（载运工具运用工程专业论文）道路交通事故车速鉴定分析方法研究.pdf

摘要 目前我团道路交通事故中的道路现场勘查、事故分析，主要依靠传统的人 _ t 方法进行，勘查和分析结果缺乏针对性和准确性。本文依托实际的道路交通 事故鉴定工作，对传统的事故车速分析方法、基于计算机技术的车速分析方法 以及道路现场勘查与事故分析的衔接方法都进行了深入系统地研究和探讨，对 科学分析事故成因、准确认定事故责任以及公正地进行事故处理有着非常重要 的现实意义和社会、经济价值。 本研究首先针对传统的交通事故车速分析方法进行了研究和分析，然后对 摹于现代计算机技术的事故分析计算方法进行了研究。其次，依托长安大学交 通安全课题组自主开发的“交通事故分析与再现系统”，提出了基于“交通事故 分析处理系统”的道路现场奄勘和数据记录方法，在此基础上，对道路交通事 故分析处理系统的应用模式和方法进行，研究分析。 关键词：道路交通事故；事故再现；分析；再现 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t r a f f i ca c c i d e n t si n v e s t i g a t i o no fs c e b ea n dc r a s ha n a l y s i sm a i n l y r e l yo i lt h et r a d i t i o n a la r t i f i c i a lm e t h o d st h e s er e s u l t sa r en o tu s u a l l ya i m e da ta n d l a c k a c c u r a c y t h i s p a p e rd e e p l yr e s e a r c h e st h e t r a d i t i o n a la n dt h e c o m p u t e r t e c t m o l o g ya n a l y t i c a lm e t h o d so fc r a s hs p e e dd e p e n d i n go nt h er e a lr o a dt r a f f i c a c c i d e n t ss u r v e ya n dt h i sp a p e ra p p r o a c h e st h ei n t e r f a c em e t h o d sb e t w e e nt h es c e n e s u r v e ya n dt h ea c c i d e n t sa n a l y s i s i th a sv e r yi m p o r t a n tr e a l i s t i c s o c i a lm e a n i n ga n d e c o n o m i cw o r t ht h a t a n a l y z i n gt h ea c c i d e n t c a u s e s s c i e n t i f i c a l l y , a s s e r 【i n g r e s p o n s i b i l i t ya c c u r a t e l ya n dd e a l i n gw i t hj u s t l y i nt h i sp a p e r , i tr e s e a r c h e sa n da n a l y z e st h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fc r a s hs p e e d 7 f h e ni tr e s e a r c h e st h ea l g o r i t h mo ft h ea c c i d e n t sa n a l y s i sb a s e do nt h ec o m p u t e r t e c h n o l o g yr e l y i n g o nt h e “t r a l l q c a c c i d e n t a n a l y s i ss y s t e m o ft h ec r a s h r e c o n s t r u c t i o n ”d e v e l o p e db yt h et r a f f i cs a f e t yr e s e a r c hg r o u po f u n i v e r s i t yo f c h a n g a n ，i tp u t sf o r w a r dt h em e t h o d so f s c e n es u r v e ya n dd a t ar e c o r d o nt h i sb a s i s ，i th a s r e s e a r c h e da n da n a l y z e dt h ea p p l i c a t i o nm o d ea n dm e t h o d so ft h e t r a f f i ca c c i d e n t a n a l v s i ss v s t e n lo f t h ec r a s hr e c o n s t r u c t i o n 一 k e y w o r d s ：r o a dt r a f f i ca c c i d e n t s ，a c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n ，a n a l y s i s ， r e c o n s t r u c t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 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。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：嗜劭乃；洳许，月，。日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作晶，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为艮安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名 沙年，月r 。日 沙f 年，月，日 、r 棚 磊协忉貔 1 1 问题的提出 第一章绪论 交通事故是全球人类的第十大死亡原因，据统计，每年全世界约有1 2 0 万人 死于道路交通事故，造成经济损失达5 1 8 0 亿美元，道路交通事故造成的经济损失 占到一些国家国民生产总值的1 一2 。随着我国国民经济的迅速发展，公路建 设方兴未艾，汽车保有量大幅度增长。道路交通运输的繁荣也带来了交通事故数 量上升、道路交通事故生命财产损失加剧等负面影响，交通事故己成为一个严重 的社会问题。我国道路交通事故死亡人数1 9 9 9 年是8 4 万人，2 0 0 0 年9 2 万人， 2 0 0 1 年1 0 4 万人，2 0 0 2 年1 0 9 万人，2 0 0 3 年1 0 5 万人，2 0 0 4 年达到1 0 7 万人， 如图1 一l 所示。道路交通事故的频繁发生给国家和人民造成巨大的经济财产损失 和人员伤亡，也给伤亡人员家属造成了永久的精神痛苦，以及与之相关的民事或 法律纠纷等社会问题，成为社会不安定的因素。从总体看，我国道路交通事故仍 然处于上升状态，道路交通安全形势依然十分严峻。切实维护道路交通秩序，保 障道路交通安全，直接关系到我国的经济发展和人民群众的生命财产安全是一项 至关重要的工作。与此同时，我国法制化进程不断加快，对交通事故的处理也要 求更加客观、准确；为道路交通事故的整个处理过程提出了进一步的要求。 糕 _ 燃 i 蒸 溱 _ _ 瑟荔 _ 溺 溅 ；鬟 图交通事故死亡人数c f i 目目一簟蠹鞭 戮 麓 “ 萋嚣 黧委飘 霹 一 _ 籀 _ 鬻 缀 囊嚣 l 鬻 *， 溺 灏 纛 黧翥 。 嬲釜 黪 _ 一一 搿 _ 夔； i 豢 誉i 嚣羹 薹黧 _ i 骥 鬻嚣 _ l 黧 鬻i 。 ； 一心 t 瓣渊i 篓鬻 攀m 一，一 _ 嚣 鬃 援露 _ i 瓣 葶羹； | | 萋i i 飘 黧薹 i 鬻 i 鬻 一x i 、 戮 _ 雩 藏_ ； 么 麟 函 _ 一 鬟j 豳鞠 国i ? 盈 图j 一1 交通事故死亡人数统计 以云南省为例，云南省地形多样、复杂，公路运输在整个省内运输体系中占 有主导地位。全省9 3 的运输靠公路运输，到2 0 0 4 年底，全省公路总里程1 6 万 余公里，居全国第一位。随着经济的发展，云南省的道路交通量与参与道路交通 的人数迅速增加，道路交通事故的数量迅速上升，以云南省2 0 0 4 年为例，全年共 发生交通事故1 9 8 1 5 次，死亡人数2 9 8 4 人，受伤人数1 0 1 8 2 ，直接经济损失1 0 7 3 9 8 万元，与上年相比事故数、伤亡人数、经济损失均有不同程度的增长，造成巨大 的人员、财产损失；此外，重特大事故时有发生，给交通管理部门处理交通事故 带来了很大压力：与以往不同，随着汽车保有量的不断增大，交通环境也在随之 迅速恶化，许多道路的通行能力已经不能满足道路的通行需要，一旦交通事故发 生在这些路段上，交通管理部门受技术和制度上的制约使得反应和处理速度相对 滞后，情况有时往往会恶化，造成严重的交通阻塞，带来巨大的经济损失，因此 在现有条件下，通过一些技术上的改造，尽可能加快事故反应速度，也是防止因 交通事故造成的交通阻塞所面临的一个重要课题。 道路交通安全法颁布实施后交通事故处理模式也发生了一些新的变化。首 先，道路交通安全法对交通事故的定义是：“车辆在道路上因过失或者意外造成 人身伤亡或财产损失的事件”，该定义扩大了交通事故的范围，交通事故由过失造成 的扩大到包括意外造成的。其次新的道路交通安全法对交管部门的法定职责进 行了新的规定，由“责任认定”改为“成因分析”，事故成因是指当事人的违法行为 与交通事故之间的因果关系，以及违法行为与交通事故之间的因果关系，以及违法 行为在交通事故中的作用。成因分析的原则是客观事实，充分发挥科学技术的作用， 正确引用有关的法律、法规。新法规的引入也要求道路交通事故处理的方式、方法 进行改革和创新。 交通事故发生后，从立案到作出事故处理报告，包括了交通事故处理的全部过 程。这一过程如图1 2 所示。根据相关公安交通管理部门对交通事故的统计，交通 事故的主要形态有正面碰撞、侧面碰撞、尾随碰撞、对向挂擦、同向挂擦、碾压、 翻车、坠车、失火、撞固定物、二次碰撞、撞静止车辆以及其它形式。根据公安交 通管理部门的统计表明，在交通事故中车辆间的事故约占整个交通事故总数的8 0 以上，要准确分析处理这些交通事故，正确分析事故发生和发展的过程成为其中的 关键，事故分析鉴定的核心就是对车辆在肇事前的车速和运动方式的分析。 图1 2 我国现行交通事故处理的一般流程 1 2 研究道路交通事故分析与再现技术的必要性和目的 道路交通事故分析与再现是以道路交通事故现场肇事车辆损坏的情况、停止 状态、人员伤害情况和各种形式的痕迹为依据，参考当事人和目击证人的陈述， 对事故发生时的状态进行定量计算或对事故全部经过做出模拟描述的过程。道路 交通事故分析与再现是科学判别事故原因的重要手段，也是进行事故责任认定和 事故善后处理的主要依据之一。目前，我国各级公安交通管理部门在道路交通事 故处理中，大多是依据事故现场肇事车辆的轮胎痕迹、当事人各方及目击者的陈 述、以及简单的近似计算等来确定事故发生前当事各方的运动状态和事故发生经 过，并绘制成事故现场图。用这类方式进行道路交通事故的状态判别具有一定的 局限性、随意性和盲目性。特别是对当事人及有关目击者的陈述，必须还要经过 科学验证才能考虑取舍。因为在这种情况下，或者是因为事故发生过程太快，当 事人本身就说不清楚，或者是当事人为了为自己开脱责任，故意避重就轻，扭曲 事实，尤其是另一方当事人死亡( 死无对证) 的情况下则更为严重。 在交通事故处理过程中，能否真实判定当事各方事故发生前和发生瞬间的运 动状态( 路线、位置、速度) ，以及正确( 合理) 描述事故过程中当事各方的瞬态 运动位置，不仅关系到能否科学地分析事故成因、公正地处理交通事故、给事故 肇事者以相应处罚的重大责任问题，而且也关系到维护交通执法人员的权威性、 维护党和政府在群众中的威信的问题。随着社会的发展和交通管理法制化的不断 推进，社会对交通事故责任鉴定的科学性、准确性以及公正性提出了更高的要求。 道路交通事故计算机辅助分析与再现系统的运用己成为一种迫切需要。 道路交通事故计算机辅助分析与再现系统的技术基础是建立适用性强、约束 条件易于确定、有一定计算精度的汽车运动与碰撞模型。在此基础上，进行适当 的外延，建立开发能够准确判定事故状态和形象再现事故发生全过程的计算机辅 助分析与再现系统。通过对系统的开发应用，可以达到科学分析事故成因、准确 认定事故责任以及公正地进行事故处理的目的，有着非常重要的现实意义和社会、 经济价值。 13 国内外的研究现状 车辆碰撞的事故再现是在事故发生后，由车辆的最终位置开始，运用按相关 理论方法、实验数据以及专家经验建立的运动学和动力学模型反向推算，即：碰 撞后阶段、碰撞阶段、碰撞前阶段，使整个事故过程的实际情况在时间和空间上 得以重现。将事故再现的模型与方法、理论与技术研究的各方面进行归纳综合。 交通事故分析与再现技术是综合性的边缘科学技术，与工程力学、汽车动力 学、汽车理论、交通工程学、计算机技术等学科密切相关。同时，事故分析与再 现又离不开丰富的事故现场处理经验，因为道路交通事故的具体形态是千变万化 的，每一起事故发尘后的运动特征将取决于事故车辆的碰撞部位、车辆型号、质 量分布、车体结构、碰撞前的行驶路线以及碰撞瞬间的速度等一系列因素。但由 于碰撞发生和结束的时间极短，所以，事故分析与再现主要是依据遗留在事故现 场的证据而展开的。对道路交通事故进行分析与再现，通常是根据运动力学原理， 如牛顿定律、动量和动量矩守恒定理、能量守恒原理、多体动力学等为理论基础， 建立多组物理和数学模型，以定量描述事故过程中诸元素的相对运动及相互状态 的内在联系。同时，通过在事故现场中采集的各种物理参数，运用计算机对事故 中各当事方的运动状态进行判定以及模拟描述该事故的全部碰撞过程，最终可确 定事故处理中所需要的数据和资料，从而辅助交通管理人员认定事故责任。 对交通事故的计算机分析与模拟再现越来越成为社会关注的焦点。国外在2 0 世纪6 0 年代，国内在2 0 世纪8 0 年代后期，就相继开始了事故分析计算方面的研 究。美国、日本和西欧等工业发达国家是较早丌展车辆碰撞力学计算模型研究的 国家和地区，也是最早利用改进的经典碰撞模型对典型的交通事故进行计算机模 拟分析的国家和地区。在2 0 世纪7 0 年代n h t s a 就资助开发了用于典型道路事 故分析计算的大型软件s m a c 和c r a s h ，奥地利g r a z 理工大学的h e r m a n n s t e f f a n 开发了软件系统p c c r a s h ，在日本，交通事故分析计算技术已开始用于 辅助分析汽车交通事故的原因和责任。 道路交通事故计算的一般思路是：首先求解车辆在碰撞后运动阶段的瞬态运 动状态，此时主要应用经典运动学和动力学理论，建立车辆运动力学模型、车轮一 地面力学模型、轨迹叠代计算模型等，根据来自事故现场的碰撞位置和停止位置 参数，计算出碰撞后脱离接触瞬间的车辆速度和角速度；然后根据碰撞模型求解 碰撞前瞬问的车辆速度和角速度，最后根据地面痕迹计算事故车辆在发现事故倾 向前e 常行驶时的速度。车辆运动力学模型、车轮一地面力学模型、轨迹叠代计算 模型、碰撞模型等理论模型对准确地分析计算事故状态起着极其重要的作用。现 在的主流系统中，s m a c 、c r a s h 、i m p a c 、j 2 d a c s 和p c c r a s h 等都为二维 碰撞模型。而p a mc r a s h 、m a d y m 0 3 d 、c a l 3 d 、s i n r a r 和l s d y n a 3 d 等为三维碰撞模型或有限元分析模型。 有限元分析模型可以非常准确地描述车身变形，从理论上讲，应是最为科学 和完善计算模型，但是，采用限元方法进行计算时往往需要几小时乃至长达几天 的网格生成过程，同时由于有限元模拟需要事故车辆的完整结构力学参数( 不同 车型和不同使用年限车辆的结构力学参数应是不相同的) ，因此用于分析计算道路 交通事故这类大量、多形态、数据量少的对象时有点显得无从下手，而大都应用 于车身结构安全的理论分析方面，其相关软件系统也主要应用于开发汽车新车型。 事故计算的另一个重要概念是“碰撞中- t l , ”。事故车辆碰撞前、后有速度变化， 整个碰撞接触过程中车辆之间接触力的时间和空间积分等效为一个等效冲量，等 效冲量的作用点即为碰撞中心。 道路交通事故分析与再现系统的主要技术关键在于交通事故现场的信息采 集、交通事故分析计算模型和三维车身图形模型、软件的开发以及事故原因的分 析、事故责任的辅助认定等。在建立分析计算模型过程中不仅需要应用运动力学 的基本方程，还要利用碰撞现场中的有关信息，如：挤压变形、能量交换信息、 碰撞过程中恢复及旋转的影响等。随着计算机技术的高速发展，以上功能均可运 用最新的软件开发工具( 如微软最新的开发环境) 开发相应的用户界面。目前， 国外在事故分析与再现方面主要采用两种方法，一种是动力学方法，另一种是能 量( 或冲量) 分析方法。动力学方法的典型软件是s m a c ，它的基本思想是根据 挤压特性、轮胎等的经验关系和牛顿第二定律，得出微分方程，对微分方程进行 数值积分得出问题的解。s m a c 是“开放”型软件，用户指定汽车尺寸、初始速 度、挤压特性、惯量等，程序通过对方程进行数值积分，得出包含碰撞过程的汽 车运动轨迹。用户比较得出的轨迹与实际的记录轨迹，改变初始参数，重复此过 程，直到与实际记录轨迹相符为止。它不仅模拟事故碰撞过程，还可模拟碰撞前 后的运动状态。分析的方法又可分为两种，一是能量分析方法，其典型应用例是 c r a s h 软件，它的基本思想是根据汽车的挤压变形，通过变形与能量损失的经验 公式推测速度变化量v 。通过对汽车变形的测量，估计碰撞过程的动能损失。 二是冲量分析方法，主要的应用例是i m p a c 软件。这些软件自问世以来，在运用 过程中不断进行改善，功能逐渐加强，应用逐渐广泛。 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。比如长安大学开发的道路事故再现计算机模拟系统；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c m ( c l a s s i f i e dm e t h o d ) 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。 1 4 交通事故分析与再现系统的基本功能和主要技术关键 1 4 1 系统的基本功能 一个完善的道路交通事故分析与再现系统应具备以下功能 ( 1 ) 对交通事故现场信息采集：包括事故现场定位参数、现场中的各种痕 迹、碰撞起止位置、现场环境条件等； ( 2 ) 根据收集的现场数据，利用计算机进行处理：对数据的录入、修改； 自动绘制现场过程图等： ( 3 ) 根据已建立的交通事故分析计算模型及数据库，开发交通事故分析与 再现软件，在计算机上分析计算事故发生前车辆的运动状态、再现交通事故发生 的全过程( 包括最初接触位置、碰撞过程、碰撞前后的车速变化、运动轨迹等) ； ( 4 ) 必要的辅助系统，如有关交通事故的法律、法规数据库；车辆数据库； 道路及其安全设施的数据库等。 1 4 2 主要技术关键 道路交通事故分析与再现系统的主要技术关键在于交通事故现场的信息采 集、交通事故分析计算模型和三维车身图形模型、软件的开发以及事故原因的分 析、事故责任的辅助认定等。在建立分析计算模型过程中不仅需要应用运动力学 的基本方程，还要利用碰撞现场中的有关信息，如：挤压变形、能量交换信息、 碰撞过程中恢复及旋转的影响等。随着计算机技术的高速发展，以上功能均可运 用最新的软件开发工具( 如微软最新的开发环境) 开发相应的用户界面。目前， i n 夕t , 在事故分析与再现方面主要采用两种方法，一种是动力学方法，另一种是能 量( 或冲量) 分析方法。动力学方法的典型软件是s m a c ，它的基本思想是根据 挤压特性、轮胎等的经验关系和牛顿第二定律，得出微分方程，对微分方程进行 数值积分得出问题的解。s m a c 是“开放”型软件，用户指定汽车尺寸、初始速 度、挤压特性、惯量等，程序通过对方程进行数值积分，得出包含碰撞过程的汽 车运动轨迹。用户比较得出的轨迹与实际的记录轨迹，改变初始参数，重复此过 程，直到与实际记录轨迹相符为止。它不仅模拟事故碰撞过程，还可模拟碰撞前 后的运动状态。分析的方法又可分为两种，一是能量分析方法，其典型应用例是 c r a s h 软件，它的基本思想是根据汽车的挤压变形，通过变形与能量损失的经验 公式推测速度变化量v 。通过对汽车变形的测量，估计碰撞过程的动能损失。 二是冲量分析方法，主要的应用例是i m p a c 软件。这些软件自问世以来，在运用 过程中不断进行改善，功能逐渐加强，应用逐渐广泛。 1 5 小结 通过对目前的目前道路交通安全情况，以及道路交通安全分析再现技术的分 析，可知要在借鉴了国、内外先进经验的基础上，将道路交通事故中车辆的计算 模型和车轮计算模型以及碰撞模型等，与相关的计算机技术( 视觉技术、图形技 术等) 、汽车碰撞试验数据、交通事故处理的实际需求以及我国相关的法律、法规 等相结合，将道路交通事故计算机辅助分析与再现系统，在实际交通事故鉴定中 进行使用。 本文正是为了适应道路交通安全法对道路交通事故处理提出的新要求， 针对交通事故处理过程中的事故分析鉴定，利用长安大学交通安全课题组自主开 发的“交通事故分析与再现系统”，提出事故现场勘查方法和主要数据的记录方式， 在此基础上，对交通事故分析中的车速分析环节进行研究和分析。 第二章 传统的交通事故车速分析方法研究 2 1 传统交通事故分析计算理论 绝大部分的交通事故为碰撞事故，碰撞事故一般分为四个过程，如图2 1 所 示。首先是碰撞发生前事故车辆的运动以及操纵车辆驾驶员的动作。在这一过程 中，由于驾驶员的错觉、判断错误、反应迟钝、或者车辆及道路环境的异常等原 因而引起碰撞事故。 痕迹、车身擦痕、路面上的散落物) 等。 对事故的分析再现主要也就依据事故发生后事故当事双方在留下的证据一车 辆的损失情况、路面痕迹、证人证言等，对照自然规律、汽车运动特性、结构特 点、人体工程学等准确分析再现事故的过程。 所有的事故现象都一定会遵循牛顿三大定律为基础的物理定律而产生和发 展，因此在具体的事故分析中按照牛顿三大定律及汽车的运动特性作为分析的基 础，根据事故现场的具体情况对事故进行分析再现。事故分析再现的传统方法所 涉及的主要基本知识主要包括各种力学的概念、牛顿三大定律、能量守恒、动量 守恒、摩擦系数、塑性变形、汽车的运动特性、车身构造特性、人体工程学等。 如图2 2 所示。 图2 - 2 交通事故鉴定基本知识体系 在交通事故分析中的基本知识主要包括各种力学的基本概念、术语、牛顿三 大定律、能量守恒定律、摩擦系数、塑性变形等的定义。作为汽车的运动特性的 基本知识，主要包括加速、制动、转向等汽车的运动。人体工程学的基本知识主 要在于分析视觉、知觉、反应时间等。 在现行的交通事故处理体制中，交通管理部门在现场采集与事故有关的信息， 通过将信息提供给相关的技术部门进行分析计算，以便确定事故的过程，分清事 故责任。在交通管理部门提供的现场数据主要包含以下一些内容，例如：车辆信 息、装载情况、现场档位( 或自述档位) 、车辆在事故中的轮胎痕迹、车辆变形情 况、车辆在事故中的运动形态等；根据这些信息，技术部门根据情况分别选用与 本次事故相适应的方法来分析事故过程。 2 2 传统交通事故分析计算方法研究 2 1 1 使用现场痕迹分析计算车速 在传统的事故分析方法中，使用现场痕迹来分析车辆的运动是一种相对准确、 客观的方法。依据痕迹的不同，这种方法一般可以分为两种情况：一种是根据车 辆的车轮痕迹分析车速的方法，另一种是根据车辆滑倒后在路面留下的痕迹分析 车速的方法。 ( 1 ) 按照制动拖印分析计算车速： 众所周知，车辆在制动时，当制动强度达到一定程度，车轮会抱死，此时车 轮会在路面上留下制动拖印，在事故分析中，可以使用车辆在路面上留下的制动 拖印分析车辆在采取制动措施前的行驶车速。 根据牛顿第二定律及能量守恒定律，可以推得根据车辆制动拖印长度分析车 辆行驶车速的公式： v = o 5x g f + 2 g l 其中： v ：为车辆采取紧急制动时的行驶车速，m s u ：为车辆制动时路面摩擦系数 l ：为车辆制动拖印的长度，m t ：为制动器反应协调时间，s g ：为重力加速度，m s 2 按照公式，根据实际情况，分别选用不同的摩擦系数及制动器反应协调时 间，对车辆采取紧急制动时的行驶车速进行分析计算。 ( 2 ) 按照车辆滑痕分析车辆行驶车速： 在事故中，有时车辆会发生翻转并发生滑移，此时车辆会在路面上发生滑动 摩擦，并且在路面上留下痕迹。根据磨痕的长度，可以分析车辆在事故发生滑倒 时的行驶车速。 根据牛顿第二定律及能量守恒定律，可以推得根据车辆滑痕长度分析车辆行 驶车速的公式： v = 正聂面 其中： v ：为车辆滑倒时的行驶车速，m s u ：为车辆滑倒时路面摩擦系数 l ：为车辆滑痕的长度，m g ：为重力加速度，m s 2 按照公式，根据实际情况，分别选用不同的摩擦系数，对车辆滑倒时的行 驶车速进行分析计算。 21 2 使用车辆行驶工况法计算车速 有时在事故现场的查勘过程中，由于事故现场变动、气候或者查勘技术手段 的影响，事故现场往往没有留下制动拖印等一些分析车辆行驶车速的痕迹，在这 种情况下，只能根据发动机转速与汽车行驶速度之间的关系估算车辆在肇事前的 行驶车速。 根据车辆的驱动力与车速间的关系，可得： v = 0 3 7 7 等 f g f 0 一 其中： v ：为汽车行驶车速，k m h n ：发动机转速，r m i n ： r ：车轮半径，m ； ：变速器传动比； 而：主减速器传动比； 在实际计算中，根据车辆在肇事时的行驶档位，综合分析陔路段的交通状况， 选取合适的发动机转速，估算车辆在肇事时的行驶车速。但这种方法在实际运用 中存在很大的局限性，首先，其计算所依据的行驶档位具有很大的认为因素；第 二，选取的发动机转速带有极大的主观因素；第三，对于无级变速器或自动变速 器的车辆，该方法不适用。 21 3 使用车辆变形计算车速 车辆特别是轿车的车身是用钢板用焊接的方式连接在一起的物体，所以具有 易于损坏、塑性变形强的特点，而且车辆的车身结构基本相似( 指相同类型的车 辆) ，各车型间的刚性差异并不大，基本保持在一定的范围内，因此可以依据试验 所得的碰撞速度与塑性变形量之间关系，对比实际的变形情况来分析车辆在发生 碰撞时的行驶车速。 ( 1 ) 汽车塑性变形与行驶车速间关系的分析方法： 车辆在发生碰撞时，当碰撞强度达到一定程度时，车辆会发生塑性变形，此 时，可以根据车辆塑性变形的大小，对照相关车型的塑性变形量大小与碰撞车速 问关系计算车辆的碰撞车速。 依据碰撞变形量与碰撞车速间关系的公式： 上 v = 0 0 0 9 5 其中： v ：为车辆碰撞时的车速，k m h x ：为前部最大变形量为，x = m 分析计算时，根据车辆的实际变形量，折算车辆发生碰撞时的行驶车速。 ( 2 ) 摩托车塑性变形与碰撞速度间关系的分析方法 根据摩托车的结构可知，摩托车在发生前部碰撞时，塑性变形首先是从前叉 向后弯曲开始的，然后，前叉一触到发动机，此时由于发动机刚性高，不会轻易 变形，前轴就会发生塑性变形，通过试验可以确定摩托车前轴后移量( 或轴距缩 小量) 来分析碰撞速度。 依据公式： v= 1 5 s + 1 2 其中： v ：为该摩托车撞击瞬间的速度，k m h s ：该摩托车轴距的变化量，c m 分析计算时，根据实际对摩托车的轴距变形的测量值，将数据带入公式进行 分析计算。 21 4 根据车辆运动学特性分析计算车速 任何的车辆运动，都受到车辆的运动特性和构造特性的制约，存在物理的极 限。在实际交通事故中，有时事故是由于车辆以超出其物理极限的运动方式行驶， 使得车辆失控，造成交通事故，因此在对这类交通事故进行分析时，根据车辆的 运动特性和构造特性，根据牛顿运动定律，对车辆的运动状态进行分析。 ( 1 ) 极限转弯速度的分析： 众所周知，汽车的转弯速度，受到汽车结构、装载情况、道路状况等综合因 素的影响，具有一个极限的转弯车速。 根据汽车转弯时的受力情况，可以分析出汽车的弯道极限车速的计算公式： 其中 x r u + t a 亚n o v ：汽车的转弯极限车速，m s ； g ：为重力加速度，9 8 m s 2 ： r ：为转弯半径，i n ； u ：轮胎与路面间的侧滑的摩擦系数 0 ：道路的横向坡度； 在公式中，分别根据横向坡度的正负计算车辆在该弯道中的极限转弯车速。 ( 2 ) 车辆作抛物运动时的车速分析 汽车的交通事故中，有时在翻滚出路面外时，会作抛物运动，此时根据牛顿 运动定律，可以分析计算车辆在冲出路面时的车速。 速。 v = s 其中： v ：车辆冲出路面时的行驶车速，m s s ：车辆的水平飞越距离，m h ：车辆的落下距离，m ； g ：为重力加速度，9 8 1 1 1 s 2 ； 根据现场勘查的数据，根据公式可以分析计算出车辆冲出路面时的行驶车 ( 3 ) 车辆翻滚时的车速分析 汽车打转后作侧翻滚动的运动叫做翻滚。根据车辆力学特性的分析，可以得 出车辆翻滚距离与翻滚开始时速度的经验公式： v2妲丽 其中： v ：车辆开始翻滚时的速度，m s d r ：车辆的翻滚减速度，o , 4 9 - - 0 6 5 9 s ，：车辆的翻滚距离，i i 1 ； 互撕 f，v 2 3 传统交通事故分析计算方法存在的问题 从一起事故从发生到结束来看，一起事故可以分为碰撞前、碰撞、碰撞后三 个阶段来看。在分析道路交通事故时，一般都将整个过程分为3 个阶段： ( 1 ) 事故当事方碰撞前( 瞬间) 的运动过程： ( 2 ) 事故当事方碰撞接触过程； ( 3 ) 碰撞后的事故当事车辆的运动过程。 当事方发生接触并且有明显力作用的阶段为碰撞接触阶段，当事方都进入事 故不可逆时段但尚未碰撞接触之前称为碰撞前( 瞬间) 运动阶段，当事方脱离接 触之后的自由运动期称为碰撞后运动阶段。 传统交通事故分析计算方法可以分为两种类型：一种是纯粹的理论估计方法， 主要指按照车辆行驶工况法估算车辆碰撞前的行驶车速，主要适用于现场无制动 痕迹、滑痕等的情况下的车速估算：另一种是根据物证的分析方法，包括使用制 动拖印、车辆滑痕、车辆变形等分析计算车辆碰撞前( 或事故前) 的车辆行驶车 速的方法。 理论估计方法主要是针对使用车辆运动工况的分析估算方法，这种方法从分 析的过程到结果都是一个估算的过程，分析的结果具有极大的主观性，其计算结 果在事故分析中只能作为一种分析结论，结果的不确定性极大，难以作为事故分 析中的依据。而且这种方法需要收集大量的车辆传动系统数据，实施起来有一定 的难度。而且这种方法在两种情况下不适用： ( 1 ) 所分析的车辆传动方式为自动变速或无级变速时； ( 2 ) 车辆为空档行驶时。 而且理论估算的方法在实际使用中由于不能与事故中的其他物证相互印证， 因此其适用范围狭窄，只能作为一种在其它方式无法适用条件下的理论假设，作 为一个参考值来使用。 根据肇事现场物证分析车速的方法，在实际的交通事故分析中是最常用的方 法。一般来说，传统的事故分析方法中车辆只能简化为一个质点来考虑，使得传 统的物证分析方法的准确性和精度有所降低。在对整个事故的三个阶段的分析中， 传动的物证分析方法具有以下几个优缺点： 优点： ( 1 ) 可以准确度量车辆在碰撞前的运动过程； ( 2 ) 分析计算过程简单； ( 3 ) 比理论估算方法客观、真实： 缺点： ( 1 ) 无法分析计算碰撞过程； ( 2 ) 仅能考虑车辆碰撞后的平动； 根据现场物证事故分析的方法的优缺点，该方法在一些特定的场合还是可以 准确的分析计算出车速，达到事故分析的目的，传统的物证分析方法的适用范围 主要包括以下内容： ( 1 ) 车辆与行人、两( 三) 轮车间的事故： ( 2 )车辆之间发生的碰撞事故，碰撞前后事故车辆运动形态未发生大的改 变的事故。 在这些事故类型中，使用传统的物证分析方法，通过简单的分析计算，可以 准确的得出事故前车辆的运动速度。但除此以外的事故类型，传统的物证分析方 法由于对事故的简化太多，因此其分析结果与实际相差较大，传统的物证分析方 法难以适用。 传统的物证分析方法需要依靠准确的事故现场勘查结果，而在实际的交通事 故分析中，由于受到现场条件和现场勘查技术手段的限制，事故现场勘查人员提 供的事故现场勘查结果并不能完整的反映事故现场的全貌，这种情况下，传统的 物证分析方法更加难以准确计算分析事故过程。 根据车辆的碰撞塑性变形的大小推算车辆碰撞车速的方法在实际运用中具有 很大的局限性。一方面，车型结构差异很大，根据试验得出的经验公式只是针对 特定的车型而言；而且，车辆碰撞的形式具有多样性，因此只针对简单碰撞形态 得出的经验公式不具有普遍性；第三，车辆在事故中不仅车辆会发生塑性变形， 而且还带有运动方式的改变，有时这种改变所消耗的能量更大，造成依照塑性变 形量所推算出的碰撞速度与实际值相差很大，所以依据车辆碰撞后塑性变形量大 小估算碰撞速度的办法在很多时候是不适用的。 对于按照车辆的运动学特性进行的车辆速度的分析来说，这种方法还是比较 客观的，但在实际的交通事故中，此类事故所占的比例不高，且在实际的计算中 还是对车辆许多因素进行了大量简化，例如：在对车辆转弯极限车速的分析中车 辆的装载状况对重心的影响就被忽略，所以其结果的准确性还是受到了一些影响。 综上所述，根据牛顿运动学原理、车辆的结构、运动特性所进行的传统的事 故分析方法，虽然在实际运用中具有计算过程简单、计算量小等优点，但其计算 过程中对大量因素的简化导致了计算结果的失真，所以需要在事故分析计算中引 入新的计算模型和理论对事故分析计算进行研究分析，使得事故分析结果更加客 观、真实还原事故过程。而且传统的事故分析得出的结果是个简单的数值，无法 对整个事故的过程进行模拟再现，在实际的运用中，鉴定结果的说服力不高。 第三章基于现代计算机技术的道路交通事故分析方法研究 31 基于现代计算机技术的事故分析计算方法 交通事故分析与再现技术是综合性的边缘科学技术，与工程力学、汽车动力 学、汽车理论、交通工程学、计算机技术等学科密切相关。同时，事故分析与再 现又离不开丰富的事故现场处理经验，因为道路交通事故的具体形态是千变万化 的，每一起事故发生后的运动特征将取决于事故车辆的碰撞部位、车辆型号、质 量分布、车体结构、碰撞前的行驶路线以及碰撞瞬间的速度等一系列因素。但由 于碰撞发生和结束的时间极短，所以，事故分析与再现主要是依据遗留在事故现 场的证据而展开的。对道路交通事故进行分析与再现，通常是根据运动力学原理， 如牛顿定律、动量和动量矩守恒定理、能量守恒原理、多体动力学等为理论基础， 建立多组物理和数学模型，以定量描述事故过程中诸元素的相对运动及相互状态 的内在联系。同时，通过在事故现场中采集的各种物理参数，运用计算机对事故 中各当事方的运动状态进行判定以及模拟描述该事故的全部碰撞过程，最终可确 定事故处理中所需要的数据和资料，从而辅助交通管理人员认定事故责任。 对道路交通事故进行分析计算的直接目的是计算事故汽车制动前或碰撞前瞬 间的行驶速度；对道路交通事故进行模拟再现的直接目的是检验分析计算结果的 正确性和形象描述事故的全过程。分析计算与模拟再现的最终目的是为了帮助交 通管理执法人员查证事故原因，鉴定事故责任。在分析道路交通事故时，一般都 将整个过程分为3 个阶段： ( 1 ) 事故当事方碰撞前( 瞬间) 的运动过程； ( 2 ) 事故当事方碰撞接触过程： ( 3 )碰撞后的事故当事车辆的运动过程。 当事方发生接触并且有明显力作用的阶段为碰撞接触阶段，当事方都进入事 故不可逆时段但尚未碰撞接触之前称为碰撞前( 瞬间) 运动阶段，当事方脱离接 触之后的自由运动期称为碰撞后运动阶段。 道路交通事故计算的一般思路是：首先求解车辆在碰撞后运动阶段的瞬态运 动状态，此时主要应用经典运动学和动力学理论，建立车辆运动力学模型、车轮 1 9 一 地面力学模型、轨迹叠代计算模型等，根据来自事故现场的碰撞位置和停止位置 参数，计算出碰撞后脱离接触瞬间的车辆速度和角速度；然后根据碰撞模型求解 碰撞前瞬间的车辆速度和角速度，最后根据地面痕迹计算事故车辆在发现事故倾 向前正常行驶时的速度。车辆运动力学模型、车轮一地面力学模型、轨迹叠代计算 模型、碰撞模型等理论模型对准确地分析计算事故状态起着极其重要的作用。现 在的主流系统中，s m a c 、c r a s h 、i m p a c 、j 2 d a c s 和p c c r a s h 等都为二维 碰撞模型。而p a mc r a s h 、m a d y m 0 3 d 、c a l 3 d 、s i n r a r 和l s d y n a 3 d 等为三维碰撞模型或有限元分析模型。 有限元分析模型可以非常准确地描述车身变形，从理论上讲，应是最为科学 和完善计算模型，但是，采用限元方法进行计算时往往需要几小时乃至长达几天 的网格生成过程，同时由于有限元模拟需要事故车辆的完整结构力学参数( 不同 车型和不同使用年限车辆的结构力学参数应是不相同的) ，因此用于分析计算道路 交通事故这类大量、多形态、数据量少的对象时有点显得无从下手，而大都应用 于车身结构安全的理论分析方面，其相关软件系统也主要应用于开发汽车新车型。 事故计算的另一个重要概念是“碰撞中心”。事故车辆碰撞前、后有速度变化， 整个碰撞接触过程中车辆之间接触力的时间和空间积分等效为一个等效冲量，等 效冲量的作用点即为碰撞中心。 3 1 1c r a s h 模型 c r a s h 是用碰撞前、后的能量守恒和动量( 矩) 守恒原理求解车辆碰撞过程。 在c r a s h 中假定挤压力与汽车的前端变形是呈线性关系，碰撞中没有回弹，忽 略碰撞前、后汽车的旋转动能，忽略变形能以外的噪声、热等能量损失，碰撞过 程结束时接触面有相同的速度。 在c r a s h 中： f c = a + b c r 式中：a 、b 一刚度系数 ，f c 一单位宽度上的力， c r 一永久变形。 单个汽车的变形能c e 可以用积分求出，其原理见图3 一l 所示。这里假设汽车 的变形特性不随汽车的宽度变化，变形沿汽车纵轴方向发生。 图3 - 1 c r a s h 变形能积分 c e = f 。f “( 彳+ b x ) d x d w r 。卜+ 半+ g 卜 g ：生 式中： 2 b 相关资料中给出了等效碰撞速度b e v 与残余变形的关系 b e v = b o + b lxc r 相关资料中c a m p b e l l 给出了f c 与c r 另外的关系式： f c ：竺坠刍! ：堡1 8 w o 式中：w 一标准宽度w o 一汽车宽度 这样可以得到a 、b 与b o 、b l 的关系。n h t s a 做了大量的汽车碰撞固定壁 的试验，假定这些试验的a 、b 值可以应用到实际汽车之间的碰撞中去，根据汽 车的大小和车型，将汽车分成不同的类，每一类使用一组不同的a 、b 值。各个 汽车变形能的和就是碰撞过程中总的变形能一碰撞过程的能量损失e ，然后用能 量守恒和动量守恒定律，可以得到碰撞过程接触阶段速度变化和能量损失的关系。 据此式求得的v 为标量，用户自己确定p d o f ，此方向也就是v 的方向，然 后用矢量加法可以根据碰撞后的速度计算碰撞前的速度。c r a s h 模型所做假设较 多，所以其精度一直是关注的焦点。c r a s h 在事故分析领域中应用较为广泛， c r a s h 也一直在不断地完善发展中。 3 1 2s m a c 模型 s m a c 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求解。 s m a c 中假定： 碰撞过程中汽车作平面运动： - 2 1 汽车为刚性质量块，其周围被均质的、各向同性的弹塑性材料层包围： 接触力与汽车的动态变形有线性关系： f s = k v c t 其中：f s 一单位宽度上的接触力 k v 一刚度系数c t 一动态变形 可以根据能量守恒由a 、b 计算k v 。在碰撞过程的任一时刻，将接触面分成 很多的小块，根据此刻的变形情况计算此刻微元上的接触力，将接触力矢量合成， 计算此刻汽车的加速度，根据数值积分计算整个碰撞过程的加速度变化，积分可 得速度曲线，s m a c 模型受力示意见图3 2 所示。 图3 - 2s m a c 模型某时刻受力示意 s m a c 模型主要用于碰撞事故的正向模拟，需事先给定碰撞前瞬间速度。如 用于事故分析与再现，可首先估计碰撞前速度，然后根据碰撞过程的受力情况模 拟碰撞过程的运动，按轨迹模型模拟碰撞后的轨迹。按照模拟结果和实际结果的 差异再修改碰撞速度初始值，直到和现场轨迹相吻合为止。在s m a c 模型中考虑 了碰撞恢复系数，可以由鉴定者加入变形以外的力或力矩，比如在偏移量较大的 偏置碰撞中，有明显的冲量交换但无与之对应的变形，还可以模拟轮胎摩擦力的 影响。s m a c 能比较精确地模拟碰撞过程的速度变化曲线，在事故模拟领域中应 用比较广泛。有关文献中表明它与r i c s a c 试验数据吻合较好。但是它需要用其 它软件估计碰撞速度的初始值。s m a c 属于“开放”型的软件，比较