基于事故重建的輕便兩輪車和騎車人拋距的研究*

姜 婷,代 兵

(1.山西交通職業技術學院工程機械系,太原 030000； 2.中國汽車技術研究中心,天津 300300)

基于事故重建的輕便兩輪車和騎車人拋距的研究*

姜 婷1,代 兵2

(1.山西交通職業技術學院工程機械系,太原 030000； 2.中國汽車技術研究中心,天津 300300)

為探究交通事故中輕便兩輪車和騎車人拋距的變化規律，在仿真方法可行性及數值模型的有效性得到驗證的基礎上，采用PC-Crash和MADYMO軟件對我國交通事故深入研究CIDAS數據庫中37起汽車-輕便兩輪車碰撞案例進行事故重建。結果表明，輕便兩輪車和騎車人的拋距隨著汽車碰撞速度的升高而增大，但輕便兩輪車的增大趨勢更顯著。在汽車碰撞速度低于30km/h時，輕便兩輪車的拋距小于騎車人的拋距；當汽車碰撞速度大于30km/h后，輕便兩輪車拋距呈現大于騎車人拋距的趨勢。

事故重建；輕便兩輪車；騎車人；拋距

前言

在道路使用者中，行人、騎自行車人、騎機器腳踏車人和摩托車手是最容易受傷害的人群[1]。我國目前交通狀況存在人車平均道路少、混合交通比例大的特點，因而在我國發生的不同碰撞事故類型中，汽車與兩輪車(摩托車、電動自行車、自行車)事故占有較大比例，是交通事故中的一種重要的事故形態，且該比例呈逐年上升趨勢。另外，輕便兩輪車因其存在穩定性和制動性差的特點，事故中騎車人的傷亡數量也急劇上升。2012年我國共發生汽車-兩輪車碰撞交通事故44 388起，導致10 922人死亡，直接財產損失10 252.1萬元，分別占交通事故總起數、死亡人數量和財產損失的21.74%，18.2%和8.73%[2]。

汽車與自行車、摩托車等兩輪車發生的碰撞事故是一個復雜的動力學過程，比汽車與行人的碰撞事故更為復雜，涉及到汽車與兩輪車、汽車與騎車人和兩輪車與騎車人的相互碰撞作用，因此在兩輪車的交通碰撞事故再現研究方面具有較大難度。國外學者采用計算機仿真技術對汽車與兩輪車碰撞事故進行了廣泛的研究。文獻[3]中對行人、自行車騎車人的拋距與汽車碰撞速度之間的關系進行了試驗研究，總結了相應的經驗公式，提出了利用行人、騎車人拋距來進行事故重建的方法。文獻[4]中對德國GIDAS數據庫中402例行人事故和940例汽車-自行車事故進行統計分析，對行人和騎車人頭部損傷風險及相關的動力學響應過程進行了研究；此外，采用事故PC-Crash與MADYMO聯合仿真的方法，對其中22例行人事故和18例汽車-自行車事故進行事故重建，對比分析了行人與騎車人在碰撞過程中HIC值、頭部接觸力、拋距、繞轉距離(WAD)等動力學響應參數。相對于對汽車-自行車、汽車-摩托車和汽車-行人碰撞事故的系統深入的研究而言，國內外目前對汽車-輕便兩輪車碰撞的研究很少。文獻[5]中利用PC-Crash事故重建軟件，對不同的車輛類型分別建立了車輛與自行車和騎車人側面碰撞仿真拋距模型，對車輛不采取制動的碰撞形式進行了仿真分析，對包括行人、騎車人和自行車等數學模型的研究現狀、存在的問題和發展前沿進行了論述。文獻[6]中對長沙地區493例電動自行車事故進行統計得出，騎車人頭部和下肢是電動自行車騎車人受傷的主要部位，其中頭部是造成騎車人死亡的主要部位。

2011年7月，中國汽車技術研究中心中國交通事故深入研究(CIDAS)工作組開展了針對長沙、北京、長春、寧波、威海、佛山、成都等地區的深入事故調查和交通傷流行病學研究。通常兩輪車包括自行車、電動自行車和摩托車3大類型。為便于分析統計，CIDAS事故調查按照排量大小和外形尺寸將兩輪車劃分為自行車、電動自行車、排氣量小于50mL的輕便摩托車、排氣量大于50mL的摩托車等種類。由于外形尺寸相近，且在交通事故中越來越多的電動自行車出現輕摩化特點，因此本文中將電動自行車和排氣量小于50mL的輕便摩托車歸為一類進行拋距研究，并將這兩種形態特征相近的車型統稱為輕便兩輪車。

本文中采用PC-Crash和MADYMO軟件對CIDAS數據庫中一起典型汽車-輕便兩輪車碰撞事故進行仿真重建，通過仿真結果與深入事故調查結果比較，驗證了仿真方法的可行性和數值模型的有效性。從CIDAS數據庫中挑選出37例汽車-輕便兩輪車前部碰撞事故，并對每一例事故進行了PC-Crash事故重建，在此基礎上對比分析了輕便兩輪車和騎車人的拋距特點及變化趨勢。

1 方法

1.1 事故信息采集

根據汽車-輕便兩輪車事故調查所需數據內容，結合事故發生過程中人、車和環境3要素[7]，采集典型事故的車輛基本信息、輕便兩輪車信息、騎車人信息和道路環境等信息，每個部分按照事故發生過程可以劃分為碰撞前、碰撞中和碰撞后3個階段。車輛基本信息除了包括碰撞前的行駛速度、制動信息和駕駛員操作情況，碰撞時的碰撞速度和碰撞位置以及碰撞后的車輛變形、刮擦痕跡等信息外，還包括車輛制造商、車型、車身顏色、出廠年份、裝備質量等信息。與車輛基本信息類似，除了采集輕便兩輪車的碰撞前行駛速度、制動信息，碰撞時刻的初始碰撞位置、落地位置，碰撞后的損壞變形情況外，還采集輕便兩輪車制造商、車型、輪距和坐墊高度等信息。騎車人信息除了包括騎車人性別、年齡、身高、坐高和體質量之外，還包括碰撞前的騎行姿態、騎行速度、騎行方向、相對汽車的位置，碰撞中的初始落地位置、最終落地位置、拋出距離、身體碰撞部位，以及碰撞后的損傷部位、損傷嚴重程度、致傷原因等信息。道路和環境信息包括事故發生時的天氣情況、道路類型、道路材料、路面情況，碰撞過程中的路面碰撞痕跡、碰撞后的制動距離及其他痕跡。

1.2 建模

1.2.1 事故信息

本文中用于事故重建的案例發生于長沙岳麓區楓林一路與白云路交匯路口。一位男性青年騎輕便兩輪車以約15km/h速度由北往南橫穿楓林一路，此時黑色起亞OPTIMA汽車以約50km/h時速沿楓林一路由西往東直行，圖1為根據事故草圖繪制的事故現場CAD圖。

圖1 事故現場CAD圖

事故發生時，汽車前部與輕便兩輪車右側面相撞，汽車保險杠、發動機罩前緣、發動機罩中部發生大變形，汽車風窗玻璃右下側有騎車人頭部撞擊裂紋，汽車損壞情況如圖2所示。騎車人最終拋出距離相距碰撞點約為6m，損傷情況為頭部前額挫裂傷(AIS1)、右下肢股骨骨折(AIS3)。

圖2 汽車損壞情況

事故中汽車、輕便兩輪車、騎車人基本信息如表1～表3所示。

表1 汽車基本信息

表2 輕便兩輪車基本信息

表3 騎車人基本信息

利用MADYMO軟件建立汽車、輕便兩輪車和騎車人模型，汽車對輕便兩輪車和騎車人的碰撞接觸需要在模型中設置反映穿透深度-接觸合力之間關系的剛度特性。汽車前保險杠和發動機罩及其前緣等各部分的機械特性由力-變形函數定義，相應的機械特性數據從Euro NCAP碰撞試驗獲得[8]。

1.2.2 汽車模型

汽車的多剛體模型基于肇事車輛同年份同車型的幾何模型建立。根據事故調查信息，事故車輛主要技術參數如表4所示。

在MADYMO中將汽車整體視為一個剛體，汽車的表面選取橢球面來表示，根據車體的具體外形參數確定橢球面的中心位置及半軸，把汽車的表面劃分為若干個橢球面，而這些表面都是依附在質心位置的剛體上，剛體用一個自由鉸與參考空間相連接，用來控制車體的位置及運動狀態，圖3為汽車模型的主視圖。同時，根據文獻[9]中給出的典型接觸特性曲線，定義汽車前部保險杠、發動機罩前緣、發動機罩中部、發動機罩后部、風窗玻璃下緣和風窗玻璃中間各部分的接觸特性。

表4 事故車輛主要技術參數

圖3 汽車模型

1.2.3 輕便兩輪車模型

輕便兩輪車的多剛體模型同樣基于事故車輛同年份同車型的幾何模型建立。根據事故調查信息，兩輪車的主要技術參數如表5所示。

表5 兩輪車主要技術參數

在MADYMO軟件中，采用同樣的方法，根據事故車型數據信息建立輕便兩輪車模型。如圖4所示，該模型由22個橢球和6個鉸鏈組成，其中1個萬向鉸、1個平面鉸和1個平移鉸分別與全局坐標系連接，另外3個轉動鉸則描述前后輪、龍頭把手處的相對轉動。輕便兩輪車的接觸特性參考文獻[10]中所做的部件試驗數據來定義。

圖4 輕便兩輪車模型

1.2.4 騎車人模型

本文中騎車人原始模型采用CPMi(Chalmers Pedestrian Model i)多剛體人體模型[11]，并通過MADYMO程序中的GEBOD模塊對原始模型進行縮放，以獲得一個在人體質量、身高和其他人體測量學參數與事故案例中騎車人足夠接近的假人模型。此外，還應調節假人模型的各個鉸鏈狀態，使其符合騎車時的姿態，調整假人位置及其關節的狀態，使其能自然地騎在輕便兩輪車上，最終的騎車人模型如圖5所示。

圖5 騎車人模型

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仿真兩個部分。圖6為這兩個部分聯合仿真流程圖[12]。對于PC-Crash仿真而言，現場測量及草圖繪制十分關鍵，據此不僅可以估計出事故的初始碰撞位置，還可獲得車輛與傷者的最終位置、制動痕跡以及散落物信息。車輛信息包括事故車輛的車損情況、汽車類別和車型信息。傷者信息主要包括騎車人的身高、坐高、體質量、年齡、受傷部位和損傷程度等信息。目擊者證據及回勘問詢可以得到碰撞形態、騎車人姿態等重要參考信息。

圖6 事故重建流程圖

基于PC-Crash的仿真結果輸出，可以在MADYMO中進行汽車初始碰撞速度和方向、輕便兩輪車初始碰撞速度和方向、騎車人碰撞時姿態等參數設置。最終MADYMO輸出包括碰撞動態響應過程、汽車與輕便兩輪車及騎車人最終位置、騎車人損傷等參數。當仿真結果與真實事故調查信息相一致時，則認為事故重建完成。

1.3.2 仿真參數設定

根據事故車輛及輕便兩輪車、騎車人的最終位置、車輛的運動軌跡和可能行駛的速度范圍等信息，通過PC-Crash仿真得到碰撞速度、碰撞位置及減速度等關鍵參數。把這些關鍵參數作為邊界條件定義MADYMO仿真模型。

在整個仿真過程中需要定義汽車與兩輪車、汽車與騎車人、騎車人與兩輪車，以及它們各自與地面的多組接觸，根據MADYMO理論指南[13]，該過程中具體接觸關系為：汽車前部保險杠、發動機罩及其邊緣與兩輪車車體和輪胎的碰撞接觸；騎車人頭部、上肢、胸部、腹部與汽車的風窗玻璃、發動機罩的碰撞接觸，以及其臀部、下肢與汽車的前保險杠、發動機罩前緣的碰撞接觸；騎車人手部與兩輪車手把的抓握接觸，以及騎車人身體與兩輪車的接觸；汽車車輪、兩輪車車輪和車體、騎車人身體各個部分與地面的接觸。另外在仿真中通過定義SURFACE.PLANE來模擬路面，考慮到碰撞后騎車人運動的不確定性，將其簡化成具有摩擦作用和接觸特性的無限大的水平面。同時針對不同類型的接觸面(橢球面、有限元網格面)，選用多剛體-多剛體(MB-MB)、有限元-多剛體(FE-MB)和有限元-有限元(FE-FE)接觸算法。為了在計算接觸力時同時考慮主(Master)、從(Slave)接觸面接觸特性的影響，將CONTACT_TYPE設置為COMBINE，接觸力的施力點取決于它們的接觸特性。

基于事故實際發生環境的調查信息，參考文獻[14]中對汽車與兩輪車碰撞事故的仿真研究成果，定義汽車、輕便兩輪車車輪與事故地點干燥瀝青路面的摩擦因數為0.7，騎車人與汽車表面的摩擦因數為0.3、與輕便兩輪車的摩擦因數為0.4、騎車人與地面的摩擦因數為0.6，同時設定好需要輸出的人車碰撞接觸力及身體各部位損傷指標，便于結果分析。

1.4 統計方法

回歸分析是一種處理變量之間相關關系最為常用的統計方法，本文中采用一元二次多項式回歸分析模型來研究輕便兩輪車及騎車人在碰撞事故中的拋距與汽車碰撞速度之間的關系。基本的一元二次多項式回歸方程公式為

y=A+Bx+Cx2

式中：A,B和C為回歸系數；y為對應自變量x代入回歸方程的計算值，稱為回歸值。A為y軸截距，B和C為常數，回歸方程對應的R2為相關系數，它描述了回歸曲線的相關性，R2越接近1，說明回歸方程越顯著。

2 結果討論

2.1 事故重建仿真結果

2.1.1 事故最終形態對比

通過多次PC-Crash仿真試驗發現，騎車人和輕便兩輪車的最終拋出距離隨著汽車碰撞速度的增大而增大，碰撞后的最終形態也隨著碰撞速度的不同而呈現出變化。根據汽車駕駛員和目擊者的描述，結合碰撞點的位置及該路段的限速情況，經PC-Crash仿真分析得出，當汽車碰撞速度為49km/h，輕便兩輪車-騎車人速度為15km/h時，得到的仿真結果與實際情況最為符合。

2.1.2 騎車人動態響應過程

將PC-Crash輸出參數作為MADYMO仿真的邊界條件進一步對事故進行仿真，騎車人的動態響應過程如圖7所示。由圖可見：碰撞初始時刻，輕便兩輪車位于汽車前方中間位置；t=34ms時刻，騎車人右下肢與汽車前保險杠及發動機罩前緣首先碰撞接觸，騎車人軀干開始倒向發動機罩；t=90ms時刻，騎車人與輕便兩輪車分離，上肢與發動機罩接觸；t=200ms時，騎車人頭部與風窗玻璃右下側碰撞，身體其他部位抬起并有向外側滑移趨勢；t=805ms時，騎車人身體從汽車右前側滑落到地面；t=1300ms時，騎車人身體在地面上滑移后靜止。騎車人右下肢、頭部與汽車的接觸部位、從汽車上滑落到地面的方式與事故調查中現場勘查情況相吻合。

圖7 騎車人動態響應過程

2.1.3 騎車人損傷參數輸出

圖8 騎車人頭部質心合成加速度

圖8為計算得出的騎車人頭部質心合成加速度曲線。由圖可見：頭部加速度變化存在兩次峰值，第一次是t=147ms時刻頭部與前風窗玻璃右下側發生的碰撞，此時峰值較低，仿真輸出的HIC15值為508.67；第二次是t=922ms時刻騎車人頭部與地面發生的第二次碰撞，此次峰值較高，HIC15值為1 445.49。由此可以推斷出，導致騎車人頭部前額挫裂傷的主要原因在于頭部與地面的二次碰撞，而這與事故現場勘查、醫院報告結果相符合。

圖9為騎車人右下肢股骨軸向壓縮力曲線。由圖并參照騎車人動態響應過程可以發現，在t=27ms時刻騎車人右下肢與汽車發動機罩前緣碰撞，此時股骨軸向壓縮力F=10319.20N，已超出股骨損傷臨界值FFC=7850N。因此可以推斷出此時刻的碰撞是導致騎車人右下肢股骨骨折的原因。

圖9 騎車人右下肢股骨軸向壓縮力

2.2 拋距與汽車碰撞速度關系

拋距是指事故發生的初始碰撞點到被碰撞物體最終停止位置之間的距離，該距離包括3個階段：碰撞接觸階段、空中拋出階段和地面滑行階段。在進行事故現場勘查時，對拋距現場測量值的誤差及可靠性帶來影響的主要有兩點：碰撞點的判斷和騎車人及輕便兩輪車最終位置的判斷。

車輛與騎車人初始碰撞位置的判斷主要依據事故現場所遺留的痕跡，例如騎車人衣物和隨身物品的散落位置，電動自行車部件碰撞散落位置等。并且根據當事人和目擊者的口述來綜合分析。由于騎車人和兩輪車的最終位置相對容易獲得，初始碰撞位置的確定往往對拋出距離測量值的測量準確性產生較大影響。由于少部分案例存在事故現場被人為移動的情況，故與仿真重建結果存在一定偏差。

基于對拋距現場測量值的誤差影響因素的考慮，為使分析結果可靠，本文中選取的37例事故案例均包含了現場勘查、當事人及目擊證人問訊、現場回勘、交警筆錄和監控視頻調閱等步驟，進一步減小了事故調查過程中的人為測量誤差，確保了拋距測量值的可靠性。

騎車人和輕便兩輪車事故現場拋距測量值與仿真結果比較情況如圖10和圖11所示。從圖中可以看出，大部分案例的拋距現場測量值與仿真結果比較接近。

圖10 騎車人拋距測量值與仿真結果比較

圖11 輕便兩輪車拋距測量值與仿真結果比較

圖12為汽車事故現場碰撞速度估計值與仿真結果比較情況。從圖中可以看出，37例事故的汽車碰撞速度估計值與仿真結果均比較接近。

圖12 汽車碰撞速度估計值與仿真結果比較

圖13為騎車人與汽車碰撞速度之間關系，為驗證仿真結果的有效性，對PC-Crash仿真值與事故測量值分別進行了比較。從圖13中可以看出，騎車人拋距與汽車碰撞速度呈現出一定的正相關性，仿真結果回歸曲線與測量結果回歸曲線的相關系數R2分別為0.700 4與0.670 8。經過事故調查人員的回訪統計，發現在部分汽車-輕便兩輪車碰撞事故中，騎車人會有主動轉向避讓行為，這也進一步顯示了騎車人拋距與汽車碰撞速度之間規律性不強、弱相關性的特點。

圖13 騎車人拋距與汽車碰撞速度關系

圖14為輕便兩輪車拋距與汽車碰撞速度之間關系，為驗證仿真結果的有效性，對PC-Crash仿真值與事故測量值分別進行了比較。從圖14中可以看出，輕便兩輪車拋距與汽車碰撞速度之間的正相關性較騎車人更為明顯，輕便兩輪車拋距仿真結果回歸曲線與測量結果回歸曲線的相關系數R2分別為0.843 6與0.797 7。相對與騎車人而言，輕便兩輪車由于在碰撞后往往發生人車分離現象，因此其碰撞后的拋距不再受到騎車人的影響，從而也顯示出了輕便兩輪車與汽車碰撞速度之間較強相關性的特點。

圖14 輕便兩輪車拋距與汽車碰撞速度關系

圖15更直觀地比較了輕便兩輪車及騎車人拋距與汽車碰撞速度的關系(采用驗證后的仿真結果進行比較)。總體上看，無論是輕便兩輪車拋距還是騎車人拋距都與汽車碰撞速度呈現正相關性，其中輕便兩輪車拋距回歸曲線的相關系數R2為0.843 6，騎車人拋距回歸曲線的相關系數R2為0.700 4。隨著汽車碰撞速度的增加，兩者拋距均呈二次多項式關系增加，從兩條回歸曲線趨勢圖可以看出輕便兩輪車的增大趨勢更明顯。

圖15 騎車人與輕便兩輪車拋距比較

從圖15中還可以看出：當汽車碰撞速度低于30km/h時，騎車人拋距略大于輕便兩輪車拋距；當汽車碰撞速度高于30km/h時，輕便兩輪車拋距明顯高于騎車人拋距。

3 結論

通過CIDAS數據庫中37例事故輕便兩輪車和騎車人拋距現場測量值與仿真重建結果的比較，發現大部分案例的拋距現場測量值與仿真結果比較接近，由于少部分案例存在事故現場被人為移動的情況，因此少數案例的測量值與仿真重建結果存在一定的偏差。

經過事故調查人員的回訪統計，發現在部分汽車-輕便兩輪車碰撞事故中，騎車人會有主動轉向避讓行為，因此出現了騎車人拋距與汽車碰撞速度之間規律性不強、弱相關性的特點。相對于騎車人而言，輕便兩輪車由于在碰撞后往往發生人車分離現象，因此其碰撞后的拋距不再受到騎車人的影響，因此輕便兩輪車與汽車碰撞速度之間的相關性更強。

雖然騎車人與輕便兩輪車的拋距均隨著汽車碰撞速度的增加而增大，但是兩者的拋距增大趨勢仍然存在一定的區別。經過輕便兩輪車拋距與騎車人拋距之間的對比，發現輕便兩輪車拋距的增大趨勢比騎車人的增加趨勢更為明顯。當汽車碰撞速度低于30km/h時，輕便兩輪車的拋距小于騎車人的拋距；當汽車碰撞速度大于30km/h后，輕便兩輪車拋距呈現明顯大于騎車人拋距。

本文為進一步深入研究輕便兩輪車事故中騎車人的人體損傷動力學響應及其損傷防護提供了依據，研究結果不僅可以應用于汽車與兩輪車碰撞的事故分析和防護措施技術研究，還可為日益多發的兩輪車事故交通事故司法鑒定研究提供指導和借鑒。此外，本研究還為交通系統安全管理、車輛安全性能設計和道路通行環境的改善提供了必要的參考依據。

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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

*中國汽車技術研究中心中國交通事故深入研究項目(11140108)資助。

2016230

原稿收到日期為2016年5月4日，修改稿收到日期為2016年7月4日。