CN102063573B - 一种坠车事故分析计算与模拟再现计算机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坠车事故分析计算与模拟再现计算机系统，该系统包括六个模拟计算子系统：坠车事故现场基本数据录入与存储子系统，坠车瞬间车辆运动量计算子系统，车辆-公路防护设施碰撞瞬间运动量计算子系统，坠车事故车辆行驶车速计算子系统，坠车事故三维过程再现子系统，坠车事故模拟计算结果输出描述子系统。利用本系统的工作界面，输入坠车事故现场勘察数据并经过系统归一化处理和校核后，启动相关计算、再现与输出模块，完成坠车事故车辆运动力学状态分析计算、坠车事故过程三维再现，实现坠车事故现场勘察数据录入与存储及坠车事故特征计算数据表输出等功能。

Description

一种坠车事故分析计算与模拟再现计算机系统

技术领域

本发明涉及计算机仿真应用技术领域，具体涉及一种坠车事故分析计算与模拟再现系统。

背景技术

坠车事故是特大道路交通事故的主要事故形态，2007-2009年我国发生一次死亡10人以上特大道路交通事故76起，其中因坠车发生的事故45起，占事故总数的59.2%。坠车事故不仅给人们的生活、生产带来巨大的损失，而且增加了公安交通管理部门处理交通事故压力和工作量。由于车辆在坠车过程中的运动状态极其复杂，对我国传统的道路交通事故分析方法和手段提出了挑战，同时也对公安交通管理部门处理此类交通事故的科学性和严谨性提出了严峻的考验。

坠车交通事故是指由于车速过快、制动失效、转向失效、爆胎等因素引起的车辆从悬崖或陡坡以一定的初速度冲出路外，并沿抛物线轨迹在空中飞行后落地，而后在边坡翻滚多次（或直接）坠落至山谷或江河的一类特定的道路交通事故形态。此类事故由于事故车辆存在冲出道路前的失控运动、冲出道路时的与公路防护设施碰撞冲击、冲出道路后坠落过程中的抛物与翻滚运动等复合型运动状态，造成了坠车交通事故车辆动力学计算分析和事故过程模拟再现的极其复杂性，成为了道路交通事故计算机分析再现技术领域的难点和前沿技术之一。

我国传统的坠车事故分析鉴定方法是根据能量守恒定律，计算出汽车坠落前瞬间的车辆行驶速度。如目前常用的计算公式有：                                               

。该类计算方法过于简单化和理想化，且不可能进行事故过程再现，用这类方式进行坠车事故车速鉴定和运动状态判别根本不能适应坠车事故复杂的现场情况，使用起来具有很大的局限性，事故分析鉴定结果精度很差、可信度太低。

经对现有技术文献检索发现，目前国内外针对坠车道路交通事故计算与模拟再现的研究尚未开展。本系统开创性地提出了解析计算与模拟再现坠车交通事故的整体方案，构建了坠车交通事故分析计算与模拟再现系统。本发明系统层次分明，输入界面简洁，操作简单，录入数据精炼，约束条件易于确定，且模拟计算精度高，准确性好，不要求使用人员具备较高的专业技术水平。本发明不仅能够科学地分析计算坠车交通事故的成因，有效地提高坠车事故鉴定与处理的技术含量，而且其分析鉴定结果受到交通管理部门、事故鉴定单位、事故当事人的高度认同，同时还能通过事故成因分析，强化机动车驾驶员的交通安全意识，加强道路交通设施规划和设计。

发明内容

本发明填补了国内外现有道路交通事故模拟再现技术研究的空白，提供一种坠车交通事故分析计算与模拟再现系统，具有坠车事故计算分析、三维过程再现、主要计算参数输出功能。利用本系统，可以从坠车事故现场检测获得的事故车辆与公路防护设施碰撞位置、车辆受损变形情况、公路防护设施受损变形情况、冲出道路位置、坠车着地位置、最终停车位置、车体碰撞痕迹位置、事故车辆的主要结构参数、事故现场道路路段及边坡的结构形式等参数，求得在事故现场地面坐标系中的采取制动措施时的车速、碰撞防护设施时的车速、坠车瞬间的车速以及三维再现坠车事故车辆的运动状况等。

为了达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种坠车事故分析计算与模拟再现计算机系统，该计算机系统至少包括：

坠车事故现场基本数据录入与存储子系统，用于实现坠车事故现场基本参数录入、特征点的校核、输入数据归一化以及输入数据存储；

坠车瞬间车辆运动量计算子系统，用于根据归一化处理后事故车辆坠地位置、最后停止位置逆向计算得到事故车辆坠车瞬间的6自由度线速度值与角速度值；

车辆-公路防护设施碰撞瞬间运动量计算子系统，用于根据归一化处理校核的事故现场基础数据和坠车瞬间事故车辆6自由度线速度值与角速度值，计算得到事故车辆与公路防护设施碰撞作用前瞬间的6自由度线速度值与角速度值；

坠车事故车辆行驶车速计算子系统，用于根据归一化处理校核的事故现场基础数据和事故车辆与公路防护设施碰撞作用前瞬间6自由度线速度值与角速度值，计算事故车辆在危险状态发生瞬间的6自由度运动状态值和事故发生前正常行驶车速值；

坠车事故三维过程再现子系统，用于根据归一化校核处置的事故现场基础数据、事故车辆与公路防护设施碰撞作用前瞬间的6自由度线速度值与角速度值及行车速度，实现坠车事故全景全过程状态的三维再现效果；

坠车事故模拟计算结果输出描述子系统，用于根据归一化校核处置的事故现场基础数据、事故车辆与公路防护设施碰撞作用瞬间的6自由度线速度值与角速度值及行车速度、三维过程再现结果，输出坠车事故特征计算数据表，并实现坠车事故案例数据存储和调用；

所述的坠车事故现场基本数据录入与存储子系统、坠车瞬间车辆运动量计算子系统、车辆-公路防护设施碰撞瞬间运动量计算子系统、坠车事故车辆行驶车速计算子系统、坠车事故三维过程再现子系统以及坠车事故模拟计算结果输出描述子系统依次相连，同时坠车事故车辆行驶车速计算子系统、坠车事故三维过程再现子系统以及坠车事故模拟计算结果输出描述子系统相连，坠车事故模拟计算结果输出描述子系统又与坠车事故现场基本数据录入与存储子系统相连。

本发明的其他技术特征为：

所述的坠车事故现场基本数据录入与存储子系统包括坠车事故现场勘察数据输入与归一化模块和坠车事故数据存储模块；所述的坠车事故现场勘察数据输入与归一化模块，用于完成事故现场基本数据录入、输入参数归一化处理、坠车位置参数校核、关联数据装载；

所述的坠车事故数据存储模块，用于存储事故现场数据，该模块采用Access数据库技术，利用 VC++6.0开发平台建立了坠车事故现场勘察数据仓库，并实现数据调用与链接。

所述的坠车瞬间车辆运动量计算子系统包括坠地后车辆滚翻动力学计算模块和车体抛物运动计算模块；所述的坠地后车辆滚翻动力学计算模块用于逆向计算车辆坠车落地瞬间车辆的6自由度线速度值与角速度值；

所述的车体抛物运动计算模块，用于根据坠地后车辆滚翻动力学计算模块计算得到的车辆坠车落地瞬间车辆的6自由度线速度值与角速度值。

所述的车辆-公路防护设施碰撞瞬间运动量计算子系统包括基于有限元网格划分原理的车体塑性变形当量冲击速度计算模块和基于有限元网格划分原理的公路防护设施变形与剪切当量冲击速度计算模块；所述的基于有限元网格划分原理的车体塑性变形当量冲击速度计算模块用于计算事故车辆撞击变形而吸收的当量冲击速度；

所述的基于有限元网格划分原理的公路防护设施变形与剪切当量冲击速度计算模块，用于计算公路防护设施车辆受撞击产生塑性变形及发生剪切折断而吸收的当量冲击速度。

所述的坠车事故车辆行驶车速计算子系统包括5质量15自由度车辆动力学计算模块和逆向工程多目标6维搜索计算模块；所述的5质量15自由度车辆动力学计算模块用于计算事故车辆在各种受力和各种运动状况下的瞬时运动姿态与运动量值；逆向工程多目标6维搜索计算模块用于计算事故车辆在危险状态发生瞬间的6自由度运动状态值和事故发生前正常行驶车速值。

所述的坠车事故三维过程再现子系统包括基于OpenGL图形技术的坠车事故诸元底层3维透视图形建模模块和坠车事故动画驱动及印迹显示模块；所述的基于OpenGL图形技术的坠车事故诸元底层3维透视图形建模模块，根据归一化校核处置的事故现场基础数据，采用OpenGL三维图形开发技术来实现事故车辆、道路、边坡、护栏、立柱及电线杆三维透视图形的底层建模；

所述的坠车事故动画驱动及印迹显示模块，利用3维透视图形对坠车事故全景全过程在屏幕上场景空间坐标系中实时显示车辆在给定时间步长上的各瞬时形态和在冲出道路前的轮胎印迹，并取得动画连续表现坠车事故全景全过程状态的三维再现效果。

所述的坠车事故模拟计算结果输出描述子系统包括坠车事故案例数据仓库模块、坠车事故特征计算数据表输出模块；所述的坠车事故案例数据仓库模块采用Access数据库技术，利用 VC++6.0开发平台建立了坠车事故案例数据仓库，用于存储模拟计算生成的事故案例数据和事故案例调用；所述的坠车事故特征计算数据表输出模块，根据归一化校核处置的事故现场基础数据、事故车辆与公路防护设施碰撞作用瞬间的6自由度线速度值与角速度值及行车速度，输出事故发生的时间、地点、天气、护栏型式、碰撞前轨迹点、车辆坠崖后最初落地位置、方位角、俯仰角、侧翻角、坠崖前车辆有效制动痕迹长度、车辆冲击折断护栏地角及护板螺栓个数、护栏板被车辆撞断长度、道路路面宽度、道路等效附着系数、路段平曲线半径、道路纵坡度、采取制动措施时的车速、碰撞护栏时的车速及坠车瞬间的车速等能够概括坠车事故特征的主要数据。

本发明的研究成果将改变传统的低效、落后的道路交通事故分析处理方式和手段、具有高效、形象化、真实感和透明度高等特性，将有效提高交通事故鉴定与处理的技术含量，使其分析鉴定结果容易受到交通管理部门、事故鉴定单位、事故当事人的高度认同，起到分清责任、避免激化矛盾、减少社会不稳定因素、增进社会生活的和谐运行等重要作用，促进我国道路交通事故的鉴定更具科学性、准确性和权威性。本发明可被道路交通事故鉴定处理部门、科研院所、汽车企业、保险公司以及国外同行所采用，具有明显的行业共性和社会公益性。

通常情况下，实际道路碰撞事故现场调查而得的碰撞车速数据都不准确，不宜用来验证解析计算模型的正确性。本发明在一组可精确控制条件下的实车碰撞实验数据和试验结果对模拟再现系统进行了比对验证。在给定的相应计算条件下，主计算模型的解析计算碰撞车速的平均相对误差值为5.21%，最大相对误差为11.5%。碰撞后车辆运动轨迹及停止位置的模拟再现结果与试验结果基本吻合。

附图说明

图1为坠车事故分析计算与模拟再现系统框图；

图2为坠车事故现场基本数据录入与存储子系统数据流程图；

图3为坠车瞬间车辆运动量计算子系统数据流程图；

图4为车辆-公路防护设施碰撞前瞬间运动量计算子系统数据流程图；

图5为坠车事故车辆行驶车速计算子系统数据流程图；

图6为坠车事故三维过程再现子系统数据流程图；

图7为坠车事故模拟计算结果输出描述子系统数据流程图

图8为本发明实施例事故基本信息数据输入对话窗口；

图9为本发明实施例事故车型设置对话窗口；

图10为本发明实施例公路参数设定对话窗口；

图11为本发明实施例车辆坠崖前行驶轨迹点设置对话窗口；

图12为本发明实施例事故车辆坠崖后位置设置对话窗口；

图13为本发明实施例事故车速计算结果；

图14为本发明实施例事故三维过程再现；

图15为本发明实施例车速计算数据表；

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细说明。

具体实施方式

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了具体的操作过程和详细的实施方案，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本系统包括六个模拟计算子系统：（1）坠车事故现场基本数据录入与存储子系统，（2）坠车瞬间车辆运动量计算子系统，（3）车辆-公路防护设施碰撞瞬间运动量计算子系统，（4）坠车事故车辆行驶车速计算子系统，（5）坠车事故三维过程再现子系统，（6）坠车事故模拟计算结果输出描述子系统。利用本系统的工作界面，输入坠车事故现场勘察数据并经过系统归一化处理和校核后，启动相关计算、再现与输出模块，完成坠车事故车辆运动力学状态分析计算、坠车事故过程三维再现，实现坠车事故现场勘察数据录入与存储及坠车事故特征计算数据表输出等功能。

本系统各个主要功能模块的实现设计方案和执行顺序为：

（1）参见图2，坠车事故现场基本数据录入与存储子系统，用于实现坠车事故现场基本参数录入、特征点的校核、输入数据归一化以及输入数据存储。参数归一化主要是对输入参数数据进行标准化处理、消除量纲和数量级的差异。本子系统包括两个功能模块：坠车事故现场勘察数据输入与归一化模块和坠车事故数据存储模块。

a) 坠车事故现场勘察数据输入与归一化模块，用于完成事故现场基本数据录入、输入参数归一化处理、坠车位置参数校核、关联数据装载。依据交警对坠车事故现场勘验获得的事故车辆与公路防护设施碰撞位置、冲出道路位置、坠车着地位置、最终停车位置、事故车辆和公路防护设施碰撞损伤痕迹、事故车辆的主要结构参数、性能参数及装载条件、事故现场道路路段及边坡的结构形式、公路防护物位置、类别、形式、尺寸及材质等参数，可快速完成事故现场基本数据录入、输入参数归一化处理、坠车位置参数校核、关联数据装载，为后续的事故模拟计算、三维过程再现提供归一化现场数据支持。

b) 坠车事故数据存储模块用于存储事故现场数据。采用Access数据库技术，利用 VC++6.0开发平台建立了坠车事故现场勘察数据仓库，并实现数据调用与链接功能。坠车事故数据存储模块可将通过对话窗口录入并经过预处理和归一化后的事故现场数据保存至坠车事故现场勘察数据仓库。

（2）参见图3，坠车瞬间车辆运动量计算子系统，在完成前节坠车事故现场勘察数据读入、校核和归一化处理后，启动本子系统可由事故车辆坠地位置、最后停止位置逆向计算得到事故车辆坠车瞬间的6自由度线速度值与角速度值。本子系统包括两个功能模块：车体抛物运动计算模块和坠地后车辆滚翻动力学计算模块。

a) 坠地后车辆滚翻动力学计算模块可以根据归一化处理的坠车事故现场勘察输入数据，计算得到车辆落地瞬间车辆的6自由度线速度值与角速度值。本模块以从坠车事故现场勘测得到并经过归一化校核处理后的事故车辆坠落车辆最初着地位置、道路边坡形状、车辆结构参数、车辆装载情况及最终停止位置与姿态等事故现场基础数据为依据，将车辆整体视为一刚性整体，应用刚体（车辆）3维空间翻转与平移复合运动动力学计算方法，逆向计算得到车辆坠车落地瞬间车辆的6自由度线速度值与角速度值。

刚体（车辆）3维空间翻转与平移复合运动动力学计算方法：车辆坠车着地瞬间，先以一定的初速度向前翻滚，再以翻滚后的速度向前滑移直至停止。在整个过程中将车辆视为刚性整体，根据车辆坠车着地瞬间车辆位置与姿态、车辆最终停止位置与姿态、车辆在边坡上的翻滚次数、平移距离，采用能量守恒定律、地面摩擦力学方法，计算得到车辆坠车落地瞬间车辆的6自由度线速度值与角速度值。

b) 车体抛物运动计算模块，在前面计算得到的车辆坠车落地瞬间车辆的6自由度线速度值与角速度值的基础上，读入经校核和归一化处理的坠车事故现场道路边坡结构勘察输入数据，计算得到坠车瞬间车辆的6自由度线速度值与角速度值。本模块以从坠车事故现场勘测得到并经过归一化校核处理后的事故车辆冲出道路瞬间位置与姿态、车辆最初着地位置与姿态、道路边坡结构（高度、层次、坡度等）、车辆结构参数、车辆装载情况等事故现场基础数据为依据，在计算得到车辆坠车落地瞬间车辆的6自由度线速度值与角速度值的基础上，应用刚体抛物线运动力学理论计算得到事故车辆冲出道路边缘坠车瞬间的6自由度线速度值与角速度值。车辆坠车过程中，汽车运动的水平方向速度分量

为一常数且等于汽车驶出路边瞬间的速度，汽车下落运动分量为自由落体运动。由自由落体运动性质得到：

其中，

为瞬时水平运动速度，

为落地点到飞出点道路边界的水平距离，h为坠车高度，g为重力加速度。

（3）参见图4，车辆-公路防护设施碰撞瞬间运动量计算子系统，根据归一化处理校核的事故现场基础数据和坠车瞬间事故车辆6自由度线速度值与角速度值，计算得到事故车辆与公路防护设施碰撞作用前瞬间的6自由度线速度值与角速度值。本系统根据归一化处理校核的公路防护设施的结构形式、事故车辆和公路防护设施碰撞损伤痕迹等事故现场基础数据，在完成前述坠车瞬间的6自由度线速度值与角速度值计算的基础上，应用基于车辆变形能量、护栏变形与剪切能量和碰撞面摩擦接触力学的有限元变形能量计算方法和依据能量守恒原理的当量冲击速度折算方法求得事故车辆与公路防护设施碰撞作用阶段的合成减速度量值，进而计算得到事故车辆与公路防护设施碰撞作用前瞬间的6自由度线速度值与角速度值。本子系统包括两个功能模块：基于有限元网格划分原理的车体塑性变形当量冲击速度计算模块和公路防护设施变形与剪切当量冲击速度计算模块。

a) 基于有限元网格划分原理的车体塑性变形当量冲击速度计算模块，用于计算事故车辆撞击变形而吸收的当量冲击速度。首先根据有限元网格划分原理圆整事故车辆大面积复杂变形（域）为等效规整变形（域）并计算车辆在失控状态下撞击公路防护设施产生塑性变形后所吸收的能量值，然后依据能量守恒原理，折算得到与车身变形能量相当的当量冲击速度。本模块是对车辆碰撞前车速与车体变形间关系进行定量分析。本方法的有限元网格划分是指将事故车辆车身变形区域（往往为无规则大面积复杂形状）划分为若干微小单元，求出各单元受撞击产生塑性变形后所吸收的元能量值，然后再集合得到总变形能量并圆整变形区域为具有当量变形能量的标准球面（形）。

b) 基于有限元网格划分原理的公路防护设施变形与剪切当量冲击速度计算模块，用于计算公路防护设施车辆受撞击产生塑性变形及发生剪切折断而吸收的当量冲击速度。首先根据有限元网格划分原理圆整防护设施变形复杂变形（域）为等效规整变形（域）并计算在事故车辆撞击下公路防护设施产生塑性变形后所吸收的能量值，并根据材料力学理论计算公路防护设施发生剪切折断的能量值，然后依据能量守恒原理，折算得到与公路防护设施变形和折断能量相当的当量冲击速度。

（4）坠车事故车辆行驶车速计算子系统，根据归一化处理校核的事故现场基础数据和事故车辆与公路防护设施碰撞作用前瞬间6自由度线速度值与角速度值，可以计算得到事故车辆在危险状态发生瞬间的6自由度运动状态值和事故发生前正常行驶车速值。本系统根据归一化处理的事故现场勘察得到的车辆碰撞前制动距离（痕迹）值或车辆失控侧滑距离（痕迹）值等事故现场基础数据、事故车辆与公路防护设施碰撞作用瞬间的6自由度线速度值与角速度值，利用5质量15自由度车辆动力学计算模块，采用以碰撞瞬间位置、姿态和运动参量为计算目标的多目标6维搜索算法，计算得到事故车辆在危险状态发生前的正常运动状态值（行驶车速）。本子系统包括二个模块：5质量15自由度车辆动力学计算模块和逆向工程多目标6维搜索计算模块。

a) 5质量15自由度车辆动力学计算模块（包括精细化车轮-地面力学模型），用于计算事故车辆在各种受力和各种运动状况下的瞬时运动姿态与运动量值。具体计算方法：采用车辆车身质量（汽车簧载质量）6自由度（在空间坐标系中，分别沿X、Y、Z方向的3个的线速度以及绕X轴旋转的侧倾运动，绕Y轴旋转的俯仰运动以及绕Z轴旋转的横摆运动）、4个车轮独立质量（汽车簧载质量）所具有的垂直运动和4个车轮独立质量（汽车簧载质量）所具有的滚动运动，以及前轮平均转向（角）运动。（具体公式参见：魏朗等.道路交通事故模拟再现的车辆动力学三维模型.交通运输工程学报.2003.3(3).）

其中，精细化车轮-地面力学模块，用于计算地面对轮胎的作用力。对于运动中的汽车而言，除空气作用和重力外，几乎所有其他影响汽车运动状态的外力（或力矩）都是以地面作用于轮胎的形式来传递给车体的。当事故车辆在碰撞冲击惯性作用下，从碰撞作用结束瞬间开始“自由运动”直至车辆最后停止，此期间碰撞车辆只受重力和车轮—地面作用力的作用，空气作用力可以忽略不计。轮胎-地面作用力计算与车轮侧偏角、轮胎特性及垂直载荷相关，本模块采用具有大侧偏角运动适应性的G.Gim轮胎理论力学模型计算地面对轮胎的作用力。（G.Gim轮胎理论力学模型具体公式参见：魏朗.用于碰撞事故中车辆动力学模拟的轮胎模型分析.西安公路交通大学学报,1999.2(1)）

b) 逆向工程多目标6维搜索计算模块, 用于计算事故车辆在危险状态发生瞬间的6自由度运动状态值和事故发生前正常行驶车速值。具体方案是：以前节计算得到的车辆与公路防护设施碰撞瞬间时的位置、姿态和运动参量为计算目标，以根据事故现场地面痕迹状况确定的事故车辆与公路防护设施发生碰撞前的失控状态与形式、车辆失控前运动状态与行驶路线、制动距离或失控侧滑距离值为计算条件，使用5质量15自由度车辆动力学计算模块，采用黄金分割原理自动变更迭代步长，进行多目标6维逆向搜索计算，求得事故车辆在失控瞬间运动状态值和正常行驶车速值。

为了提高计算模拟的精确度，将本子系统的计算目标值与事故现场采集到的实际情况作对比，如果计算目标值达到精度要求，则搜索得到事故车辆在失控瞬间运动状态值和正常行驶车速值；如果达不到精度要求则继续以车辆与公路防护设施碰撞瞬间时的位置、姿态和运动参量为计算目标，使用5质量15自由度车辆动力学计算模块计算事故车辆当前状况下的瞬时运动姿态与运动量值，采用黄金分割原理变更迭代步长，进行多目标6维逆向搜索计算，直到模拟计算结果达到精度要求。

（5）坠车事故三维过程再现子系统，根据归一化校核处置的事故现场基础数据、事故车辆与公路防护设施碰撞作用前瞬间的6自由度线速度值与角速度值及行车速度，实现坠车事故全景全过程状态的三维再现效果。本系统利用5质量15自由度车辆运动力学计算模块、车体抛物运动计算模块和坠地后车辆滚翻动力学计算模块等由始及终顺序计算车辆在事故过程各个环节和各个时段的瞬时姿态（车辆质心坐标值及车身横摆、俯仰、侧倾等3自由度角度值）与瞬时运动量（6自由度线速度与角速度值），同时调用坠车动画驱动及印迹显示模块，在屏幕上场景空间坐标系中实时显示车辆在给定时间步长上的各瞬时形态和在冲出道路前的轮胎印迹，并取得动画连续表现坠车事故全景全过程状态的三维再现效果。为了在实际操作中提高计算模拟的精确度，可将本系统的三维过程再现结果与事故现场采集到的真实情况作对比，如果准确度达到精度要求，则可输出事故模拟计算结果；如果准确度不高，应当在保证事故碰撞中心基本准确的前提下，实时调整事故现场基本输入参数及经验推测参数，提高计算模拟的准确度，达到优化计算结果的目的。本子系统包括二个模块：基于OpenGL图形技术的坠车事故诸元（车辆、现场道路与环境）底层3维透视图形建模模块和坠车事故动画驱动及印迹显示模块。

a) 基于OpenGL图形技术的坠车事故诸元（车辆、现场道路与环境）底层3维透视图形建模模块，根据归一化校核处置的事故现场基础数据，采用OpenGL三维图形开发技术来实现事故车辆、道路、边坡、护栏、立柱、电线杆等三维透视图形的底层建模。 

b) 坠车事故动画驱动及印迹显示模块，实现利用3维透视图形对坠车事故全景全过程三维过程再现。在三维透视图形的底层建模的基础上，实现利用5质量15自由度车辆运动力学计算模块、车体抛物运动计算模块和坠地后车辆滚翻动力学计算模块等由始及终顺序计算车辆在事故过程各个环节和各个时段的瞬时姿态（车辆质心坐标值及车身横摆、俯仰、侧倾等3自由度角度值）与瞬时运动量（6自由度线速度与角速度值），在屏幕上场景空间坐标系中实时显示车辆在给定时间步长上的各瞬时形态和在冲出道路前的轮胎印迹，并取得动画连续表现坠车事故全景全过程状态的三维再现效果。

（6）坠车事故模拟计算结果输出描述子系统，根据归一化校核处置的事故现场基础数据、事故车辆与公路防护设施碰撞作用瞬间的6自由度线速度值与角速度值及行车速度、三维过程再现结果，输出坠车事故特征计算数据表，并实现坠车事故案例数据存储和调用。本子系统包括二个功能模块：坠车事故案例数据仓库模块、坠车事故特征计算数据表输出模块。

a) 坠车事故案例数据仓库模块用于存储模拟计算生成的事故案例数据和事故案例调用。本模块采用Access数据库技术，利用 VC++6.0开发平台建立了坠车事故案例数据仓库。

b) 坠车事故特征计算数据表输出模块，根据归一化校核处置的事故现场基础数据、事故车辆与公路防护设施碰撞作用瞬间的6自由度线速度值与角速度值及行车速度，输出事故发生的时间、地点、天气、护栏型式、碰撞前轨迹点、车辆坠崖后最初落地位置、方位角、俯仰角、侧翻角、坠崖前车辆有效制动痕迹长度、车辆冲击折断护栏地角及护板螺栓个数、护栏板被车辆撞断长度、道路路面宽度、道路等效附着系数、路段平曲线半径、道路纵坡度、采取制动措施时的车速、碰撞护栏时的车速及坠车瞬间的车速等能够概括坠车事故特征的主要数据。

本发明经过对坠车事故的分析计算与模拟再现，其结果以三维动画过程再现和主要特征参数计算数据表的形式表述出来，可以作为公安交警部门进行坠车事故技术鉴定和事故责任认定的证据材料。

根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

以下发明人给出现实发生的真实案例，通过利用本分析、模拟再现系统所完成的整个交通事故鉴定的全过程。

实施例1

2008年9月13日13时25分，在四川省道101线525公里+300米，由南江县向光雾山镇方向行驶的大客车发生坠车事故。事故现场为急弯路段。事故发生时天晴，干燥水泥路面。模拟计算结果：汽车坠崖瞬间的行驶速度为17.8km/h，驾驶员采取制动措施时的速度为55.1km/h，汽车碰撞护栏时的速度为22.8km/h。

数据输入对话窗口操作步骤：

① 参加图8，运行软件，执行【汽车公路坠车事故】命令，弹出【事故发生时的基本情况文字列对话窗口】对话框。根据交警对事故现场勘验获得的事故基本信息数据，在各文本框中依据字段要求输入事故发生时的基本信息。

② 参加图9，第一步对话框内容输入完毕后，单击【下一步】按钮，弹出【事故车类型设定对话窗口】对话框。根据交警对事故现场勘验获得的车辆结构参数数据，设定事故发生时车辆类型等数据。

③ 参加图10，第二步对话框内容输入完毕后，单击【下一步】按钮，弹出【公路参数设定对话窗口】对话框。根据交警对事故现场勘验获得的道路结构参数数据，在对话框中输入道路结构信息及边坡基本状况。

④ 参加图11，第三步对话框内容输入完毕后，单击【下一步】按钮，弹出【车辆坠崖前行驶轨迹点对话窗口】对话框。根据交警对事故现场勘验获得的车辆坠车位置参数和地面痕迹检测数据，在对话框中输入汽车坠崖前痕迹点等数据。

⑤ 参加图12，第四步对话框内容输入完毕后，单击【下一步】按钮，弹出【车辆坠崖后位置对话窗口】对话框。根据交警对事故现场勘验获得的车辆坠崖后位置参数和地面痕迹检测数据，在对话框中输入车辆坠崖后最初落地位置状态和最终停止位置状态等数据。

⑥ 第五步对话框内容输入完毕后，单击【下一步（确定）】按钮。屏幕显示事故现场数据输入完毕。至此，汽车坠车事故分析计算与模拟再现系统对话窗口数据输入的操作结束，可执行系统的数据存储和事故计算功能。

本发明的汽车坠车事故模拟再现系统具体操作步骤如下：

（1） 如图13所示，单击工具栏【事故计算】按钮，进行3碰撞运动力学计算。

（2） 如图14所示，单击工具栏【三维再现】按钮，实现事故三维过程再现。

（3） 如图15所示，单击工具栏【数据表输出】按钮，实现车速计算数据表输出。

Claims (5)

1.一种坠车事故分析计算与模拟再现计算机系统，该计算机系统至少包括：

坠车事故现场基本数据录入与存储子系统，用于实现坠车事故现场基本数据录入、特征点的校核、输入数据归一化以及输入数据存储；

坠车瞬间车辆运动量计算子系统，用于根据归一化处理后事故车辆坠地位置、最后停止位置逆向计算得到事故车辆坠车瞬间的6自由度线速度值与角速度值；

所述的坠车瞬间车辆运动量计算子系统包括坠地后车辆滚翻动力学计算模块和车体抛物运动计算模块；其中：

所述的坠地后车辆滚翻动力学计算模块以从坠车事故现场勘测得到并经过归一化校核处理后的事故车辆坠落车辆最初着地位置、道路边坡形状、车辆结构参数、车辆装载情况及最终停止位置与姿态事故现场基本数据为依据，将车辆整体视为一刚性整体，应用刚体3维空间翻转与平移复合运动动力学计算方法，逆向计算得到车辆坠车落地瞬间车辆的6自由度线速度值与角速度值；

所述的车体抛物运动计算模块，用于根据坠地后车辆滚翻动力学计算模块计算得到的车辆坠车落地瞬间车辆的6自由度线速度值与角速度值，读入经校核和归一化处理的坠车事故现场道路边坡结构勘察输入数据，应用刚体抛物线运动力学理论计算得到事故车辆冲出道路边缘坠车瞬间的6自由度线速度值与角速度值；

车辆-公路防护设施碰撞瞬间运动量计算子系统，用于根据归一化处理校核的事故现场基本数据和坠车瞬间事故车辆6自由度线速度值与角速度值，计算得到事故车辆与公路防护设施碰撞瞬间的6自由度线速度值与角速度值；

坠车事故车辆行驶车速计算子系统，用于根据归一化处理校核的事故现场基本数据和事故车辆与公路防护设施碰撞瞬间6自由度线速度值与角速度值，计算事故车辆在碰撞瞬间的6自由度运动状态值和事故发生前正常行驶车速值；

所述的坠车事故车辆行驶车速计算子系统包括5质量15自由度车辆动力学计算模块和逆向工程多目标6维搜索计算模块；其中：

所述的5质量15自由度车辆动力学计算模块用于计算事故车辆在各种受力和各种运动状况下的瞬时运动姿态与运动量值；

逆向工程多目标6维搜索计算模块用于计算事故车辆在碰撞瞬间的6自由度运动状态值和事故发生前正常行驶车速值，该模块以5质量15自由度车辆动力学计算模块计算得到车辆与公路防护设施碰撞瞬间的位置、姿态和运动参量为计算目标，以根据事故现场地面痕迹状况确定的事故车辆与公路防护设施发生碰撞前的失控状态与形式、车辆失控前运动状态与行驶路线、制动距离或失控侧滑距离值为计算条件，使用5质量15自由度车辆动力学计算模块，采用黄金分割原理自动变更迭代步长，进行多目标6维逆向搜索计算，求得事故车辆在碰撞瞬间运动状态值和事故发生前正常行驶车速值；

坠车事故三维过程再现子系统，用于根据归一化校核处置的事故现场基本数据、事故车辆与公路防护设施碰撞瞬间的6自由度线速度值与角速度值及行车速度，实现坠车事故全景全过程状态的三维再现效果；

坠车事故模拟计算结果输出描述子系统，用于根据归一化校核处置的事故现场基本数据、事故车辆与公路防护设施碰撞瞬间的6自由度线速度值与角速度值及行车速度、三维过程再现结果，输出坠车事故特征计算数据表，并实现坠车事故案例数据存储和调用；

所述的坠车事故现场基本数据录入与存储子系统、坠车瞬间车辆运动量计算子系统、车辆-公路防护设施碰撞瞬间运动量计算子系统、坠车事故车辆行驶车速计算子系统、坠车事故三维过程再现子系统以及坠车事故模拟计算结果输出描述子系统依次相连；

同时：

坠车事故现场基本数据录入与存储子系统与坠车瞬间车辆运动量计算子系统连接；

坠车事故现场基本数据录入与存储子系统和坠车瞬间车辆运动量计算子系统分别与车辆-公路防护设施碰撞瞬间运动量计算子系统相连接；

坠车事故现场基本数据录入与存储子系统、车辆-公路防护设施碰撞瞬间运动量计算子系统分别与坠车事故车辆行驶车速计算子系统相连接；

坠车事故现场基本数据录入与存储子系统、车辆-公路防护设施碰撞瞬间运动量计算子系统、坠车事故车辆行驶车速计算子系统分别与坠车事故三维过程再现子系统相连接；

坠车事故现场基本数据录入与存储子系统、坠车事故车辆行驶车速计算子系统、车辆-公路防护设施碰撞瞬间运动量计算子系统、坠车事故三维过程再现子系统分别与坠车事故模拟计算结果输出描述子系统相连接。

2.如权利要求1所述的坠车事故分析计算与模拟再现计算机系统，其特征在于，所述的坠车事故现场基本数据录入与存储子系统包括坠车事故现场勘察数据输入与归一化模块和坠车事故数据存储模块；其中：

所述的坠车事故现场勘察数据输入与归一化模块，用于完成事故现场基本数据录入、输入参数归一化处理、坠车位置参数校核、关联数据装载，依据交警对坠车事故现场勘验获得的事故车辆与公路防护设施碰撞位置、冲出道路位置、坠车着地位置、最终停车位置、事故车辆和公路防护设施碰撞损伤痕迹、事故车辆的主要结构参数、性能参数及装载条件、事故现场道路路段及边坡的结构形式、公路防护物位置、类别、形式、尺寸及材质参数，完成事故现场基本数据录入、输入参数归一化处理、坠车位置相关参数校核、关联数据装载，为事故模拟计算、三维过程再现提供归一化现场数据支持；

所述的坠车事故数据存储模块，用于存储事故现场数据，该模块采用Access数据库技术，利用 VC++6.0开发平台建立了坠车事故现场勘察数据仓库，并实现数据调用与链接。

3.如权利要求1所述的坠车事故分析计算与模拟再现计算机系统，其特征在于，所述的车辆-公路防护设施碰撞瞬间运动量计算子系统包括基于有限元网格划分原理的车体塑性变形当量冲击速度计算模块和基于有限元网格划分原理的公路防护设施变形与剪切当量冲击速度计算模块；其中：

所述的基于有限元网格划分原理的车体塑性变形当量冲击速度计算模块用于计算事故车辆撞击变形而吸收的当量冲击速度，该模块首先根据有限元网格划分原理圆整事故车辆大面积复杂变形域为等效规整变形域并计算车辆在失控状态下撞击公路防护设施产生塑性变形后所吸收的能量值，然后依据能量守恒原理，折算得到与车身变形能量相当的当量冲击速度；

所述的基于有限元网格划分原理的公路防护设施变形与剪切当量冲击速度计算模块，用于计算公路防护设施车辆受撞击产生塑性变形及发生剪切折断而吸收的当量冲击速度，该模块根据有限元网格划分原理圆整防护设施变形复杂变形域为等效规整变形域并计算在事故车辆撞击下公路防护设施产生塑性变形后所吸收的能量值，并根据材料力学理论计算公路防护设施发生剪切折断的能量值，然后依据能量守恒原理，折算得到与公路防护设施变形和折断能量相当的当量冲击速度。

4.如权利要求1所述的坠车事故分析计算与模拟再现计算机系统，其特征在于，所述的坠车事故三维过程再现子系统包括基于OpenGL图形技术的坠车事故诸元底层3维透视图形建模模块和坠车事故动画驱动及印迹显示模块；其中：

所述的基于OpenGL图形技术的坠车事故诸元底层3维透视图形建模模块，根据归一化校核处置的事故现场基本数据，采用OpenGL三维图形开发技术来实现事故车辆、道路、边坡、护栏、立柱及电线杆三维透视图形的底层建模；

所述的坠车事故动画驱动及印迹显示模块，利用3维透视图形对坠车事故全景全过程在屏幕上场景空间坐标系中实时显示车辆在给定时间步长上的各瞬时形态和在冲出道路前的轮胎印迹，并取得动画连续表现坠车事故全景全过程状态的三维再现效果。

5.如权利要求1所述的坠车事故分析计算与模拟再现计算机系统，其特征在于，所述的坠车事故模拟计算结果输出描述子系统包括坠车事故案例数据仓库模块、坠车事故特征计算数据表输出模块；其中：

所述的坠车事故案例数据仓库模块采用Access数据库技术，利用 VC++6.0开发平台建立了坠车事故案例数据仓库，用于存储模拟计算生成的事故案例数据和事故案例调用；

所述的坠车事故特征计算数据表输出模块，根据归一化校核处置的事故现场基本数据、事故车辆与公路防护设施碰撞作用瞬间的6自由度线速度值与角速度值及行车速度，输出事故发生的时间、地点、天气、护栏型式、碰撞前轨迹点、车辆坠崖后最初落地位置、方位角、俯仰角、侧翻角、坠崖前车辆有效制动痕迹长度、车辆冲击折断护栏地角及护板螺栓个数、护栏板被车辆撞断长度、道路路面宽度、道路等效附着系数、路段平曲线半径、道路纵坡度、采取制动措施时的车速、碰撞护栏时的车速及坠车瞬间的车速以及能够概括坠车事故特征的主要数据。

Images