垂直侧碰电动自行车的机动车超速辨别模型设计
为了更加方便准确地判定在垂直侧碰电动自行车事故中机动车是否超速，本文利用动能定理和骑车人抛距与碰撞速度的经验公式，结合骑车人抛距逆向还原小汽车制动时刻速度，提出小汽车超速辨别模型。利用物理推导，动量守恒及动能定理，结合骑车人、电动自行车的抛距和大型车碰撞后的制动距离，逆向还原大型车制动时刻速度，提出大型车超速辨别模型，并利用神经网络对其优化。运用PC-Crash仿真，结果表明小汽车超速辨别模型辨别精度相对现有确定小汽车碰撞速度的GIDAS最多可提升15.94%，神经网络可将误差较大的[34,42]km/h区间内大型车超速辨别误差减小至1%以下。关键词 垂直侧碰 机动车 超速辨别模型 逆向还原 神经网络
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本课题的主要研究内容及研究思路 3
2 垂直侧碰事故及相关事故数据 4
2.1 垂直侧碰界定 4
2.2 垂直侧碰事故分析 5
2.3 相关定义 5
3 超速辨别模型设计 7
3.1 小汽车超速辨别模型设计 7
3.2 大型车超速辨别模型设计 8
4 超速辨别模型有效性验证 12
4.1 验证方法及流程 12
4.2 小汽车超速辨别模型有效性验证 12
4.3 大型车超速辨别模型有效性验证 16
5 基于BP神经网络算法的大型车超速辨别模型优化 19
5.1 优化流程 19
5.2 误差分析及模型修正 20
5.3 样本采集 21
5.4 神经网络的设计 22
5.5 检测 24
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
附 录 35
1 绪论
1.1 课题研究背景
随着我国城市交通的发展，电动自行车的社会保有量不断增加，成为了居民最青睐的交通工具。过去10年，电动自行车销售量超过1.5亿辆，是机动化历史上规模最大、发展最迅 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
速的燃料替代型交通工具[1]。电动自行车交通是解决居民中短距离出行和接驳换乘的理想交通方式，特别是在我国二三线城市中电动自行车交通基本代替了人力自行车，已经成为了交通系统中不可或缺的重要组成部分[2]。
然而，电动自行车的交通事故率却逐年上升。究其原因，一方面，电动自行车因其具有较高灵活性，较快的启动速度，正逐步取代传统自行车的地位，使得道路上的电动自行车数量激增，但行驶过程中稳定性较差，违章率高给其带来了巨大的安全隐患，同时我国机动车驾驶员法律意识较为淡薄，超速现象经常发生，遇到紧急情况时，难以在短时间内采取有效的避让措施；另一方面机动车流和电动自行车流在城市交叉口等地交汇冲突，缺乏有效的隔离措施，导致了机动车与电动自行车的碰撞事故的频发。
在诸多事故类型中，机动车垂直侧碰电动自行车给电动自行车的骑车人和机动车驾驶员带来的人身危害最大。而导致碰撞事故的直接原因是机动车的超速行驶，因此为了有效降低此类事故发生的频率，改善机动车流和电动自行车流的交汇冲突处的交通安全，对机动车超速辨别的研究显得尤为重要。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
Taylor研究了自行车与机动车的混合行为时个体间隙接受行为的概率模型与两者
在不同接受间隙情形下的独立决策模型，并通过实验研究了自行车的最佳减速度以及不同环境的减速度极值[3]。
Werner, Newberry等运用多刚体模型对自行车正常行驶过程中与前方障碍物碰撞时骑车人的运动响应进行了模拟。仿真模型和模拟结果通过自行车志愿者进行验证[4]。
1988年，荷兰国家应用科学研究院道路车辆研究所 Huijbers等人研究了汽车与自行车的数学模型模拟与碰撞模拟试验，汽车碰撞速度选择为2040km/h，自行车速度选择为静止和15km/h两种状态[5]。
1.2.2 国内研究现状
由于国内电动自行车的普及，在机动车的超速辨别上有较多的研究。但对于机动车垂直侧碰电动自行车的事故中，机动车超速的辨别不多，主要如下两种方法：
一是通过勘测事故现场的痕迹，利用机动车行驶方向上的动量守恒，建立机动车、电动自行车、骑车人各参量的模型来计算碰撞速度，然后利用制动痕迹确定机动车制动时刻的速度[6]。
二是利用正推法的仿真软件[7]重现事故发生的过程还原机动车制动时刻速度，从而辨别机动车是否超速。
但上述研究方法存在缺陷。第一种方法由于碰撞机理非常复杂，抛出角无法准确再现，导致模型的计算存在较大的误差；第二种方法通过迭代仿真的方法来确定机动车是否超速，但这样耗时较长，即尚不存在一种方便准确的方法来辨别机动车在此碰撞形态下的事故中是否超速。
近年来，许多学者做出了对机动车垂直侧碰电动自行车或二轮车近似事故中的研究，总结如下：
2012年，尹学杨在硕士学位论文中提出了实车碰撞实验和计算机虚拟仿真试验两种再现汽车与电动自行车碰撞事故的方法[8]。
2013年，徐梦雪，林庆峰，王伟通过PCCrash仿真拟合出了骑车人的抛距与机动车碰撞速度的关系，并计算出了车辆侧面碰撞电动自行车事故中骑车人头部伤害的碰撞速度阈值为50km/h[9]。
2014年，葛如海，李丞运用MADYMO软件建立轿车、电动自行车、骑车人的多刚体碰撞模型，来研究轿车碰撞初速度与电动自行车、骑车人抛距的关系。通过仿真结果与监控录像截图及数据的对比，验证了模型的准确性[10]。
2014年，王申超研究了基于 PCCrash 的轿车与电动自行车碰撞事故的再现方法。将众多再现输入参数中对再现结果影响较大的参数分离出来，采用理论分析、单因素分析、多因素试验设计等方法对参数敏感性进行研究，得到了基于 PCCrash的对再现结果中轿车最终位置较为敏感的参数：轿车碰撞前速度、减速度和制动协调时间[11]。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本课题的主要研究内容及研究思路 3
2 垂直侧碰事故及相关事故数据 4
2.1 垂直侧碰界定 4
2.2 垂直侧碰事故分析 5
2.3 相关定义 5
3 超速辨别模型设计 7
3.1 小汽车超速辨别模型设计 7
3.2 大型车超速辨别模型设计 8
4 超速辨别模型有效性验证 12
4.1 验证方法及流程 12
4.2 小汽车超速辨别模型有效性验证 12
4.3 大型车超速辨别模型有效性验证 16
5 基于BP神经网络算法的大型车超速辨别模型优化 19
5.1 优化流程 19
5.2 误差分析及模型修正 20
5.3 样本采集 21
5.4 神经网络的设计 22
5.5 检测 24
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
附 录 35
1 绪论
1.1 课题研究背景
随着我国城市交通的发展，电动自行车的社会保有量不断增加，成为了居民最青睐的交通工具。过去10年，电动自行车销售量超过1.5亿辆，是机动化历史上规模最大、发展最迅 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
速的燃料替代型交通工具[1]。电动自行车交通是解决居民中短距离出行和接驳换乘的理想交通方式，特别是在我国二三线城市中电动自行车交通基本代替了人力自行车，已经成为了交通系统中不可或缺的重要组成部分[2]。
然而，电动自行车的交通事故率却逐年上升。究其原因，一方面，电动自行车因其具有较高灵活性，较快的启动速度，正逐步取代传统自行车的地位，使得道路上的电动自行车数量激增，但行驶过程中稳定性较差，违章率高给其带来了巨大的安全隐患，同时我国机动车驾驶员法律意识较为淡薄，超速现象经常发生，遇到紧急情况时，难以在短时间内采取有效的避让措施；另一方面机动车流和电动自行车流在城市交叉口等地交汇冲突，缺乏有效的隔离措施，导致了机动车与电动自行车的碰撞事故的频发。
在诸多事故类型中，机动车垂直侧碰电动自行车给电动自行车的骑车人和机动车驾驶员带来的人身危害最大。而导致碰撞事故的直接原因是机动车的超速行驶，因此为了有效降低此类事故发生的频率，改善机动车流和电动自行车流的交汇冲突处的交通安全，对机动车超速辨别的研究显得尤为重要。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
Taylor研究了自行车与机动车的混合行为时个体间隙接受行为的概率模型与两者
在不同接受间隙情形下的独立决策模型，并通过实验研究了自行车的最佳减速度以及不同环境的减速度极值[3]。
Werner, Newberry等运用多刚体模型对自行车正常行驶过程中与前方障碍物碰撞时骑车人的运动响应进行了模拟。仿真模型和模拟结果通过自行车志愿者进行验证[4]。
1988年，荷兰国家应用科学研究院道路车辆研究所 Huijbers等人研究了汽车与自行车的数学模型模拟与碰撞模拟试验，汽车碰撞速度选择为2040km/h，自行车速度选择为静止和15km/h两种状态[5]。
1.2.2 国内研究现状
由于国内电动自行车的普及，在机动车的超速辨别上有较多的研究。但对于机动车垂直侧碰电动自行车的事故中，机动车超速的辨别不多，主要如下两种方法：
一是通过勘测事故现场的痕迹，利用机动车行驶方向上的动量守恒，建立机动车、电动自行车、骑车人各参量的模型来计算碰撞速度，然后利用制动痕迹确定机动车制动时刻的速度[6]。
二是利用正推法的仿真软件[7]重现事故发生的过程还原机动车制动时刻速度，从而辨别机动车是否超速。
但上述研究方法存在缺陷。第一种方法由于碰撞机理非常复杂，抛出角无法准确再现，导致模型的计算存在较大的误差；第二种方法通过迭代仿真的方法来确定机动车是否超速，但这样耗时较长，即尚不存在一种方便准确的方法来辨别机动车在此碰撞形态下的事故中是否超速。
近年来，许多学者做出了对机动车垂直侧碰电动自行车或二轮车近似事故中的研究，总结如下：
2012年，尹学杨在硕士学位论文中提出了实车碰撞实验和计算机虚拟仿真试验两种再现汽车与电动自行车碰撞事故的方法[8]。
2013年，徐梦雪，林庆峰，王伟通过PCCrash仿真拟合出了骑车人的抛距与机动车碰撞速度的关系，并计算出了车辆侧面碰撞电动自行车事故中骑车人头部伤害的碰撞速度阈值为50km/h[9]。
2014年，葛如海，李丞运用MADYMO软件建立轿车、电动自行车、骑车人的多刚体碰撞模型，来研究轿车碰撞初速度与电动自行车、骑车人抛距的关系。通过仿真结果与监控录像截图及数据的对比，验证了模型的准确性[10]。
2014年，王申超研究了基于 PCCrash 的轿车与电动自行车碰撞事故的再现方法。将众多再现输入参数中对再现结果影响较大的参数分离出来，采用理论分析、单因素分析、多因素试验设计等方法对参数敏感性进行研究，得到了基于 PCCrash的对再现结果中轿车最终位置较为敏感的参数：轿车碰撞前速度、减速度和制动协调时间[11]。
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