Crash仿真系統在交通事故處理課程教學中的使用方法，主要包括基礎數據調查與輸入模塊、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，加強學生對交通事故碰撞機理的認識和理解，提高學生解決實際問題的能力。

【關鍵詞】交通事故 碰撞 教學 Pc-Crash仿真 模塊

【基金項目】公安部應用創新計劃項目《基于云技術的虛擬公安辦公系統》，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了交通事故處理等相關課程，如交通事故現場攝影技術、交通事故再現技術、交通事故鑒定技術等，在學歷教育、在職民警培訓的教學過程中，為了提高學生、民警對交通事故碰撞過程的理解，需要對碰撞形態、碰撞參數設置及其參數不確定性進行分析，分析方法主要包括現場實驗和仿真實驗，考慮到學員、教官的人身安全、實驗資金等因素，現場車輛碰撞不能輕易進行實驗，因此，有必要系統的提出基于仿真實驗的交通事故處理課程教學與分析方法。國內外的相關學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中，需選用一款成熟、穩定、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。Pc-Crash仿真軟件是應用動量/沖量法進行交通事故再現的典型軟件，是奧地利的Steffan博士以 Kudlich-Slibar模型為基礎開發的軟件系統。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，還可以對機動車與行人及翻車的交通事故類型進行數值模擬計算，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，闡述在交通事故處理課程教學中如何實現對真實交通事故碰撞的仿真模擬以及應注意的相關專業問題。

1.基于Pc-Crash的交通事故再現流程

利用Pc-Crash仿真軟件再現交通事故過程，其優勢在于Pc-Crash既擁有豐富的車輛數據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。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”菜單設置車輛不同時刻、不同位置的制動情況、轉向角等參數，然后反復仿真，同時優化碰撞過程，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，又要控制碰撞位置、角度、能量損失等參數，還要控制車輛碰撞后的運動狀態，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仿真優化才有可能實現；三是碰撞導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。考慮到Pc-Crash的相關特點，可分步仿真交通事故，即先仿真碰撞前車輛運動狀態，再仿真車輛碰撞及碰撞后運動狀態，具體流程如圖1所示。

圖1 Pc-Crash交通事故再現流程

Fig.1 Pc-Crash reconstruction flow chart

2.基礎數據調查與輸入

使用Pc-Crash仿真系統模擬交通事故，進行交通事故處理實驗教學時，首先勘查交通事故現場，采集相關的基礎數據，標定仿真中交通事故現場元素的基礎屬性。需采集和調研的數據主要包括：道路數據、車輛數據、車體與道路的附著系數及其他數據。

2.1道路參數采集與輸入

道路參數的作用是為仿真交通事故發生地點道路環境建立而做的準備。需要調查的道路參數主要包括：路段車道數、車道寬度、車道坡度，交叉口進口道分車道功能的車道數與車道寬度，交通安全設施，道路環境。在Pc-Crash交通事故再現仿真中，道路參數數據主要通過仿真軟件界面中的“DXF”模塊輸入。

2.2車輛數據與輸入

車輛數據是為了標定仿真中的車輛基本特性、運動狀態，需采集的車輛數據主要包括：①機動車的品牌型號；②機動車的發動機排量、發動機功率、外形尺寸、軸距、重量。以上車輛數據可直接在Pc-Crash界面中的“ ”車輛數據庫模塊中進行輸入。③機動車重心位置，該數據在Pc-Crash仿真中的車輛數據庫模塊中默認設定（50/50的重量分布），也可以根據實際情況在Pc-Crash仿真中的車輛數據庫模塊中輸入實測重心位置。車輛數據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查數據。④車輛發生交通事故前瞬間的車輛速度，在Pc-Crash仿真界面中的“Sequences”車輛運行狀態模塊中輸入通過GA/T1133-2014和GA/T643-2006的國家標準結合相關數據分析獲得的值。

2.3車輛輪胎及其與道路的附著系數輸入

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，并且和輪胎的結構、胎面花紋以及行駛速度都有關系。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。需調查的不同車輛輪胎與不同性質道路的附著系數主要包括：①車輛輪胎與不同性質道路的制動附著系數，如車輛輪胎與瀝青道路的制動附著系數，在GA/T643-2006可以查詢到一個范圍區間，在Pc-Crash仿真中使用“Sequences-brake1”模塊輸入；②發生碰撞后車輛輪胎與不同性質的道路的滑移附著系數，其中包括橫向滑移和旋轉滑移附著系數，在GA/T643-2006可以查詢到一個范圍區間，在Pc-Crash仿真中通過“Sequences-brake1”模塊輸入；以上附著系數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系到事故再現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人采取的措施等4個方面的數據，在定義碰撞模型時，用戶必須根據調查數據進行設定，交通事故發生時，當沖擊力不是非常大時，在碰撞過程中，駕駛人的措施會很大程度上影響碰撞后車輛的運行狀態及停止位置。Crash Simulation （F8）碰撞仿真對話框用來定義和改變碰撞參數，仿真交通事故現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、附著系數及順序參數都已確定，下面是確定仿真參數，首先，使用者要選擇仿真模型，仿真采用的是三維動力學模型，時間步長多數情況下選擇為 0.5ms，但當使用者需要用到車輛碰撞前的運動路徑的時候，就應該選擇運動學模型。當碰撞沖擊力不大，碰撞后路徑也可以進行定義，因為此時駕駛人為了降低碰撞損失，可以通過轉動轉向盤，使車輛運動方向發生改變。如圖2、圖3所示，案例中的交通事故發生在鄂爾多斯，結合交通事故視頻制作的仿真分析，說明駕駛人在碰撞過程中通過轉動轉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，經過多次碰撞仿真，分析比對交通事故現場痕跡與車體痕跡，確定以上仿真結果。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、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，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，動量發生轉移，這是碰撞發生的最后相位，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生的能量變化，通過比較碰撞車輛的變形與Pc-Crash數據庫中車輛變形，當兩者圖片差不多時認為變形能相當，一般情況下，車輛變形的回彈系數為0.10～0.15。

4.Pc-Crash數據輸出模塊

數據輸出模塊是最能體現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實驗場景，并可根據實驗需求，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的。另一方面，在仿真中能實時地精確獲取相關的數據如車體變形量、道路路面痕跡等，能直接對碰撞模型設定進行衡量，也是在實地實驗中無法做到的。車輛碰撞過程數據如表1所示。

表1 車輛碰撞過程數據

Table 1 data of vehicles crashing

在交通事故處理課程的教學中，無法在現場中對碰撞模型以及參數進行實驗，學員無法直觀地觀察到模型和參數的改變對交通事故的影響。因此，基于仿真系統的實驗方法成為必然選擇。本文詳細、系統和模塊化地闡述了Pc-Crash仿真系統用于分析交通事故的發生過程，從交通事故再現流程、基礎數據調研與輸入、碰撞模型的建立、仿真與評價，結合筆者的使用經驗，提出了在使用仿真軟件時所應注意的事項。本文所闡述的內容能很好的指導交通事故處理課程的實驗教學工作，增強學員對分析交通事故過程的深層次認識，提高學生的動手能力和實踐能力。

參考文獻：

[1]邵文熤.基于Pc-Crash的交通事故模擬再現誤差分析[D]，上海，同濟大學，2007.9.

[2]Marcus Hiemer， Sebastian Lehr， Uwe Kiencke. A Fuzzy System to Determine the Vehicle Yaw Angle.SAE Paper.No.2004. 1，2004：1～9.

[3]王華.汽車間碰撞事故再現的計算機模擬的研究[D]，吉林，吉林工業大學，2000.6.

[4]Cliff W E， Moser A. Reconstruction of twenty staged collisions with Pc-Crash optimizer[C].SAE 2001.01.

[5]Richard P.Howard，John Boomer，Cleve Bare.Vehicle Restitution Response in Low Velocity Collision[J]，SAE1993-01-0842，1993.6（6）：56-61.

[6] Ootani R，Pal C.Effective numerical simulation tool for real-world rollover accidents by combining PC-Crash and FEA[C].SAE 2007 World Congress &Exhibition，2007：SAE Technical Paper No.2007.01～1773.

[7]鄒鐵方，張勇剛，陳元新.基于Pc-Crash 的車輛側滑事故再現方法[J]，中國安全科學學報，2013.23（6）：78～82.

[8]Moser A，Steffan H，Spek A，Makkinga W.Application of the Monte Carlo methods for stability analysis within the accident reconstruction software PC-Crash[C].SAE 2003 World Congress & Exhibition，2003： SAE Technical Paper No.2003，01～0488.

[9]李江.交通事故力學[M]，機械工業出版社，2000.2，113-150.

[10]魏超，聶森鑫.一起交通事故的肇事車輛行駛速度的鑒定研究[J].浙江工貿職業技術學院學報，2006，6（3）：70～74.

[11]李兆翠，劉培玉，馬金剛.碰撞檢測在交通事故模擬再現系統中的應用[J].科技信息，2008.2（2）：74～75.

[12]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[J].農業機械學報，2005，3（5）：16～19.

[13]任有，許洪國，李顯生.仿真追尾碰撞模型研究[Jl.交通運輸系統工程與信息2007，7（3）：94～99.

[14]GA/T643-2006，中華人民共和國公共安全行業標準[S].北京：中國公安部，2006.

作者簡介：

黎曉龍（1978-），廣東江門人，內蒙古警察職業學院，講師，碩士學位，主要研究方向為交通信號控制、交通事故再現。