動態語言在動態交通情景建模中的應用

摘要:在總結了常見的動態交通情景的基礎上開展了情景的建模，使得動態情景抽象化，利用模型就能表示各種復雜的動態交通情景。在動態交通情景仿真中，應用動態語言表達動態交通情景模型，擴展了傳統汽車駕駛模擬器的能力，使得汽車駕駛模擬器在模擬多種動態交通情景時配置更靈活，特別是在構造緊急或危險情形時能實現更細粒度的狀態參數配置以及更加靈活的運動邏輯設計，提升汽車駕駛模擬器的研究效能。

關鍵詞:動態語言;汽車駕駛模擬器;腳本;動態交通情景模型;Lua

中圖分類號:TP39文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)33-9500-03

Application of Dynamic Language in Modeling the Dynamic Traffic Scene

SUN Ran1，2，3， HU Wei-yi1

(1.School of Computer Science and Technology， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China; 2.Engineering Research Center of Transportation Safety (Ministry of Education)， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China; 3.Intelligent Transportation Systems Research Center， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China)

Abstract: Summarize a set of familiar dynamic traffic scene and found a model that can express any kind of complex scenes. During the simulation of dynamic traffic scene， apply the dynamic language to denote the model， it enlarges the ability of the traditional vehicle driving simulator， brings it a positive effect on flexible configuration when the simulator is processing a variety of dynamic traffic scenes. Especially in the construction of emergency or dangerous scenes， the model denoted by the dynamic language makes the configuration of state parameters and the designing of movement logic more exactly than ever before. It means that the research efficiency of the simulators are advanced.

Key words: dynamic language; vehicle driving simulator; script; model of dynamic traffic scene; Lua

隨著汽車駕駛模擬器在交通安全中的廣泛應用，各種特殊交通場景的開發越來越受到重視。特殊的交通場景一方面可以供駕駛員進行訓練，學習緊急情況下的避讓及車輛控制技巧，另一方面可以獲得很難從交通事故發生現場獲得的危險情形下駕駛員的狀態及其操作行為特性數據，這類數據對于研究分析事故發生機理具有十分重要的意義[1-2]。

動態危急交通情景的構建雖然已經取得了一定的成果，但實際應用于汽車駕駛模擬器的還是較少，應用的范圍也比較窄，效果不理想[3]。目前動態情景建模與仿真中存在的問題主要有以下兩點:1)動態情景的建模:對于典型的危險情景的建模分析，國內外均局限于一兩種典型的情景，對動態情景高層次的抽象建模研究得還比較少;2)可擴展性:現有的一些動態危險場景的模擬，都是針對單一的具體的危險場景模型，不能根據不同實驗的需要實時配置多種情景。

針對以上問題，本文提出了相應的解決辦法:對常見的動態情景進行抽象，建立了動態交通情景的模型，然后利用動態言語來對模型進行表達，實現了對多種情景的靈活配置。同時，將動態語言承載的動態交通情景模型應用于駕駛模擬器進行仿真驗證，實驗證明該模型能模擬出交通環境中常見的突發情景，效果較好。

1 動態交通情景模型

交通環境包括靜態和動態兩種交通場景，靜態場景是指環境中靜止的物體，靜態交通場景和該場景中物體的運動即構成了動態的交通情景[4]。動態情景的設計主要包括:對象、對象運動的觸發條件、對象的運動軌跡和對象的運動方式等[5]。

通過對近年來發生的典型交通事故進行分析，總結出容易發生事故的動態情景有:

1) 行人違規過馬路:某一時刻，行人在道路的某一處，從路的一端向另一端運動;

2) 交叉口闖紅燈:某一交叉口處，當行駛方向的交通燈狀態為紅燈時，一車輛闖紅燈行駛;

3) 后方車輛超車:在道路上的某一位置時，后方車輛突然加速超車;

4) 前方車輛緊急剎車:在道路上的某一位置時，前方的車輛緊急剎車。

為了便于分析歸納上述情景的共性，找出其共有的模式，這里提煉出情景的主要要素后采用形式化的方法對情景進行轉換表達。

情景1用五元組表述為:S1=

用相同的方法對情景2分析，得到五元組:S2=

情景3的四元組為:S3=

情景4的四元組為:S4=

其中o表示情景中對象(人、車);p表示位置(道路中的位置);v表示速度，a表示加速度;t表示對象出現的時間，d為車的行駛方向，l為該方向交叉口交通燈的狀態。

對上述四個n元組觀察歸納，可以看出:雖然n元組的元素的個數不同，但n元組中均有表示對象的元素o， 表示對象運動的速度v以及對象的位置p。

考察其他幾個不同的元素:S1中的時間t可以歸結為物體出現的初始條件之一;S2中的d， l兩個元素也都是該動態情景發生的初始條件;S3， S4中的a主要是描述物體的運動情況，可以作為和速度相關的參數。所以，4個情景用一種更抽象的模式可以表示為如下所示的一個三元組:

S=

其中，object表示動態情景中的運動對象，trigger表示對象的出現或者對象的運動需滿足的初始條件即觸發條件，action表示情景中對象的運動。

這三個元素又有其各自的參數集合，每個元素的可選參數見表1。

情景中這三類元素的按照一定的規則作用就形成了完整的動態情景，通過對上述四個n元組和它們表示的情景的觀察分析，得出情景元素作用示意圖如圖1所示。

如圖1所示，在情景中定義一至多個對象，對象中預定義一系列操作。當模擬器中發生被監聽的事件時(即對象觸發條件滿足時)，經過事件響應函數的處理，相應的創建對象或者執行對象中預定義動作的操作便被執行。

2 模型的動態語言表達

動態語言也稱為腳本語言，是介于標簽語言和靜態語言之間的語言。動態語言的特點有:語法簡單、易懂，易于學習;可擴展性強，可以非常容易的C、C++、Java等語言整合;解釋性，即無需編譯而是由解釋器動態解釋執行，避免了開發過程中多次編譯而獲得快速的交互[6]。

動態情景建模后，需要把模型轉化為計算機能識別的語言，以便于在模擬器軟件中使用。本文為了最大化動態情景模型應用的可擴展性，采用動態語言來承載模型，形成動態語言模型文件，供模擬器軟件讀取。

為了體現模型中元素的作用過程，本文采用特定的腳本語言Lua來實現模型的完整描述。根據它的特點，對動態情景模型進行描述的具體過程如下:

1) 對象:由于對象初始條件較多，不同對象的條件也不同，所以采用Lua中提供的table數據類型來表示對象和對象的初始參數[7]。在table中定義變量o，其值對應于具體的情景對象。對象的參數將以table成員的形式存在于table中。這些參數用于記錄情景對象的初始位置、運動速度等屬性。汽車駕駛模擬器中通過對table中key的遍歷即可獲取情景對象的屬性值。

2) 觸發器:觸發器機制的建立相對比較復雜。其工作大致應包括兩部分內容:一是設定觸發條件的閾值，如對象在情景中的位置，對象和主車的距離等。閾值的設定可以在trigger table中設置相應的key。再就是制定驗證給定條件是否滿足的判斷邏輯和事件被觸發后的執行邏輯，這兩種邏輯可以統稱為響應邏輯。這一過程需要從模擬器軟件中實時獲取所需參數值，因此需要模擬器實現相應的腳本系統數據交換功能。響應邏輯則需要在腳本中以函數的形式來實現。

3) 運動:對象的運動涉及到邏輯和具體的環境，所以對象的運動也需由專門的函數來表達。運動函數用來控制對象的運行，其中也包含了事件的監聽和觸發條件的驗證，當事件觸發或條件滿足時，即讓對象按照參數設定的速度和軌跡開始運動，與此同時實時獲取周圍環境信息，按照避讓規則，通過調整速度和運行軌跡實施避讓動作。

以行人過馬路為例，將此情景利用Lua語言進行表述，示例如表2。

表2中的腳本中使用了模擬器提供的接口，主要有主車類和行人類。主車類中使用了主車的位置變量，行人類中使用了行人構造器、行人的位置、行人行走的距離、行人運動方法以及停止運動的方法。

由于腳本中可以方便的使用模擬器中的提供的類，變量和方法等接口，所以在腳本中定義的動態情景可以達到在模擬器中定義的動態情景相同的效果。而腳本語言的特性，使得腳本能同時配置多種復雜的情景以及靈活的設計運動時的邏輯。

因此，只要模擬器中提供相應的接口，然后按照上面的腳本模式就可以描述任意復雜的動態情景。腳本描述動態情景模型不僅限于模擬器中，只要仿真軟件中可以提供內部對象的相關接口，就可以使用該方式來配置多種情景和設計邏輯。

3 仿真示例

動態情景模型的驗證是在汽車駕駛模擬器軟件系統上進行的，腳本和模擬器軟件的交互過程如圖2所示。

為驗證動態場景模型和進行場景的仿真，在模擬器現有框架基礎上增加了用于腳本解析的腳本引擎及用于動態場景構造的場景管理器。腳本通過引擎的解析，在動態場景管理器的調度下與模擬器進行信息的交互。整個交互過程分為3個階段:首先加載腳本，動態場景管理器從引擎獲取場景、對象的定義，然后模擬器核心模塊中根據管理器獲取的信息，定義部分場景;接著是觸發器設定階段，場景管理器將從引擎獲取的觸發函數向模擬器模塊注冊，模擬器調用該函數，設定觸發器;最后是監聽和事件響應階段，模擬器模塊每幀對觸發器設定的事件進行監聽，當事件發生時，通過與管理器交互進行事件的響應，即執行引擎解析到的創建對象邏輯或運動函數。

在模擬器軟件中，載入表2定義的行人腳本，行人過馬路的動態情景仿真示例如圖3所示。

圖3仿真了行人過馬路的動態情景:a)圖中行人的運動條件已滿足，行人正在過馬路，b)圖中為行人過馬路時的規避動作即車距離人足夠近時，行人停止過馬路在路中等候。當車輛從行人旁邊駛過后，行人繼續過馬路。用戶可以根據該情景的模擬結果，調整自己的參數來進行進一步試驗，得到各種參數下的駕駛員反應，以及會導致交通事故的參數值域，為驗證危險場景模型提供數據支撐。

4 結論

本文對常見動態交通情景進行了抽象建模，并利用動態語言進行模型的表達。在模擬器平臺下，使用lua腳本描述具體動態情景，通過仿真實例來驗證建模的可行性。可以看出，使用動態語言相比于其他方式能更加方便地構造動態情景和設定情景中的運動邏輯。情景仿真所獲取的數據能夠為研究易發生交通事故的危險場景提供準確的數據支持，使得此類研究工作的基礎更為堅實。在后續的工作中，將進一步研究動態情景模型的可擴展性和模型用于危險場景研究的效能提升。

參考文獻:

[1] 梁坤.駕駛模擬器危險視景研究[D].昆明:昆明理工大學，2005.

[2] 周歡.道路交通安全致因分析虛擬場景設計與實現[D].武漢理工大學，2008(5).

[3] Ying Wang，Wei Zhang，Su Wu，etc.Simulators for Driving Safety Study–A Literature Review[A].Lecture Notes in Computer Science[C].Heidelberg:Springer berlin，2007:584-593.

[4] 高嵩，張暉，周歡，等.基于LandXML數據可視化技術的道路交通仿真三維場景快速生成方法[J].交通與計算機，2008，(4).

[5] 謝春榮，萬華森，熊堅.基于汽車駕駛模擬器的危險場景設計研究[J].交通與計算機，2008，3(26):133-135.

[6] 劉睿.動態語言面面觀[J].軟件世界，2007，(5).

[7] Roberto Ierusalimschy.Lua程序設計[M].北京:電子工業出版社，2008.