沈婷 高瞻 王華容

摘 要：兒童行為因素是導(dǎo)致兒童交通事故的重要風(fēng)險(xiǎn)因素之一。由于兒童認(rèn)知發(fā)展水平的局限，他們?cè)诖┰匠鞘械缆窌r(shí)會(huì)比成年人更容易犯錯(cuò)，因此需要通過(guò)一種有效的交通安全教育方法改善兒童行為從而降低風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)車速車間距組合的感知與判斷、車輛臨時(shí)停車導(dǎo)致的視線遮擋這兩個(gè)關(guān)鍵情境，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行仿真，構(gòu)建交通安全訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，培訓(xùn)兒童安全穿越城市道路。系統(tǒng)試用結(jié)果表明，學(xué)生在多次訓(xùn)練后過(guò)馬路成功幾率及安全意識(shí)均有所提升。將虛擬現(xiàn)實(shí)用于兒童穿越城市道路的情境仿真和訓(xùn)練，能增強(qiáng)兒童過(guò)馬路能力。

關(guān)鍵詞：兒童道路安全;虛擬現(xiàn)實(shí);安全教育;人機(jī)交互

DOI：10. 11907/rjdk. 191398 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）002-0066-05

英標(biāo)：Virtual Simulation of Key Scenarios of Children Crossing Urban Roads

英作：SHEN Ting1，GAO Zhan1，WANG Hua-rong2

英單：（1. School of Information Science and Technology， Nantong University;2. Department of Traffic Psychology， Institute？of？Special？Environmental？Medicine， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract：Childrens behavior factors are one of the important risk factors of childrens traffic accidents. Due to the cognitive development characteristics of children， they are more likely to make mistakes than adults in some scenarios in the process of crossing urban roads. Therefore， an effective traffic safety education method is needed to improve childrens behavior and reduce their risks of crossing urban roads. The research goal of this topic is to use virtual reality technology to simulate and construct the traffic safety training virtual reality system for educating children crossing urban roads in view of the two key scenarios of perception and judgment of vehicle speed and vehicle spacing and childrens sight blocked because of temporary vehicle parking. The system was put into local primary school trials， and the experimental results proved that students have a chance to cross the road after passing many trainings. Questionnaire survey shows that students safety awareness has improved after receiving training. It proves that virtual reality used for childrens cross-city road simulation and training can enhance childrens ability to cross the road.

Key Words：children road safety; virtual reality; safe education; human-machine interaction

0 引言

行人事故是導(dǎo)致兒童死亡和嚴(yán)重傷害的重要原因之一[1]。由于兒童注意力不集中，綜合處理交通流信息能力不足，而當(dāng)下交通安全教育方式參與性較低，教育效果不佳[2]。因此，亟需一種有效的兒童城市道路交通安全教育方式。

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)兒童進(jìn)行交通安全教育研究較多，如Jodie M Plumert等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，不管是在大屏幕虛擬環(huán)境還是在真實(shí)環(huán)境，人們的距離感幾乎完全相同;David C Schwebel等[4]幾乎一致認(rèn)為，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行交通安全培訓(xùn)是一種新穎、有效的方法;Robert J Matheis等[5]要求不同類型的被測(cè)試者在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中學(xué)習(xí)并記住一個(gè)辦公室場(chǎng)景，結(jié)果表明，虛擬環(huán)境下人腦的學(xué)習(xí)與記憶能力與真實(shí)環(huán)境沒(méi)有太大差別，人們?cè)谔摂M環(huán)境中也能像平時(shí)一樣學(xué)習(xí)新的知識(shí)和技能，并把它們應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中去。

劉東波、張雷元等 [6]指出，交通違法警示教育虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)行人和非機(jī)動(dòng)車交通違法警示具有針對(duì)性，可接受程度高。通過(guò)交通安全環(huán)境仿真，有助于快速提升行人、非機(jī)動(dòng)車群體的交通安全意識(shí);武漢理工大學(xué)研制的駕駛員模擬訓(xùn)練器[7]，在沒(méi)有危險(xiǎn)情況的同時(shí)使學(xué)員熟悉汽車性能，掌握基本的操作方法和駕駛技術(shù)，同時(shí)學(xué)習(xí)交通規(guī)則，在滿足駕駛模擬培訓(xùn)的基礎(chǔ)上提高用戶的交互感和沉浸感，使汽車駕駛培訓(xùn)具有游戲性和娛樂(lè)性;清華大學(xué)羅元等 [8]從微觀到宏觀介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下城市道路交通流模擬的原理、方法和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了城市道路交通流智能化模擬虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，使研究成果能夠適應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下行人交通安全教育以及城市道路交通流運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)際需求;重慶大學(xué)對(duì)城市道路斑馬線通行體驗(yàn)系統(tǒng)[9]進(jìn)行開(kāi)發(fā)，證明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)行人斑馬線通行進(jìn)行模擬，讓體驗(yàn)者以第一人稱的角度沉浸在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，通過(guò)操作硬件設(shè)備、觀看立體大屏幕視頻，真實(shí)體驗(yàn)斑馬線通行，降低了體驗(yàn)者在實(shí)際通過(guò)斑馬線時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)的概率;王梅亮等 [10]使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的交通安全教育和技能訓(xùn)練系統(tǒng)，讓兒童通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤等外部設(shè)備體驗(yàn)桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，增加了交通安全教育的趣味性。

我國(guó)雖然在交通安全領(lǐng)域應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已有研究，但并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)沉浸式交通安全訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，現(xiàn)有研究大部分都是使用計(jì)算機(jī)或投影儀等儀器顯示場(chǎng)景，沒(méi)有真正使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，如虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)手套等。因此，目前的兒童交通安全教育虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)存在沉浸感不強(qiáng)、交互性不足、場(chǎng)景體驗(yàn)不真實(shí)等缺點(diǎn)[11]。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，針對(duì)車速車間距組合的感知與判斷、車輛臨時(shí)停車導(dǎo)致的視線遮擋這兩個(gè)關(guān)鍵情境，本文使用虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔設(shè)備開(kāi)發(fā)兒童穿越城市道路的交通安全訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，訓(xùn)練兒童對(duì)車速、車間距以及周圍環(huán)境作出正確判斷，增強(qiáng)交通法規(guī)意識(shí)，提升安全穿越城市道路技能，從而獲得自我保護(hù)能力。本文將系統(tǒng)投入當(dāng)?shù)匦W(xué)試用，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)兒童進(jìn)行訓(xùn)練，獲取并分析訓(xùn)練數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

1 車速與車間距判斷情境

JGordon Simpson等 [12-14]研究表明， 10歲以下兒童的交通事故發(fā)生率遠(yuǎn)高于其它年齡段的主要原因在于他們?nèi)狈煌餍畔⒕C合處理能力，不能正確判斷車速、車間距，準(zhǔn)確找到過(guò)馬路的時(shí)機(jī)以及控制自身速度，其中最重要的是車速和車間距判斷;Connelly等[15]研究指出，2/3的兒童只根據(jù)距離判斷是否安全，而不考慮車速;Rosenbloom等[16]調(diào)查被試人員對(duì)車輛距離和速度的視覺(jué)計(jì)時(shí)，研究與此相聯(lián)系的危險(xiǎn)害怕情緒體驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，成人能夠根據(jù)車輛速度和距離作出恐懼與害怕評(píng)價(jià)，而兒童很難將速度與危險(xiǎn)聯(lián)系起來(lái)，也很難將速度與距離整合考慮。

十字路口交通狀況復(fù)雜，有過(guò)街行人、駛?cè)虢徊婵诘能囕v，在這種情況下，機(jī)動(dòng)車為了獲得優(yōu)先權(quán)容易與行人發(fā)生沖突，常常會(huì)為了通過(guò)交叉路口加速行駛。本就不能正確判斷車速車間距的兒童在這種情況下，經(jīng)常來(lái)不及作出反應(yīng)。而高速駕駛時(shí)，駕駛員在短時(shí)間內(nèi)接收信息并作出正確處理的可能性較小，因此操作失誤率較高。根據(jù)能量守恒定律，速度越高，車輛發(fā)生碰撞時(shí)的加速度越大，釋放的能量也越大，對(duì)車輛和行人的危害也越大[17]。

以上研究表明，兒童在穿越城市道路時(shí)，本就缺乏正確判斷車速、車間距的能力，在道路交通復(fù)雜的情況下，與成人相比更容易發(fā)生事故，而因車速誤判造成的傷害會(huì)非常大。因此，對(duì)兒童進(jìn)行穿越道路的交通安全訓(xùn)練時(shí)，需要將車速與車距整合起來(lái)，幫助兒童正確識(shí)別車速車間距，判斷當(dāng)前的交通狀況是否適合穿越道路，建立正確的車輛信息判斷能力，提升城市道路穿越安全性。

為了提升兒童對(duì)車速車距感知能力，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)車速車距感知訓(xùn)練場(chǎng)景，場(chǎng)景設(shè)計(jì)如圖1所示。場(chǎng)景中道路為雙向車道，各車道寬3.5m且均有車流，車道中存在供行人穿越城市道路的斑馬線。

啟動(dòng)系統(tǒng)后，程序會(huì)在每個(gè)車道的起始處生成車輛，待車輛充滿道路時(shí)，引導(dǎo)兒童佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔并進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練的最終目的是成功穿越城市道路到達(dá)馬路對(duì)面。兒童在過(guò)馬路過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)記錄多項(xiàng)數(shù)據(jù)以便后期分析研究，主要包括通過(guò)馬路時(shí)間、與車輛的最近距離、兩次過(guò)車距離（過(guò)車距離指兒童穿越馬路時(shí)與來(lái)車的距離）以及是否通過(guò)馬路。

2 視線遮擋關(guān)鍵情境

實(shí)際交通中可能存在兒童視線被某些障礙物遮擋的情況，導(dǎo)致兒童接收錯(cuò)誤的交通信息，作出錯(cuò)誤的判斷與行為，這是影響兒童安全過(guò)馬路的一大因素[18]。兒童視線被遮擋指兒童在穿越城市道路時(shí)，路上存在大型車輛等障礙物影響兒童視野。由于兒童缺乏安全穿越城市道路的經(jīng)驗(yàn)，在經(jīng)過(guò)障礙物時(shí)往往不會(huì)仔細(xì)觀察周圍環(huán)境，排除存在視線遮擋的可能性，因此容易引發(fā)交通事故。

針對(duì)兒童穿越城市道路時(shí)無(wú)法正確判斷是否存在視線遮擋的情況，需要設(shè)計(jì)兒童可能存在視線遮擋情況并使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對(duì)該情況進(jìn)行仿真，讓兒童在虛擬世界中感受視線遮擋的場(chǎng)景，體驗(yàn)錯(cuò)誤判斷視線遮擋的危險(xiǎn)后果，教育兒童在穿越城市道路過(guò)程中注意該類情形，并在過(guò)馬路時(shí)養(yǎng)成仔細(xì)觀察道路兩邊信息的習(xí)慣，從而達(dá)到交通安全教育的目的。

本文在虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中搭建視線遮擋關(guān)鍵情境，如圖2所示。

圖2中，兒童意圖從馬路這邊走到另一邊，此時(shí)兒童的左邊有一輛靜止的車輛A，因?yàn)檐囕vA導(dǎo)致一段視野盲區(qū)（圖2中陰影所示），可看出在當(dāng)前情況下，車輛B處于兒童視野盲區(qū)內(nèi)，若車輛B正以較快速度向右行駛，并且兒童在穿越該段道路時(shí)沒(méi)有注意觀察左右車輛或不了解可能存在的視線遮擋情況而徑直向前穿越道路，則極有可能被視野盲區(qū)的車輛B撞到而發(fā)生交通事故。

設(shè)計(jì)在訓(xùn)練前告知兒童以平常心態(tài)穿越虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔呈現(xiàn)的道路場(chǎng)景，以不被虛擬車輛撞到、安全到達(dá)馬路對(duì)面為目的。在進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)，讓兒童佩戴頭盔，此時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)車輛B，車輛B的位置經(jīng)過(guò)事先計(jì)算，可以基本保證兒童徑直走過(guò)車輛A并不放慢腳步左右觀察時(shí)會(huì)被車輛B撞到。

由于兒童行為存在隨機(jī)性，如游戲一開(kāi)始兒童就以較快速度跑向?qū)γ?，這會(huì)導(dǎo)致車輛B還沒(méi)有靠近兒童時(shí)就已經(jīng)到達(dá)馬路對(duì)面，還存在一種情況是兒童在馬路上走走停停、速度非常慢，這時(shí)車輛B已駛過(guò)車輛A，而該兒童還未走完馬路的一半。上述兩種行為雖然沒(méi)有被車輛B撞到，但是都屬于危險(xiǎn)行為（在馬路上奔跑和停留同樣危險(xiǎn)[19]）。因此，本文設(shè)置若干判斷條件判定兒童是否成功過(guò)馬路，判定條件如表1所示。

圖3是系統(tǒng)的視線遮擋訓(xùn)練場(chǎng)景俯視圖和從兒童視角看到的道路交通情況圖，可以看出在視線遮擋場(chǎng)景訓(xùn)練中，兒童站在大型車輛旁準(zhǔn)備穿越城市道路，此時(shí)兒童根本無(wú)法看到隱藏在大車輛后面的小汽車。

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)硬件平臺(tái)為GTX1050的PC機(jī)和HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔設(shè)備，操作系統(tǒng)為Windows，虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景通過(guò)頭盔顯示，對(duì)訓(xùn)練者進(jìn)行穿越城市道路的交通安全訓(xùn)練并記錄訓(xùn)練結(jié)果，用戶使用場(chǎng)景如圖4所示。

圖4中，訓(xùn)練場(chǎng)地為小學(xué)教室，大小為8m×6m，場(chǎng)地要求沒(méi)有障礙物，VIVE定位器放置在長(zhǎng)方形場(chǎng)地的兩個(gè)斜對(duì)角位置。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置，將訓(xùn)練場(chǎng)地中8m長(zhǎng)的邊設(shè)置為需橫穿的城市道路，這滿足3.5m×2寬的城市雙向車道。使用者需佩戴頭盔體驗(yàn)穿越城市道路過(guò)程，從場(chǎng)地一端安全走到另一端，即在虛擬環(huán)境中從一端路沿安全穿越道路到另一端路沿。圖4中左上角為程序的電腦端顯示，即為兒童進(jìn)行交通安全訓(xùn)練時(shí)頭盔顯示器所見(jiàn)場(chǎng)景。

兒童穿越城市道路交通安全訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有兩個(gè)關(guān)鍵情境：車速車間距組合的判斷和視線遮擋場(chǎng)景設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。在某小學(xué)抽取部分學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.1 車速、車間距感知實(shí)驗(yàn)

3.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

隨機(jī)選擇四、五年級(jí)的小學(xué)生各80名，共160名，性別各半。實(shí)驗(yàn)步驟如下：①實(shí)驗(yàn)者佩戴相應(yīng)設(shè)備，了解實(shí)驗(yàn)任務(wù);②攝像機(jī)全程記錄實(shí)驗(yàn)者過(guò)馬路行為及當(dāng)前道路信息;③4種道路交通情境，包括車速快車距遠(yuǎn)、車速快車距近、車速慢車距遠(yuǎn)和車速慢車距近，通過(guò)拉丁方設(shè)計(jì)[20]4組實(shí)驗(yàn)如下：

車速與車間距分別是：①30km/h+20m車間距;②30km/h+100m車間距;③60km/h+20m車間距;④60km/h+100m車間距。

受訓(xùn)兒童需要按照特定的車速車間距順序訓(xùn)練8次，其中每種道路情境下訓(xùn)練2次。在每次訓(xùn)練中，受訓(xùn)兒童需要在給定時(shí)間內(nèi)判斷最佳過(guò)馬路時(shí)機(jī)，穿越馬路并到達(dá)馬路對(duì)面記為“成功過(guò)馬路”。

3.1.2 數(shù)據(jù)分析

在車速、車間距實(shí)驗(yàn)中，分析每次實(shí)驗(yàn)中兒童的平均通過(guò)率（安全穿越城市道路的學(xué)生數(shù)目占總數(shù)的比例），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。橫坐標(biāo)代表每一次實(shí)驗(yàn)，縱坐標(biāo)代表160名學(xué)生的平均通過(guò)率。可以看出在相同的車速車間距情況下，兒童經(jīng)過(guò)一次訓(xùn)練后再次訓(xùn)練的通過(guò)率會(huì)有明顯提升（比如第二次比第一次的通過(guò)率高很多）?？亢蟮挠?xùn)練次數(shù)難度更大（更小的車間距和更大的車速），在訓(xùn)練難度提升的情況下，折線圖總體仍呈上升趨勢(shì)，通過(guò)率有所提升，證明了系統(tǒng)的有效性。

3.2 視線遮擋實(shí)驗(yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

隨機(jī)選取小學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，從四、五年級(jí)中各選擇60名共120名學(xué)生，男女生各占一半。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，告知兒童以平常心態(tài)在虛擬場(chǎng)景中安全穿越城市道路，實(shí)驗(yàn)人員不會(huì)透露障礙物后方會(huì)有來(lái)車。本實(shí)驗(yàn)共考慮了兩個(gè)訓(xùn)練場(chǎng)景，分別是障礙物在左邊和障礙物在右邊。

兒童過(guò)馬路時(shí)，系統(tǒng)會(huì)時(shí)刻記錄穿越馬路過(guò)程中是否有轉(zhuǎn)頭行為，在過(guò)馬路時(shí)是否跑動(dòng)、跳躍或停留，是否出現(xiàn)其它玩鬧行為，是否走在斑馬線上，是否被撞以及過(guò)馬路時(shí)間。每位兒童共做5次實(shí)驗(yàn)，根據(jù)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷兒童是否成功過(guò)馬路。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

兩種視線遮擋訓(xùn)練場(chǎng)景中兒童每次訓(xùn)練的通過(guò)率如圖6所示。可以看出剛開(kāi)始訓(xùn)練時(shí)，兒童并未注意觀察交通流中可能存在的視線遮擋情況，因此前兩次通過(guò)率較低。隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，兒童意識(shí)到注意視野盲區(qū)的重要性，通過(guò)率逐漸提升。同時(shí)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)訓(xùn)練場(chǎng)景的通過(guò)率基本一致，尤其是經(jīng)過(guò)多次訓(xùn)練后，兩次的通過(guò)率基本一致。

3.3 問(wèn)卷調(diào)查

為了進(jìn)一步評(píng)估系統(tǒng)訓(xùn)練效果，本文對(duì)訓(xùn)練后的兒童進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，主要從以下4個(gè)方面設(shè)計(jì)問(wèn)卷：①兒童訓(xùn)練時(shí)的身體反應(yīng);②兒童訓(xùn)練時(shí)的心理感受;③訓(xùn)練模塊逼真度;④系統(tǒng)有效性。從參加訓(xùn)練的學(xué)生中隨機(jī)抽取200人進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，通過(guò)對(duì)問(wèn)卷調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)達(dá)到了較好的訓(xùn)練效果。圖7展示了部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出受訓(xùn)者普遍認(rèn)為訓(xùn)練場(chǎng)景逼真、訓(xùn)練效果好。同時(shí)可以看出一部分兒童在訓(xùn)練時(shí)會(huì)有身體不適，多是眼睛疲勞、眩暈等常見(jiàn)現(xiàn)象。還有極少數(shù)兒童會(huì)覺(jué)得厭煩，這和場(chǎng)景關(guān)卡設(shè)計(jì)相關(guān)，也表明需進(jìn)一步提升系統(tǒng)訓(xùn)練模塊的豐富度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的兒童交通安全訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，形式新穎，參與性強(qiáng)，擁有良好的視聽(tīng)感受。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)互動(dòng)性較好，相比傳統(tǒng)的交通安全教育形式，能提高兒童道路安全意識(shí)，具有顯著的道路安全訓(xùn)練效果，有利于提高兒童道路安全技能，減少兒童因自身行為導(dǎo)致的道路安全事故。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)證明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用于兒童過(guò)馬路行為訓(xùn)練，為后續(xù)研究交通安全教育手段提供了一個(gè)方向。后續(xù)還需完善交通安全訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，如更多地考慮兒童穿越城市道路的關(guān)鍵情境，以及更為逼真地模擬車輛等。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）