基于事故重建的轻便两轮车和骑车人抛距的研究*

姜 婷,代 兵

(1.山西交通职业技术学院工程机械系,太原 030000； 2.中国汽车技术研究中心,天津 300300)

基于事故重建的轻便两轮车和骑车人抛距的研究*

姜 婷1,代 兵2

(1.山西交通职业技术学院工程机械系,太原 030000； 2.中国汽车技术研究中心,天津 300300)

为探究交通事故中轻便两轮车和骑车人抛距的变化规律，在仿真方法可行性及数值模型的有效性得到验证的基础上，采用PC-Crash和MADYMO软件对我国交通事故深入研究CIDAS数据库中37起汽车-轻便两轮车碰撞案例进行事故重建。结果表明，轻便两轮车和骑车人的抛距随着汽车碰撞速度的升高而增大，但轻便两轮车的增大趋势更显著。在汽车碰撞速度低于30km/h时，轻便两轮车的抛距小于骑车人的抛距；当汽车碰撞速度大于30km/h后，轻便两轮车抛距呈现大于骑车人抛距的趋势。

事故重建；轻便两轮车；骑车人；抛距

前言

在道路使用者中，行人、骑自行车人、骑机器脚踏车人和摩托车手是最容易受伤害的人群[1]。我国目前交通状况存在人车平均道路少、混合交通比例大的特点，因而在我国发生的不同碰撞事故类型中，汽车与两轮车(摩托车、电动自行车、自行车)事故占有较大比例，是交通事故中的一种重要的事故形态，且该比例呈逐年上升趋势。另外，轻便两轮车因其存在稳定性和制动性差的特点，事故中骑车人的伤亡数量也急剧上升。2012年我国共发生汽车-两轮车碰撞交通事故44 388起，导致10 922人死亡，直接财产损失10 252.1万元，分别占交通事故总起数、死亡人数量和财产损失的21.74%，18.2%和8.73%[2]。

汽车与自行车、摩托车等两轮车发生的碰撞事故是一个复杂的动力学过程，比汽车与行人的碰撞事故更为复杂，涉及到汽车与两轮车、汽车与骑车人和两轮车与骑车人的相互碰撞作用，因此在两轮车的交通碰撞事故再现研究方面具有较大难度。国外学者采用计算机仿真技术对汽车与两轮车碰撞事故进行了广泛的研究。文献[3]中对行人、自行车骑车人的抛距与汽车碰撞速度之间的关系进行了试验研究，总结了相应的经验公式，提出了利用行人、骑车人抛距来进行事故重建的方法。文献[4]中对德国GIDAS数据库中402例行人事故和940例汽车-自行车事故进行统计分析，对行人和骑车人头部损伤风险及相关的动力学响应过程进行了研究；此外，采用事故PC-Crash与MADYMO联合仿真的方法，对其中22例行人事故和18例汽车-自行车事故进行事故重建，对比分析了行人与骑车人在碰撞过程中HIC值、头部接触力、抛距、绕转距离(WAD)等动力学响应参数。相对于对汽车-自行车、汽车-摩托车和汽车-行人碰撞事故的系统深入的研究而言，国内外目前对汽车-轻便两轮车碰撞的研究很少。文献[5]中利用PC-Crash事故重建软件，对不同的车辆类型分别建立了车辆与自行车和骑车人侧面碰撞仿真抛距模型，对车辆不采取制动的碰撞形式进行了仿真分析，对包括行人、骑车人和自行车等数学模型的研究现状、存在的问题和发展前沿进行了论述。文献[6]中对长沙地区493例电动自行车事故进行统计得出，骑车人头部和下肢是电动自行车骑车人受伤的主要部位，其中头部是造成骑车人死亡的主要部位。

2011年7月，中国汽车技术研究中心中国交通事故深入研究(CIDAS)工作组开展了针对长沙、北京、长春、宁波、威海、佛山、成都等地区的深入事故调查和交通伤流行病学研究。通常两轮车包括自行车、电动自行车和摩托车3大类型。为便于分析统计，CIDAS事故调查按照排量大小和外形尺寸将两轮车划分为自行车、电动自行车、排气量小于50mL的轻便摩托车、排气量大于50mL的摩托车等种类。由于外形尺寸相近，且在交通事故中越来越多的电动自行车出现轻摩化特点，因此本文中将电动自行车和排气量小于50mL的轻便摩托车归为一类进行抛距研究，并将这两种形态特征相近的车型统称为轻便两轮车。

本文中采用PC-Crash和MADYMO软件对CIDAS数据库中一起典型汽车-轻便两轮车碰撞事故进行仿真重建，通过仿真结果与深入事故调查结果比较，验证了仿真方法的可行性和数值模型的有效性。从CIDAS数据库中挑选出37例汽车-轻便两轮车前部碰撞事故，并对每一例事故进行了PC-Crash事故重建，在此基础上对比分析了轻便两轮车和骑车人的抛距特点及变化趋势。

1 方法

1.1 事故信息采集

根据汽车-轻便两轮车事故调查所需数据内容，结合事故发生过程中人、车和环境3要素[7]，采集典型事故的车辆基本信息、轻便两轮车信息、骑车人信息和道路环境等信息，每个部分按照事故发生过程可以划分为碰撞前、碰撞中和碰撞后3个阶段。车辆基本信息除了包括碰撞前的行驶速度、制动信息和驾驶员操作情况，碰撞时的碰撞速度和碰撞位置以及碰撞后的车辆变形、刮擦痕迹等信息外，还包括车辆制造商、车型、车身颜色、出厂年份、装备质量等信息。与车辆基本信息类似，除了采集轻便两轮车的碰撞前行驶速度、制动信息，碰撞时刻的初始碰撞位置、落地位置，碰撞后的损坏变形情况外，还采集轻便两轮车制造商、车型、轮距和坐垫高度等信息。骑车人信息除了包括骑车人性别、年龄、身高、坐高和体质量之外，还包括碰撞前的骑行姿态、骑行速度、骑行方向、相对汽车的位置，碰撞中的初始落地位置、最终落地位置、抛出距离、身体碰撞部位，以及碰撞后的损伤部位、损伤严重程度、致伤原因等信息。道路和环境信息包括事故发生时的天气情况、道路类型、道路材料、路面情况，碰撞过程中的路面碰撞痕迹、碰撞后的制动距离及其他痕迹。

1.2 建模

1.2.1 事故信息

本文中用于事故重建的案例发生于长沙岳麓区枫林一路与白云路交汇路口。一位男性青年骑轻便两轮车以约15km/h速度由北往南横穿枫林一路，此时黑色起亚OPTIMA汽车以约50km/h时速沿枫林一路由西往东直行，图1为根据事故草图绘制的事故现场CAD图。

图1 事故现场CAD图

事故发生时，汽车前部与轻便两轮车右侧面相撞，汽车保险杠、发动机罩前缘、发动机罩中部发生大变形，汽车风窗玻璃右下侧有骑车人头部撞击裂纹，汽车损坏情况如图2所示。骑车人最终抛出距离相距碰撞点约为6m，损伤情况为头部前额挫裂伤(AIS1)、右下肢股骨骨折(AIS3)。

图2 汽车损坏情况

事故中汽车、轻便两轮车、骑车人基本信息如表1～表3所示。

表1 汽车基本信息

表2 轻便两轮车基本信息

表3 骑车人基本信息

利用MADYMO软件建立汽车、轻便两轮车和骑车人模型，汽车对轻便两轮车和骑车人的碰撞接触需要在模型中设置反映穿透深度-接触合力之间关系的刚度特性。汽车前保险杠和发动机罩及其前缘等各部分的机械特性由力-变形函数定义，相应的机械特性数据从Euro NCAP碰撞试验获得[8]。

1.2.2 汽车模型

汽车的多刚体模型基于肇事车辆同年份同车型的几何模型建立。根据事故调查信息，事故车辆主要技术参数如表4所示。

在MADYMO中将汽车整体视为一个刚体，汽车的表面选取椭球面来表示，根据车体的具体外形参数确定椭球面的中心位置及半轴，把汽车的表面划分为若干个椭球面，而这些表面都是依附在质心位置的刚体上，刚体用一个自由铰与参考空间相连接，用来控制车体的位置及运动状态，图3为汽车模型的主视图。同时，根据文献[9]中给出的典型接触特性曲线，定义汽车前部保险杠、发动机罩前缘、发动机罩中部、发动机罩后部、风窗玻璃下缘和风窗玻璃中间各部分的接触特性。

表4 事故车辆主要技术参数

图3 汽车模型

1.2.3 轻便两轮车模型

轻便两轮车的多刚体模型同样基于事故车辆同年份同车型的几何模型建立。根据事故调查信息，两轮车的主要技术参数如表5所示。

表5 两轮车主要技术参数

在MADYMO软件中，采用同样的方法，根据事故车型数据信息建立轻便两轮车模型。如图4所示，该模型由22个椭球和6个铰链组成，其中1个万向铰、1个平面铰和1个平移铰分别与全局坐标系连接，另外3个转动铰则描述前后轮、龙头把手处的相对转动。轻便两轮车的接触特性参考文献[10]中所做的部件试验数据来定义。

图4 轻便两轮车模型

1.2.4 骑车人模型

本文中骑车人原始模型采用CPMi(Chalmers Pedestrian Model i)多刚体人体模型[11]，并通过MADYMO程序中的GEBOD模块对原始模型进行缩放，以获得一个在人体质量、身高和其他人体测量学参数与事故案例中骑车人足够接近的假人模型。此外，还应调节假人模型的各个铰链状态，使其符合骑车时的姿态，调整假人位置及其关节的状态，使其能自然地骑在轻便两轮车上，最终的骑车人模型如图5所示。

图5 骑车人模型

1.3 事故重建

1.3.1 事故重建流程

本文中事故重建包括PC-Crash仿真和MADYMO仿真两个部分。图6为这两个部分联合仿真流程图[12]。对于PC-Crash仿真而言，现场测量及草图绘制十分关键，据此不仅可以估计出事故的初始碰撞位置，还可获得车辆与伤者的最终位置、制动痕迹以及散落物信息。车辆信息包括事故车辆的车损情况、汽车类别和车型信息。伤者信息主要包括骑车人的身高、坐高、体质量、年龄、受伤部位和损伤程度等信息。目击者证据及回勘问询可以得到碰撞形态、骑车人姿态等重要参考信息。

图6 事故重建流程图

基于PC-Crash的仿真结果输出，可以在MADYMO中进行汽车初始碰撞速度和方向、轻便两轮车初始碰撞速度和方向、骑车人碰撞时姿态等参数设置。最终MADYMO输出包括碰撞动态响应过程、汽车与轻便两轮车及骑车人最终位置、骑车人损伤等参数。当仿真结果与真实事故调查信息相一致时，则认为事故重建完成。

1.3.2 仿真参数设定

根据事故车辆及轻便两轮车、骑车人的最终位置、车辆的运动轨迹和可能行驶的速度范围等信息，通过PC-Crash仿真得到碰撞速度、碰撞位置及减速度等关键参数。把这些关键参数作为边界条件定义MADYMO仿真模型。

在整个仿真过程中需要定义汽车与两轮车、汽车与骑车人、骑车人与两轮车，以及它们各自与地面的多组接触，根据MADYMO理论指南[13]，该过程中具体接触关系为：汽车前部保险杠、发动机罩及其边缘与两轮车车体和轮胎的碰撞接触；骑车人头部、上肢、胸部、腹部与汽车的风窗玻璃、发动机罩的碰撞接触，以及其臀部、下肢与汽车的前保险杠、发动机罩前缘的碰撞接触；骑车人手部与两轮车手把的抓握接触，以及骑车人身体与两轮车的接触；汽车车轮、两轮车车轮和车体、骑车人身体各个部分与地面的接触。另外在仿真中通过定义SURFACE.PLANE来模拟路面，考虑到碰撞后骑车人运动的不确定性，将其简化成具有摩擦作用和接触特性的无限大的水平面。同时针对不同类型的接触面(椭球面、有限元网格面)，选用多刚体-多刚体(MB-MB)、有限元-多刚体(FE-MB)和有限元-有限元(FE-FE)接触算法。为了在计算接触力时同时考虑主(Master)、从(Slave)接触面接触特性的影响，将CONTACT_TYPE设置为COMBINE，接触力的施力点取决于它们的接触特性。

基于事故实际发生环境的调查信息，参考文献[14]中对汽车与两轮车碰撞事故的仿真研究成果，定义汽车、轻便两轮车车轮与事故地点干燥沥青路面的摩擦因数为0.7，骑车人与汽车表面的摩擦因数为0.3、与轻便两轮车的摩擦因数为0.4、骑车人与地面的摩擦因数为0.6，同时设定好需要输出的人车碰撞接触力及身体各部位损伤指标，便于结果分析。

1.4 统计方法

回归分析是一种处理变量之间相关关系最为常用的统计方法，本文中采用一元二次多项式回归分析模型来研究轻便两轮车及骑车人在碰撞事故中的抛距与汽车碰撞速度之间的关系。基本的一元二次多项式回归方程公式为

y=A+Bx+Cx2

式中：A,B和C为回归系数；y为对应自变量x代入回归方程的计算值，称为回归值。A为y轴截距，B和C为常数，回归方程对应的R2为相关系数，它描述了回归曲线的相关性，R2越接近1，说明回归方程越显著。

2 结果讨论

2.1 事故重建仿真结果

2.1.1 事故最终形态对比

通过多次PC-Crash仿真试验发现，骑车人和轻便两轮车的最终抛出距离随着汽车碰撞速度的增大而增大，碰撞后的最终形态也随着碰撞速度的不同而呈现出变化。根据汽车驾驶员和目击者的描述，结合碰撞点的位置及该路段的限速情况，经PC-Crash仿真分析得出，当汽车碰撞速度为49km/h，轻便两轮车-骑车人速度为15km/h时，得到的仿真结果与实际情况最为符合。

2.1.2 骑车人动态响应过程

将PC-Crash输出参数作为MADYMO仿真的边界条件进一步对事故进行仿真，骑车人的动态响应过程如图7所示。由图可见：碰撞初始时刻，轻便两轮车位于汽车前方中间位置；t=34ms时刻，骑车人右下肢与汽车前保险杠及发动机罩前缘首先碰撞接触，骑车人躯干开始倒向发动机罩；t=90ms时刻，骑车人与轻便两轮车分离，上肢与发动机罩接触；t=200ms时，骑车人头部与风窗玻璃右下侧碰撞，身体其他部位抬起并有向外侧滑移趋势；t=805ms时，骑车人身体从汽车右前侧滑落到地面；t=1300ms时，骑车人身体在地面上滑移后静止。骑车人右下肢、头部与汽车的接触部位、从汽车上滑落到地面的方式与事故调查中现场勘查情况相吻合。

图7 骑车人动态响应过程

2.1.3 骑车人损伤参数输出

图8 骑车人头部质心合成加速度

图8为计算得出的骑车人头部质心合成加速度曲线。由图可见：头部加速度变化存在两次峰值，第一次是t=147ms时刻头部与前风窗玻璃右下侧发生的碰撞，此时峰值较低，仿真输出的HIC15值为508.67；第二次是t=922ms时刻骑车人头部与地面发生的第二次碰撞，此次峰值较高，HIC15值为1 445.49。由此可以推断出，导致骑车人头部前额挫裂伤的主要原因在于头部与地面的二次碰撞，而这与事故现场勘查、医院报告结果相符合。

图9为骑车人右下肢股骨轴向压缩力曲线。由图并参照骑车人动态响应过程可以发现，在t=27ms时刻骑车人右下肢与汽车发动机罩前缘碰撞，此时股骨轴向压缩力F=10319.20N，已超出股骨损伤临界值FFC=7850N。因此可以推断出此时刻的碰撞是导致骑车人右下肢股骨骨折的原因。

图9 骑车人右下肢股骨轴向压缩力

2.2 抛距与汽车碰撞速度关系

抛距是指事故发生的初始碰撞点到被碰撞物体最终停止位置之间的距离，该距离包括3个阶段：碰撞接触阶段、空中抛出阶段和地面滑行阶段。在进行事故现场勘查时，对抛距现场测量值的误差及可靠性带来影响的主要有两点：碰撞点的判断和骑车人及轻便两轮车最终位置的判断。

车辆与骑车人初始碰撞位置的判断主要依据事故现场所遗留的痕迹，例如骑车人衣物和随身物品的散落位置，电动自行车部件碰撞散落位置等。并且根据当事人和目击者的口述来综合分析。由于骑车人和两轮车的最终位置相对容易获得，初始碰撞位置的确定往往对抛出距离测量值的测量准确性产生较大影响。由于少部分案例存在事故现场被人为移动的情况，故与仿真重建结果存在一定偏差。

基于对抛距现场测量值的误差影响因素的考虑，为使分析结果可靠，本文中选取的37例事故案例均包含了现场勘查、当事人及目击证人问讯、现场回勘、交警笔录和监控视频调阅等步骤，进一步减小了事故调查过程中的人为测量误差，确保了抛距测量值的可靠性。

骑车人和轻便两轮车事故现场抛距测量值与仿真结果比较情况如图10和图11所示。从图中可以看出，大部分案例的抛距现场测量值与仿真结果比较接近。

图10 骑车人抛距测量值与仿真结果比较

图11 轻便两轮车抛距测量值与仿真结果比较

图12为汽车事故现场碰撞速度估计值与仿真结果比较情况。从图中可以看出，37例事故的汽车碰撞速度估计值与仿真结果均比较接近。

图12 汽车碰撞速度估计值与仿真结果比较

图13为骑车人与汽车碰撞速度之间关系，为验证仿真结果的有效性，对PC-Crash仿真值与事故测量值分别进行了比较。从图13中可以看出，骑车人抛距与汽车碰撞速度呈现出一定的正相关性，仿真结果回归曲线与测量结果回归曲线的相关系数R2分别为0.700 4与0.670 8。经过事故调查人员的回访统计，发现在部分汽车-轻便两轮车碰撞事故中，骑车人会有主动转向避让行为，这也进一步显示了骑车人抛距与汽车碰撞速度之间规律性不强、弱相关性的特点。

图13 骑车人抛距与汽车碰撞速度关系

图14为轻便两轮车抛距与汽车碰撞速度之间关系，为验证仿真结果的有效性，对PC-Crash仿真值与事故测量值分别进行了比较。从图14中可以看出，轻便两轮车抛距与汽车碰撞速度之间的正相关性较骑车人更为明显，轻便两轮车抛距仿真结果回归曲线与测量结果回归曲线的相关系数R2分别为0.843 6与0.797 7。相对与骑车人而言，轻便两轮车由于在碰撞后往往发生人车分离现象，因此其碰撞后的抛距不再受到骑车人的影响，从而也显示出了轻便两轮车与汽车碰撞速度之间较强相关性的特点。

图14 轻便两轮车抛距与汽车碰撞速度关系

图15更直观地比较了轻便两轮车及骑车人抛距与汽车碰撞速度的关系(采用验证后的仿真结果进行比较)。总体上看，无论是轻便两轮车抛距还是骑车人抛距都与汽车碰撞速度呈现正相关性，其中轻便两轮车抛距回归曲线的相关系数R2为0.843 6，骑车人抛距回归曲线的相关系数R2为0.700 4。随着汽车碰撞速度的增加，两者抛距均呈二次多项式关系增加，从两条回归曲线趋势图可以看出轻便两轮车的增大趋势更明显。

图15 骑车人与轻便两轮车抛距比较

从图15中还可以看出：当汽车碰撞速度低于30km/h时，骑车人抛距略大于轻便两轮车抛距；当汽车碰撞速度高于30km/h时，轻便两轮车抛距明显高于骑车人抛距。

3 结论

通过CIDAS数据库中37例事故轻便两轮车和骑车人抛距现场测量值与仿真重建结果的比较，发现大部分案例的抛距现场测量值与仿真结果比较接近，由于少部分案例存在事故现场被人为移动的情况，因此少数案例的测量值与仿真重建结果存在一定的偏差。

经过事故调查人员的回访统计，发现在部分汽车-轻便两轮车碰撞事故中，骑车人会有主动转向避让行为，因此出现了骑车人抛距与汽车碰撞速度之间规律性不强、弱相关性的特点。相对于骑车人而言，轻便两轮车由于在碰撞后往往发生人车分离现象，因此其碰撞后的抛距不再受到骑车人的影响，因此轻便两轮车与汽车碰撞速度之间的相关性更强。

虽然骑车人与轻便两轮车的抛距均随着汽车碰撞速度的增加而增大，但是两者的抛距增大趋势仍然存在一定的区别。经过轻便两轮车抛距与骑车人抛距之间的对比，发现轻便两轮车抛距的增大趋势比骑车人的增加趋势更为明显。当汽车碰撞速度低于30km/h时，轻便两轮车的抛距小于骑车人的抛距；当汽车碰撞速度大于30km/h后，轻便两轮车抛距呈现明显大于骑车人抛距。

本文为进一步深入研究轻便两轮车事故中骑车人的人体损伤动力学响应及其损伤防护提供了依据，研究结果不仅可以应用于汽车与两轮车碰撞的事故分析和防护措施技术研究，还可为日益多发的两轮车事故交通事故司法鉴定研究提供指导和借鉴。此外，本研究还为交通系统安全管理、车辆安全性能设计和道路通行环境的改善提供了必要的参考依据。

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A Study on Throw Distance of Moped and Cyclist Based on Accident Reconstruction

Jiang Ting1& Dai Bing2

1.EngineeringMachineryDepartment,ShanxiTrafficVocationalandTechnicalCollege,Taiyuan030000;2.ChinaAutomotiveTechnology&ResearchCenter,Tianjin300300

In order to investigate the changing regularity of throw distance of moped and cyclist in traffic accident, on the basis of verification on the feasibility of simulation method and the effectiveness of numerical model, accident reconstruction is conducted with software PC-Crash and MADYMO on 37 vehicle-moped crash cases chosen from CIDAS data base. The results show that the throw distances of moped and cyclist increase with the rise of impact speed, in which the increase tendency for moped is more significant. When vehicle impact speed is lower than 30km/h, the throw distance of moped is shorter than that of cyclist, while with a impact speed higher than 30km/h, the throw distance of moped is longer than that of cyclist.

accident reconstruction; moped; cyclist; throw distance

*中国汽车技术研究中心中国交通事故深入研究项目(11140108)资助。

2016230

原稿收到日期为2016年5月4日，修改稿收到日期为2016年7月4日。