事故再現(xiàn)中不利天氣仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

周 揚(yáng)，崔 靜，劉永濤

(1.西安航空學(xué)院車(chē)輛工程系，西安 710077;2.西安市蓮湖區(qū)大興實(shí)驗(yàn)小學(xué)，西安 710014;3.長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，西安 710064)

有研究表明，在不利天氣如降雨、降雪、大霧天氣下，交通事故發(fā)生的概率大大增加，并且一旦事故發(fā)生，造成的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失往往非常嚴(yán)重［1］。事故發(fā)生后的關(guān)鍵是對(duì)事故進(jìn)行公正、科學(xué)的處理，最終進(jìn)行責(zé)任判定。目前，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助分析交通事故并對(duì)事故發(fā)生過(guò)程進(jìn)行還原已成為處理事故的一種有效且直觀的方法［2］。采用這種方法對(duì)雨雪、大霧天氣下發(fā)生的事故進(jìn)行再現(xiàn)分析時(shí)，須考慮這些因素對(duì)于車(chē)輛行駛安全性的影響，而為了增強(qiáng)事故再現(xiàn)效果的真實(shí)感及將其作為事故處理證據(jù)的說(shuō)服力，對(duì)于雨雪、大霧天氣的模擬尤為必要。

目前，常用的事故再現(xiàn)軟件越來(lái)越多地應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)提高事故模擬的真實(shí)感［3］。例如在車(chē)輛模型、道路設(shè)施上摒棄簡(jiǎn)單的二維模型轉(zhuǎn)而使用CAD軟件制作的三維模型，但該研究在對(duì)天氣的模擬方面仍為空白。本文在建立事故三維綜合演示平臺(tái)的基礎(chǔ)上，研究建立不利天氣仿真系統(tǒng)。

1 不利天氣對(duì)道路交通安全的影響

在不利天氣條件下，車(chē)輛安全會(huì)受到一定影響，車(chē)輛在行駛過(guò)程中發(fā)生交通事故的可能性會(huì)相應(yīng)提高。在降雨條件下，雨水會(huì)使得路面濕滑，路面附著系數(shù)降低，尤其是對(duì)于高速行駛的汽車(chē)，在經(jīng)過(guò)積水路面時(shí)輪胎與路面之間會(huì)形成水膜，使附著系數(shù)進(jìn)一步下降。另外，在強(qiáng)降雨條件下，能見(jiàn)度也會(huì)受到影響［4］。在降雪條件下，大氣溫度一般低于0℃，此時(shí)車(chē)輛使用性能受到影響，路面一旦出現(xiàn)積雪、結(jié)冰等現(xiàn)象，附著系數(shù)會(huì)大大降低。而對(duì)于大霧天氣來(lái)說(shuō)，車(chē)輛行駛安全性的影響主要在于霧天能見(jiàn)度的下降導(dǎo)致駕駛員的視覺(jué)受到影響，進(jìn)而影響駕駛員對(duì)突發(fā)情況的觀察和判斷。

不利天氣對(duì)于車(chē)輛安全的影響主要體現(xiàn)在路面附著系數(shù)下降以及能見(jiàn)度變差兩個(gè)方面。

對(duì)于一輛高速行駛的車(chē)輛，當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)前方車(chē)輛過(guò)近或有障礙物時(shí)采取制動(dòng)措施，車(chē)輛開(kāi)始減速，當(dāng)車(chē)速降低到一定值時(shí)，其制動(dòng)距離決定了交通事故發(fā)生的可能性。制動(dòng)過(guò)程分為兩個(gè)階段［5］:第一階段為駕駛員發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)到做出判斷開(kāi)始采取制動(dòng)的過(guò)程，此階段車(chē)輛行駛的距離L1為

式中:v0為車(chē)輛行駛初速度;t1為該階段時(shí)間即制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。

第二階段為車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程，屬于純減速運(yùn)動(dòng)，制動(dòng)距離L2為

式中:v1為車(chē)輛制動(dòng)末速度;g為重力加速度;φ為路面附著系數(shù)。

車(chē)輛的制動(dòng)總距離為

車(chē)輛在不利天氣下行駛，當(dāng)能見(jiàn)度受到影響時(shí)，駕駛員發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)到采取制動(dòng)措施的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，尤其是在大霧天氣中，能見(jiàn)距離嚴(yán)重受限，此時(shí)t1會(huì)顯著增大;當(dāng)車(chē)輛在濕滑、結(jié)冰路面行駛時(shí)，φ值顯著降低。這兩種情況都將導(dǎo)致車(chē)輛制動(dòng)距離L增大［6］，車(chē)輛發(fā)生追尾等事故的可能性增加。

2 不利天氣仿真原理

2.1 雨雪天氣實(shí)現(xiàn)原理

雨雪天氣有著顯著的隨機(jī)性與復(fù)雜性，對(duì)雨雪天氣進(jìn)行模擬時(shí)，普遍且有效的方法是使用粒子系統(tǒng)［7］。

粒子系統(tǒng)是一種模擬不規(guī)則模糊圖形的算法。在一個(gè)粒子系統(tǒng)中，每個(gè)粒子具有一定的初始屬性，如位置、角度、紋理、壽命等。這些屬性并不是固定不變的，在使用過(guò)程中會(huì)通過(guò)計(jì)算來(lái)實(shí)時(shí)更新粒子的相關(guān)屬性。例如對(duì)于粒子的壽命，粒子會(huì)不斷處于產(chǎn)生與消亡的過(guò)程中，當(dāng)粒子滿(mǎn)足一定條件后即消亡，系統(tǒng)產(chǎn)生新的粒子，這使得粒子系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性特點(diǎn)［8］。另外，每個(gè)粒子的位置、紋理等屬性可在粒子存在的整個(gè)過(guò)程中進(jìn)行隨機(jī)定義，該特性使得粒子系統(tǒng)能夠用來(lái)模擬一些復(fù)雜的現(xiàn)象。

使用粒子系統(tǒng)對(duì)雨雪天氣進(jìn)行模擬的步驟［9］如下:

步驟1 產(chǎn)生新粒子并對(duì)其進(jìn)行初始化。一般來(lái)說(shuō)，在降雪過(guò)程中，雪花表現(xiàn)出不同的形態(tài)，具有不同的速度，在下降的同時(shí)會(huì)隨風(fēng)飄動(dòng)。而在降雨過(guò)程中，由于對(duì)車(chē)輛行駛安全性構(gòu)成影響的雨勢(shì)較大，故可忽略雨點(diǎn)隨風(fēng)飄動(dòng)的效果。對(duì)雨雪粒子的初始化是一個(gè)隨機(jī)分布的過(guò)程，可利用隨機(jī)函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)賦值［10］。為了滿(mǎn)足事故再現(xiàn)的流暢性，將雨雪粒子初始位置固定在視點(diǎn)前的立方體區(qū)域內(nèi)，避免視線可見(jiàn)區(qū)域外雨雪粒子的產(chǎn)生，從而防止系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。設(shè)第i個(gè)雨雪粒子初始屬性為particle［i］，則:

CRect Rect;//獲取窗口尺寸

particle［i］.x=rand()%Rect.Width;

particle［i］.y=Rect.Height/2;

particle［i］.z=rand()%－d;

其中rand()為隨機(jī)函數(shù)，Rect.Width為窗口寬度，Rect.Height為窗口高度，d為粒子z方向修正常數(shù)，這些參數(shù)用來(lái)控制粒子產(chǎn)生的范圍。

步驟2 實(shí)時(shí)更新粒子屬性，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效果。實(shí)時(shí)更新每一幀粒子的位置，以一定速率播放每一幀的靜態(tài)粒子，即形成動(dòng)態(tài)的降雨、降雪效果［11］。雨雪粒子實(shí)際下落過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，其運(yùn)動(dòng)受到重力、空氣阻力以及風(fēng)力的相互作用。考慮到對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確計(jì)算將極大增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，影響繪制速率，本文對(duì)雨雪粒子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，使其在豎直方向上做勻加速運(yùn)動(dòng)，對(duì)于雪花粒子，在水平方向附加勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)粒子的下落速度用dropsp表示，rotatesp為其旋轉(zhuǎn)速度，粒子運(yùn)動(dòng)可表示為:

glRotatef(rotatesp，0.0f，0.0f，1.0f);

particle［i］.y－ =dropsp;

步驟3 判定粒子壽命，對(duì)消亡粒子進(jìn)行再利用。雨雪粒子下落到視線外區(qū)域后即判定該粒子達(dá)到消亡條件，系統(tǒng)停止對(duì)該粒子的繪制與計(jì)算［12］。為避免刪除粒子以及產(chǎn)生新粒子帶來(lái)的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，對(duì)消亡粒子的屬性進(jìn)行再次賦值，方法與初始化方法相同。

步驟4 繪制粒子。使用紋理融合技術(shù)［13］描繪粒子的形態(tài)，在實(shí)現(xiàn)較好視覺(jué)效果的同時(shí)提高其繪制效率。將雨滴、雪花紋理圖片綁定融合到矩形載體上，形成逼真立體的雨點(diǎn)、雪花效果。

2.2 大霧天氣實(shí)現(xiàn)原理

當(dāng)前我國(guó)大氣污染嚴(yán)重，霧霾天氣時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響車(chē)輛的行駛安全。大霧天氣的主要特征是能見(jiàn)度較低，離視點(diǎn)較遠(yuǎn)的物體變得模糊不清。

對(duì)于大霧的模擬可通過(guò)OpenGL霧效果實(shí)現(xiàn)。OpenGL霧效果［14］作為一種視覺(jué)模擬應(yīng)用，主要用來(lái)模擬可視性受限的場(chǎng)合。霧效果啟用后，遠(yuǎn)離觀察點(diǎn)的物體(比如車(chē)輛、道路設(shè)施)逐漸融入到霧中，其顏色與設(shè)置的霧色相融合。在霧效果中可以設(shè)置霧的濃度，濃度增加，物體融入到霧顏色中的速度增加。使用OpenGL霧效果時(shí)應(yīng)首先聲明啟用霧功能，然后制定霧的濃度，必要時(shí)還可制定霧化計(jì)算的精度，從而獲得更加合適的霧效果。關(guān)鍵代碼如下:

其中，參數(shù)DENS用于控制霧的濃度，ST、ED用于控制霧產(chǎn)生的范圍。

3 不利天氣仿真系統(tǒng)

通過(guò)上述原理建立不利天氣仿真模塊，在該模塊中添加天氣強(qiáng)度控制功能，設(shè)置選項(xiàng)對(duì)雨雪粒子數(shù)量、霧濃度進(jìn)行指定，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)小(輕)、中、大等不同強(qiáng)度的雨雪霧天氣。在不利天氣條件下，車(chē)輛遇到突發(fā)情況時(shí)采取緊急制動(dòng)，由于路面附著系數(shù)的下降，車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中輪胎滑移率會(huì)有所增加［15］，輪胎在路面上會(huì)留下較長(zhǎng)且清晰的制動(dòng)痕跡。制動(dòng)痕跡是輪胎與路面相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的印跡，其長(zhǎng)度反映制動(dòng)距離的長(zhǎng)短。本文引入制動(dòng)痕跡再現(xiàn)功能，駕駛員在踩下制動(dòng)踏板、車(chē)輛開(kāi)始減速的同時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始繪制制動(dòng)痕跡。通過(guò)相關(guān)計(jì)算可得出事故中車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)軌跡。車(chē)輛的制動(dòng)痕跡與其運(yùn)動(dòng)軌跡相關(guān)，二者間距為車(chē)輛軸距的一半。該過(guò)程代碼如下:

if(α＜0)

{glColor3f(0.0f，0.0f，0.0f);//設(shè)置車(chē)輛制動(dòng)痕跡顏色

glLineWidth(2.0f);//設(shè)置痕跡寬度

glBegin(GL_LINE_STRIP);//開(kāi)始繪制…

glEnd();}

本文最終建立了不利天氣仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)包含不利天氣仿真模塊、制動(dòng)痕跡再現(xiàn)模塊。利用本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的事故再現(xiàn)中不利天氣實(shí)時(shí)仿真流程見(jiàn)圖1。

圖1 不利天氣實(shí)時(shí)仿真流程

4 實(shí)例

應(yīng)用本系統(tǒng)對(duì)3例真實(shí)交通事故進(jìn)行事故再現(xiàn)。圖2所示事故發(fā)生在大雨天氣條件下，直行越野車(chē)由于雨天視線受到影響未及時(shí)采取制動(dòng)措施而撞上左轉(zhuǎn)向三廂轎車(chē)。圖3所示事故發(fā)生在大雪天氣條件下，藍(lán)色轎車(chē)由于路面結(jié)冰導(dǎo)致附著系數(shù)下降，制動(dòng)距離增加而撞上直行黑色卡車(chē)。圖4所示事故發(fā)生在大霧天氣條件下，大霧導(dǎo)致駕駛員視距下降以致后方黃色大客車(chē)追尾從輔道駛?cè)氲陌霋熵涇?chē)。對(duì)3例事故涉及的事故現(xiàn)場(chǎng)及天氣情況進(jìn)行仿真，對(duì)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行解算，還原事故發(fā)生過(guò)程中車(chē)輛制動(dòng)所產(chǎn)生的痕跡，最終分別得到3例事故關(guān)鍵幀，如圖2～4所示。

圖2 大雨天氣下事故

圖3 大雪天氣下事故

圖4 大霧天氣下事故

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)不利天氣(如雨、雪、霧天氣)對(duì)車(chē)輛安全造成的影響進(jìn)行分析并得出結(jié)論:不利天氣條件下車(chē)輛的制動(dòng)距離增加，能見(jiàn)度下降，發(fā)生事故的可能性增加。研究對(duì)雨、雪、霧天氣進(jìn)行模擬仿真，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛制動(dòng)痕跡的再現(xiàn)，最終建立不利天氣仿真系統(tǒng)。應(yīng)用本系統(tǒng)對(duì)3例真實(shí)事故進(jìn)行事故再現(xiàn)，結(jié)果表明該方法能為事故處理提供更為有力的依據(jù)。

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