车辆护栏碰撞事故仿真参数敏感性分析＊

王科超 常安德 陈松

1. 中国刑事警察学院 2. 公安部痕迹检验鉴定技术重点实验室

引言

护栏是公路上的主要安全防护设施，承担着限制失控车辆在道路内移（阻挡功能）、引导道路上的车流（导向功能）、吸收车辆撞击能量的功能（缓冲功能）。从变形的角度来看，公路护栏可分为刚性护栏、半刚性护栏和柔性护栏三种类型[1]。车辆与护栏发生碰撞时常伴随着剧烈的能量变化，使车体与护栏产生不同程度的刮擦、变形，往往会导致车辆行驶失控和护栏部件部分功能失效，对人民生命和财产安全造成巨大损害。

随着公路交通安全问题不断突出，国内外关于护栏安全的研究日益增多，但由于车辆和护栏相撞的动力学过程相当复杂，这方面的研究尚不完善[2]，随着各种仿真技术的日益成熟，使用软件仿真方法对护栏事故进行分析逐渐受到信赖。程国柱等利用PC-Crash软件构建了基础模型，通过模拟试验定量评估公路护栏设置对载重货车、小型客车路侧事故的风险[3]。Neves等通过有限元仿真和现场碰撞试验研究了汽车碰撞作用下的柔性和刚性道路约束系统，并利用汽车轨迹研究了螺栓连接的失效极限及其对护栏碰撞结果的影响[4]。车辆与护栏碰撞事故的再现仿真优化对参数的选择要求较高，目前缺少车辆护栏碰撞事故过程中仿真参数敏感性分析方面的研究成果。本文将以车辆护栏碰撞事故深度调查数据为基础，基于经典碰撞力学理论及数据统计分析知识，运用交通事故仿真软件及数据分析工具，重建车辆与公路半刚性护栏碰撞交通事故，重点开展车辆护栏碰撞事故仿真参数敏感性分析的研究，筛选出对事故仿真再现影响较大的参数，为减少公路护栏场景下交通事故仿真误差提供支持，也为PC-Crash软件应用于公路护栏交通事故分析奠定理论基础。

一、仿真参数敏感性分析

（一）参数分类

在对车辆护栏碰撞事故进行分析时，通常有两种方法，一个是根据道路环境、驾驶人操作行为、乘员状态、车辆状况，借助物理碰撞模型和数学模型由事故原因推出结果的正向模拟方法；另一个是根据事故发生后现场的车辆停车位置、路面刹车痕迹、护栏和车辆的变形情况及乘员损伤状况，借助计算机仿真平台由事故结果推测原因的逆向解析方法[5]。要获得录入交通事故仿真系统参数的一般步骤为识别分类、敏感性分析获得权重、参数采集与校正[6]。并非所有参数在各种事故类型中都被需要，如事故车辆无挂车就无需输入挂点到挂车前轴距离、车末端到挂点距离、连接中心高度、最大拖挂力等，结合车辆护栏碰撞具体事故类型，根据软件不同模块的功能设置和计算需要，将仿真参数按采集方式归为三大类：第一类是确定参数，即PC-Crash软件数据库中内置或通过文献资料可以查阅到的参数，内置的、确定的、易获得的参数，如车辆尺寸、轮胎型号等；第二类是测量参数，经过测量可以获得的参数，测量参数的准确程度取决于现场采集人员的测量方法，如乘客质量、碰撞点位置等；第三类是经验推测参数，在处理不同类型的交通事故中总结的经验参数或者根据公式推导出的参数，如碰撞前速度、分离速度，碰撞恢复系数等[7]。具体分类详见表1。

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（二）实验设计

基于大量文献研究得知，事故仿真参数分析和仿真再现结果是一个互证的逻辑关系，根据这个特点总结出一般车辆碰撞事故仿真参数敏感性分析实验流程图，如图1所示。在一般车辆碰撞事故研究基础上，研究车辆护栏碰撞事故PC-Crash仿真参数敏感性，并获取参数权重排序。主要按照以下几个步骤进行实验：

第一阶段：结合事故分析情况利用专家经验法对全部参数进行初步分析，筛除对车辆护栏碰撞事故再现影响较小且不具有针对性的参数，作为初步事故仿真参数。

第二阶段：针对初步事故仿真参数，运用控制变量法，以形变量为评价指标，评估某一参数对于车辆护栏碰撞事故再现的影响程度。

第三阶段：运用单因素参数敏感性分析法对初步事故仿真参数进行深入分析比较，筛除部分对车辆护栏碰撞事故再现影响较小的参数，获得影响程度较大的参数。

第四阶段：针对影响程度较大的参数，设计正交试验以车辆碰撞后继续行驶角度为标准，分析各参数对仿真结果的显著性，并对参数权重大小进行排序。

其中，通过参数赋值进行重复性仿真试验是基于单因素的参数敏感性分析和基于正交试验的参数敏感性分析中的重要组成部分，也是整个实验设计的重要环节。具体车辆护栏碰撞事故仿真参数敏感性分析实验流程设计如图2所示。

（三）基于单因素的参数敏感性分析

1. 建立护栏模型

在PC-Crash软件中建立护栏模型有两种方式，第一种是以带有前桥转向的两轴拖车为模型基础部件，使用几个相互连接的部件组成护栏，并根据试验需要修改每个部件的参数，能使虚拟护栏接近真实护栏[8]，如图3所示。第二种是在软件库中直接调用已经开发出的护栏模型，该护栏模型与真实护栏外形接近，各单元具体参数也能够根据试验需要进行修改，如图4所示。

本研究中将在调用软件库中的半刚性护栏模型基础之上进行车辆护栏碰撞重复性仿真试验。

2. 输入事故车辆和环境仿真参数

为提高事故仿真精度，需要削减不必要的参数数据量对碰撞模型的影响，故先借助专家经验法筛除对车辆护栏碰撞事故影响较小的参数，选取出PC-Crash软件中相对重要的29个参数（表2）作为初步事故仿真参数进行研究[9]。

在DSD 2006车辆数据库中调出试验车辆，设置车辆型号为Audi 100-2.0，路面附着系数为0.8（dry），车辆冲入初速度为80km/h，冲入角度为20°，车辆重心初始位置为（20.900，-5.090），护栏第一单元位置为（20.900，0.00），车辆护栏之间距离为5.09m，车辆前排乘员质量为70kg，车辆后排乘员质量为70kg，车顶载重20kg，后备箱载重20kg，车辆制动迟滞时间为0.18s，制动距离为100m。

3. 仿真试验

本文主要研究车辆护栏碰撞事故仿真参数的敏感性，选取车辆和护栏的形变量，即不同试验条件下车辆碰撞护栏后，车辆和护栏的最大形变与车辆和护栏初始状态（形变数值为0）之间的数值差为评价指标。

为贴近事故真实情况，车辆和护栏的参数调用软件中的默认值。依据控制变量法，以形变量为评价指标进行大量重复性试验，评估某一参数对车辆护栏碰撞事故的影响程度。试验得到的车辆和护栏参数变动的形变量△s详见表2。

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4.单因素方差分析

由表2可以发现，主观性判断与软件系统计算得到的客观数据存在差异，为降低主观性的影响，使用SPSS软件对表2中的参数进行单因素方差分析，结果详见表3和表4。

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综合表2、表3和表4中数据分析，得到对事故仿真影响较大的12个参数：车辆重心到前轴距离sf、 车辆重心高度hv、 车辆重心位置x、车辆重心位置y、车辆空重w、碰撞点位置X、碰撞点位置Y、路面附着系数μ、车辆初速度v0、车辆最大减速度vm、车辆偏向角PSI、护栏单元连接中心高度hg。

（四）基于正交试验的参数敏感性分析

护栏、车辆和环境仿真参数情况同前文中试验参数情况，将通过单因素参数敏感性分析法获得的12个影响较大的参数作为正交试验的输入，并为每个参数选取水平级后进行正交试验，输出车辆碰撞后继续行驶角度作为评价指标。

车辆碰撞后继续行驶角度即车辆与护栏发生碰撞事故时，车辆碰撞护栏后驶离碰撞点继续前进的角度，是交通事故再现分析中评估车辆行驶状态和评价护栏安全性的非常重要的参数。

1.确定参数水平级

分别取低、中、高3个水平级对12个参数进行水平级标定（详见表5），水平制定时遵循下列原则：

（1）对于软件中已内置较为确定取值的车辆、护栏和环境参数，包括车辆重心到前轴距离、车辆重心高度、车辆重心位置、车辆空重、路面附着系数、护栏单元连接中心高度，中水平级应参照软件中参数默认值取值。

（2）对于不确定的随机参数，包括碰撞点位置、车辆初速度、车辆最大减速度、车辆偏向角PSI，水平级分级标定应参照大量的文献资料和碰撞仿真试验结果，确定低水平和高水平的大致取值。

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2.选取正交试验表和结果分析

要试验的因素为12个参数，依据制定的3个水平级选择标准正交表L27(313)，设置一列为空列。依据试验序号在PCCrash软件中完成27次车辆护栏碰撞仿真试验，得到车辆碰撞后继续行驶角度，详见表6。

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极差分析法作为正交试验结果分析中一项实用性很强的分析方法，能够对各因素的影响大小进行直观地比较，因此本文选用极差分析法对表6中各因素试验数据及试验结果进行分析。均值1、均值2、均值3分别代表了低水平、中水平、高水平三个水平级的数据平均值，计算各因素的最大均值与最小均值的差值得到极差，通过极差间的比较得到因素排序，即确定参数对于车辆护栏碰撞事故仿真的显著性，详见表7。

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表7中极差较大的因素，表示了对应参数对于事故仿真的敏感性较大，反之则小。通过因素间极差比较，得到影响车辆碰撞后继续行驶角度的参数排序：车辆偏向角PSI>车辆重心到前轴距离sf>碰撞点位置Y>护栏单元连接中心高度hg> 车辆重心位置y>车辆空重w>车辆重心高度hv>路面附着系数μ>车辆初速度v0>车辆最大减速度vm>碰撞点位置X>车辆重心位置x。根据权重排序，优先调整影响程度大的参数，能够使得车辆护栏碰撞事故仿真的准确度提高。

二、案例验证

（一）事故基本情况

2016年某日，某市收费站附近公路护栏段发生单车事故，驾驶员驾驶红旗牌轿车由北向南右侧车道内行驶，由于躲闪前方突然出现的障碍物，不慎与非机动车道西侧的半刚性护栏发生碰撞，车内乘员受伤，车辆及护栏损坏，事故现场图如图5所示。

（二）仿真参数输入及结果分析

在PC-Crash软件库中调用道路、车辆和半刚性护栏模型，依据事故现场信息修改参数，使得模型与真实道路、车辆和护栏尽可能相符，输入车辆重心位置、车辆与护栏碰撞位置等初始参数，在不考虑参数权重的情况下调整各个仿真参数，仿真效果与实际事故情况相差较大，也增加了车辆碰撞护栏后继续行驶角度及车辆停止位置等的误差，如图6所示。若依据前面得到的参数权重有针对性地优先调整敏感性较强的参数，微调敏感性较弱的参数，则能够在较短时间内得到与实际事故情况大致符合的仿真效果，如图7所示，由于车辆碰撞护栏后继续行驶角度的误差值控制在5%左右，故在误差允许的范围内认为利用PC-Crash软件对车辆护栏碰撞全过程的仿真结果合理，表明了前面对于仿真参数敏感性的研究有助于提高仿真的准确度[10]。

三、结语

本文基于PC-Crash软件的仿真支持，主要运用控制变量法、单因素参数敏感性分析法和正交试验法实现了对车辆护栏碰撞事故仿真参数的筛选和敏感性分析，得到了对车辆护栏碰撞事故仿真影响较大的12个参数及权重排序：车辆偏向角PSI>车辆重心到前轴距离sf>碰撞点位置Y>护栏单元连接中心高度hg>车辆重心位置y>车辆空重w>车辆重心高度hv> 路面附着系数μ>车辆初速度v0>车辆最大减速度vm>碰撞点位置X>车辆重心位置x，不仅扩充了交通事故微观分析理论基础，为单车事故预警算法选取及护栏结构设计优化提供参考，也为交通部门微观分析与处理车辆护栏碰撞事故提供了技术支持。