尤志棟，王峻極，郝會龍，周穆雄

（1.公安部交通管理科學(xué)研究所，江蘇無錫 214151；2.道路交通安全公安部重點實驗室，江蘇無錫 214151）

?

低等級公路駕駛體驗訓(xùn)練仿真平臺設(shè)計與實現(xiàn)?

尤志棟1，2，王峻極1，2，郝會龍1，2，周穆雄1，2

（1.公安部交通管理科學(xué)研究所，江蘇無錫 214151；2.道路交通安全公安部重點實驗室，江蘇無錫 214151）

摘要：駕駛體驗訓(xùn)練仿真平臺是針對駕駛?cè)诉@一重點交通參與者群體的交通安全宣傳教育的重要手段和載體，能訓(xùn)練駕駛?cè)说鸟{駛技能，提高駕駛?cè)说陌踩庾R，降低交通事故的發(fā)生率，正日益受到國內(nèi)外交通安全宣傳教育領(lǐng)域的青睞。文中在簡要分析中國農(nóng)村地區(qū)低等級公路嚴(yán)峻交通安全現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了駕駛模擬技術(shù)背景和應(yīng)用情況，論述了面向農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)说牡偷燃壒否{駛體驗訓(xùn)練仿真平臺實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。通過該平臺的推廣應(yīng)用，可提升農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)说慕煌ò踩庾R、培養(yǎng)農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)说牧己民{駛習(xí)慣、豐富農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)说鸟{駛技能培訓(xùn)與考試手段，對農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)说慕煌ò踩麄鹘逃哂兄匾笇?dǎo)作用和現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：汽車駕駛；農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)?；低等級公路；駕駛體驗訓(xùn)練仿真平臺

近年來，隨著農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入的增加和生活水平的提高，各類農(nóng)村機(jī)動車和駕駛?cè)说臄?shù)量急劇增多。但受農(nóng)村地區(qū)道路狀況差、道路設(shè)施配置薄弱、交通管理滯后及農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)巳狈煌ò踩庾R等相關(guān)因素的影響，農(nóng)村地區(qū)道路交通系統(tǒng)各因素間的矛盾加劇，農(nóng)村交通事故數(shù)直線上升，形成了目前嚴(yán)峻的交通安全形勢。據(jù)統(tǒng)計，2010—2014年，中國農(nóng)村低等級公路上平均每年發(fā)生交通事故5.28萬起，造成1.64萬人死亡、6.07萬人受傷，直接財產(chǎn)損失1.71億元，分別占全國總數(shù)的25.6%、27.0%、26.6%和16.2%。在中國，農(nóng)村交通事故次數(shù)、死亡人數(shù)和受傷人數(shù)都明顯高于城區(qū)，發(fā)生在農(nóng)村的交通事故嚴(yán)重程度和死亡率也均高于城區(qū)。因此，對農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)碎_展交通安全宣傳教育，使其掌握道路交通安全常識，認(rèn)識交通事故后果的嚴(yán)重性和危害性，對提升農(nóng)村地區(qū)交通安全現(xiàn)狀具有顯著的現(xiàn)實意義。

1　仿真平臺技術(shù)背景

1.1駕駛模擬仿真技術(shù)

駕駛模擬仿真技術(shù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)與車輛傳感器技術(shù)，由安裝在駕駛座艙的傳感器采集駕駛?cè)说鸟{駛操作信號并輸入計算機(jī)，計算機(jī)中的汽車運動動力學(xué)模型軟件計算出車輛的位置及運動姿態(tài)等瞬時參數(shù)，再將參數(shù)輸入視景仿真模塊，產(chǎn)生與車輛運動相對應(yīng)的道路交通場景，通過顯示設(shè)備呈現(xiàn)給駕駛?cè)耍瑢崿F(xiàn)人-機(jī)實時交互仿真。

駕駛?cè)送ㄟ^控制駕駛體驗訓(xùn)練仿真平臺的操作部件可進(jìn)行與虛擬視聽環(huán)境的交互練習(xí)，從而進(jìn)行駕駛體驗訓(xùn)練。駕駛體驗訓(xùn)練仿真平臺一般在室內(nèi)環(huán)境運行，不受天氣、時間的影響，不會發(fā)生交通事故，同時具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，能根據(jù)不同的研究對象特征設(shè)計針對性的體驗或訓(xùn)練內(nèi)容。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和汽車公司建立了類似的實驗環(huán)境，并將其應(yīng)用到人-車-路駕駛模擬系統(tǒng)，特別是駕駛?cè)诵袨樘匦韵嚓P(guān)的研究中，以尋求改善交通安全狀況的途徑。

在國外，豐田公司2007年建成的駕駛仿真模擬系統(tǒng)主要用于研究和分析各種實際駕駛過程中易發(fā)生的駕駛狀況，包括打瞌睡、未注意路況和疲勞駕駛等；美國愛荷華大學(xué)的NADS駕駛模擬平臺通過研究交通流的變化對駕駛?cè)笋{駛行為的影響，基于駕駛?cè)藢︸{駛過程的預(yù)估，演算自動駕駛模型，評估自動駕駛對駕駛?cè)说挠绊?。國外研究表明，駕駛模擬器的訓(xùn)練有利于駕駛?cè)苏莆振{駛技能，日本自20世紀(jì)80年代以來培訓(xùn)的駕駛?cè)?0%采用駕駛模擬器訓(xùn)練，取得了較理想的效果。

在國內(nèi)，吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家實驗室結(jié)合人-車-路環(huán)境，研究道路條件、特性和其他因素對駕駛行為的干擾與影響。武漢理工大學(xué)建立的汽車駕駛模擬平臺主要基于道路交通，用于駕駛?cè)伺嘤?xùn)和考核、汽車自動駕駛仿真和交通誘導(dǎo)等研究。

2　仿真平臺體驗訓(xùn)練方案設(shè)計

2.1體驗訓(xùn)練方案總體設(shè)計

低等級公路駕駛體驗訓(xùn)練仿真平臺面向農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)耍w驗訓(xùn)練方案以農(nóng)村地區(qū)低等級公路駕駛技能的體驗訓(xùn)練為主線，駕駛場景主要為臨水臨崖、彎多、路窄、坡陡、路面損壞嚴(yán)重、標(biāo)志標(biāo)線不完善等農(nóng)村地區(qū)低等級公路場景，提高農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)说慕煌ò踩庾R、增強(qiáng)其對于低等級公路駕駛技能的學(xué)習(xí)和掌握。體驗訓(xùn)練方案采用分項訓(xùn)練、綜合體驗的方式進(jìn)行整體設(shè)計（如圖1所示）。

圖1　低等級公路駕駛體驗訓(xùn)練方案總體設(shè)計

（1）分項訓(xùn)練。針對放眼遠(yuǎn)方、留有余地、環(huán)顧四周、視線靈活、引人注意等駕駛原則，結(jié)合農(nóng)村地區(qū)低等級公路復(fù)雜的交通環(huán)境及頻發(fā)的危險交通事件，設(shè)計4項訓(xùn)練方案，即放眼遠(yuǎn)方訓(xùn)練、留有余地訓(xùn)練、環(huán)顧四周訓(xùn)練、引人注意訓(xùn)練。

（2）綜合體驗。在分項訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，設(shè)計2段符合農(nóng)村地區(qū)實際特點的駕駛場景，其中包含典型危險交通事件，為農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)颂峁┚C合的農(nóng)村地區(qū)低等級公路駕駛體驗，并對體驗者的模擬駕駛過程進(jìn)行綜合評價。

通過采用分項訓(xùn)練、綜合體驗的方式設(shè)計體驗訓(xùn)練方案，可使農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)烁玫亓私夂蛯W(xué)習(xí)適合農(nóng)村地區(qū)低等級公路的駕駛方式，改善他們的低等級公路駕駛行為習(xí)慣。

2.2分項訓(xùn)練詳細(xì)設(shè)計

2.2.1放眼遠(yuǎn)方訓(xùn)練

該模塊的訓(xùn)練方式是在不同交通場景下進(jìn)行不同時速的模擬駕駛，使體驗者較為準(zhǔn)確地掌握前方視野內(nèi)車輛的距離、時距等信息。

在模擬駕駛過程中，屏幕上給出必要的動態(tài)距離標(biāo)識。將視野區(qū)域分為3個級別，即3 s區(qū)域、6 s區(qū)域、15 s區(qū)域，不同視野區(qū)域采用不同的顏色以半透明的方式進(jìn)行動態(tài)標(biāo)識。

在虛擬交通環(huán)境中，值得注意的是交通對象，如同向的車輛、附近的行人、信號燈等，對此采用信息標(biāo)識框隨動的方式進(jìn)行提示。如前方同向行駛的車輛，設(shè)置一個半透明的信息標(biāo)識牌跟隨車輛運行，信息內(nèi)容包括該車的速度、離本車距離、車頭時距等，標(biāo)識牌的顏色按照與本車時距不同而變化，以提示體驗者注意時距，幫助體驗者建立準(zhǔn)確的距離感和3種視野范圍區(qū)域感。

在車流中設(shè)計相應(yīng)的突發(fā)事件，通過這些事件加強(qiáng)體驗者對車頭時距及三級視野區(qū)域的認(rèn)識。這些突發(fā)事件均與時距相關(guān)，如行人在前方車流中穿插橫穿公路。在這些事件中，可疑交通參與對象均以高亮或閃爍的方式顯示，同時帶有時距和空間距離標(biāo)識，對于時距過近的車輛或交通參與者予以警告顯示。

2.2.2留有余地訓(xùn)練

該模塊的訓(xùn)練方式是在不同交通場景下完成規(guī)定的模擬駕駛?cè)蝿?wù)。

在模擬駕駛過程中，訓(xùn)練體驗者有意識地環(huán)顧四周，對周邊車輛、行人或其他有可能影響本車駕駛的因素引起足夠注意，并根據(jù)路況及時采取必要措施，形成確保自身安全的行車空間。在交通環(huán)境中設(shè)計相應(yīng)的干擾本車正常駕駛的交通事件，從不同的角度和方位以不同類型的車輛或其他交通參與者不停地打破本車現(xiàn)有的安全駕駛空間，逼迫體驗者不停地環(huán)顧四周，隨時調(diào)整本車狀態(tài)，以保持安全的駕駛空間。

在模擬駕駛過程中，以本車為中心設(shè)計一個采用透明長方體表示的安全駕駛空間，當(dāng)在該范圍內(nèi)無其他車輛或交通參與者時，駕駛空間表示體顯示為綠色；根據(jù)本車及他車狀態(tài)進(jìn)行推算，數(shù)秒后有可能有他車侵入本車安全駕駛空間時，表示體的顏色將漸變?yōu)辄S色，以提示司機(jī)注意觀察、保持空間；一旦有他車侵入本車的安全駕駛空間，表示體顏色則變?yōu)榧t色。

2.2.3環(huán)顧四周訓(xùn)練

該模塊的訓(xùn)練方式是在不同交通場景下完成規(guī)定的模擬駕駛?cè)蝿?wù)。

在模擬駕駛過程中，訓(xùn)練體驗者有意識地環(huán)顧周邊，注意可能干擾行車的任何可疑對象。在交通環(huán)境中，設(shè)計相應(yīng)的動態(tài)對象，其中有些對象的行為將干擾本車的正常駕駛，其他對象的行為對本車的正常駕駛并無影響。各類動態(tài)對象包括：1）路邊行走的人群，跑動、嬉戲的兒童，跳廣場舞的人群等（考察體驗者是否會識別危險源及是否會分散注意力）；2）并行熟人的自行車、遇到障礙物電動車、載客亂竄的三輪車（識別非機(jī)動車常見危險動作）；3）道路異常行駛（如S形行駛、醉駕等）的車輛，超載、超速的沙石車或停車場出來的車輛、路邊停放起步的車輛（識別車輛危險源）；4）路旁要傾倒的樹（考察體驗者是否會識別環(huán)境危險源）；5）路邊動態(tài)的LED廣告屏、路邊的事故處理現(xiàn)場（考察體驗者是否會分散注意力）。

2.2.4引人注意訓(xùn)練

該模塊的訓(xùn)練方式是在不同交通場景下完成規(guī)定的模擬駕駛?cè)蝿?wù)。

在模擬駕駛過程中添加相應(yīng)的交通事件，通過訓(xùn)練體驗者對于交通事件的處置方式，增強(qiáng)體驗者在駕駛過程中與其他道路使用者的信息溝通。

在模擬駕駛過程中，如遇T形路口、雨霧天氣、標(biāo)志牌指示等駕駛場景，或需執(zhí)行轉(zhuǎn)彎、掉頭、超車、變道等駕駛操作時，體驗者應(yīng)發(fā)出相應(yīng)的提示信息提示其他道路使用者自己的駕駛意圖。

2.3綜合體驗詳細(xì)設(shè)計

該模塊的體驗方式是設(shè)計2段農(nóng)村地區(qū)低等級公路的模擬駕駛路線，在模擬駕駛行車的過程中添加與低等級公路相關(guān)的危險交通事件，通過評估駕駛?cè)藢τ诮煌ㄎｋU事件的處置方式，考核駕駛?cè)藢τ谵r(nóng)村地區(qū)低等級公路駕駛技能的掌握程度。

3　仿真平臺軟硬件開發(fā)

根據(jù)仿真平臺功能組塊，可將其劃分為硬件和軟件兩個部分，其中硬件包括車輛駕駛仿真器、控制臺及輔助系統(tǒng)，軟件為模擬駕駛相關(guān)程序。

3.1仿真平臺硬件開發(fā)

3.1.1仿真平臺硬件系統(tǒng)構(gòu)建

車輛駕駛仿真器是重要的人機(jī)交互界面，由車體結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)備子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采樣及輸出子系統(tǒng)、視景仿真子系統(tǒng)、聲音仿真子系統(tǒng)、六自由度運動子系統(tǒng)5個部分組成（如圖2所示）。

圖2　低等級公路駕駛體驗訓(xùn)練仿真平臺硬件系統(tǒng)的組成

（1）車體結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)備子系統(tǒng)。采用真車的實際結(jié)構(gòu)作為仿真器車體的結(jié)構(gòu)，主要保留真車的框架、外觀部件、座椅、操縱設(shè)備、車輪。車體底部安裝一個連接框架，通過該框架實現(xiàn)車體與運動系統(tǒng)上平臺的連接。附屬設(shè)備子系統(tǒng)是指配置模擬駕駛必需的操控部件。

（2）數(shù)據(jù)采樣及輸出子系統(tǒng)。操控部件的信息采樣在不具備數(shù)字化接口的操控部件上加裝傳感器，如方向盤、油門踏板、制動踏板等，并通過接口電路與采樣控制系統(tǒng)相連。信號輸出分為模擬量輸出和數(shù)字量輸出。其中，模擬量輸出信號不低于4路，包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速表、車速表、里程表。數(shù)字量輸出信號不低于16路，包括組合儀表上的各類指示燈等。

（3）視景仿真子系統(tǒng)。在模擬駕駛過程中，司機(jī)通過視景系統(tǒng)可看到的視景畫面包括前向視景、后視鏡視景，并且各個視景畫面保持同步。

（4）聲音仿真子系統(tǒng)。音效系統(tǒng)由主控計算機(jī)控制，音量大小可通過儀表面板直接控制。在駕駛座艙內(nèi)安裝揚(yáng)聲器組形成環(huán)繞聲場，提高體驗者的環(huán)境沉浸感。

（5）六自由度運動子系統(tǒng)?？紤]到車輛的運動特點，采用六自由度運動平臺，該平臺可提供笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)的縱向、橫向、垂向3個自由度平動，仰俯、側(cè)傾、偏航3個自由度轉(zhuǎn)動。

3.1.2控制臺及輔助系統(tǒng)開發(fā)

控制人員可在控制臺上對一臺或多臺駕駛仿真器進(jìn)行控制與管理?？刂婆_采用四聯(lián)控制臺，配備系統(tǒng)電源總控面板、運動平臺緊急按鈕、8臺55.88 cm（22英寸）液晶顯示器、KVM等設(shè)備，1人即可完成全部操作。顯示內(nèi)容包括1個主控界面、2個前向畫面、3個后視鏡畫面、1個管理系統(tǒng)界面和1個CCTV監(jiān)控系統(tǒng)畫面。

仿真主控計算機(jī)負(fù)責(zé)完成仿真運算、采樣控制、聲音仿真等功能，對外還可提供與管理人員控制系統(tǒng)、其他模擬平臺的通信。仿真主控計算機(jī)采用工控機(jī)，其外圍設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集卡、5.1立體聲音效系統(tǒng)等，分別完成操作動作采樣、儀表臺輸出控制、聲音仿真等功能。

系統(tǒng)管理計算機(jī)負(fù)責(zé)管理程序運行、學(xué)員數(shù)據(jù)信息保存，是管理員控制模擬平臺的交互終端。

3.2仿真平臺軟件開發(fā)

仿真平臺軟件系統(tǒng)主要完成道路視景仿真、駕駛過程邏輯驅(qū)動、運動平臺控制等功能。軟件系統(tǒng)首先根據(jù)駕駛者的輸入（方向盤轉(zhuǎn)角、油門、制動）等控制信息解算車輛的運動姿態(tài)，根據(jù)交通流邏輯處理模塊的輸出（交通流狀況、信號燈、道路信息等），由視景驅(qū)動模塊完成實時渲染處理，同時控制運動平臺實施相應(yīng)動作，呈現(xiàn)給駕駛者以逼真的仿真駕駛環(huán)境。

按照功能構(gòu)成，軟件系統(tǒng)可分為視景仿真子系統(tǒng)、車輛仿真子系統(tǒng)和主控管理子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)又包括若干功能模塊（如表1所示）。

表1　軟件系統(tǒng)的主要功能模塊

4　仿真平臺運行流程

仿真平臺運行流程主要分為系統(tǒng)管理、學(xué)員登錄和操作、綜合評價3個步驟（如圖3所示）。

4.1系統(tǒng)管理

系統(tǒng)開機(jī)后首先進(jìn)入系統(tǒng)管理界面，由管理員進(jìn)行操作，需輸入登錄口令?？诹钫_，進(jìn)入管理界面后，可選擇“開始體驗訓(xùn)練”、“系統(tǒng)檢測”、“學(xué)員數(shù)據(jù)庫管理”、“訓(xùn)練成績打印”、“關(guān)閉系統(tǒng)”等。

圖3　低等級公路駕駛體驗訓(xùn)練仿真平臺運行流程

4.2學(xué)員登錄、操作

系統(tǒng)進(jìn)入駕駛模擬訓(xùn)練主程序后，首先進(jìn)入“學(xué)員登錄界面”，學(xué)員需錄入身份證號碼、準(zhǔn)駕車型，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建立一條數(shù)據(jù)信息，該學(xué)員的訓(xùn)練時間、訓(xùn)練內(nèi)容、訓(xùn)練評分、錯誤駕駛等自動記入該條數(shù)據(jù)信息中。所有數(shù)據(jù)信息長期存儲在計算機(jī)硬盤中。

學(xué)員登錄后，即進(jìn)入“選擇主界面”，在該界面選擇訓(xùn)練內(nèi)容，包括分項訓(xùn)練和綜合體驗。學(xué)員完成體驗訓(xùn)練后返回該界面，選擇“學(xué)員退出”，則該學(xué)員的數(shù)據(jù)信息（如訓(xùn)練時間、得分、主要錯誤等）被寫入數(shù)據(jù)庫，臨時性數(shù)據(jù)被清空（如該學(xué)員的實時駕駛參數(shù)、場景數(shù)據(jù)等）。

4.3綜合評價

在“體驗訓(xùn)練”結(jié)束后，系統(tǒng)即進(jìn)入“綜合評價”模塊。

（1）過程回放。首先進(jìn)行“過程回放”，系統(tǒng)自動依次回放車輛在交通場景中的運動過程。播放視角由系統(tǒng)隨機(jī)生成，包括后上方俯視、前上方俯視、正上方俯視、側(cè)方視角、自車視角、對向來車視角、后車視角等。在播放過程中，在左側(cè)屏幕上疊加顯示車輛主要運動參數(shù)，包括速度、轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)、油門踏板開度、制動踏板開度等。

（2）錯誤提示。若體驗者在某個交通事件中有違法或錯誤駕駛行為，系統(tǒng)回放至該場景時，以疊加字幕或警告顯示的方式指出，然后繼續(xù)下一個場景的回放。

（3）綜合評分。系統(tǒng)自動判斷、記錄學(xué)員的交通違法行為，根據(jù)評分規(guī)則累積扣分，以100分為基礎(chǔ)分，給出評判得分，并給出扣分項細(xì)目。綜合評分結(jié)果可打印，交付學(xué)員。

5　結(jié)語

該文分析了中國農(nóng)村地區(qū)嚴(yán)峻的交通安全現(xiàn)狀，結(jié)合駕駛模擬技術(shù)，設(shè)計了仿真平臺的分項訓(xùn)練和綜合體驗方案，并對仿真平臺的軟硬件開發(fā)技術(shù)進(jìn)行了重點講解。

低等級公路駕駛體驗訓(xùn)練仿真平臺的推廣與應(yīng)用，可大幅提高農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)说慕煌ò踩庾R、增強(qiáng)農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)说鸟{駛技能，成為向農(nóng)村地區(qū)駕駛?cè)碎_展交通安全宣傳教育的重要方式，對提升農(nóng)村地區(qū)交通安全現(xiàn)狀具有顯著意義。

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中圖分類號：U471.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0061-05

基金項目：?“十二五”國家科技支撐計劃課題（2014BAG01B06）

收稿日期：2015-12-21