基于PC-CRASH的汽车与行人碰撞事故再现仿真研究

重庆交通大学硕士学位论文

基于PC-CRASH的汽车与行人碰撞事故再现仿真研究

姓名：庹永恒申请学位级别：硕士专业：载运工具运用工程指导教师：蒋工亮

20091201

摘要汽车与行人碰撞事故是道路交通事故的主要类型。事故中人的伤亡率往往很高，因此，此类事故也越来越受到人们的重视。作为事故鉴定的重要工具，人车碰撞事故再现已经在汽车安全领域引起越来越多的关注。基于计算机仿真的人车碰撞事故再现具有成本低、准确性高、客观性强和内容丰富的优点，能够为事故鉴定、汽车安全设计和损伤生物力学研究提供科学依据。因此汽车与行人碰撞交通事故的再现研究具有重要的社会价值和意义。本文以研究计算机仿真再现汽车与行人碰撞事故的方法为目的，以多刚体动力学和生物力学为基础，通过对汽车与行人碰撞事故的特点进行总结，对行人运动特点和事故中行人的致伤机理与评价指标进行分析，使用ＰＣ—Ｃｒａｓｈ软件建立汽车与行人碰撞事故的仿真模型，分析了行人的碰撞运动轨迹和其抛距模型。通过调整车辆的各项参数进行仿真分析，确定影响行人损伤严重程度的关键因素。通过对仿真试验结果的分析，探讨了不同情况下人体抛距、头部最大加速度及小腿最大受力等信息的规律性，从而可以为交通事故责任鉴定提供理论依据和数值参考。提出了在缺失大量事故信息的情况下再现人车碰撞事故的仿真方法，结合典型的案例，对仿真方法进行了实际运用，完成了事故过程再现。根据仿真结果分析了事故过程和事故发生原因及行人损伤严重程度，并通过调整车辆及行人的位置、速度等参数，进行多次仿真试验，使仿真更加精准，验证了事故再现方法的可行性。关键词：道路交通事故；事故再现：人车碰撞；仿真；行人损伤ＡＢＳＴＲＡＣＴ１１１ｅｖｅｈｉｃｌｅ．ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｃｏｌｌｉｓｉｏｎｉｓｔｈｅｍａｉｎｔｙｐｅｓｏｆｒｏａｄｔｒａｆｆｉｃａｃｃｉｄｅｎｔｓ．１１１ｅｒａｔｅｏｆｄｅａｔｈｓａｎｄｉｎｊｕｒｉｅｓｉｎｖｅｈｉｃｌｅ—ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｃｏｌｌｉｓｉｏｎｕｓｕａｌｌｙａｒｅｏｆｔｅｎｖｅｒｙｈｉｇｈ，ＳＯｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ．．ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｃｏｌｌｉｓｉｏｎａｒｅａｔｔｒａｃｔｉｎｇｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ａｃｃｉｄｅｎｔｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｓａｌｌｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｏｌｆｏｒｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆａｃｃｉｄｅｎｔｓ，ａｎｄｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ—ｈｕｍａｎｃｏｌｌｉｓｉｏｎｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｈａｓａｒｏｕｓｅｄｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ．ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｃｏｌｌｉｓｉｏｎｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｗｉｔｈｌｏｗｃｏｓｔ，ｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙ，ｏｂｊｅｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｒｉｃｈｃｏｎｔｅｎｔｓ，ｃａｒｌｐｒｏｖｉｄｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅａｃｃｉｄｅｎｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅａｕｔｏｓａｆｅｔｙｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｄａｍａｇｅｂｉｏｌｏｇｙｍｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｓｏｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ－ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｃｏｌｌｉｓｉｏｎｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｏｃｉａｌｖａｌｕｅａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｆｏｒ也ｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｓｔｕｄｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｖｅｈｉｃｌｅ。ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｃｏｌｌｉｓｉｏｎｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｕｌｔｉ．ｂｏｄｙｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｔｈｅｂｉｏｌｏｇｙｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｒｏｕｇｈｓｕｍｍａｄｚｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅ－ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｃｏｌｌｉｓｉｏｎａｎｄｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ’Ｓｉｎｊｕｒｉｅｓｉｌｌｍｅａｃｃｉｄｅｎｔ，ａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｐｅｓｄｅｓｔｒｉａｎ’ｓａｃｔｉｖｉｅｓａｎｄｉｎｊｕｒｙｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ．ＵｓｉｎｇＰＣ．Ｃｒａｓｈｓｏｆｔｗａｒｅ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｏｆｖｅｈｉｃｌｅ－ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｃｏｌｌｉｓｉｏｎｔｒａｊｅｃｔｏｒｙａｎｄｉｔｓｔｈｒｏｗｄｉｓｔａｎｃｅｍｏｄｅｌ．Ｂｙａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｔｏｓｉｍｕｌａｔｅ，ｉｎｄｅｎｔｉｆｙｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓｏｆｉｍｐａｃｔｉｎｇｔｈｅｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ’Ｓｉｎｊｕｒｉｅｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅｒｅｇｕｌａｒｉｔｙｏｆｔｈｒｏｗｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｔｈｅｂｏｄｙ．ｔｌｌｅｍａｘｉｍｕｍａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｅａｄａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｌｅｇｆｏｒｃｅｅｔｃｉｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ．ＩｔＣａｎｐｒｏｖｉｄｅａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｔｒａｆｆｉｃａｃｃｉｄｅｎｔ．Ｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｍｉｓｓｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｃａｓｅｏｆａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆａｃｃｉｄｅｎｔｓｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｖｅｈｉｃｌｅｃｏｌｌｉｓｉｏｎａｃｃｉｄｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｗｉｔｌｌａｔｙｐｉｃａｌｃａｓｅ，ａｐｐｌｙｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ’ｓｍｅｔｈｏｄａｎｄｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｒｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｃｃｉｄｅｎｔ．ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｌｙｚｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｒｅａｓｏｎｏｆｔｈｅａｃｃｉｄｅｎｔ，ａｎｄｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｖｅｈｉｃｌｅｓａｎｄｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｓ，ｔｏｓｉｍｕｌａｔｅ，ｉｍｐｒｏｖｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ，ｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆａｃｃｉｄｅｎｔｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｒｏａｄｔｒａｆｆｉｃａｃｃｉｄｅｎｔｓ；ａｃｃｉｄｅｎｔｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｖｅｈｉｃｌｅ?ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｃｏｌｌｉｓｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ’Ｓｉｎｊｕｒｉｅｓ重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：ｗ乎‰ｆｃ蛔重庆交通大学学位论文版权使用授权书学位论文作者躲讧孔叽日期：—ｐ咿备Ｉ文月’ｆ文日日期：ｙ阿静Ｉ文月ｆ姆指剥币虢穆７劾日期：７１，≯）年，Ｚ月，夕日日期：≯）年，ｚ月，夕日学日位期做文缈册签：储中，轹火月影，吼，导期狮师纱铱年叨签穸移朋勿

第一章绪论第一章绪论１．１研究背景道路交通事故是世界性的严重社会问题。特别是近几十年来，车辆急剧增加，交通流量增大，车辆与道路比例的严重失调，加之交通管理不善等原因，造成交通事故频繁，伤亡人数增多，已成为世界性的一大公害。美国是世界汽车最为普及的国家，因道路交通事故造成的经济损失也相当惊人，例如美国火灾经济损失只是道路交通事故经济损失的１３％。日本因道路交通事故造成的经济损失相当于年道路建设投资的一半。与世界各国相比，我国道路交通事故就更为严重，是世界交通事故死亡人数最多的国家。仅２００８年，全国共发生道路交通事故２６５２０４起，造成７３４８４人死亡、３０４９１９人受伤，直接财产损失１０．１亿元，各项指标均居世界各国前列ｕ１。严峻的交通事故现实使人们不得不对交通安全状况予以高度重视，并将不断进步的科学技术应用于交通安全研究工作中，使汽车更好地造福于人类。交通事故再现是指在事故发生后，根据事故现场及车辆信息，运用相关理论方法、按照实验数据以及专家经验建立的运动学和动力学模型逆向推算，在时间和空间上重现事故的发生过程，得出车辆碰撞前的相关参数，并进一步分析事故发生的原因心１。事故再现的目的大致可分为交通安全和事故调查。交通安全可分为预防事故和减轻灾害，基本目的是研究一个具体事故的特殊性，从空间和时间上确定事故发生的每个阶段，并对其进行评价。在事故预防领域，通过事故再现可为交通管理工作和法规建设提供广泛的信息和依据。一般来说，以事故发生相关联的交通环境、驾驶员行为和车辆为中心，限定在事故现场附近，对事故过程进行再现。在减轻人员伤害方面，为揭示乘员发生伤害的机理，事故再现是非常必要的，对于研究乘员的伤害部位和程度、车体的施害部件、安全设施的作用和影响程度，以及事故前后人员的避害措施等对减轻伤害的效果是非常有益的。人车碰撞事故是道路交通事故的主要形式。中国２００８年交通事故死亡人数为７３４８４人，其中行人占总数的２６％左右∞３。在欧美及日本等国家人车碰撞事故在交通总数中都占有相当一部分比例。因此，人车碰撞事故已经成为全世界相关研究人员共同关注的问题。行人保护也成为汽车安全研究领域的重要问题之一。精确分析再现行人与汽车相撞事故的特点对于改进汽车车身设计，保护行人安全有重要的意义。行人安全是当今世界汽车交通安全性研究中的一个热点问题Ｈ３。采用何种措施降低汽车与行人碰撞时对行人产生的伤害在美国、欧洲、日本等国家已受到高度重视，行人数值假人和计算机仿真再现方法在上述世界发达国家得到了广泛的应２第一章绪论用，辅助进行行人安全性研究。在我国，行人安全性研究起步较晚，研究水平较为滞后，对真实事故的研究相对不足。因此，目前在国内展开大量相关行人安全性技术研究，改善汽车的行人安全保护，尽可能减少人车碰撞中的人体伤害和带来的社会损失，降低行人死亡率，是一个较为迫切的问题。汽车与行人碰撞事故中行人致伤原因、损伤类型和分布的研究以及改进汽车安全性、减少人员伤亡是汽车被动安全领域研究的热点和难点之一跚。针对我国道路交通环境和交通模式开展行人碰撞保护研究是目前我国道路车辆交通安全领域急待解决的重要科技问题，也是推动社会进步的一项重要工作。因此行人交通事故的再现研究具有极其重要的研究价值和社会意义。第一，该方法可应用于交通警察和司法鉴定部门的事故鉴定和处理，提高事故鉴定的客观性；第二，可应用于司法机关对交通事故案件的审理，提高案件审理的公正性；第三，可应用于保险公司的车险理赔，提高保险理赔的准确性：第四，可应用于汽车等交通工具制造企业的新产品开发，提高交通工具的安全性；第五，可应用于道路等交通设施的规划和设计，减少发生交通事故的“黑点”；第六，可应用于对各类人员的交通安全培训，提高社会大众的交通安全意识。１．２国内外研究现状１．２．１国外研究现状欧美汽车工业发达国家对汽车交通事故中人体损伤生物力学和汽车被动安全技术的研究已有四十多年的历史。澳大利亚的Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ砸１等人于６０年代中期即开始从事交通事故中行人的安全问题研究。美国和欧盟于７０年代中期开始注意到行人的安全问题。从７０年代以来，人们使用生物样本、机械假人、以及数学模型开展了多种研究，包括人体的损伤机理、耐受限度、汽车前部结构设计对行人损伤严重程度的影响、损伤防护技术以及安全对策等口叫们。当前汽车与行人相撞事故研究的热点集中在行人损伤机理的研究、损伤评估准则的确定、机械和数学模型的建立、汽车碰撞行人事故调查分析、事故重建以及行人防护措施开发等方面。６０年代初，试图通过运动学的角度来探讨人车碰撞事故中人体的在碰撞后的响应和运动情况开始被人们所采纳，并且逐步成为人车事故再现的主流方法和手段。Ｓｅｖｅｒｙｎ¨和Ｂｒｉｎｋ分别在１９６３年和１９６６年利用假人开创了人车碰撞事故研究的实验先河。在实验中他们使用了４１个假人（包括儿童假人和成人假人），以１６—６４公里／ｄ＇时不同车速进行了９组碰撞实验，分别得到了不同的假人抛距。在此基础上，相关学者利用假人或尸体，在不同的碰撞条件下进行了一系列实验。通过将实验所得的数据进行回归拟合，得出相应的经验公式。但是由于实车实验价格昂贵，且汽车材料、设计的更新换代，以往的实验数据往往不能真实的反映第一章绪论３事故车辆的情况。因此，在使用数据拟合的经验公式时结果有所偏差。由于行人的质量与汽车的质量相比较小，碰撞后行人几乎是沿水平被撞出，并沿近似抛物线轨迹落到地面，落地后还可能在地面上滑行一段距离后停止。因此，国外有学者将行人看作一个具有一定高度的质点进行研究，将行人抛出初始速度的估计值近似认为成是汽车碰撞行人的速度。这也构成了人车碰撞事故再现的另一主要方法。由于人体与地面的摩擦系数与很多因素相关，难以确定；车辆外形轮廓对碰撞瞬时人体抛出运动的轨迹和受力情况有较大的影响，因此，利用不同公式计算得出的结论往往差距较大。由于在人车碰撞事故中，玻璃碎片的运动不会受到碰撞对方的大面积遮挡，如果参与事故汽车的碰撞速度与被碰撞破碎玻璃的碎片抛距的定量关系已知，则汽车碰撞速度就可以通过确定的玻璃碎片抛距求出ｎ２‘１引。国外学者根据这一特点，提出了基于玻璃撤落物的人车交通事故再现方法。此方法与前述的实车实验参数拟合、质点抛出模型共同组成了目前国际上人车事故再现的三大方法。实际人车碰撞事故中，由于玻璃碎片颗粒小，颜色不鲜艳等因素，玻璃碎片场的参数在现场勘查时较难准确获取。现代汽车的风挡玻璃基本上均使用ＰＶＢ夹层玻璃。此种玻璃在受到冲击时产生的碎片会粘附在中间夹层上不易脱落。因此，此方法的实用性较差。整个人车碰撞分过程可分为碰撞前、中、后三个阶段来研究，本文所指的行人安全研究主要是对碰撞过程中的安全问题的研究，即被动安全。所谓被动安全就是车辆外部结构对行人安全所构成的影响。实验是行人安全研究的主要手段，这里的实验即可以是物理实验，也可以是数值仿真实验。按实验方法区分，行人被动安全研究可分为行人子系统撞击器实验和整体行人碰撞实验。目前的研究主要倾向于利用行人子系统模型进行研究，即用规范的撞击器模拟人体各部位进行试验，并以整体假人碰撞实验为辅。这一方面是因为处于法规制订和汽车制造商的要求，所研究的对象和对应的实验方法不宜过于复杂。事故再现本身也是行人安全研究中及其重要的一环。首先，它强化了行人安全研究的现实意义，采用现代科学的新技术新方法来研究事故产生的原因和减少事故的数量和严重程度是当今交通运输领域中的重要课题。其次，通过一定数量的事故再现，分析行人的受伤机理，提高制定研究方案或实验条件的合理性。再次，可以将获取的事故现场有关信息（碰撞点、车辆位置、散落物的位置、刹车拖痕等）作为检验标准，与行人被动安全的研究结果相互验证。为了减少实验开销及其带来的复杂性，不少研究者也用数值仿真的事故再现来验证研究结果的可靠性ｎ钔。事故再现本身也是行人安全研究中及其重要的一环。４第一章绪论首先，它强化了行人安全研究的现实意义，采用现代科学的新技术新方法来研究事故产生的原因和减少事故的数量和严重程度是当今交通运输领域中的重要课题。其次，通过一定数量的事故再现，分析行人的受伤机理，提高制定研究方案或实验条件的合理性。再次，可以将获取的事故现场有关信息（碰撞点、车辆位置、散落物的位置、刹车拖痕等）作为检验标准，与行人被动安全的研究结果相互验证。行人交通事故的数字化重构需要数字化假人模型来模拟行人，假人模型不仅需要能适应人体运动学分析，而且能进行人体损伤分析ｎ５１。因此，数字化假人必须具有很高的计算效率，能适应不同载荷环境，能符合人体的各项生物力学特性，能提供必要的输出作为损伤指标的计算依据。按建模方法分类，数字化假人模型可以分为多刚体模型和有限元模型。多刚体假人模型的主要特征就是用集中质量代替人体的主要环节，通过动力学铰链实现各部分的连接。并且，集中质量上附着描述人体几何外形的椭球面，以模拟人体与周围环境之间的相互作用。为了保证假人的生物逼真性，质量参数、铰链特性和椭球面接触特性都是根据人体生物力学试验获得。多刚体假人具有计算效率高，鲁棒性强，建模简单等优势。经过近３０年的不断改进和有效性验证，多刚体假人的建模和应用研究已经趋于成熟，逐渐被人们接受。常见的多刚体假人模型有ＴＮＯ假人、ＪＡＲＩ假人、Ｃｈａｌｍｅｒｓ假人，它们分别是荷兰国家应用科学研究院（Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ研究所（ＪａｐａｎＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅＲｅｓｅａｒｃｈ）、日本汽车ＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ）和瑞典查尔摩斯科技大学（ＣｈａｌｍｅｒｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）的研究成果。有限元假人模型是利用有限元网格离散人体组织。理论上来说，有限元网格划分得越细，模型考虑得越复杂，假人的计算精度就越高，但是计算的成本也随之增加。比较著名的有限元假人是ＨＵＭＯＳ假人和ＴＨＵＭＳ假人。ＨＵＭＯＳ假人属于欧盟第四框架计划项目“ＨＵＭＯＳ人体有限元模型’’，该项目于１９９７年启动，目标是建立通用的有限元人体模型，研究和总结人体几何学、运动学、生物力学等方面的知识以及相应的仿真方法。ＴＨＵＭＳ假人是日本丰田公司开发的有限元假人模型。以上两种模型都属于大规模的有限元模型，包括人体骨骼、肌肉、韧带、皮肤、内脏和脑组织，而且经过严格的实验验证，具有很高逼真度。１．２．２国内研究现状国内在这方面的研究起步较晚，成果较少。主要的手段为吸收和改进国外现有方法和模型。许洪国教授在Ｂｒａｕｎ和Ｓｔｒｏｂｌ的基础上建立了玻璃碎片运动的广义模型ｎ¨７１。该模型所含参数较多，计算难度较大，且模型鲁棒性较低，输入参数第一章绪论５的微小改变容易引起输出结果的巨大改变，因此在实际事故再现研究中更加难以应用。基于行人作为一个非常复杂的动力学结构在人车碰撞事故中直接影响到事故再现分析，国内有关学者利用成熟的商业软件，例如ＡＤＡＭＳ、ＬＳ—ＤＹＮＡ进行事故再现研究，取得了一定的效果。但是，由于有限元方法和多刚体建模方法仅对个案有效，没有普适性，且建模所需参数很难准确获取或确定，建模过程复杂，因此只能作为辅助手段进行验证性的研究。为了克服上述缺陷，林庆峰利用国际上成熟的事故再现软件ＰＣ—Ｃｒａｓｈ对人车碰撞事故进行再现研究ｎ引。利用ＰＣ—Ｃｒａｓｈ中经过验证的多刚体人体模型和车辆模型，建立虚拟碰撞场，对在不同碰撞条件下的人体抛距进行了深入的研究，提出了新的人体抛距模型。周魏、许骏等根据清华大学事故再现研究室多年事故鉴定的经验，即人车碰撞速度越高，前风挡玻璃损坏的面积越大，通过定义风挡玻璃破碎时的最大半径，根据５１起实际人车碰撞事故，建立了风挡玻璃裂纹半径与碰撞车速之间定量关系的模型，并进行了验证ｎ引。模型的精度受制与样本量的多寡是该模型的一大缺陷。湖南大学的李莉和杨济匡将自建的多刚体行人模型应用于真实案例的事故再现，着重分析了事故过程中的人体各部分的动力学响应㈨。上海交通大学申杰、郭磊等人则将ＴＮＯ行人生物力学整体假人应用于事故再现，从运动分析和人体损伤的角度重构事故全过程心ｕ。综上所述，丰富的实车实验数据，完善的交通事故深入数据调查手段和数据资源以及深入的多学科交叉研究使得国外在该领域的研究仍然处于领先地位。主流的人车碰撞事故再现方法均由国外提出。尽管如此，在面临汽车技术不断发展的情况下，传统的再现方法遇到了一些新的问题，使得其应用范围受到了明显的限制；而新的、突破性的再现方法和手段仍然没有出现，更加加剧了人车交通事故再现研究手段的单一和缺失。相比较车辆之间的交通事故再现来说，人车碰撞事故的研究更显复杂和急迫。从已有的研究成果看，常用的动量／冲量方法和变形／能量方法不适合人车碰撞事故再现，基于多刚体动力学仿真的事故再现方法已逐渐为人们所接受，并且行人抛距和人体损伤成为主要的再现依据。目前，对人车碰撞事故再现方法的研究主要面临以下问题：（１）事故再现方法受限于建模技术，简单的多刚体假人和车辆模型不能满足对于人体损伤的计算要求，需要将建模技术由单纯的多刚体模型向多刚体与有限元相结合的模型过渡；（２）人车碰撞事故涉及车辆运动轨迹、行人抛距、人体损伤等多方面已知的事故信息。随着计算能力以及信息采集能力的提高，为了提高准确性，需要同时将

６第一章绪论各类信息作为事故再现依据，采用多信息融合的方法进行事故再现；（３）目前，大多数人车碰撞事故再现仍旧是靠人工操作来完成迭代过程。为了进一步提高事故再现的效率，如何利用先进的优化算法和程序来减少循环次数和人工干预已经成为急需解决的问题。１．３论文的研究目的和意义根据现有的理论与实践成果，利用道路交通事故再现软件ＰＣ—Ｃｒａｓｈ，建立汽车与行人模型，对不同碰撞环境下汽车与行人的不同行为参数进行设置，仿真再现事故发生的过程，还原事故发生的初始状态，分析各种因素对事故再现的影响，包括驾驶员与行人的生理反应等。通过国内外研究现状的分析，说明目前对人车碰撞事故再现的研究还处于一个规律性的研究阶段，对很多不可确定的因素尚缺乏详细的分析，如何利用事故现场各种信息更快更精确的再现事故过程是迫切需要解决的问题。所以，利用ＰＣ—Ｃｒａｓｈ软件对各种不同情况下汽车与行人的碰撞过程进行仿真分析，采用正推法总结规律，对前人的经验公式进行补充，采用反推法快速筛选事故信息，还原事故发生过程。对分析人车碰撞事故再现有重要的理论和实际意义。１．４论文的研究内容实际的交通事故是一个非常复杂的过程，它的过程很短暂，一般只有几秒的时间。在短暂的时间内，车速发生极大的变化，人体和车身都有可能受到很大的冲击力，要完整再现整个交通事故的过程非常困难，建立准确的碰撞事故模型至关重要。碰撞是车速发生剧烈变化的过程，事故再现根据事故现场遗留的刹车痕迹、变形、人体损伤等基本信息利用数值模拟的方法推断出碰撞初始时刻的车速、行人及成员方位姿态和碰撞发生的过程。研究的对象确定为交通事故中的人车碰撞再现研究。根据本文的研究对象和交通事故的特点可以确定本文的主要研究内容：（１）通过交通事故数据的采集分析，研究汽车与行人碰撞事故的特点，对行人运动特点和事故中行人的致伤机理与评价指标进行分析。（２）分析汽车与行人碰撞事故再现的内容，以及汽车与行人碰撞事故再现的主要方法和力学原理，研究分析ＰＣ—Ｃｒａｓｈ软件中的碰撞理论和事故再现原理，确定适用于汽车与行人交通事故再现的车辆和人体多刚体模型及碰撞模型。（３）建立汽车与行人碰撞事故的仿真模型，分析了行人的碰撞运动轨迹和其抛距模型，通过调整车辆的各项参数进行仿真分析，确定影响行人损伤严重程度的关键因素。第一章绪论７（４）利用ＰＣ－Ｃｒａｓｈ进行汽车与行人的碰撞仿真研究，结合典型的案例，对仿真方法进行了实际运用，完成了事故过程再现；根据仿真结果分析事故过程及事故发生原因，并通过改变车辆及行人的位置速度等参数，进行仿真试验，总结碰撞的特点规律。８第二章汽车与行人碰撞事故特点研究第二章汽车与行人碰撞事故特点研究据北京市公安交通管理局科研所统计分析，国外交通事故大多以车碰车事故为主，而中国车撞入的事故却非常多。碰撞试验数据显示当汽车行驶速度在２０ｋｍ／ｈ时将行人撞死的几率是１０％，４０ｋｍ／ｈ时超过３０９６，６０ｋｍ／ｈ时超过９０％，８０ｋｍ／ｈ时达到１００％‘物。数据显示，中国道路交通事故最严峻的时候是２００２、２００３和２００４年，这３年中每年的死亡人数部都过１０万人。从２００５年开始这一现象得到缓解。道路交通事故死亡人数呈逐渐下降的趋势，这是各方努力的结果，但是行人占总死亡人数的比例始终高居２６％左右，没有任何明显下降趋势，所以行人保护任重道远。——全舒死亡人数行人死亡人数－，，＿一一／—＼ＩｌＩ２００１一一一一一一。ｌ卵８１９∞２０００ｌ２００２ｌ２００３２００，１ｌＩ２００５２０∞２００７ｆｆ２０∞ｌ图２．１１９９８－２００８年中国交通事故死亡人数统计（单位：人）２．１汽车与行人碰撞事故流行病学特征交通事故损伤流行病学是应用流行病学的原理和方法，从人群的角度来研究道路交通事故中损伤发生的特点及其危害程度和危险因素的分析，提出合理的防范对策和措施‘嚣剥。对于本论文的研究，研究汽车与行人碰撞事故流行病学特征是指通过人体损伤的统计学规律，寻找人车碰撞事故的发生规律，分析不同因素对行人运动和人体损伤的影响，明确相关研究的发展重点，从而为事故再现和假入建模提供依据。由此可见，流行病学研究的基础是对于事故数据的调查与分析，这些数据大都来自交通管理部门、事故鉴定中心、医院等权威机构。２．１．１国外汽车与行人碰撞事故流行病学特征由于各国国情不同，不同国家的人车碰撞事故的流行病学特征也有较大差异。第二章汽车与行人碰撞事故特点研究９在已经高度机动车化的发达国家，如美国、日本、欧洲等，轿车是主要的肇事车辆，其次是ＬＴＶ（１ｉｇｈｔｔｒｕｃｋａｎｄｖａｎ）、大货车和大客车乜引。由车头外形和结构强度的区别，与不同车型碰撞引起的行人损伤程度也不同。Ｌｅｆｌｅ啪３等根据上世纪末美国交通事故数据，统计出了不同车型的行人死亡事故发生率，如图２．２所示。Ｐｍｌｅ吐ｒｉｍＦ破ｌｌｉｔｉ酷／１０００憎吐ｃ１一ｅｄｅｓｔｒｉ姐坤ａｃｔ图２．２不同车型的每千起事故的行人死亡数相应地，不同车型引起的行人损伤形式也有所不同。Ｌｏｎｇｈｉｔａｎｏ㈣等将人体分为头颈部、躯干部和下肢三个部分，以损伤程度大于ＡＩＳ３（相当于重伤）为统计界限，对美国行人事故数据库ＰＣＤＳ（ＰｅｄｅｓｔｒｉａｎＣｒａｓｈＤａｔａＳｔｕｄｙ）进行研究后发现：这三处部位均为较易受伤部位，其中头部损伤最常见且最为致命。相对轿车而言，平头的ＬＴＶ更容易造成胸部重伤，而造成下肢重伤的几率略小，具体可详见图２．３。８０笔６０褂基４０蚁２０头部胸鄙下胶图２．３不同车型的＾ＩＳ３＋行人损伤分布１０第二章汽车与行人碰撞事故特点研究除了对车型对人体损伤的研究以外，行人的伤情严重程度主要与碰撞速度有关，事故分析表明有７０％的驾驶员在碰撞前采取了制动行为，９５％的行人事故碰撞时速度不超过５０ｋｍ／ｈ，并且当碰撞速度低于２５ｋｍ／ｈ时，行人通常只是受到轻微伤害，碰撞速度介于２５ｋｍ／ｈ一５５ｋｍ／ｈ之间时，行人受到严重伤害的机率呈上升趋势，当碰撞速度超过５５ｋｍ／ｈ则常造成行人死亡，数据见图２．４。Ｂ７６５４３一巾一藏辖姗、，牡２１０５１０１５２０２５３０３５４０４５５０５５６０６５７０７５８０碰撞速度（ｋ孤／１９图２．４碰撞速度与伤情严重程度Ｏｔｔｅ∞１等人对碰撞行人的受伤部位分析后指出，８０％－９０％的事故车辆撞在行人侧面，行人的头和下肢是最容易受到伤害的部位。行人致伤原因以及致伤机理比较复杂，原因在于发生碰撞时，行人不但与车体发生第一次碰撞，还将与路面发生第二次碰撞，造成行人死亡或严重伤害的主要原因是行人与车体的第一次碰撞，行人与地面的第二次碰撞有可能造成行人身体的严重伤害，主要取决于行人的身体与地面发生碰撞时身体的接触部位以及碰撞速度的大小。国外学者还对人车碰撞事故中的一些细节情况的进行了统计。７２％的行人死亡事故发生在人行横道，１４％发生在车行道。在事发当时，行人处于行走状态的情况占４９％，奔跑状态占４３％，静止状态占３．６％，行人右侧朝向汽车的情况占５７％，左侧朝向汽车占３５％，背向汽车占１．８％，面向汽车的占Ｏ．６％啪１。２．１．２国内汽车与行人碰撞事故流行病学特征根据一份调查显示啪１，２００７年，重庆市公安机关交通管理部门共受理按一般程序处理的道路交通事故８２３６起，造成ｌ２１８人死亡，１１８９３人受伤，直接财产损失１３２０．８４万元，同比分别下降８．６％，６．５％，１．６％，２５．８％，万车死亡率８．４７，同比下降１．２８个万分点，十万人口死亡率４．３４，同比下降０．３０个十万分点。其中，发生一次死亡３人以上特大道路交通事故３０起，造成１４２人死亡，１４５

第二章汽车与行人碰撞事故特点研究人受伤，直接财产损失５６．３万元，同比分别下降１８．９２９６，２１．１１％，２７．５０％，１０．９２％；发生一次死亡５人以上特大道路交通事故７起，造成６６人死亡，３９人受伤，直接财产损失２９．７万元，同比分别下降１２．５０％，２２．３５％，５６．６７％，５．１１％；发生一次死亡１０人以上特大道路交通事故１起，造成２６人死亡，６人受伤，同比分别下降６６．６７％，５３．５７％，８１．８２％。在这些有行人伤害的道路交通事故中，根据不同人群的事故情况作如下分类：（１）不同性别人群事故情况表２．１不同性别人群事故情况事故次数男性责任者女性责任者合计８７９０９３２７２３６死亡人数１１８６３２１２１８受伤人数１１４５５４３８１１８９３直接财产损失（万元）１２７４．４８４６．３６１３２０．８４（２）不同类型的人群事故情况农民是在各种人群中事故发生率，死亡率和受伤率最高的，２００７年农民共发生交通事故２５０８起，占事故总起数的３０．４５％，死亡３６７人，占总死亡人数的３０．１１％，受伤３６７０人，占总受伤人数的３０．８６％：其次是自主经营者，共发生事故ｌ４３１起，占事故总起数的１７．３８％，死亡２４８人，占总死亡人数的２０．３４％，受伤２１６８人，占总受伤人数的１８．２３％；再次是工人，共发生事故１１８４起，占事故总起数的１４．３８％，死亡１５２人，占总死亡人数的１２．４６％，受伤１５６２人，占总受伤人数的１３．１３％。（３）不同驾龄的驾车人事故情况从不同驾龄的驾车人（每５年为一个间隔周期）肇事情况来看，５年以内驾车人事故发生率和致人死亡率最高，分别占总数的５４．８９％和５０．８９％，同时随着驾龄的增长，事故发生率呈下降趋势。分析驾龄在５年以内的驾车人肇事情况，１年以内驾龄的驾车人事故发生率最高，共发生事故８９６起，造成１２０人死亡，１３３３人受伤，分别占持证驾驶人发生事故总数的１４．６０％，１４．１７％和１５．０１％。（４）不同年龄段人群事故情从不同年龄段来看，２６－４５岁这个年龄段的人群事故发生率最高，共发生事故５８５９起，死亡８７４人，受伤８４８９人，分别占总数的７１．１４％，７１．７７％和７１．３８％。相对上述年龄的人群，学龄前儿童和小学生事故发生率较低，其中，１－６岁的学龄前儿童共发生事故９起，造成４人死亡，６人受伤，分别占事故总数的０．１１％，０．３６％，０．０５％；７—１２岁的小学生发生事故１１起，造成３人死亡，１１人受伤，分别占事故１２第二章汽车与行人碰撞事故特点研究总数的０．１４％，０．２７％和０．０９％。另有一项重庆市第三军医大学的调查鼯¨，随机选择重庆市所辖市区和近郊交通警察大队各２个、郊区县和高等级公路交通警察大队各１个，对１９８８，－－－，１９９７年间的交通事故档案资料进行了回顾性的调查和分析。对行人伤害部位的情况进行了详细的统计和分析。在所调查的１６７９５例交通事故中，共造成行人３７３５人伤亡，占本组交通事故总伤亡人数的４４．０％，高于乘客和司机伤亡人数。其中，行人死亡数和重伤数分别为６０３人和１１５９人，分别占本组交通伤总死亡人数和总重伤人数的５９．１％和５６．４％，其中男性占６１．４％（２２９２／３７３５）。导致行人伤亡的主要事故原因为：（１）措施不当３４．９％（１３０４例）；（２）违章穿行车道２５．０％（９３４例）；（３）疏忽大意８．６％（３２１例）；（４）超速行驶６．５％（２４３例）：（５）判断错误３．６％（１３４例）；（６）不靠边，不走人行道２．３％（８６例）；（７）违章超车２．１％（７８例）；（８）不按规定让行２．１％（７７例）；（９）制动不良１．６％（６０例）；（１０）违章占道行驶１．１％（４１例）。各地区均以违章穿行车道、措施不当和疏忽大意等原因为主。在这些行人交通事故中，８３．０９６发生于无行人隔栏的路段，行人横穿公路占７１．４％，在路边玩耍占１１．０％，在车道上行走占８．６％。事故发生时，行人处在路中间占７８．７％、在便道或绿化带的占１１．１％、在人行横道的占３．８％。６３．５％伤亡学生是在上学或放学的路上。在有详细年龄记录的３５５２例伤亡行人中，市区和城乡结合部的伤亡者年龄段主要集中在６０岁以上、１８－－－－３０岁和３１＇－－，４０岁；郊县地区在６０岁以上、６～１７岁、＜６岁；高等级公路在１８，－－－３０岁、６０岁以上和５１～６０岁。在６３６例死亡行人中，市区和城乡结合部主要集中在６０岁以上、３１＇－－－４０岁和１８＂～３０岁；郊县地区在＜６岁、＞６０岁和６＂－－１７岁；高等级公路为３１～４０岁、５１＂－＇－－６０岁和＞６０岁者。在本组有受伤部位记录者中，多发伤和单一部位伤分别占４３．８％（２０９４／４７８５）和５６．２％（２６９１／４７８５）；在死亡行人中分别为５１．６％（３４４／６６６）和４８．４％（３２２／６６６）；在重伤行人中分别为５１－４％（１２１８／２３７０）和４８．６％（１１５２／２３７０）。本组事故数据中头部伤比例最高，占４４．５％（２１６８／４８７２），其中市区的达第二章汽车与行人碰撞事故特点研究１３４８．３％（８６０／１７８０），高等级路次之，城乡结合部最低，但也达４２．３％（１０３９／２４５８）。其他受伤部位依次为：下肢伤、胸背部伤、腹腰部伤、体表伤、上肢伤和面部伤（见表２．２）。在死亡行人中，头部伤的比例更高达７１．６％（４９１／６８６），其中高等级路段为９１．７％（２２／２４）、市区为８０．６％（１８３／２２７）、郊县地区为７６．９％（６／８）、城郊结合地区为６５．６％（２８０／４２７）；胸背部伤和腰腹部伤分别列损伤的第２、３位（见表２．３）。在重伤行人中，头部伤比例最高（４４．Ｏ％）（１０６１／２４０９），下肢伤次之（见表２．３）。从本组行人交通伤伤处位于身体左、右侧的比例为１．２０，－－．１．３２：１。表２．２各地区伤亡行人伤部的分布情况受伤部位比例（％）伤情市区城乡结合部郊县高等级公路总计头部４８．３４２．３４２．４４２．５４４．５下肢２２．８２２．３２２．０２１．８２２．４胸背２０．２１７．６１３．４１６．８１８．１腰腹１３．３１１．６１６．Ｏ６．２１２．４体表１１．５１１．２２１．５０．６１１．９上肢１１．９１０．８１４．５６．７１１．４面部１１．１１０．７１４．３６．２１１．Ｏ表２．３重伤与死亡行人伤部的分布情况受伤部位比例（％）伤情重伤死亡总计头部４４．０７１．６４４．５下肢２６．１９．８２２．４胸背１９．３３３．４１８．１腰腹１５．７１５．９１２．４体表６．１２．３１１．９上肢１２．７６．４１１．４面部１１．１１４．３１１．０在伤亡行人中，老年人和青少年人年占比重较大，这与老年人反应和行动缓慢、青少年缺乏交通安全意识等有关。而高速路伤亡多因当地农民和居民无视交通法规，违章穿越高等级公路或在高等级公路上行走所致，故合理解决高等级公路两旁农民和居民穿越高等级公路的困难，也是亟待解决的问题。此外，加强公民交通安全教育，提高全民安全素质是一个急需解决的问题。在本组行人交通伤中，头部伤发生率最高，这与行人受撞击后摔倒有关；而紧随其后的是下肢损伤，多因车辆直接撞击所致。在本组死亡行人中，头部伤比例最高，高等级路段达９１．７％，其它地区也在８０．６％一．－６５．６％之间，头部创伤是行人交通伤的最主要死亡原因；胸背部和腹腰部伤分列本组死亡原因的第２、３位，这是因为胸腹腔脏器的损伤，常可导致人体失血性休克、呼吸循环功能障碍，可加速伤１４第二章汽车与行人碰撞事故特点研究员的死亡，也是行人交通伤死亡的主要原因之一。本组多发伤发生率较高，在死亡者和重伤者中分别达５１．６％和５１．４％，多发伤将使救治难度明显增加。由于受伤部位记录都是在受伤现场由非医学专业人员叙述、记录的，故实际上本组多发伤的比例可能会比现有数据高。２．２汽车与行人碰撞事故特点分析２．２．１行人交通的特点行人在道路上步行通常带有个人的主观随意性，凭自己的意志，选择自认为能到达其目的的道路、方向和速度：步行时一种“柔性交通’’，他可以自由选择步行的方向、路线。对于不同对象的人群，有其各自不同的交通特点∞船：（１）儿童的交通特点儿童活泼好动、反应敏捷、动作迅速，但是缺少安全意识，不易控制自己而又缺乏生活经验，不懂交通规则。因此，儿童经常在公路上玩耍，对危险的应变意识差。儿童在交通事故中的伤亡，主要是突然跳出，驾驶员来不及避让，刹车也为时已晚，以致冲撞或碾压，这类事故被称作“跳出事故’’。（２）老年人的交通特点老年人通常视力不好，耳朵不灵，行动迟缓，常常不能正确估计车速和自己横穿马路的速度，准备横穿时忧郁不决，有时行至途中看见来车又突然退回。而且老年人腿脚不灵，躲闪不便。不过老年人比较谨慎，不会胡乱横穿马路，尽管如此，据统计，老年人发生车祸，大多在横穿马路的时候。根据日本专家的统计分析，６０岁左右的老人在人行道上等待的时间平均为２９秒，比１５、１６岁的青少年多４秒；５０岁的老年人横穿马路时，每秒钟只能走１．０２米。老年人对自己和汽车的速度不能准确的估计，常常错过最有利的横穿时机，而且常常突然折回，令驾驶员感到意外而措手不及。．（３）青壮年的交通特点青壮年是生命力旺盛的时期，正是负担各种工作任务的时候，出行时间多，行走距离较远，客观上增加了发生事故的可能性。青壮年精力充沛，感知敏锐，应变能力强，反应快，有法律意识和安全意识，有生活经验。在行人中，男性和女性有不同的交通特点，男性有较强的好胜心，不甘示弱，有时故意违反交通规则，在马路上并排行走，漠视车辆的接近，有的甚至强行横穿马路，酿成事故；而女性则比较小心，但行动比较迟缓，反应也不及男性。但是女性通常出行时三五成群，行走时嬉笑言谈，妨碍了对汽车的感知。发现来车时，有的快速向对面穿越，有的则退回避让，也有穿越时发现同伴未跟进而突然第二章汽车与行人碰撞事故特点研究１５折回。确定行人步行速度是行人事故工作中比较重要的，可用于事故的定性判断，特别是在事故能否避免的分析中。１９７７年，德国的Ｅｂｅｒｈａｒｄｔ和Ｈｉｍｂｅｒｔ进行了大量的实验，得出了一些行人步行速度的数据，表２．４是他们得出的速度平均值表：表２．４行人在不同运动状态下的平均速度（ｍ／ｓ）年龄（岁）性别廷动状态、一６—７男／女１．５／１．５２．０／２．０３．４／２．８４．２／４．０１４—１５男／女１．７／１．６２．２／１．９４．０／３．０５．４／４．８２０．～３０３０＿～５０５嗍Ｏ男／女７０．一８０男／女１．２／１．４２．２／２．２３．０／４．０７．４／６．１贯７囊１．５／１．３２．０／２．０３．６／３．６６．５／５．５男／女１．０／１．１１．４／１．３２．０／１．７３．０／２．３行走快走跑动赛跑１．４／１．４２．０／２．０３．５／３．３５．３／４．６２．２．２汽车与行人碰撞形态汽车与行人的碰撞形态主要有两种：（１）汽车正面与行人碰撞这种碰撞汽车对行人造成的伤害最大，首先是碰撞阶段，行人被加速到接近汽车的速度，身体的一些部位会接触到保险杠，发动机前罩或者风挡玻璃。其次是飞离阶段，如果汽车采取了制动措施，那么人体就会飞离车辆，如果汽车没有减速，那么人体就会被车带走，并且可能掉在汽车行驶途中的任何地方，甚至可能落地后被汽车碾压。最后是滑移或滚动阶段，行人被摔到地面上以后，人体滑移或滚动到其停止位置，在此过程中，可能碰到其他的障碍物造成进一步伤害。（２）汽车侧面与行人刮擦这种碰撞汽车对行人造成的直接伤害很小，主要是刮伤。而行人在倒地时，头部或身体的其他部位容易造成摔伤，但危险的是可能被汽车碾压，造成致命的伤害。２．３行人损伤机理与评价指标２．３．１行人损伤生物力学基础行人损伤生物力学是损伤力学（或称为碰撞生物力学）的一个分支口３１。简单来说，人体组织在人车碰撞过程中所包含的有关力学问题就称为行人损伤生物力学。通常，它的研究内容包括：了解行人事故中的损伤类别、损伤机理、不同载荷条件下人体各组织和器官的响应和人体耐受极限，建立生物力学试验用的仿生机械假人和数字假人模型，提出用于降低人体受伤程度的防护方法。

１６第二章汽车与行人碰撞事故特点研究根据损伤生物力学中载荷一损伤模型理论，可以将人车碰撞过程简要描述为：当事故发生时，外部载荷（惯性力和接触力）通过各种方式传递到人体上，人体对此载荷做出适当的生物力学响应，当载荷超过人体的耐受极限时，将按照相应的损伤机理引发人体损伤。在物理试验或仿真试验中，人体承受的载荷往往以损伤指标的形式表示。由上述描述可知，损伤机理、损伤指标和人体耐受度的研究是预测和评价行人损伤的关键。其中，损伤机理主要用于预测在给定的事故环境下可能的损伤形式和致伤原因，损伤指标和人体耐受度用于评价损伤或载荷严重程度。对于人车碰撞事故再现，行人损伤的引入将为事故再现提供更多参考依据，为事故鉴定提供多种可能的途径。另一方面，行人损伤也是行人建模所关注的重要内容，假人最初的设计目标就是评价人体损伤。因此，结合本论文需要，下文将从损伤机理、损伤指标及其耐受极限这两个方面来简要介绍行人损伤生物力学的相关知识。２．３．２行人损伤机理在人车碰撞事故中，行人可能受到的损伤可以分为两类，即原发性损伤和继发性损伤。其中，原发性损伤也称作第一次损伤，是车辆第一次碰撞或碾压人体造成的损伤，如直撞伤、伸展创、碾压伤等。继发性损伤又可称为第二次损伤，是人体被撞后身体与地面或其他物体相碰撞、擦划造成的损伤，如摔跌伤、拖擦伤等。在真实事故中，不同的致伤机制将会伴随产生特定类型的行人损伤。通常，按车型进行分类，可以将行人的致伤机制概括为以下两类：（１）当行人与长头小客车相撞时，可形成所谓的碰撞三联伤：首次碰撞伤由车前保险杠撞击人体的腿部，或发动机罩的前端撞击腰部或臀部所造成；抛举性碰撞伤的形成是因为人体受撞击部位低于人体重心位置，导致人体发生翻转，身体被抛举腾空，落下撞击到发动机罩上，造成躯干部的第二次碰撞性挫擦伤；滑动性碰撞伤是由于车辆向前行驶的动能与人体后移惯性力的作用，导致人体在发动机罩上滑动，使人体头部、肩部与车辆前挡风玻璃相撞。（２）当行人与平头的卡车或大客车相撞时，因人体受冲撞部位高于重心，平行和向前的旋转运动使行人头部远离车身向前摔倒。由于接触面积广，巨大的冲击能量可以较充分地传递给人体，易造成外伤不明显而内伤却十分严重的撞击伤。另外，强大的冲击力将人体平推抛出，会造成严重的摔跌伤，随之发生拖擦和碾压。由上文所述可知，在人车碰撞事故中，头部和下肢是最多见的损伤部位，其次是头部和胸部。其中，头部伤是常见的致命伤。下文将针对头部、胸部和下肢第二章汽车与行人碰撞事故特点研究１７损伤，分别详细介绍它们的损伤机理。２．３．２．１头部损伤机理与评价指标头部损伤的表现形式有颅骨骨折和颅脑损伤。行人头部因车轮重压或车体猛烈撞击后常引起颅脑开放性骨折，表现为颅骨片状粉碎、头颅变形、头皮开裂、脑组织外流等现象。颅骨闭合性骨折常常是由于行人受到直接碰撞或跌扑造成，这种骨折多数表现为裂纹或线状骨折，常伴有皮下溢血或血肿。颅底骨折多由间接暴力所致，即除着力部位产生冲击伤外，还在着力部位的对侧形成对冲伤，即颅前窝、颅中窝、颅后窝处的骨折，可从靠近处的眼、耳、口、鼻中溢出物中看出。常见的颅脑损伤有脑震荡、脑挫裂伤、颅内出血与血肿。脑挫裂伤是头部受到强力冲撞，造成脑组织挫裂，该损伤多发生在颞前部、额前部及脑底等处，严重的可引起脑疝而死亡。脑挫裂伤一般在伤后立即出现意识障碍，且持续时间长甚至陷入深度昏迷。颅内出血的损伤形式常表现为硬脑膜外血肿和硬脑膜下血肿。硬脑膜外血肿是头部受到强力冲击或造成颅骨骨折时，硬脑膜与颅骨间相连的血管受损破裂，溢血积于颅骨与硬脑膜之间形成血肿。硬脑膜外出血会反复出现昏迷、清醒、再昏迷，并伴有呕吐、意识障碍程度逐渐加深的症状。硬脑膜下血肿是溢出的血液在硬脑膜与蛛网膜之间形成的血肿，出血部位一般在着力部位或对冲部位，血肿的形成较硬脑膜外血肿要慢的多，血肿一旦形成，往往抢救不及。、凹倒制髯辍忙时间／ｓ图２．５ＷＳＴＣ耐冲击性曲线对人体头部损伤进行数值分析，主要参考依据是头部加速度曲线。分析常用的头部对加速度耐冲击性的数据是通过实验方式得到的。将尸体头部落在刚性平面上，让颅骨产生线形骨折为界限从而得到了相关曲线数据。线形骨折与脑震荡的发生几乎同等，但与脑挫伤的关系不明确。通过总结实验数据形成了著名的ＷＳＴＣ１８第二章汽车与行人碰撞事故特点研究耐冲击性曲线，该曲线最早由美国韦思州立大学的ＬｉｓｓｎｅｒⅢ１于１９６０年提出，其后由Ｇｕｒｄｊｉａｎ和Ｐａｔｒｉｃｋ等追加数据予以完善。如图２．５所示，这里的加速度是平均加速度（加速度波形的积分值除以作用时间），与实际撞车时产生的复杂加速度波形未必完全对应，可是由于该曲线使用方便，因此成为此后对人体头部伤害进行讨论所引用的主流数据。１９６６年Ｇａｄｄ根据ＷＳＴＣ提出了Ｇａｄｄ伤害指数（ＧＳＩ，Ｇａｄｄ即头部伤害指标公式：ＳｅｖｅｒｉｔｙＩｎｄｅｘ），ＧＳＩ＝【口”４式中：（２．１）口一头部加速度；甩一加权指数；ｆ一加速度作用时间；ｆ一时间。１９７１年由Ｖｅｒｓａｃｅ∞５３提出了ＨＩＣ（ＨｅａｄＩｎｊｕｒｙＣｒｉｔｅｒｉｏｎ）头部伤害标准，被美国道路交通安全局采用为法规ＦＭＶＳＳ２０８的伤害标准，现在还在同一法规中使用。我国的强制性标准ＣＭＶＤＲ２９４也采用了这一指标。ＨＩＣ可以说是ＧＳＩ改进式。由于ＷＳＴＣ原来根据的是平均加速度的概念，ＧＳＩ尚不完备，所以采用下式：胱…卜）（击ｆ２叫门式中：偿２，＾一加速度作用中的任意时间；‘一相对于‘，使ＨＩＣ值达到最大的时间；口一头部中心的合成加速度。在国内外各项法规及标准中，一般设置ＨＩＣ值为１０００作为安全界限。目前，ＨＩＣ己成为最广泛使用的评价头部伤害的准则。由于使用上的原因，ＨＩＣ值的最大时间间隔（乞一＾）定为３６ｍｓ，这个时间间隔大大的影响着ＨＩＣ的计算。最近，这个时间间隔被建议进一步减少至１６ｍｓ，这主要是用来限制作用于头部的硬冲击。伤害准则和相关的容限水平应与伤害严重程度联系在一起，使用ＨＩＣ评价指标的局限在于：（１）虽然头部的生物力学响应也包括可以引起头部伤害的角运动，但ＨＩＣ仅考虑了线性加速度：（２）ＨＩＣ只在硬接触发生时有效，因此冲击的时间区间受限制。虽然有这些限制，ＨＩＣ评价方法还是汽车领域中研究头部伤害时最常使用的准第二章汽车与行人碰撞事故特点研究１９则，而且ＨＩＣ评价方法被认为可以很好的区分接触和非接触冲击响应。除了ＨＩＣ等参数以外，另外还有一些其他的伤害指标如ＪＩＴ（Ｖｉｅｎｎａ也纳研究所标准），ＥＤＩ（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ２．３．２．２胸部损伤机理与评价指标在汽车与行人碰撞事故中，行人胸部受到引擎盖强烈冲击的情况，其发生频率和致命度都是很高的。胸部伤害主要包括胸壁、胸骨、食道、呼吸器官、心脏以及心脏周围的血管等部位。胸壁外伤发生的频率较高，但其危害不是很大。胸骨和肋骨的骨折及随之而来的呼吸器官障碍则需要引起重视。食道位置在器官与脊椎之间的下方，受伤害的发生频率较低，但万一破裂，就会发生危险。呼吸器官的功能动作是靠胸部和横膈膜的运动来进行的被动动作，如果肺内的支气管、肺泡、胸壁、纵膈等部位裂伤，则空气将通过这些裂伤处进入胸腔，压迫胸部，使肺泡像气球一样萎缩，从而导致肺功能障碍，甚至肺功能完全丧失。如果因胸膜或心脏及其周围血管损伤出血而压迫肺泡，则会引起血胸症。血胸发ＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅＩｎｄｅｘ，维Ｉｎｄｅｘ，有效位移指数）等等。生的频率很高，占胸部伤害７５％一８０％，若是心脏及其周围血管损伤出血将是致命的。横膈膜是胸腔与腹腔的隔壁，也是肺进行吸气动作的重要肌肉组织，横膈膜一旦破裂，腹腔内脏将露出胸腔内，血液同时压迫肺部，使呼吸困难，往往成为致命伤害。心脏是由强韧的心肌组成的用于血液循环的泵，特别是把血液送往全身的左心室，室中充满了高压的血液，这部分的损伤将是致命的，如果心脏本身裂伤，则包裹心脏的心膜将充满血液，’返回右心室的低压大静脉变窄，也会导致失去循环机能，心脏的伤害几乎都会立即死亡，但发生的频率很低，心脏周围血管爆裂伤，尤其是胸部大动脉裂伤，很容易造成致命伤害。目前，在交通事故数字化分析方法中，通常按照国际惯例把３ｍｓ内的合成加速度值６０９作为安全界限值啪１，同时在碰撞的过程中，要求胸部性能指标ＴＨＰＣ（胸部相对于脊柱的压缩量）、＜７５ｍｍ。我国的强制性标准ＣＭＶＤＲ２９４也是采用的这样的损伤标准。２．３．２．３下肢损伤机理与评价指标下肢在汽车碰撞事故中是继头部之后的第二大频繁受伤的部位㈨，在汽车与行人碰撞事故中，人体下肢是全身最早接触汽车的，因而使得下肢受伤害的比例更加提高。下肢伤害主要包括骨折、韧带扭伤、肌肉撕裂、肌健损伤等模式。下肢骨折损伤主要包括：股骨骨折、胫骨和腓骨骨折、膑骨骨折等。其中股骨是人体中最长的骨骼，起支撑全身的作用。常见的股骨骨折有横断性骨折、粉２０第二章汽车与行人碰撞事故特点研究碎性骨折和撕裂性骨折等。胫骨是小腿的主干骨骼，起支撑全身的作用，而腓骨较细，具有维持踝关节的作用。直接、间接外力均可造成胫骨和腓骨骨折。膑骨和半月板均为膝关节中的活动器官，膑骨有保护膝关节、控制关节活动以及增加股骨肌肉力量的功能。半月板有稳定膝关节，缓冲及减轻摩擦的作用。直接和间接的外力作用均可使膑骨呈粉碎性或横断性骨折。～般情况下，下肢骨折不会有生命危险，但是若伤及股动脉等较大动脉血管，也会因失血过多而危及生命。下肢骨结构的破坏往往是由于所受应力超过了密质骨中骨胶原纤维和无机物的结合物所能承受的最大极限，骨胶原纤维被破坏所致。下肢韧带、肌腱、肌肉的损伤主要是由于这些软组织的应变超过了其正常的弹性极限所致。下肢各关节包括了骨、软骨和其他一些结缔组织，但它们都是由更为基本的材料如胶原纤维、弹性纤维、无机经基磷灰石等组织，从力学角度看，它们都属于粘弹性材料，具有蠕变、松弛、滞后等特性。其应力一应变关系一般不符合虎克定律，其损伤机理取决于关节内各组成元素的损伤情况。下肢伤害往往是由以下几种情况所致：（１）下肢与保险杠发生碰撞，在撞击部位产生了过大的接触力，导致该部位出现骨折或其他损伤；（２）下肢关节在碰撞发生时产生了过大的转动，超过了其运动极限，从而导致关节受损，如碰撞时常常出现的因过度背曲、过度内翻和过度外翻而导致的膝关节损伤；是－Ｒ厘一ＥＥ，４ａｖｒ啦疆耐受时间极限／ｍｓ胫骨轴向力／Ｎ图２．６小腿骨的弯曲力矩及轴向载荷界限（３）在保险杠与膝盖发生碰撞时，因接触力过大，导致膝盖韧带撕裂或损伤，或者膝盖本身发生骨折，而产生的上、下腿部间的剪切位移。对于下肢各部分而言，由于在事故中接触的部位不同，导致其受伤形式各不相同，膝部的损伤机理

第二章汽车与行人碰撞事故特点研究２１是膝关节的骨骼结构破裂及韧带和肌腱的撕裂；小腿的损伤机理是过大的剪切力、轴向力和弯折力矩引起的胫骨、腓骨骨折；大腿的损伤机理是内侧一外侧方向的弯折引起骨折。经过统计分析得到小腿骨的弯曲力矩界限如图２．６所示。２．４本章小结本章针对汽车与行人碰撞事故的特点，对行人运动特点和事故中行人的致伤机理与评价指标进行了分析。首先总结了汽车与行人碰撞事故中行人受伤害的比例，考虑了行人保护的重要性，分析了不同人群的运动特点和在事故中所占比例大小。对于行人事故发生的规律性，阐述了行人事故流行病学原理以及国内外汽车与行人碰撞事故流行病学的特征。在事故中，行人的致伤特点对分析事故原因起到了很大的作用，所以，本章还对行人损伤的机理和评价指标做了详细介绍。２２第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础３．１汽车与行人碰撞事故再现的内容３．１．１行人事故再现的目的和意义事故再现是进行事故鉴定或事故原因分析的主要方法之一，用来解释说明事故发生的整个过程或其中的某一片段。它主要透过相关事故迹证调查、鉴识分析、当事人和证人的陈述，并运用车辆运动、碰撞行为、驾驶行为相关的数学与物理原理，对事故的发生情况加以判断。其目的在于翔实的描述或鉴定事故碰撞时空关系，包括碰撞过程的第一次接触及损害造成前后、瞬间的一系列时间段或空间分析。交通事故再现是综合性的边缘科学，与工程力学、车辆构造、车辆动力学、汽车理论、交通工程、计算机技术等学科密切相关，同时，事故再现又离不开丰富的事故现场勘查经验。道路交通事故再现的方法通常是以运动学、动力学原理，如牛顿定律、动量守恒、能量守恒原理等基础理论，建立多组物理和数学模型，进而反映事故过程中诸元素的相对运动及相互状态的内在联系。同典型的汽车与汽车交叉碰撞事故相比，人们对涉及行人的交通事故的认识较肤浅。因此，在很多情况下，碰撞行人的交通事故颇为复杂，更需要人们去探索。行人事故再现主要包括推算汽车的初始速度、汽车的碰撞速度、反应地点（时刻）、碰撞点、行人的行走速度和方向。行人事故再现的基础数据是从事故现场痕迹和证词中提取的。像对汽车等机动车之间的碰撞事故分析一样，透彻的了解碰撞行人事故的碰撞或初始接触的过程是分析行人交通事故的重要环节。可惜在汽车碰撞行人事故的分析中经常出现失误，原因是有关行人事故的证据提取比其他事故的要难且不充分，从而为事故分析带来了一定的难度。人们可能经常在事故案卷里看到这样的叙述：某行人进入车道，被汽车碰撞倒地。在事故再现实际工作时，这不能满足分析问题的最基本要求，而知道行人如何进入车道是较为复杂的问题。事故再现专家必须仔细研究事故现场图和案卷，并需要研讨：行人从何处进入车道，如何进入车道，汽车在何处碰撞行人，汽车行驶与行人运动方向之间的角度关系，行人在车的何处，如何倒向汽车以及抛出倒地。此外，行人的行进速度也应在考虑范围之内。行人事故过程的过分简化可能会导致事故分析结论的错误。行人事故的事故前阶段可用紧急制动过程中驾驶员的反应阶段划分来分析。事故前阶段可划分为第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础２３感知、反应和结果三个基本阶段。感知阶段依时间序列可具体分解为：危险（即行人）进入驾驶员视野，驾驶员看见行人，危险被辨识。假设行人已被观察并辨识到，则在此期间行人已经运动到可能被驾驶员看到的位置，并认识到将发生危险。但是，此时刻不一定是驾驶员或行人“真正”相互看见和辨识的位置，而只是“潜在”的可见位置。然后才是驾驶员和行人相互被看见，并辨识到危险。３．１．２行人事故再现的任务事故再现是以事故现场的事故车辆损坏情况、停止状态，人员伤害情况和各种形式的痕迹为依据，参考当事人和证人（目击者）的陈述，对事故发生的全部经过做出推断的过程。对每一起事故进行正确而全面的再现分析，就相当于进行了一次“实车碰撞”实验，从中可获得许多用其他方法难以或者无法得到的宝贵资料。事故再现的关键在于发现、提取事故现场上遗留的各种物证，并做出科学、合理的解释。为了正确地进行事故再现，必须掌握与事故有关的各种数学、力学、工程学的基本原理。但必须注意，数学、力学和工程学的计算结果只能在符合经验和常识的基础上，才能发挥其重要作用。事故再现的重要依据是事故现场上的各种证物。有时事故分析专家并不能出席现场。因此，事故现场的取证就是一件非常细致而重要的工作。交通事故物证主要分为事故附着物、事故散落物和事故痕迹三类。事故附着物，是指附着在事故车辆、人体及其他物体表面，且能证明事故真实情况的物质，如油漆、油脂、塑料、橡胶、毛发、纤维、血迹、人体组织等。事故散落物，是指散落在交通事故现场能证明事故真实情况的物质。如损坏脱落的车辆零部件、玻璃碎片、油漆碎片及车辆装载物等。事故痕迹，是指在事故车辆、人体、现场路面及其他物体表面形成的印迹，如撞击痕迹、刮擦痕迹等。事故再现的基本目的在于研究一个具体事故的特殊性，从空间和时间上确定事故每个阶段的过程，并对其进行分析和评价。为了对事故运动过程进行再现，需要关于位移和地点（如接触点、受力方向、碰撞后的分离方向）、速度（如车辆开始速度和碰撞速度）以及时间（如反应时间）等的数据。因此事故再现的任务是尽可能清楚的描述事故的运动学过程。汽车与行人碰撞事故再现规律的应用基础是痕迹，特别是下述痕迹：●事故车辆的静止位置；●碰撞地点位置；２４第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础?被撞行人的静止位置；●制动印迹；◆挫痕位置、大小和形状；●汽车的损坏情况；?汽车上的擦痕的位置、大小和形状；●路面状况；?路面摩擦力（或滚动阻力、附着系数）；?受伤分布图；?行人的受伤种类；?衣服的损坏和衣着痕迹；?痕迹的不规则性等。在汽车碰撞行人的交通事故中，被害者需要急救，并要求尽快地恢复交通，现场勘测有一定的困难。所以，交通警察会在现场证物没有被破坏、见证人没有离开之间尽早地进行勘测。特别是应注意碰撞接触地点的确认，这个问题对行人事故尚是难以解决的问题并容易被忽略或遗漏。３．２汽车与行人碰撞事故再现的主要方法３．２．１实车碰撞实验国外从很早以前就开始应用实车碰撞实验这一方法来进行事故再现的研究。国内起步较晚，但现在也有较广泛的应用。汽车与行人碰撞实验需要用到的是实验车和模拟人（标准假人）。模拟人是汽车碰撞实验最基本的用具。模拟人最初用于飞机座椅弹出试验，１９６０年美国开发了汽车碰撞试验模拟假人ＶＩＰ。美国汽车工程师协会标准ＳＡＥ对５０ｔｈ模拟假人（即第５０百分位的假人一按统计，美国５０％男子的体重和座高等体格参数比该假人低）的尺寸、重量、弹簧常数等进行了规定。用于撞车实验的模拟假人所要求的性能如下：（１）尺寸、重量分布、关节的活动、胸部等各部分在受载荷时的变形特征应与人体很相似；（２）应能对人体相对应的各部分的加速度、负荷等参量进行测定；（３）个体间的差异小，反复再现性好，并且具有优良的耐久性。模拟人大多采用金属与塑料制作，其胸腔是钢制的，肩胛骨是铝制的，盆骨是塑料的。模拟人不仅具有和真人一样的外形和内脏，还有复杂的脊柱、肋骨和合成肌肉。在模拟人的身体上，遍布着各种各样的传感器，最多可以为１８０多个信道提供数据，并以每秒２０００次的速度刷新数据。第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础２５应用模拟人与实车进行碰撞实验，可以得到最接近于事实的数据，准确的再现事故发生过程。３．２．２计算机虚拟仿真相比实车碰撞实验，更为经济、高效的方法则是计算机虚拟仿真，通过建立计算机仿真模型来分析再现事故。事故再现模型主要根据交通事故现场所遗留的种种迹证（如：碰撞后车辆位移、滑行角度、损毁程度、刹车痕长度、路面特性、车辆特性等），运用弹塑性力学和运动学等相关理论对事故发生过程进行理论推演与印证。前者以碰撞前的动量总和与碰撞后的动量总和相等为基础，在车辆的重量为已知的情况下，考虑其行驶方向与碰撞后相关位置，借以推导碰撞前后车速的变化及碰撞角度；后者根据事故发生后车辆位移、损毁程度、碰撞后落差与位能的变化，导出碰撞前、后车速的变化及碰撞角度。针对车辆碰撞过程进行分析，人们利用动量冲量、能量、动力学和实体的弹塑性质等理论建立了许多具有代表性的模型，以其为基础的著名事故再现软件系统有ＣＲＡＳＨ、ＳＭＡＣ、ＰＣ－ＣＲＡＳＨ等。由于这些模型要适用于多种典型的碰撞类型，具有普遍的意义，因此称这种建模方法为统一模型方法。统一模型方法大都由直接描述碰撞阶段特性的特征参数出发，建立联立方程，这些参数包括碰撞中心、接触面的摩擦系数、恢复系数和车辆变形特性等。如动力学方法使用车辆之间的挤压特性，能量方法使用碰撞阶段车辆的变形与刚度值，动量冲量方法使用接触面的回弹系数或摩擦系数以及碰撞中心的位置。这些特征参数描述了特定碰撞阶段的实质及作用效果，反映速度变化，是碰撞阶段最直接的属性。碰撞中心表示碰撞阶段等效力的作用位置，回弹系数与摩擦系数表示接触面法向与切向的相互作用，汽车变形特性则表示接触面的力与变形关系。碰撞阶段不同，这些参数的取值就不同，而且差别较大。为了更加准确地再现交通事故，需要事故分析人员合理选取这些参数特征值。国外做了大量的实车碰撞试验，这些试验数据可以辅助事故分析人员确定这些参数的取值。如针对ＣＲＡＳＨ中需要确定变形刚度Ａ、Ｂ，ＳＭＡＣ中需要确定刚度ＫＶ，ＮＨＴＳＡ（美国道路交通安全管理局）提供了相应的试验数据值；动量冲量方法需要确定回弹系数的值，ＪＡＲＩ（日本汽车研究所）也为此做出了大量的试验，结果供研究参考。各种碰撞模型一直在不断地改进和完善，基于各种先进理论方法的新模型取代旧模型，促进了事故再现技术的发展。国内也正在兴起探索对车辆碰撞事故模型的研究。比如西安公路交通大学与日本汽车研究所合作开发了车对车碰撞事故

２６第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础再现计算机模拟系统，并在此基础上研究了含第二次碰撞的计算模型；针对国内实车碰撞试验数据很少的实际情况，清华大学汽车研究所研制出ＣＭ（ＣｌａｓｓｉｆｉｅｄＭｅｔｈｏｄ）事故再现模型，采用人工智能技术根据特定事故形态的特点建立具体模型。欧美、日本等许多发达国家对于交通安全的研究相当重视，不论是道路设计品质的提升，或是汽车设计、制造水准都有长足的进步。对于道路交通事故的预防或事故后的事故现场再现与原因分析，也都投注相当的人力与经费，致力于交通安全的改善研究。在国外常见事故再现模型中，通常采用碰撞模型与轨迹模拟模型来说明车辆碰撞前后的行为，也就是通常所说的“正推法＂（也叫模拟法，即根据碰撞损坏假定碰撞前车辆的速度，通过碰撞计算得到碰撞后速度，由此速度模拟碰撞后车辆的滑转过程）。在电子计算机问世后，由于其对庞大复杂资料处理的优势能力，使得许多国家都将自己的事故再现模型付诸应用，开发了相应的事故再现软件。当前，国际上用于事故再现分析的计算机软件逐渐发展并趋于完善，主要集中在欧美和日本等发达国家ｍ１。美国于７０年代开始应用计算机辅助进行交通事故分析，相应的软件有ＳＭＡＣ、ＣＲＡＳＨ、ＥＤＣＲＡＳＨ和ＥＤＳＭＡＣ等，其中ＳＭＡＣ软件是模拟类软件的代表，主要使用牛顿第二定律的数值积分进行求解，ＣＲＡＳＨ软件则采用碰撞前后的能量守恒和平移动量守恒求解碰撞过程；奥地利的刑事研究所（ＩＦＲ）的Ｈ．Ｓｔｅｆｆａｎ博士依据车辆运动行为、碰撞行为，结合电脑绘图（Ｐｃ－Ｓｋｅｔｃｈ），图像导入（Ｐｃ—Ｒｅｃｔ）软件，开发了ＰＣ—Ｃｒａｓｈ软件，是用于典型交通事故的模拟系统，近年来还在不断将其完善，将多刚体系统动力学软件ＭＡＤＹＭＯ的人体模型引入车撞行人等事故情形的分析中；法国ＩＮＲＥＴＳ研制了ＡＮＡＣ，除微机版本外，还开发了增强型的工作站版本，使用１２～１４自由度的多体系统车辆模型，后处理中实现了数字图像动画仿真；日本ＪＡＲＩ还推出了Ｊ２ＤＡＣＳ软件等。此外，９０年代由Ｄ．Ｄａｙ研制的ｌＩＶＥ仿真软件（Ｈｕｍａｎ－Ｖｅｈｉｃｌｅ—Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ），为一综合性的实用化仿真软件。它以人、车辆及其环境组成的闭环系统为基本模型，其中以对人和车辆的仿真为主，辅以虚拟环境，可以建立三维物理、直观的人、车和环境模型，并能仿真三者之间可能发生的相互作用。该软件主要用于实现人体和车辆的动力学仿真、了解驾驶员驾驶过程、分析高速公路安全性、事故再现和虚拟样车设计等方面的功能。近年来该软件在事故再现方面的应用案例日益增多。各种软件由于使用模型的差异，其相应的理论基础、适用领域和基本功能也各具特色。将上述各种软件相互集成而结合使用，发挥各自的优势，是目前事故再现计算机仿真软件应用的一大特点。比如，ＨｅｒｍａｎｎＳｔｅｆｆａｎ等人将ＰＣ－Ｃｒａｓｈ和ＭＡＤＹＭＯ集成，利用前者的汽车、环境模型和后者的人体模型，实现了对交通事故第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础２７中行人运动情况的仿真。表３．１国外常见事故再现软件功能比较功能＼模式空间维度问题形态求解方式模拟车数电脑计算时间资料输入难度轨迹模型有无转向控制刹车控制牵引控制胎压模型摩擦限制图形输出轨迹参数图示碰撞模型有无共同速度点碰撞前旋转碰撞时胎压多次碰撞侧击形态碰撞碰撞描述方法碰撞点数乘客轨迹碰撞能量输出△Ｖ输出车辆模型ＣＩ认ＳＨ３２ＥＳＳ－Ａｌ珈２ＩＭＰＡＣ２ＳＭＡＣ２ＨＶＯＳＭ２ＰＣ—ＣＲＡＳＨ３终值问题冲量问题２终值问题冲量问题２初值问题冲量问题２初值问题时间步骤２初值问题时间步骤１时间步骤４中等中等有无无无表格化图形无无有有无无无无输入最多６无有有无短低无短低无长高有有有有ＣＳ很长很高有有有有ＣＳ极短交谈式有有有有圆形无无有ＤＴＰＬＯＴ椭圆形有无无有有无有有无无有无分区有有有无有有有无有有有有产生最多１００无有有无无有很多无无有有有有有有有有有有有有有无有有无Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ有有有无ＰＬＯＴＴＫ无有有注：①“ＣＳ”表示Ｃｏｒｎｅｒｉｎｇ②“ＤＴＰＬＯＴ”和“ＰＬＯＴＴＫ”蜊ＥＣｏｌｌｉｓｉｏｎ出，“ＰＬＯＴＴＫ”还有乘客轨迹。Ｍｏｄｅｌ，“一”表示不适用；ＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ的补充程式有图形输２８第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础随着计算机技术的提高，各种事故再现软件的版本不断更新，功能日益增强，极大地推进了事故再现技术的应用和推广。常见的一些软件的详细功能区别比较如表３．１所示。从比较表可以看出来，综合众多软件的优缺点，ＰＣ—Ｃｒａｓｈ在模拟碰撞事故再现中占有一定的优势，所以本文选择用ＰＣ－Ｃｒａｓｈ来模拟人车碰撞事故再现。３．３汽车与行人碰撞事故再现的力学基础在各类交通事故中，碰撞事故约占了９０％，可见其普遍性。行驶的车辆发生碰撞，行人被车撞开后的运动轨迹等，都离不开力的作用，因此在分析事故再现时，需要运用大量的力学知识。３．３．１车辆及行人与路面间的摩擦两物体间的摩擦按运动形式的不同可以分成以下三种：（１）滑动摩擦，两物体做相对滑动时，接触面之间存在的摩擦；（２）滚动摩擦，两物体做相对滚动时，接触面之间存在的摩擦；（３）静摩擦，两物体之间只有相对运动趋势，而未出现相对运动时，接触面之间存在的摩擦；车轮与路面间的滑动摩擦系数在道路交通部门称为附着系数矽，表示路面对附在其上的轮胎所能提供的抵抗滑动的能力。不仅如此，与通用的摩擦系数∥相比，附着系数由两个特殊性：（１）附着系数矽与车轮的滑动率ｓ有关。如图３．１所示，车轮沿支撑面作纯滚动时，其轮心Ｃ的速度ｖ与车轮的角速度缈有如下关系：’，＝，．缈（３．１）在车轮被制动过程中，轮胎与路面间又滚又滑，滑动部分所占的比率称为滑动率Ｓ，它等于Ｊ＝一Ｊ：—Ｖ－－—ｒＯ）ＶＩｆ３．２１Ｉ、７纯滚动时，将（３．１）式代入（３．２）式得ｓ＝０；纯滑动时，缈＝０得Ｓ＝１＝１００％；又滚又滑时，０＜ｓ＜１。根据实验测试结果，路面的附着系数矽与滑动率ｓ的关系如图３．２所示。开始制动前，车轮作纯滚动，附着系数唬＝厂（滚动阻力系数ｆ）。开始制动后，随着滑动率的增加，附着系数迅速增加：在滑动率５＝２０％附近，附着系数达到最大的峰值唬；此后随着滑动率的增加，附着系数反而减少，直到ｓ＝１００％，第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础２９车轮被完全抱死而出现纯滚动，此时的滑动附着系数织也就是普通意义上的动滑动摩擦系数∥’。厂艿Ｊ，聱、ｌｒ７ｌ，ｌ弋霉／一ｈ留？／Ｃｌｊｆ～—／譬Ｊ‘’图３．１车轮滑动率１．Ｏ０．８熏０．６ｏ．２蜘茁。．４０２０４０６０８０１００滑动率ｓ（Ｉ）图３．２附着系数与滑动率的关系从图中可以看出，滑动率ｓ较低时的峰值附着系数矽。比车轮被完全抱死时的破要大出２０％左后，因此最佳的制动方案是不要把车轮完全抱死，才能达到最大的制动效果，这就是现在的汽车普遍装上防抱死装置ＡＢＳ的主要原因。附着系数的大小对仿真事故再现起到了重要的作用，直接影响了汽车的制动距离的大小，在勘测现场时，应该先对路面情况做详细分析，得到附着系数的准确值，以免再现时引起过大的误差。各种路面的平均附着系数可参考表３．２。３０第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础表３．２各种路面的平均附着系数路面种类沥青或混凝土（干）沥青（湿）混凝土（湿）砾石土面路（干）土路（湿）雪（压紧）冰峰值附着系数丸０．８～Ｏ．９０．５～０．７０．８０．６Ｏ．６８０．５５Ｏ．２０．１滑动附着系数织Ｏ．７５０．４５＂－一０．６Ｏ．７Ｏ．５５０．６５０．４＂－－０．５０．１５Ｏ．０７（２）附着系数与滑动的速度有关。随着车轮滑动速度ｖ的增加，路面附着系数逐渐减小。在开始的ｖ＜５０（ｂｎ／ｈ１阶段，≯减小比较明显，１，＞５０（ｋｍ／ｈ）之后才比较缓和。表３．３正是分这两个阶段并根据路面干，湿不同分别列出滑动附着系数的参考值。本表滑动附着系数与表３－２中的东涵义完全相同，前者取其平均值，后者给出一定范围，具体计算时，应结合事故现场实际情况进行选取。表３．３滑动附着系数路面状况ｖ＜５０ｋｍ／ｈ干燥ｖ＞５０ｋｍ／ｈ０．７０＂－－－＂１．０００．６０＂－－０．７５湿润ｖ＜５０ｋｍ／ｈ０．５０－－－０．８００．４５＂－－０．７００．４５＂－－０．６５ｖ＞５０ｋｍ／ｈ０．４０＂－－０．７５０．４５－－－＇０．６５０．４５＂－－－０．６００．４５－＇－＇０．７５０．４０－－－０．６５新铺带尖边水泥使用磨耗已磨光沥青或焦油新铺带尖边使用磨耗已磨光油量过大砂砾密实、灌油松散炉渣石料冰雪密实压碎平滑密实松散０．８０～１．２０Ｏ．６０～０．８０Ｏ．５５～Ｏ．７５０．８０－－－＂１．２００．６０－－－＇０．８０Ｏ．５０～Ｏ．６５０．６５～１．０００．５５～Ｏ．７００．４５＂－－０．６５Ｏ．５０～０．８００．４５～０．７００．４５＂－－０．６５０．５５～０．７５０．５０～Ｏ．６００．５５～０．８５０．４０～Ｏ．７００．５０～Ｏ．７０Ｏ．５５～Ｏ．７５０．１０～０．２５０．３０＂－－＇０．５５０．４０～Ｏ．６００．２５～Ｏ．５５０．４０＂－－０．６０Ｏ．３５～Ｏ．６００．５０～０．８００．４０＂－－０．７０Ｏ．３０～Ｏ．６００．４０＂－－－０．８００．４５＂－－＇０．７５０．４５～０．７５０．６５＂－０．７５Ｏ．５０～０．７００．６５～０．７０Ｏ．５５～０．７５０．０５＂－＇０．１０Ｏ．５５～Ｏ．７５Ｏ．０７～０．２００．５５～Ｏ．７５０．０５～０．１００．３０～Ｏ．６０Ｏ．３０～０．６０Ｏ．３５～Ｏ．５５０．１０～Ｏ．２００．３０～０．６００．３０＂－－＇０．６０Ｏ．１０～０．２５

第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础３ｌ行人与地面间的滑动摩擦系数如图３．３所示。摩擦系数路面构造０．２沥青铺装路面混凝土铺装路面水泥砖铺路面铺石路粘土路面沙地（海岸、干燥）沙地（海岸、湿润）碎石路面修整过的草坪未修整过的草坪较鬲晌覃丛较低的草丛旱田图３．３行人与不同路面间摩擦系数关系图（图中黑圈为男性，体重７１ｋｇ，白圈为女性，体重４４ｋｇ）０．３０．４ｏ●０ｏ●‘）ｏ●＜）●ｏ●‘●ｏ●ｏ●●●Ｏｏｏ）０．５●０．６●●３．３．２抛物运动理论在汽车与行人碰撞事故中，行人被汽车撞击后以一定抛射角度抛起，以略等于汽车碰撞速度的抛射速度飞行，然后落到地面与地面发生接触碰撞。这个过程若将行人看成是一个质点，则质点做的是抛物运动，可利用质点系普遍定理进行求解。行人实际的抛距（从抛点至静止点间的距离）与经典抛物运动方程计算的抛距结果相差悬殊。原因在于汽车与行人碰撞事故中，当车速较高时，行人在第一次撞击地面后，仍在向前继续运动，见图３．４。研究抛物运动过程时，可将行人看做碰撞事故过程中的散落物，散落物包括行人，行人身上所掉出的东西，玻璃碎片，汽车零部件等。这种运动过程分为弹跳、滚动和滑动。它们互相衔接，形成运动轨迹为不连续的抛物链。这三种运动互相同时伴随或先后出现，并且造成散落物运动过程的很大差别。嚣图３．４抛物运动机理示意图３２第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础３．３．２．１物体的抛射运动物体抛出到第一次落地是经典抛物运动，设抛出高度为Ｈ，碰撞速度为ｎ，则这种自由抛出飞行可以通过水平距离ｘ和垂直距离Ｙ两个分量描述，即：ｘ＝ｖ。ｔ（３．３）Ｙ＝日一去∥２＾ｕ（３．４）、，Ｊ乙当物体落地时，即ｙ＝０，ｆ＝岛，Ｎｘ＝／；ｏ，有日＝妻簖（３．５）ｂ。近厨（３．６）代入含有Ｘ变量的式子，可得物体从抛出到第一次落地的抛距为厶＝（３．７）ｋ＝屹‰詹（３．８）３．３．２．２滚动和滑动运动口—◆滑动图３．６滚动运动模式为了简化和方便讨论，引进一个转动质量换算系数，将转动分量折算成平移质量，把物体的整个滚动和滑动运动过程用一个它们的合运动替代，即：ｍ８－安７＝ｍｇｆｍＯ＝ｍｅ７（３一．９）ｆ．９ｌ、，式中，ｍ是散落物的质量；艿是转动质量换算系数，艿＞ｔｌ；ｆ是散落物与地面的摩擦系数。两边同乘以ｄＬ，则第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础３３万咖譬：舭讲。（３．１０）、肌吾础固（３－１１）对式（３．１１）积分，可求得整个过程中滑动和滚动的距离分量‰为：‰＝专访函数，即：（３．１２）式中ｖ０是第一次落地前瞬间物体的合速度。它是被抛出时的速度和离地面高度的访＝Ｋ２＋２９日式中，Ｈ是抛出高度，ｖｃ是碰撞速度。３．３．２．３禅斟Ｉｊ云动（３．１３）、．ｌｆ７码图３．７弹跳运动不意图下面研究物体第一次撞击地面后弹跳过程运动规律，见图３．７。设抛物体与路面的碰撞为弹塑性碰撞，定义碰撞后速度与碰撞前的速度之比为速度损失系数工或为反弹系数，即工＝上哆一１（３．１４）式中■和ｖｆ一，分别是第ｉ次碰撞地面前后物体的合速度。定义物体与路面碰撞后合速度与路面垂线的夹角（反射角）和碰撞前合速度与路面垂线的夹角之比为角度损失系数厶，即：３４第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础五＝旦“』一１（３．１５）式中嘭和ｑ一。分别是物体与路面碰撞后合速度与路面垂线的夹角（反射角）和碰撞前合速度与路面垂线的夹角。下面介绍物体从第一次弹跳到第ｎ次弹跳的过程。第一次弹跳：Ｍ＝ＺＶｏ呸＝厶％厂：盟伤（３．１６）（３．１７）（３．１８）．，ｖ驴茁毛＝ｖｔｓｉｎａ＿Ｉｒ％（３．１９）（３．２０）（３．２１）Ｙｌ＝ｖｔＣＯＳａｌ一ｉ１∥２式中，ｖ１是第一次弹起时物体的合速度，ｑ是第一次弹起的弹起角（反射角），即第二次弹起的入射角；工是反弹系数；五是角度损失系数。当Ｍ＝０时，即第一次弹跳结束，水平飞行距离厶＝而。物体第一次弹跳所经过的水平路程厶为厶：华ｓｔ．（２Ｌ％）ｇ（３．２２）第二次弹跳：ｖ２＝肌＝∥Ｖｏ％＝五％＝以２％ｘ２＝Ｖ２ｔｓｉｎａ２（３．２３）（３．２４）（３．２５）（３．２６）Ｙ２＝ｖ２ｔＣＯｓ％一要ｆ２第二次弹跳结束时，Ｙ２－－０，厶＝Ｘ２（儿＝０），整理上式得第二次弹跳水平距离岛为第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础３５厶２可硐ｆ：２第ｎ次弹跳：（３．２７）～ｎ＝１：～ａａ＂ｎ＝ｆ：仅ｂ毛＝ｖ。ｔｓｍ％（３．２８）（３．２９）（３．３０）（３．３１）Ｙｎ＝ｖｎｔｃｏｓｃｔｎ一６－－，．ｔ２当以＝０时，厶＝吒（儿叫，由上式整理可得，第ｎ次弹跳距离厶为厶：盥ｓｉｎ（２刀６ｔｏ）ｇ（３．３２）将厶～厶相加，可求得ｎ次弹跳所经过的路程之和ｋ为ｋ＝喜厶＝善喜［∥”ｓ洫（２以％）］下式：（３．３３）以上分析了物体从抛出后到停止的模型。物体抛出后经历修正抛物、弹跳、滑动与滚动，最后停止几个阶段。于是我们将抛物体抛出后所经过的路程合成如岛＝ｋ＋厶＋ｋ（３．３４）同时，由于地面摩擦、入射角及冲量等不同因素的影响，物体的运动具有复杂性。因此将物体简化为质点不能精确描述物体的运动机理。在刚体接触系统的冲击和接触计算中，冲击导致速度值的跳跃。冲击计算中需要确定接触力产生冲量，持续接触过程中，接触力可以被确定。同时必须区分冲击和持续接触这两种不同的状态，两者的计算都涉及线性互补的求解。运用刚体接触理论，许多动力学过程能够有效和可靠的模拟。在实际的汽车与行人碰撞事故中，汽车的几何形状与碰撞速度、行人与汽车的接触位置等等因素都决定了行人的抛射轨迹，所以对行人抛距的分析是一个复杂的过程，以抛物运动理论和刚体运动学理论为基础，运用ＰＣ—Ｃｒａｓｈ软件仿真分析，是一个可行的方法。３．３．３刚体运动学理论在道路交通事故再现仿真软件ＰＣ—Ｃｒａｓｈ中，采用的是多刚体行人模型，行人

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