交通設計駕駛模擬教學實驗輔助系統

馬萬經， 李 莉， 林典超， 劉興永

(同濟大學 交通運輸工程學院，上海 201804)

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交通設計駕駛模擬教學實驗輔助系統

馬萬經， 李 莉， 林典超， 劉興永

(同濟大學 交通運輸工程學院，上海 201804)

同濟大學交通運輸工程學院985平臺建設項目對“駕駛模擬器”的引入和實驗室建設的完成，為交通設計實驗教學創造了條件。但由于駕駛模擬器剛剛建設完成，其教學應用尚處在起步階段。本研究構建的交通設計駕駛模擬教學實驗輔助系統致力于從實驗前、實驗中、實驗后各個環節對交通設計駕駛模擬實驗進行指導。首先介紹了駕駛模擬器在交通設計課程實驗教學中可能的應用領域；然后說明了輔助系統的由來、功能定位、整體架構，并對其各個模塊的特點、功能和使用方法進行了詳細闡述；最后，以一個道路交叉口設計實驗為例，介紹了如何利用該輔助系統進行駕駛模擬實驗。

駕駛模擬器； 交通設計； 實驗教學； 輔助系統

0 引 言

交通設計是一門基于交通工程學和系統工程學的科學原理，綜合分析交通系統基本結構與構成要素之間的關系，研究交通阻塞、交通事故、交通能耗與污染排放等交通問題的影響因素及其規律的學科[1-7]。交通設計的理論來源于實踐，在實際教學中需要學生在實踐中學習、應用相關理論知識[8-10]。然而，實地開展交通設計實驗一方面存在安全風險，且成本較高；另一方面可能會破壞道路交通的正常運行。雖然微觀計算機仿真能夠實現對一些交通問題尤其是效率問題進行分析，但微觀仿真無法研究個體的駕駛行為。

隨著計算機軟硬件技術的進步，現實中的車輛可以參與到計算機仿真中，駕駛模擬器正是結合真人駕駛的交通仿真系統。該系統可以用于研究駕駛員-車輛-道路設施等綜合駕駛環境下的交通特性，并且具有安全性高、再現性好、可開發性強、低成本等特點[11-18]。

駕駛模擬器在交通設計上的使用主要集中在兩個方面。① 對道路交通進行主觀評價，包括設計中的道路線形、交通標志、交通設施、交通安全、汽車性能以及ITS的評價等；② 對道路交通的特殊現象進行模擬再現，如交通事故、交通流特性、道路服務水平等。以上兩方面同時也是交通設計的核心部分，涉及到交叉口，路段，安全，公共交通等。同濟大學交通運輸工程學院重點實驗室擁有世界上先進的8自由度駕駛模擬器，該模擬器可以通過軟件構建與實際相符的虛擬路網，并可在路網中添加或更改交通設計的元素。路網建好后，既可使用軟件進行離線的實驗預仿真，也可進行軟硬件結合的在線仿真，并得到實時多樣的交通數據。

1 駕駛模擬輔助系統總體設計

同濟大學擁有的駕駛模擬器購自法國的OKTAL公司，主要包括模擬駕駛艙和SCANeR studio軟件兩大部分。其中，SCANeR studio軟件用于供用戶實驗前在電腦上繪制、構建仿真場景，實驗中實時監控實驗動態，實驗后輸出分析實驗數據。然而，一方面該軟件模塊眾多、功能多樣、設置復雜，用戶難以上手；另一方面目前其用戶手冊只有英文版，更增加了用戶理解、學習的難度。而事實上，交通設計課程的典型駕駛模擬實驗中，所涉及的多為該軟件的基本操作，學生沒有必要也無法在短期內了解其全部功能，因此一份中文版簡易使用手冊及典型交通設計駕駛模擬實驗的實驗指導書對于交通設計駕駛模擬教學的順利展開尤為重要。

另外，SCANeR studio軟件安裝后自帶有多種仿真場景，每種場景的環境、特點及適用實驗各有不同，因此分門別類的場景素材庫整理將有助于學生根據實驗需求更快更準確地挑選場景。

此外，駕駛模擬實驗完成后，輸出的實驗數據非常全面，包含車輛在實驗過程任意時刻的三維位置，速度，加速度，發動機轉速，詳細的排放與油耗等眾多指標。但不同的實驗因為目的不同，所需要重點分析的數據類型也有所區別，因此，針對特定的實驗目的從眾多輸出數據中挑選適合的評價參數進行分析成為實驗之后數據處理環節的關鍵。

對于某些具有特定需求(如采集駕駛員的心率，眼球注意點等)的實驗(如駕駛員對某些新型交通設計的適應性分析實驗)，僅靠駕駛模擬器可能并不能滿足全部的數據采集需求；此時，還需在駕駛模擬車輛上加裝動態心電儀、眼動儀等輔助設備。因此，實驗前期的設備選擇也是確保實驗順利進行及數據采集完善的關鍵。

為解決上述問題，本研究擬構建駕駛模擬教學實驗輔助系統(以下簡稱輔助系統)。

1.1 輔助系統的功能定位

輔助系統的主要功能(見圖1)包括：

(1) 幫助學生快速上手SCANeR studio軟件的基本操作，了解交通設計課程中典型駕駛模擬實驗的實驗內容；

(2) 幫助學生準確、快速地挑選到最適合的場景進行實驗；

(3) 幫助學生在實驗前根據實驗目的與要求選擇適當的實驗輔助設備展開實驗；

(4) 幫助學生在實驗后根據實驗目的與要求選擇適當的評價參數進行實驗數據分析。

圖1 輔助系統主要功能

1.2 輔助系統的整體架構

輔助系統主界面見圖2，對應上述各功能定位，該輔助系統主要由實驗文檔、教學視頻、實驗場景庫、設備選擇、數據分析等模塊共同構成。

圖2 輔助系統主界面

2 輔助系統模塊設計

輔助系統各模塊的詳細內容及使用方法如下：

(1) 實驗文檔模塊。該模塊中提供了幾種典型交通設計駕駛模擬實驗的實驗指導書，包括交通沖突分析實驗、道路交叉口設計實驗、道路通行能力分析實驗、出入口交通分析實驗及公共交通設計實驗。指導書內對各實驗的目的、要求和內容做了詳細介紹。此外，該模塊還提供了SCANeR studio軟件原版英文用戶手冊及簡易版中文使用手冊的下載。學生可根據需要自行下載所需文檔(見圖3)。

圖3 實驗文檔模塊

(2) 教學視頻模塊。提供了SCANeR studio軟件常用基本操作的教學視頻，分為“如何從零開始構建仿真場景”和“如何利用已有仿真場景進行駕駛模擬實驗”。視頻內容基本涵蓋交通設計駕駛模擬典型實驗中所需用到的所有操作，并對操作過程中的常見問題進行了闡述。學生可通過觀看視頻直觀、迅速地學會SCANeR studio軟件的使用方法(見圖4)。

圖4 教學視頻模塊

(3) 實驗場景庫模塊。對SCANeR studio軟件內自帶的仿真場景進行了詳細的分類介紹，其中包含可供直接進行實驗的完備場景(如高速公路場景、鄉村公路場景、城市道路場景、雪天道路場景等)以及可用于添加、替換到完備場景中的各類素材(如各類交通標志、信號燈、指路標志、房屋、動物等)。學生可根據實驗目的和要求，查找實驗場景庫中對各場景特點的詳細介紹，直接索引到SCANeR studio軟件中的相應場景文件(見圖5)。

(4) 設備選擇模塊。對常用的且同濟大學交通運輸工程學院重點實驗室具備的駕駛模擬器實驗輔助設備(如眼動儀，心電儀等)的作用與使用方法進行了詳細介紹，并對其可能應用的交通設計駕駛模擬實驗進行了歸類。學生可根據實驗目的和要求，對照各輔助設備功能，選擇合適的輔助設備進行實驗(見圖6)。

圖5 實驗場景庫模塊

圖6 設備選擇模塊

(5) 數據分析模塊。對不同類型(如側重效率、安全、能耗或排放)實驗中常用的重點分析數據、評價參數及分析方法進行了詳細介紹。學生可根據實驗目的和要求，參照本模塊選取最佳分析參數，在實驗后有針對性地提取相應數據進行分析(見圖7)。

圖7 數據分析模塊

3 輔助設計案例

以一個道路交叉口設計實驗為例，逐步介紹如何使用輔助系統進行駕駛模擬實驗。

第一步，在“實驗文檔”模塊中下載道路交叉口設計實驗的實驗指導書，了解該實驗的具體目的、要求及內容。

第二步，通過“實驗文檔”模塊中的SCANeR studio軟件簡易中文手冊或英文用戶手冊了解該軟件的仿真場景構建方法，或直接觀看“教學視頻”模塊中的“如何從零開始構建仿真場景”進行學習。

第三步，參照“實驗場景庫”模塊中的場景素材，選取、確定實驗過程中可能用到的素材(如信號燈頭、燈桿、交通標志、植物、建筑物等)。

第四步，根據第二步中學習到的軟件使用技能和第三步中選定的場景素材，在SCANeR studio軟件中設計繪制滿足實驗要求的道路交叉口，并對交叉口進行配時(見圖8)。

第五步，實驗前，參考“設備選擇”模塊，選定實驗中需要用的輔助設備，并了解其使用方法。

第六步，通過“實驗文檔”模塊中的SCANeR studio軟件簡易中文手冊或英文用戶手冊了解將該軟件與模擬駕駛艙連接進行實驗的方法，或直接觀看“教學視頻”模塊中的“如何利用已有仿真場景進行駕駛模擬實驗”進行學習。

圖8 道路交叉口設計繪制

第七步，根據第六步所學內容，設定好仿真場景中的背景車輛及行駛路徑。

第八步，挑選實驗者，進入駕駛艙內，確保所選輔助設備安裝完好，連接模擬駕駛艙與SCANeR studio軟件，開始實驗(見圖9，圖10)。

圖9 模擬駕駛艙準備就緒

圖10 駕駛模擬實驗進行中

第九步，實驗結束后，輸出實驗數據，參考“數據分析”模塊選取評價參數，篩選相應的實驗數據進行分析，獲得實驗結論。見圖11。必要時可對實驗者進行問卷調查。

圖11 實驗數據輸出與選取

4 結 語

受實驗條件限制，傳統交通設計課程中，學生對交通設計方案優劣的評價和理解多建立在數學分析和認識上；對于不同的交通設計方法、參數乃至整個方案是否符合交通流的運行規律，是否符合駕駛員的心理、生理特征，是否適應于不同的周邊環境和條件等缺乏深刻的認識和理解。同濟大學交通運輸工程學院985平臺建設項目對高逼真度“駕駛模擬器”的引入和實驗室建設的完成，為交通設計實驗教學創造了條件。但由于駕駛模擬器剛剛建設完成，其教學應用尚處在起步階段。

本研究構建了交通設計駕駛模擬教學實驗輔助系統，該系統界面友好、覆蓋內容全，可為零基礎的學生提供駕駛模擬器SCANeR studio軟件快速入門的使用方法，并對實驗前的場景構建與設備選擇、實驗中的實時監控、實驗后的參數選取與數據分析等各個環節進行指導，可有效輔助交通設計駕駛模擬實驗教學課程的順利開展。

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Experimental Assistant System for Driving Simulator Teaching of Traffic Design

MAWan-jing,LILi,LINDian-chao,LIUXing-yong

(School of Transportation Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

The introduction of the “Driving Simulator” in the construction project of the 985 platform of School of Transportation Engineering, Tongji University and the completion of the laboratory construction create chances for the experimental teaching of traffic design. This study built an experimental assistant system for driving simulator teaching of traffic design that aims at guiding the traffic design driving simulator experiment in the pre-experiment, in-experiment and post-experiment stages. The possible implication areas of the driving simulator in traffic design teaching were introduced first; then the origin, function and integral framework of the assistant system were presented. Besides, the feature, function and using method of each module of the assistant system were explained in detail. Finally, we took a road intersection design experiment as an example to illustrate how to use this assistant system to conduct driving simulator experiment.

driving simulator; traffic design; experimental teaching; assistant system

2014-10-22

同濟大學實驗教學改革項目

馬萬經(1980-)，男，內蒙古赤峰人，博士，教授，博士生導師，從事交通工程領域研究與教學。

Tel.：13482236245；E-mail: mawanjing@tongji.edu.cn

G 420； U 471.3

A

1006-7167(2015)10-0172-04