1.4 道路交通事故重建的方法
1.4.1 道路交通事故重建方法的分类
道路交通事故重建根据事故要素、事故形态、分析原理等不同有多种分类方法。下面简单介绍几种常用的事故重建的分类方法。
（1）根据事故序列事件分析方向的不同，事故重建可以分为前推算法与后推算法。交通事故的发生是一个过程。事故的演变过程一般均包括感知险情、发现危险、评估危险性、决策行动、避险失败、碰撞发生、造成损伤等几个阶段。这样根据事故发生的条件对事故过程进行分析计算的方法称为前推算法，该方法“以因求果”，其分析过程如图1.6所示，其解算过程如图1.7所示。
图1.6 前推算法的分析过程
图1.7 前推算法的解算过程
反之，根据事故发生后果对事故发生前的车辆行驶状态进行分析计算的方法称为后推算法，该方法“以果推因”，其解算过程如图1.8所示。
图1.8 后推算法的解算过程
使用前推算法更符合人们分析事故过程的习惯，车辆轨迹拟合度高，但车辆停止位置存在误差；使用后推算法能使事故车辆停止位置拟合更准确，但车辆运动轨迹存有误差。无论采用哪一种方法，都需要在对整个事故进行定性分析、大概估算出各种参数变化范围的基础上，经过反复验证，才能得出客观合理的结论，在事故分析中，各种参数变化范围预估，对模拟计算的过程十分重要。
（2）根据重建原理的不同，事故重建可以分为基于轨迹的重建和基于变形的重建。基于轨迹的重建即以道路交通事故过程中车辆和行人等在道路上的运行轨迹为依据，利用运动学和动力学原理，对事故发生演变过程进行分析、解算和优化的方法。目前，许多软件（如SMAC、PC-Crash）均利用轨迹法对事故过程进行解算和优化。
基于变形的重建即利用车辆变形的部位和变形量的大小及材料的特性对车辆碰撞时的速度、运动状态进行分析解算的方法。例如，事故重建软件SMAC、Crash、EES-ARM即利用事故车辆的变形对有关事故参数进行分析计算。
（3）根据事故形态的不同，事故重建可以分为碰撞事故重建和刮擦事故重建。两车之间的事故形态分为两大类：一类是碰撞事故形态，另一类是刮擦事故形态。两者的根本区别在于两车在接触过程中是否存在某一时刻，双方获得共同的运动速度。碰撞事故形态在两车交换动量的过程中存在某一时刻，使两车变形达到最大，获得相同的运动速度；而刮擦事故形态在事故发生时，双方相互作用的过程中，不存在两车获得共同运动速度的瞬间，也就是说这种事故形态不属于碰撞事故形态，也就不能运用碰撞的相关原理来分析计算，需要根据物体相互刮擦运动时的轨迹形成原理进行分析研究。
（4）根据事故双方要素的不同，事故重建可以分为行人与机动车之间的事故重建、行人与非机动车之间的事故重建、机动车与机动车之间的事故重建，以及非机动车与机动车之间的事故重建等。
（5）根据事故重建力学模型的不同，事故重建可以分为基于质点模型的事故重建、基于刚体模型的事故重建、基于多刚体模型的事故重建、基于网格模型的事故重建和基于有限元模型的事故重建（图1.9）。质点模型常用于对车辆进行运动分析，刚体模型多用于分析车辆碰撞过程运动姿态的分析，多刚体模型有助于对行人、两轮车和车辆局部进行受力和运动分析，网格模型便于对事故车辆碰撞过程中做变形分析，有限元模型可以进行更为详细的碰撞力分布与变形分析。
图1.9 重建的刚体模型、网格模型与有限元模型
交通事故涉及的要素繁多，依据不同的要素属性还可以给出更多的分类。掌握这些分类方法，可以帮助事故重建工作者对事故重建工作有较为系统和全面的了解，指导事故重建工作者选择更高效的方法开展工作。
1.4.2 道路交通事故重建技术及发展
汽车诞生以来，研究交通事故的原因、重建交通事故过程是改善汽车设计、提高汽车安全性能的重要方法，而对交通事故重建技术的研究也是随着汽车工业的发展而不断发展和完善的。到目前为止，交通事故重建技术的发展大致经历了以下五个阶段，并随着新技术、新方法的进步而不断发展。
1. 手工重建阶段
在汽车工业发展的初期，计算机和网络技术还只是一种梦想，事故调查人员重建交通事故的方法主要是在车辆地面力学、运动学、动力学及碰撞理论的指导下，利用手工重建计算与绘图工具（图1.10），对交通事故过程中车辆的位置、行驶速度、发生的位移、碰撞的接触部位等参数，借助计算工具进行手工分析计算，对事故过程进行重建，这是最基本的交通事故重建的方法。
图1.10 手工重建计算与绘图工具
除了利用车辆地面力学、运动学、动力学及碰撞理论等原理分析计算外，手工重建阶段重建人员还利用矢量合成原理，通过手工作图的方法，按照一定比例进行严格绘图。如图1.11所示，动量守恒定律的矢量方程m1v1+m2v2=m1v10+m2v20在作图后一定形成一个封闭的四边形，每一个矢量均包含动量的大小和方向。矢量四边形作图完成后，每一条边的长度即代表动量的大小，每一条边所在的方向即代表动量的方向。由此可以计算车辆碰撞前后速度的大小和方向，也可以对事故过程进行分析与重建。
图1.11 手工作图法
2. 计算机辅助重建阶段
从20世纪70年代起，计算机技术得到了迅猛发展，为交通事故重建技术的发展提供了强大的技术支撑。随着道路交通事故发生率逐渐上升，道路交通安全受到了各国交通安全管理部门的重视，国外的道路交通安全研究机构，如美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）、欧洲强化汽车安全委员会（EEVC）、日本汽车研究所（JARI）等纷纷开展了道路交通事故重建技术的研究，并开发出基于各种模型的交通事故重建系统。目前，国外相关的道路交通事故重建软件主要有SMAC、CRASH、PC-Crash、HVE、HVOSM、Virtual Crash、EDCRASH、J2DACS、CARS、WACCAR、CARAT、EES-ARM、IMPAC、TBS、VTS、LS-DYNA、PAM-CRSAH、MADYMO、Phase 4、EDVDS、Cal3D等。其中，比较著名且应用较为广泛的事故重建软件有PC-Crash、HVE、SMAC、CRASH、MADYMO、PAM-CRSAH、LS-DYNA等。这些软件在车身研究开发、道路交通事故鉴定及碰撞试验标准假人开发等研究工作中发挥了较大作用。
利用计算机软件能够依据事故车辆结构参数、车辆碰撞初速度、车辆行驶方向、碰撞角度、车辆损伤程度、车辆最后停止位置及地面轮胎痕迹，比较精确地模拟出车辆碰撞过程的速度变化曲线、行驶轨迹及损毁结果。在初始条件发生变化时可以快速生成运算结果，大大提高了交通事故重建的效率和计算的精确度。特别是随着计算机图形图像技术的发展，许多重建系统（如PC-Crash等）还可以以二维和三维的形式生成重建结果，生动逼真地展示事故过程。图1.12所示为利用PC-Crash以三维的形式重建事故过程。
图1.12 利用PC-Crash以三维的形式重建事故过程
【利用PC-Crash重建事故过程】
3. 车辆事件记录仪辅助重建阶段
车辆事件记录仪又称事件数据记录器（Event Data Recorder，EDR），泛指安装在汽车上用于记录汽车使用过程中某些特定事件的装置。这种装置能详细记录车辆在使用中发生的某种特定事件（如碰撞、翻滚、发动机某气缸熄火等）。计算机技术、存储技术和信息技术的不断发展，使汽车行驶中的信息被广泛记录成为可能，并且功能和形式越来越多的车辆事件记录装置在现代汽车上得以广泛使用。在汽车的行驶过程中，车辆事件记录仪实时监测汽车的运行状态，当某些特定事件发生时，车辆事件记录仪触发记录装置将之前一定时间的数据保存并冻结，这些数据比较准确地记录了汽车的运行状态。图1.13所示的汽车安全气囊控制模块（Airbag Control Module，ACM），用来记录汽车发生碰撞事件的情况，通常记录发生碰撞时汽车的行驶速度、发动机转速、节气门开度、制动强度、安全带使用情况、加速度或减速度、安全气囊是否起爆等数据。这些数据客观真实，能够很好地帮助交通事故调查人员重建交通事故过程，提高交通事故现场调查数据的客观性与准确性。
图1.13 汽车安全气囊控制模块
事故重建人员利用专门的数据读取装置，如碰撞数据读取仪（Crash Data Retrieval，CDR），来获取汽车发生碰撞时的一系列数据信息（图1.14），能有效辅助事故重建人员提高事故重建质量和工作的效率。
图1.14 利用碰撞数据读取仪读取安全气囊控制模块数据
【碰撞数据读取仪事故数据恢复系统组成】
4. 视频监控信息辅助重建阶段
视频监控在我国道路交通管理和社会安全管控中得到广泛应用，这些监控设施从某一特定角度记录了事故的发生过程，如图1.15所示。不仅如此，许多汽车内部还安装了行车记录仪，同时记录汽车行驶时汽车的前方或后方的交通环境及车内环境的变化。这些手段为人们研究交通事故和分析交通事故提供了重要支持。但是，无论是车内的还是车外的视频监控设施，均仅记录了事件发生时的影像，对车辆行驶时的参数并没有量化，系统仅以每秒25帧或30帧的拍摄速度记录事件的变化过程，还没有办法给出具体的如车速、方向等数值信息，多数信息如驾驶人操作与反应等只能给出定性的结论。2014年，中华人民共和国公安部颁布GA/T 1133—2014《基于视频图像的车辆行驶速度技术鉴定》，对视频图像的科学利用进行了规范。
无论是车内的视频监控装置，还是车外的视频监控装置，其安装使用的初衷均是为了行政部门及公司企业加强对车辆的使用和管理，缺乏车辆运行中定量化的数据管理。尽管视频信息直观形象，一般还能够用于计算车辆行驶速度，但是视频图像信息并不能代替事故重建工作，主要原因如下。
（1）并非所有的交通事故均具有视频监控信息。
（2）通过视频监控信息能够计算的信息是有限的。
（3）视频监控信息仅从某一侧面反映事故过程。
（4）视频监控信息受气象条件影响严重。
（5）视频监控信息通常仅拍摄到事故过程的局部。
（6）非高清视频监控信息影响其使用价值。
（7）夜晚照明条件不足时影响视频监控信息的效果。
（8）视频监控信息不能反映驾驶人和车辆反应及技术缺陷。
图1.15 利用视频监控信息辅助重建交通事故
【视频监控系统摄录的交通事故】
这些视频监控影像尽管不能取代事故重建工作，但它可以为重建工作提供大量的、客观的、定性的证据信息。事故重建人员利用这些信息，并结合车辆发生事故时的痕迹等其他信息，可以提高事故重建的准确性，检验交通事故重建结果的可靠性。
5. 基于数据融合的事故重建阶段
随着“互联网+”战略的深入实施，物联网技术深刻影响着道路交通事业，特别是车联网良好的应用环境和迫切的应用需求，使物联网和大数据技术为交通事故重建工作提供了有力的技术支持。与此同时，由于道路交通安全越来越受到政府和群众的高度关注，医疗卫生、安全生产、交通运输管理、汽车设计及科研院所等单位均投入了大量的精力对道路交通安全进行研究。交通要素数据的采集越来越详细、普遍、准确、及时，形成了庞大的跨部门、跨行业的交通管理数据库这些工作为交通事故调查、分析和重建提供了良好的条件。
现代道路交通的构成要素（人、车、路、环境等）逐渐成为物联网的重要组成部分，如图1.16所示。驾驶人、乘员及各类交通参与者通过智能手机、智能眼镜等智能终端和可穿戴设备产生的身份信息、位置、路径、速度等数据信息被搜集与管理。机动车作为车联网的重要节点也不断生成车辆位置、速度、行驶方向、周边车辆信息，以及包括车辆各总成与部件的工作技术状况，甚至驾驶人是否疲劳、是否饮酒、连续驾车时间等信息，这些信息均可以被感知和搜集。道路及交通环境信息可以通过道路交通监控装置和车辆交通监控装置及气象卫星等设施得以感知与搜集。对于一起确定的交通事故的分析与重建，上述信息与计算机仿真软件配合使用，可以更加全面、客观、准确地重建道路交通事故过程，并使重建的效率得以提高，为事故预防提供及时、科学的参考。
图1.16 道路交通事故调查可利用的大数据
随着车联网技术的不断成熟和数据信息的不断完善，基于云平台和大数据技术的交通事故重建自动化技术将成为可能。将来，道路交通事故重建系统平台可利用交通要素基本信息和事故过程中的动态数据信息自动完成道路交通事故重建工作，并按照执法办案和事故预防的要求生成重建报告。