方 斌 楊降勇 王 巖 胡 鵬

（湖南警察學(xué)院交通管理系 湖南·長沙 410038）

公安院校是公安機(jī)關(guān)高素質(zhì)人才培養(yǎng)和輸出的主要陣地，培養(yǎng)具有突出實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才是公安院校的重要人才培養(yǎng)目標(biāo)。公安院校交通管理工程專業(yè)培養(yǎng)學(xué)員利用工程、教育、執(zhí)法等手段，正確處理道路中的人、車、路、環(huán)境之間的關(guān)系，保障道路交通的安全、有序、暢通。公安院校交通管理工程專業(yè)所開設(shè)的課程的一個顯著特點(diǎn)是貼近實(shí)戰(zhàn)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。然而，在實(shí)踐能力訓(xùn)練中卻大量存在交通事故現(xiàn)場處理、高速公路執(zhí)勤執(zhí)法等具有實(shí)訓(xùn)安全風(fēng)險的教學(xué)內(nèi)容，這為發(fā)展交通管理工程虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了需求空間。

1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個實(shí)時反映實(shí)體對象變化與相互作用的三維虛擬世界，基于頭盔、手柄、眼睛等設(shè)備為用戶提供一個觀測該虛擬世界的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。[1]在建設(shè)創(chuàng)新型應(yīng)用人才的背景下，將虛擬仿真技術(shù)引入公安院校交通管理工程專業(yè)建設(shè)中，使得實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)具有以下優(yōu)勢：

（1）課程開設(shè)靈活機(jī)動，不受場地、設(shè)備數(shù)量和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目內(nèi)容的限制，有效解決了目前實(shí)訓(xùn)教學(xué)學(xué)生多、空間小、設(shè)備昂貴的問題。[2][3]

（2）教學(xué)組織安全可靠，利用虛擬仿真平臺構(gòu)建高?；驑O端的仿真環(huán)境，可以可靠、安全地開展實(shí)驗(yàn)。

（3）實(shí)訓(xùn)成本可控，不消耗實(shí)際設(shè)備器材，不存在設(shè)備的損壞，可以重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

（4）虛擬仿真環(huán)境增強(qiáng)了沉浸感和體驗(yàn)效果，提升了學(xué)習(xí)興趣。

2 虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

交通管理工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)以培養(yǎng)貼近公安實(shí)戰(zhàn)的交通管理人才為目標(biāo)牽引，通過統(tǒng)籌規(guī)劃，分批建設(shè)，構(gòu)筑專業(yè)基礎(chǔ)課程、行業(yè)特色項(xiàng)目、前沿技術(shù)專題三個層次的交通管理工程虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生“由淺入深、循序漸進(jìn)”地掌握交通管理工程的專業(yè)知識和實(shí)戰(zhàn)能力。

2.1 虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容

2.1.1 專業(yè)基礎(chǔ)課程

交通管理工程專業(yè)基礎(chǔ)課程中涉及到虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的課程包括汽車構(gòu)造、道路交通設(shè)施以及車輛與駕駛?cè)斯芾淼日n程。

（1）汽車構(gòu)造?；谔摂M仿真平臺，對汽車的各個組成部分模擬三維動畫，并且在此基礎(chǔ)上引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠360度全方位展示每一個零部件；使得學(xué)員能夠深入認(rèn)識發(fā)動機(jī)、汽車底盤、車身、電氣設(shè)備、汽車車身等主要構(gòu)件的原理、分類、特性，熟悉汽車的工作原理。

（2）道路交通設(shè)施。基于虛擬仿真平臺，開展不同場景、不同交通設(shè)施對駕駛行為的影響，在仿真環(huán)境下利用算法獲取路段的安全等級，進(jìn)而達(dá)到提高道路交通安全性的目的。

圖1 交通虛擬仿真平臺建設(shè)方案

（3）車輛與駕駛?cè)斯芾?。在虛擬仿真平臺下，通過定制的車駕管業(yè)務(wù)辦理動畫，使學(xué)員能夠深入掌握車輛與駕駛?cè)斯芾淼臉I(yè)務(wù)流程以及注意事項(xiàng)。

2.1.2 行業(yè)特色項(xiàng)目

針對公安院校的人才培養(yǎng)需求，基于虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺開展具備公安院校行業(yè)特色的虛擬仿真項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。

（1）事故重建。事故重建交通事故重建是在全面勘驗(yàn)交通損傷案件發(fā)生時所涉及的“人-車-路（物）”后，對整個案件的過程進(jìn)行模擬重建，為肇事逃逸案件的偵破和事故責(zé)任的區(qū)分提供科學(xué)依據(jù)。事故重建的目的是要求回答事故是如何發(fā)生的，運(yùn)用力學(xué)動量守恒與能量守恒的基本理論，對事故發(fā)生過程進(jìn)行推理與驗(yàn)證。[4]

（2）事故分析。交通事故分析的作用是為決策提供依據(jù)。交通事故分析就是通過對交通事故的調(diào)查、分析，根據(jù)掌握的信息，運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)、工程學(xué)的基本方法，進(jìn)行事故再現(xiàn)，找出事故發(fā)生的現(xiàn)場情況，為分析和判斷事故原因提供依據(jù)；再通過對大量已經(jīng)發(fā)生的交通事故原因的調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、分析，從中得出趨勢性的結(jié)論，以便為采取決策提供依據(jù)和基礎(chǔ)。近年來發(fā)展起來的基于虛擬仿真軟件的分析手段，為事故分析提供了科學(xué)的手段。

（3）道路執(zhí)勤執(zhí)法。通過交互式的虛擬仿真體驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)員能夠熟悉掌握執(zhí)勤執(zhí)法的標(biāo)準(zhǔn)處置流程和注意事項(xiàng)。對于不規(guī)范的操作，可以通過視、聽、觸等多種形式給出提示。

2.1.3 前沿技術(shù)專題

前沿技術(shù)專題虛擬仿真實(shí)訓(xùn)以智能交通系統(tǒng)的新技術(shù)實(shí)訓(xùn)為目的，通過系統(tǒng)仿真和半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)對交通控制的決策進(jìn)行驗(yàn)算，并對未來城市路網(wǎng)綜合監(jiān)控以及無人駕駛對城市交通管理帶來的挑戰(zhàn)等前沿問題開展技術(shù)探索。[5]

（1）智能交通。目前，國內(nèi)的很多城市都提出了智慧城市、智能交通的愿景，希望借助于人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)來解決日益復(fù)雜的城市交通問題。基于虛擬仿真平臺，能以現(xiàn)實(shí)的城市交通道路為基本，結(jié)合街道、綠化、車輛等交通設(shè)施的三維虛擬仿真效果，使用戶高度沉浸于虛擬城市的交通之中。同時，嵌入先進(jìn)的人工智能、圖像處理、大數(shù)據(jù)處理等算法，可以有效地評估智能交通方案的可行性和先進(jìn)性。

（2）無人駕駛。隨著自動駕駛、目標(biāo)識別、智能控制等無人系統(tǒng)支撐技術(shù)的不斷發(fā)展，無人車的應(yīng)用也取得了突破進(jìn)展?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，無人車作為一種新興的交通出行工具，將會被越來越多人所接受，成為城市交通的重要部分。因此，基于虛擬仿真平臺，通過對無人車運(yùn)行特征和駕駛行為的研究分析，可以為未來公安交管部門對無人車輛的管控提供重要的數(shù)據(jù)支撐和經(jīng)驗(yàn)積累，也可以基于虛擬仿真平臺開展無人車輛駕駛行為研判、智能控制等前沿課題的研究。

2.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

圍繞上述的專業(yè)基礎(chǔ)課程、行業(yè)特色項(xiàng)目、前沿技術(shù)專題三層階梯課程方案，構(gòu)建如圖1 所示的虛擬仿真平臺建設(shè)方案。

2.2.1 交通控制分析仿真系統(tǒng)

基于微觀交通仿真軟件VISSIM 以及宏觀交通仿真軟件VISUM 開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)，支撐道路交通管理規(guī)劃、交通仿真、交通控制等專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作。[6]開設(shè)的仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目包括：十字信號交叉口仿真實(shí)驗(yàn)、交叉口過街行人仿真實(shí)驗(yàn)、交叉口非機(jī)動車仿真、優(yōu)化交叉口信號配時仿真、城市干道兩相鄰交叉口道路仿真系統(tǒng)的建立等。

2.2.2 交通事故仿真分析系統(tǒng)

基于交通事故分析軟件PC-Crash 開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)，以支撐道路交通事故處理、交通事故分析與再現(xiàn)等專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作。PC-Crash 用于事故的分析重現(xiàn)，根據(jù)事故現(xiàn)場的采集記錄的數(shù)據(jù)，主要包括車輛的狀態(tài)數(shù)據(jù)、地面痕跡長度、事故周邊設(shè)施的受損程度等，運(yùn)用運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)理論反推碰撞過程，進(jìn)而分析推算碰撞前車輛的運(yùn)行狀態(tài)。典型的應(yīng)用場景包括：汽車對汽車碰撞交通事故計(jì)算與再現(xiàn)、汽車對兩(三)輪車碰撞交通事故計(jì)算與再現(xiàn)、汽車碰撞行人交通事故計(jì)算與再現(xiàn)、車輛墜崖交通事故計(jì)算與再現(xiàn)、車輛碰撞固定物交通事故計(jì)算與再現(xiàn)、摩托車對兩輪車碰撞交通事故計(jì)算與再現(xiàn)、摩托車碰撞行人交通事故計(jì)算與再現(xiàn)、摩托車碰撞靜止物交通事故計(jì)算與再現(xiàn)等。

2.2.3 典型軟件仿真實(shí)驗(yàn)平臺

構(gòu)建分布式控制仿真、數(shù)據(jù)交互、交通信號控制等功能智能系統(tǒng)仿真虛擬平臺，具備定時控制、感應(yīng)控制、自適應(yīng)控制，以及干線綠波帶控制、路網(wǎng)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制等智能交通控制算法的加載及仿真效果分析等功能。[7]典型的應(yīng)用場景包括平面交叉口管理控制仿真實(shí)驗(yàn)、交通信號控制仿真實(shí)驗(yàn)、綠波配時仿真控制實(shí)驗(yàn)以及多路口分布式控制仿真實(shí)驗(yàn)。

3 虛擬仿真現(xiàn)實(shí)在交通管理工程專業(yè)中的應(yīng)用前景

3.1 學(xué)生的教育訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)，將更能激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。傳統(tǒng)的交通管理工程專業(yè)知識講授大都借助于文字案例、有關(guān)的視頻等教學(xué)工具來實(shí)現(xiàn)，對于一些交管實(shí)戰(zhàn)的訓(xùn)練較為薄弱。借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，就可以將對道路交通的人、車、路、環(huán)境四要素搭建模型，利用虛擬現(xiàn)實(shí)各項(xiàng)交管業(yè)務(wù)的功能系統(tǒng)，讓學(xué)員在仿真環(huán)境中就能體驗(yàn)交通管理中的所有要素。

3.2 研究者理論研究

在虛擬仿真環(huán)境中嵌入各種算法模型，驗(yàn)證相應(yīng)控制方式、控制方法的效果；在仿真環(huán)境中探索無人車、車路協(xié)同、智能駕駛等前沿研究方向，達(dá)到支持研究者理論研究的目的。

3.3 課程虛擬實(shí)驗(yàn)

利用虛擬仿真技術(shù)可創(chuàng)建一個基于計(jì)算機(jī)為核心的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行技能訓(xùn)練、虛擬實(shí)驗(yàn)，既可以不依賴于昂貴的實(shí)驗(yàn)器材，降低實(shí)驗(yàn)成本，又能保證實(shí)訓(xùn)結(jié)果同現(xiàn)實(shí)技能訓(xùn)練的教學(xué)效果基本一致。

4 結(jié)語

通過交通虛擬仿真平臺的建設(shè)，可以開發(fā)符合交通信息與控制發(fā)展潮流的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源和實(shí)訓(xùn)方法，建立培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和工程實(shí)訓(xùn)能力的高素質(zhì)人才體系框架，推進(jìn)交通管理工程類實(shí)訓(xùn)教學(xué)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)以及實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革。同時基于虛擬仿真硬件環(huán)境和軟件，積極參與交通事故的司法鑒定、智能交通系統(tǒng)的建設(shè)等工作，更好地為公安機(jī)關(guān)的交通管理工作服務(wù)。