PC—CRASH仿真系统在交通事故处理课程教学中的应用

黎晓龙 刘杰元

【摘要】目前公安院校学历教育及在职民警培训的交通事故处理课程教学中并不具备在现场进行碰撞实验的条件，学员对交通事故车辆碰撞、相关参数及交通事故发生过程的认识常停留在理论层面，无法有效地解决交通事故处理中存在的问题。本文详细地阐述了如何使用Pc-Crash仿真系统模拟再现交通事故过程，模块化地实现Pc-Crash仿真系统在交通事故处理课程教学中的使用方法，主要包括基础数据调查与输入模块、车辆模型建立模块、交通事故碰撞模块、仿真与评价模块，能有效弥补上述不足，加强学生对交通事故碰撞机理的认识和理解，提高学生解决实际问题的能力。

【关键词】交通事故 碰撞 教学 Pc-Crash仿真 模块

【基金项目】公安部应用创新计划项目《基于云技术的虚拟公安办公系统》，基金号：2011YYCXZJST046。

【中图分类号】U491 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）12-0205-02

交通事故处理课程是道路交通管理专业的重要课程，交通事故处理也是交通警察的重要工作。近年来，所有公安院校均已开设了交通事故处理等相关课程，如交通事故现场摄影技术、交通事故再现技术、交通事故鉴定技术等，在学历教育、在职民警培训的教学过程中，为了提高学生、民警对交通事故碰撞过程的理解，需要对碰撞形态、碰撞参数设置及其参数不确定性进行分析，分析方法主要包括现场实验和仿真实验，考虑到学员、教官的人身安全、实验资金等因素，现场车辆碰撞不能轻易进行实验，因此，有必要系统的提出基于仿真实验的交通事故处理课程教学与分析方法。国内外的相关学者已使用计算机仿真的方法对交通事故处理问题展开了较多的研究，在交通事故处理课程的教学中，需选用一款成熟、稳定、可靠且扩展性强的，能满足各种不同类型研究需求的计算机仿真系统。Pc-Crash仿真软件是应用动量/冲量法进行交通事故再现的典型软件，是奥地利的Steffan博士以 Kudlich-Slibar模型为基础开发的软件系统。Pc-Crash可以对机动车与机动车、机动车与固定物的交通事故进行再现，还可以对机动车与行人及翻车的交通事故类型进行数值模拟计算，该软件可以同时模拟32辆车多次碰撞并进行完全的三维动画显示。本文将基于Pc-Crash计算机仿真系统，阐述在交通事故处理课程教学中如何实现对真实交通事故碰撞的仿真模拟以及应注意的相关专业问题。

1.基于Pc-Crash的交通事故再现流程

利用Pc-Crash仿真软件再现交通事故过程，其优势在于Pc-Crash既拥有丰富的车辆数据库又能清晰而高效地仿真交通事故元素在交通事故中的运动状态。在Pc-Crash仿真中，首先将事故车辆置于事故痕迹开始点，其中包括空间点和时间点，并通过该仿真软件界面中的“Sequences”菜单设置车辆不同时刻、不同位置的制动情况、转向角等参数，然后反复仿真，同时优化碰撞过程，让车辆运动并自动判别与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个难点问题需要解决：一是接触点的确定，交通事故接触点是指车辆碰撞瞬间接触部位在地面的正投影，可以通过制动痕迹的拐点，滑移痕迹的起点，散落物的起点等进行分析判断，需要认真调查，仿真时必须保证在接触点位置车辆开始碰撞，这需要反复仿真测试，控制难度大；二是整个过程既要控制交通事故车辆碰撞前的运动状态，又要控制碰撞位置、角度、能量损失等参数，还要控制车辆碰撞后的运动状态，使仿真中的痕迹与交通事故中的痕迹相吻合，控制难度很大，需要花费大量时间反复仿真优化才有可能实现；三是碰撞导致的车体变形等很有价值的痕迹在该方法中如何得到有效的利用。考虑到Pc-Crash的相关特点，可分步仿真交通事故，即先仿真碰撞前车辆运动状态，再仿真车辆碰撞及碰撞后运动状态，具体流程如图1所示。

图1 Pc-Crash交通事故再现流程

Fig.1 Pc-Crash reconstruction flow chart

2.基础数据调查与输入

使用Pc-Crash仿真系统模拟交通事故，进行交通事故处理实验教学时，首先勘查交通事故现场，采集相关的基础数据，标定仿真中交通事故现场元素的基础属性。需采集和调研的数据主要包括：道路数据、车辆数据、车体与道路的附着系数及其他数据。

2.1道路参数采集与输入

道路参数的作用是为仿真交通事故发生地点道路环境建立而做的准备。需要调查的道路参数主要包括：路段车道数、车道宽度、车道坡度，交叉口进口道分车道功能的车道数与车道宽度，交通安全设施，道路环境。在Pc-Crash交通事故再现仿真中，道路参数数据主要通过仿真软件界面中的“DXF”模块输入。

2.2车辆数据与输入

车辆数据是为了标定仿真中的车辆基本特性、运动状态，需采集的车辆数据主要包括：①机动车的品牌型号；②机动车的发动机排量、发动机功率、外形尺寸、轴距、重量。以上车辆数据可直接在Pc-Crash界面中的“ ”车辆数据库模块中进行输入。③机动车重心位置，该数据在Pc-Crash仿真中的车辆数据库模块中默认设定（50/50的重量分布），也可以根据实际情况在Pc-Crash仿真中的车辆数据库模块中输入实测重心位置。车辆数据将会直接作用于交通事故的碰撞程度，在车体勘验中需认真仔细的调查数据。④车辆发生交通事故前瞬间的车辆速度，在Pc-Crash仿真界面中的“Sequences”车辆运行状态模块中输入通过GA/T1133-2014和GA/T643-2006的国家标准结合相关数据分析获得的值。

2.3车辆轮胎及其与道路的附着系数输入

车辆轮胎的外形尺寸可以通过“Tire model”模块进行输入。附着系数的大小，主要取决于路面的种类和干燥状况，并且和轮胎的结构、胎面花纹以及行驶速度都有关系。车辆轮胎或车体（翻车交通事故）与道路的附着系值的大小直接决定了车体的制动距离和滑移距离。需调查的不同车辆轮胎与不同性质道路的附着系数主要包括：①车辆轮胎与不同性质道路的制动附着系数，如车辆轮胎与沥青道路的制动附着系数，在GA/T643-2006可以查询到一个范围区间，在Pc-Crash仿真中使用“Sequences-brake1”模块输入；②发生碰撞后车辆轮胎与不同性质的道路的滑移附着系数，其中包括横向滑移和旋转滑移附着系数，在GA/T643-2006可以查询到一个范围区间，在Pc-Crash仿真中通过“Sequences-brake1”模块输入；以上附着系数的值在实践操作中可以通过在GA/T643-2006国家标准对照查询，也可以通过摆式附着系数测量仪进行实地测量，还可以利用事故车辆或与事故车辆相同品牌型号的车辆进行现场测试来获得。

3.交通事故碰撞模型

交通事故碰撞模型是Pc-Crash事故仿真中最为重要的物理模型。碰撞模型的定义是否正确直接关系到事故再现的精确度和可信程度。一个碰撞模型包含：碰撞点、碰撞角度、冲击力及碰撞过程中驾驶人采取的措施等4个方面的数据，在定义碰撞模型时，用户必须根据调查数据进行设定，交通事故发生时，当冲击力不是非常大时，在碰撞过程中，驾驶人的措施会很大程度上影响碰撞后车辆的运行状态及停止位置。Crash Simulation （F8）碰撞仿真对话框用来定义和改变碰撞参数，仿真交通事故现场的最大道路长度为200m。

3.1仿真模型的选择

按照流程，参与碰撞车辆的初始位置、车辆参数、附着系数及顺序参数都已确定，下面是确定仿真参数，首先，使用者要选择仿真模型，仿真采用的是三维动力学模型，时间步长多数情况下选择为 0.5ms，但当使用者需要用到车辆碰撞前的运动路径的时候，就应该选择运动学模型。当碰撞冲击力不大，碰撞后路径也可以进行定义，因为此时驾驶人为了降低碰撞损失，可以通过转动转向盘，使车辆运动方向发生改变。如图2、图3所示，案例中的交通事故发生在鄂尔多斯，结合交通事故视频制作的仿真分析，说明驾驶人在碰撞过程中通过转动转向盘来改变车辆碰撞后的运动路径。

图2 Pc-Crash车辆碰撞前仿真

Fig.2 Pc-Crash reconstruction before vehicles crashing

图3 Pc-Crash碰撞后仿真

Fig.3 Pc-Crash reconstruction after vehicles crashing

定义车辆运动路径，在Pc-Crash中使用“Define path points”模块输入，经过多次碰撞仿真，分析比对交通事故现场痕迹与车体痕迹，确定以上仿真结果。通过视频资料与仿真3D效果图（如图4）观测，车辆在碰撞的过程中轮胎转动会影响碰撞后车辆的运行轨迹。

图4 Pc-Crash 3D效果图

Fig.4 Pc-Crash 3D picture

3.2碰撞点坐标、回弹系数、能量变化量的确定

交通事故碰撞点的确定可以通过建立局部坐标系、碰撞车辆的损坏程度来确定，这就要求考虑到车辆碰撞时的回弹系数，这是因为在pc-crash中碰撞点的定义是：在完全碰撞中两车达到相同速度时的那一点。在这一点，动量发生转移，这是碰撞发生的最后相位，接下来车辆分开。在这种情况下车辆变形分为塑性变形和弹性变形，所以，下一步是定义车辆的能量变化（EES），Pc-Crash可以准确的分配碰撞过程中每辆车发生的能量变化，通过比较碰撞车辆的变形与Pc-Crash数据库中车辆变形，当两者图片差不多时认为变形能相当，一般情况下，车辆变形的回弹系数为0.10～0.15。

4.Pc-Crash数据输出模块

数据输出模块是最能体现仿真实验价值的部分。对比实地实验，一方面，在仿真实验中，能无限制的精确重复实验场景，并可根据实验需求，控制仿真的速度与精度，这是在实地车辆碰撞实验中无法实现的。另一方面，在仿真中能实时地精确获取相关的数据如车体变形量、道路路面痕迹等，能直接对碰撞模型设定进行衡量，也是在实地实验中无法做到的。车辆碰撞过程数据如表1所示。

表1 车辆碰撞过程数据

Table 1 data of vehicles crashing

在交通事故处理课程的教学中，无法在现场中对碰撞模型以及参数进行实验，学员无法直观地观察到模型和参数的改变对交通事故的影响。因此，基于仿真系统的实验方法成为必然选择。本文详细、系统和模块化地阐述了Pc-Crash仿真系统用于分析交通事故的发生过程，从交通事故再现流程、基础数据调研与输入、碰撞模型的建立、仿真与评价，结合笔者的使用经验，提出了在使用仿真软件时所应注意的事项。本文所阐述的内容能很好的指导交通事故处理课程的实验教学工作，增强学员对分析交通事故过程的深层次认识，提高学生的动手能力和实践能力。

参考文献：

[1]邵文熤.基于Pc-Crash的交通事故模拟再现误差分析[D]，上海，同济大学，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]王华.汽车间碰撞事故再现的计算机模拟的研究[D]，吉林，吉林工业大学，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]邹铁方，张勇刚，陈元新.基于Pc-Crash 的车辆侧滑事故再现方法[J]，中国安全科学学报，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]，机械工业出版社，2000.2，113-150.

[10]魏超，聂森鑫.一起交通事故的肇事车辆行驶速度的鉴定研究[J].浙江工贸职业技术学院学报，2006，6（3）：70～74.

[11]李兆翠，刘培玉，马金刚.碰撞检测在交通事故模拟再现系统中的应用[J].科技信息，2008.2（2）：74～75.

[12]袁泉，李一兵.参数不确定度对汽车侧面碰撞事故再现结果的影响[J].农业机械学报，2005，3（5）：16～19.

[13]任有，许洪国，李显生.仿真追尾碰撞模型研究[Jl.交通运输系统工程与信息2007，7（3）：94～99.

[14]GA/T643-2006，中华人民共和国公共安全行业标准[S].北京：中国公安部，2006.

作者简介：

黎晓龙（1978-），广东江门人，内蒙古警察职业学院，讲师，硕士学位，主要研究方向为交通信号控制、交通事故再现。