多物理场仿真在法律领域的应用

2019年 6月 17日

仿真软件越来越多地应用于各种科学和工程领域。那么,在法律领域呢?模拟本质上是对现实的模仿或表现,在法庭上,律师试图弄清楚现实中发生的或未发生的事情及原因。本篇博文探讨了在法庭上使用模拟软件,尤其是法官(在美国)确定何时允许在法律审判中使用模拟软件的规则。

使用仿真软件的法律案例类型

模拟软件可以帮助证明案件是否发生以及发生的原因,并对案件类型没有限制。在法律界,最为人所知的模拟软件应用案例为于汽车事故案例,这类模拟的专门程序已经使用了很多年。不仅如此,模拟软件还被用于更多的其他法律目的,包括:

  1. 说明公用事业客户可能使用多少蒸汽(Commercial Union Ins. Co. v. Boston Edison Co.
  2. 在涉及车辆侧翻的产品责任案中展示车辆动力学和乘员运动学(Harvey v. 通用汽车公司
  3. 确定被控破坏财产的犯罪者的可能高度(Commonwealth v. Caruso

为了说明模拟软件在法律领域的强大功能,让我们看看下面的例子,其中聘请了COMSOL的认证顾问Veryst Engineering来分析盘式制动器的故障。由于控制打开和关闭制动器臂的卡钳的劣化,使得制动衬片过早磨损。应该预期的问题是卡钳和制动衬片是否迅速恶化,以至于可能没有及时识别。仿真软件用于分析卡钳故障对制动衬片磨损的影响。
 Veryst Engineering,COMSOL 的认证顾问 Multiphysics,创造了这种盘式制动器的模拟,包括制动盘/转子和刹车片。
在事故发生后对失效的卡钳进行测试表明它们具有大约两倍于新制造产品的闭合力。接下来的问题是,应用力的这种变化是否可以解释制动系统制动衬块磨损的增加。

基于 Archard 定律的修改版本实施了磨损模型:

ẇ = k(H,T)pNVT

其中磨损深度在任何一点的变化率与正常接触压力pN有关 ; 滑动速度VT 和常数k是材料硬度H和温度T的函数。

最常见的是在COMSOL Multiphysics中使用边界常微分方程(ODE)实现上述磨损方程,其中磨损深度为自由度。之后将磨损深度用作接触表面之间的偏移。仅当接触表面之间的穿透力等于磨损深度时才实施接触。这种磨损算法非常有效,但仅适用于磨损明显小于接触表面宽度的情况。

最重要的是在制动衬块处产生热量,然后将其与温度相关的磨损率耦合。下图说明了这种多物理场模型,其中在给定时间显示了接触压力和磨损。底部图像在给定时间再次提供制动盘和垫温度的视图。下图显示的模型和物理来自实际情况。为了保密,一些细节(例如几何和加载值)已更改。

 

动画由Veryst Engineering提供。

 

动画由Veryst Engineering提供。

模拟软件是确定制动衬块是否会在卡钳力发生意外变化时迅速恶化的关键,并且考虑到实际制动衬片的检查显示出大量损坏。下图显示了刹车片温度随时间的增加,这会影响磨损率。
显示增加的图表刹车片温度随着时间的推移。
图片由Veryst Engineering提供。

不同负载条件下的时间相关模拟结果显示了磨损如何随时间发展,预测的磨损曲线与失效制动器中观察到的一致。因此,模拟最终表明,性能较差的卡钳可能会迅速产生高温并导致灾难性和快速的刹车片磨损。

使用模拟来支持或驳斥发生了什么理论以及为什么可以成为建立关键法律问题的关键。

可采纳的2个标准

计算机模拟是由在特定领域具有资格的专家证人的证词提供的,他将使用模拟来支持专家意见。在美国,法院主要根据两项测试中的一项来确定专家是否可以根据科学或技术信息作证:FryeDaubert测试。

Frye测试

Frye测试是因1923年Frye v. 美国案而得名的。在该案中,从他对被告詹姆斯·弗莱(James Frye)进行的测试结果作证后,上诉法院确认了初审法院将收缩压测谎仪的发明者威廉莫尔顿马斯顿博士排除在外的决定。(马斯顿博士后来成为漫画书“ 神奇女侠”的创始人。见KJ Weiss等人,“ Frye的背景故事:谋杀故事,撤回忏悔和科学傲慢”。)

马斯顿博士的证词被排除在外的Frye试验要求科学证据“在它所属的特定领域得到普遍接受”,以便在法庭上受理。这种限制性测试,可能是由于它的血统,反映了将所谓的“垃圾科学”排除在法庭之外的努力。(参见Peter W. Huber, Junk Science 在法庭上。)一些州法院至今仍遵循Frye测试。

Daubert测试

Daubert测试起源于1993年的Daubert v. Merrell Dow Pharm., Inc.案。在该案件中,美国最高法院驳回了在联邦法院使用的Frye测试,而是要求审判法官通过权衡各种因素来筛选基于科学的证据,以确定专家的证词是否与事实和可靠性相关。这些因素包括:

  • 理论或技术可以或已经过测试
  • 该理论已经过同行评审并出版
  • 已知或潜在的错误率是可以接受的
  • 控制理论或技术操作的标准存在并得到保留
  • 该理论或技术已获得广泛认可

随后,在1999年Kumho Tire Co. v. Carmichael案中,美国最高法院明确表示,上述因素并非详尽无遗,可能因专家类型而异。

此外,“联邦证据规则”第702条要求专家的证词应基于充分的事实或数据,并且专家已经可靠地将原则和方法应用于案件的事实。

将准入标准应用于仿真软件

下面,我们将根据仿真软件的使用情况,研究将这些标准应用于专家证词的不同背景。在检查这些测试的要素之前,值得注意的是,至少有一个法院认为Daubert因子将应用于整个模拟程序,而不适用于随该程序提供的任何模型。(参见雅马哈发动机公司Rhino ATV Prods.Liab.Litig。)

一般或广泛接受

一个有影响力的马萨诸塞州案例,商业联盟公司 v. 波士顿爱迪生公司,为了进行Frye测试,探索了在特定领域内对模拟软件的“普遍接受”的构成。商业联盟是关于公共事业客户和公共事业供应商之间的争议。其中,客户声称供应商根据客户使用的蒸汽量的错误读数而多收费。法院裁定,专家可以根据计算机模拟显示的蒸汽量作证,该模拟根据传热、建筑材料、热和空气设备的运行特性以及天气条件建立。

该法院确定所涉及的模拟程序符合“普遍接受”标准,其范围如下:

  1. 该计划已被工程师和暖通空调设计专业人员用于模拟超过40,000栋建筑的能耗
  2. 使用该程序预测建筑物的能耗是该计划最常见的用途之一,其产品足够准确以使加利福尼亚州已批准使用该程序对拟议建筑物的能耗进行必要的计算机分析,并以此作为颁发建筑物许可证的先决条件。
  3. 该计划还用于重建建筑物消耗的能耗

“普遍接受”的一个指标是在其他诉讼中使用有争议的程序。例如,在State诉菲利普斯案中,华盛顿上诉法院根据专门的汽车碰撞模拟程序找到了有效的专家证词的科学依据,专家不仅就事故重建领域中的仿真程序的使用作了一般性的证言,而且还对使用有争议的程序进行了1000多次作证,并就有争议的程序相对于现场使用的其他程序的优势作了证明。同样,在Kudlacek v. Fiat SpA案中法院认为,如果该计划被世界上最大的事故重建公司使用,并且“重建领域的专家通常依赖于单车事故模拟”,法院认为普遍接受。

与需要在相关领域普遍接受的Frye测试相比,Daubert测试仅仅权衡了理论或技术是否已被广泛接受的其他因素。尽管如此,上述应用Frye测试的情况类型应该有助于确定模拟程序已经在Daubert标准下得到广泛接受。

同行评审和出版

Daubert案的关键之一是问题的理论或技术是否已经接受同行审查和公布。将此因素应用于仿真软件的案例是Livingston v. Isuzu Motors, Ltd。在该案中,法院允许专家根据汽车碰撞的模拟作证。在处理同行审查和公布因素时,法院裁定,该因素是令人满意的,原因是该专家就科学界人士(包括汽车制造商和工程师)所采用的方法论进行了多次演讲和介绍。

理论检验

Livingston案还讨论了Daubert因素探究理论是否已经过测试。法院指出,有争议的计划纳入了各种经过检验的科学法律,以及针对具体案例的数据。由于案件特定数据被纳入该计划,法院发现这些数据的复杂性因此排除了测试。法院进一步指出,事故的精确重演是不切实际或审慎的。因此,法院得出结论,模拟背后的理论已经在可行的范围内进行了测试,这足以接受基于模拟的证词。

错误率的可接受性

模拟本质上是现实的近似值,而不是现实的精确复制品。Daubert因子是否可接受任何已知或潜在的错误率,这一点很重要。
利文斯顿也探讨了这个问题。专家证实,问题中的软件程序代表了现有的最佳技术,而且可能会随着时间的推移而改进。法院裁定,根据这一证词,处理这一因素的正确方法不是排除证词,而是证据的反对者盘问证人以探讨有关错误的可能性和不确定性,以便陪审团可以在评估专家意见的强度时,需要考虑这些潜在的错误。

可靠地应用于案件事实

规则702必须满足的标准之一是专家是否已经可靠地将原则和方法应用于案件的事实。在涉及模拟软件的情况下,该问题再次出现,通常需要进行近似或在进行模拟时使用可比较的输入。

允许专家根据模拟作证的决定通常会强调专家模型与案件事实相符的程度。例如,在Deffinbaugh v. Ohio Turnpike Comm’n案中,上诉法院在汽车事故案件中确认了一项判决,专家根据计算机模拟作证。在那种情况下,专家在生成模拟时“利用已知的事实,例如拖车的重量,其物理尺寸和表面摩擦系数”。同样,在 Wheaton v. Bradford中法院裁定,事故重建专家可以根据计算机模拟作证,专家使用事实信息和物理证据,包括警察采取的车辆最终静止位置的测量,他自己的测量和事故现场的观察,有问题的车辆的物理特性,以及来自原告车辆的控制模块传感器的数据。

如果模拟的输入偏离了案件中的事实,专家必须准备好解决和解释这些偏差。例如,在Hudson v. City of Chicago中,一起汽车事故案件,原告的专家根据雪佛兰蒙特卡洛的数据进行了模拟证实,当时涉及碰撞的实际车辆是雪佛兰Caprice。因为专家证明他已经在计划中调整了汽车的特性以符合所涉及的实际汽车,法院认为专家的证词是允许的。其他法院也同样裁定,关于模拟输入准确性的问题是陪审团在对专家进行交叉询问后权衡,而不是排除专家证词的理由。(参见 Yamaha Motor Corp. Rhino ATV Prods. Liab. Litig.Turner v. Williams。)然而,如果模拟是基于输入而不是通过与Daubert测试一致的科学方法确定的,那么法院裁定将不会允许专家作证。(参见Reali v. Mazda Motor of Am., Inc.

模拟可靠地应用于案例事实的要求并不意味着必须为特定案例创建模拟程序。例如,在State v. Tollardo案中,上诉法院维持了初审法院对基于使用现成的模拟程序的专家证词的承认。但是,如果对现成的程序中有选择,那么选择一个有利于所涉及的模拟类型的程序可能有助于确保可接受性。例如,在State v. Sipinyi一案中,法院基于现成的汽车事故模拟程序维持了专家证词,并引用了其中包括有争议的程序是三维的,而其他任何可用的选择只是二维的。

相比之下,如果有争议的程序存在限制,降低了所讨论现象模拟的准确性,则基于该程序使用的专家证词不太可能被接受。例如,在 State v. Sipin一案中,法院推翻了对车辆杀人罪的刑事定罪,其中检方依赖Phillips有争议的同一模拟程序。Sipin法院发现,该程序的用户手册中所使用的程序和模式,减少了其对所涉及的崩溃类型的实用性。

在法庭上有效使用模拟软件的经验教训

模拟软件可在法庭上用于证明广泛的争议事实。由于模拟软件在工业界和学术界广泛使用多年,因此不乏证据可以帮助满足FryeDaubert的可接受性测试。在确定接受某一特定计划时,律师和专家证人应收集相关工业部门使用该计划的证据,该计划通常由软件出版商和/或行业成员公布。他们还应该寻求在标准或政府法规中使用此类软件,在其他诉讼中使用以及在学术界使用(可能在学术出版物中甚至在已发表的课程描述中突出显示)。

律师和专家可以以传统的学术出版物和学术课程以及围绕特定模拟程序广泛设计的研究项目的形式找到同行评审和出版的证据。此外,软件发布者可以提供有关其执行的验证和验证测试类型的信息。

专家证人应该准备好解释模拟偏离现实的方式以及为什么潜在的错误是可以接受的。他们还应准备好证明案件事实究竟如何纳入模拟,并准备解释如何补偿与事实的偏差。他们还应该准备好解决模拟程序可能对所讨论的特定应用程序的其他此类程序的任何优势。

拓展阅读

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本博文中表达的观点仅供讨论之用,不应被视为法律建议或COMSOL对任何法律事务的官方立场。这里表达的观点也不是对这里讨论的主题的详尽报道。每种情况都不同,不同的情况可能导致不同的法律结果。

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