低等級公路駕駛體驗訓練仿真平臺設計與實現?

尤志棟，王峻極，郝會龍，周穆雄

（1.公安部交通管理科學研究所，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）

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低等級公路駕駛體驗訓練仿真平臺設計與實現?

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：駕駛體驗訓練仿真平臺是針對駕駛人這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，能訓練駕駛人的駕駛技能，提高駕駛人的安全意識，降低交通事故的發生率，正日益受到國內外交通安全宣傳教育領域的青睞。文中在簡要分析中國農村地區低等級公路嚴峻交通安全現狀的基礎上，介紹了駕駛模擬技術背景和應用情況，論述了面向農村地區駕駛人的低等級公路駕駛體驗訓練仿真平臺實現的關鍵技術。通過該平臺的推廣應用，可提升農村地區駕駛人的交通安全意識、培養農村地區駕駛人的良好駕駛習慣、豐富農村地區駕駛人的駕駛技能培訓與考試手段，對農村地區駕駛人的交通安全宣傳教育具有重要指導作用和現實意義。

關鍵詞：汽車駕駛；農村地區駕駛人；低等級公路；駕駛體驗訓練仿真平臺

近年來，隨著農民經濟收入的增加和生活水平的提高，各類農村機動車和駕駛人的數量急劇增多。但受農村地區道路狀況差、道路設施配置薄弱、交通管理滯后及農村地區駕駛人缺乏交通安全意識等相關因素的影響，農村地區道路交通系統各因素間的矛盾加劇，農村交通事故數直線上升，形成了目前嚴峻的交通安全形勢。據統計，2010—2014年，中國農村低等級公路上平均每年發生交通事故5.28萬起，造成1.64萬人死亡、6.07萬人受傷，直接財產損失1.71億元，分別占全國總數的25.6%、27.0%、26.6%和16.2%。在中國，農村交通事故次數、死亡人數和受傷人數都明顯高于城區，發生在農村的交通事故嚴重程度和死亡率也均高于城區。因此，對農村地區駕駛人開展交通安全宣傳教育，使其掌握道路交通安全常識，認識交通事故后果的嚴重性和危害性，對提升農村地區交通安全現狀具有顯著的現實意義。

1　仿真平臺技術背景

1.1駕駛模擬仿真技術

駕駛模擬仿真技術結合虛擬現實技術與車輛傳感器技術，由安裝在駕駛座艙的傳感器采集駕駛人的駕駛操作信號并輸入計算機，計算機中的汽車運動動力學模型軟件計算出車輛的位置及運動姿態等瞬時參數，再將參數輸入視景仿真模塊，產生與車輛運動相對應的道路交通場景，通過顯示設備呈現給駕駛人，實現人-機實時交互仿真。

駕駛人通過控制駕駛體驗訓練仿真平臺的操作部件可進行與虛擬視聽環境的交互練習，從而進行駕駛體驗訓練。駕駛體驗訓練仿真平臺一般在室內環境運行，不受天氣、時間的影響，不會發生交通事故，同時具有很強的擴展性，能根據不同的研究對象特征設計針對性的體驗或訓練內容。

1.2國內外研究現狀

國內外許多研究機構和汽車公司建立了類似的實驗環境，并將其應用到人-車-路駕駛模擬系統，特別是駕駛人行為特性相關的研究中，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主要用于研究和分析各種實際駕駛過程中易發生的駕駛狀況，包括打瞌睡、未注意路況和疲勞駕駛等；美國愛荷華大學的NADS駕駛模擬平臺通過研究交通流的變化對駕駛人駕駛行為的影響，基于駕駛人對駕駛過程的預估，演算自動駕駛模型，評估自動駕駛對駕駛人的影響。國外研究表明，駕駛模擬器的訓練有利于駕駛人掌握駕駛技能，日本自20世紀80年代以來培訓的駕駛人90%采用駕駛模擬器訓練，取得了較理想的效果。

在國內，吉林大學汽車動態模擬國家實驗室結合人-車-路環境，研究道路條件、特性和其他因素對駕駛行為的干擾與影響。武漢理工大學建立的汽車駕駛模擬平臺主要基于道路交通，用于駕駛人培訓和考核、汽車自動駕駛仿真和交通誘導等研究。

2　仿真平臺體驗訓練方案設計

2.1體驗訓練方案總體設計

低等級公路駕駛體驗訓練仿真平臺面向農村地區駕駛人，體驗訓練方案以農村地區低等級公路駕駛技能的體驗訓練為主線，駕駛場景主要為臨水臨崖、彎多、路窄、坡陡、路面損壞嚴重、標志標線不完善等農村地區低等級公路場景，提高農村地區駕駛人的交通安全意識、增強其對于低等級公路駕駛技能的學習和掌握。體驗訓練方案采用分項訓練、綜合體驗的方式進行整體設計（如圖1所示）。

圖1　低等級公路駕駛體驗訓練方案總體設計

（1）分項訓練。針對放眼遠方、留有余地、環顧四周、視線靈活、引人注意等駕駛原則，結合農村地區低等級公路復雜的交通環境及頻發的危險交通事件，設計4項訓練方案，即放眼遠方訓練、留有余地訓練、環顧四周訓練、引人注意訓練。

（2）綜合體驗。在分項訓練的基礎上，設計2段符合農村地區實際特點的駕駛場景，其中包含典型危險交通事件，為農村地區駕駛人提供綜合的農村地區低等級公路駕駛體驗，并對體驗者的模擬駕駛過程進行綜合評價。

通過采用分項訓練、綜合體驗的方式設計體驗訓練方案，可使農村地區駕駛人更好地了解和學習適合農村地區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慣。

2.2分項訓練詳細設計

2.2.1放眼遠方訓練

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

在模擬駕駛過程中，屏幕上給出必要的動態距離標識。將視野區域分為3個級別，即3 s區域、6 s區域、15 s區域，不同視野區域采用不同的顏色以半透明的方式進行動態標識。

在虛擬交通環境中，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，對此采用信息標識框隨動的方式進行提示。如前方同向行駛的車輛，設置一個半透明的信息標識牌跟隨車輛運行，信息內容包括該車的速度、離本車距離、車頭時距等，標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，幫助體驗者建立準確的距離感和3種視野范圍區域感。

在車流中設計相應的突發事件，通過這些事件加強體驗者對車頭時距及三級視野區域的認識。這些突發事件均與時距相關，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留有余地訓練

該模塊的訓練方式是在不同交通場景下完成規定的模擬駕駛任務。

在模擬駕駛過程中，訓練體驗者有意識地環顧四周，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。在交通環境中設計相應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有的安全駕駛空間，逼迫體驗者不停地環顧四周，隨時調整本車狀態，以保持安全的駕駛空間。

在模擬駕駛過程中，以本車為中心設計一個采用透明長方體表示的安全駕駛空間，當在該范圍內無其他車輛或交通參與者時，駕駛空間表示體顯示為綠色；根據本車及他車狀態進行推算，數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為黃色，以提示司機注意觀察、保持空間；一旦有他車侵入本車的安全駕駛空間，表示體顏色則變為紅色。

2.2.3環顧四周訓練

該模塊的訓練方式是在不同交通場景下完成規定的模擬駕駛任務。

在模擬駕駛過程中，訓練體驗者有意識地環顧周邊，注意可能干擾行車的任何可疑對象。在交通環境中，設計相應的動態對象，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境危險源）；5）路邊動態的LED廣告屏、路邊的事故處理現場（考察體驗者是否會分散注意力）。

2.2.4引人注意訓練

該模塊的訓練方式是在不同交通場景下完成規定的模擬駕駛任務。

在模擬駕駛過程中添加相應的交通事件，通過訓練體驗者對于交通事件的處置方式，增強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、標志牌指示等駕駛場景，或需執行轉彎、掉頭、超車、變道等駕駛操作時，體驗者應發出相應的提示信息提示其他道路使用者自己的駕駛意圖。

2.3綜合體驗詳細設計

該模塊的體驗方式是設計2段農村地區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的危險交通事件，通過評估駕駛人對于交通危險事件的處置方式，考核駕駛人對于農村地區低等級公路駕駛技能的掌握程度。

3　仿真平臺軟硬件開發

根據仿真平臺功能組塊，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，軟件為模擬駕駛相關程序。

3.1仿真平臺硬件開發

3.1.1仿真平臺硬件系統構建

車輛駕駛仿真器是重要的人機交互界面，由車體結構及附屬設備子系統、數據采樣及輸出子系統、視景仿真子系統、聲音仿真子系統、六自由度運動子系統5個部分組成（如圖2所示）。

圖2　低等級公路駕駛體驗訓練仿真平臺硬件系統的組成

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

（2）數據采樣及輸出子系統。操控部件的信息采樣在不具備數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相連。信號輸出分為模擬量輸出和數字量輸出。其中，模擬量輸出信號不低于4路，包括發動機轉速表、車速表、里程表。數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。在模擬駕駛過程中，司機通過視景系統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。音效系統由主控計算機控制，音量大小可通過儀表面板直接控制。在駕駛座艙內安裝揚聲器組形成環繞聲場，提高體驗者的環境沉浸感。

（5）六自由度運動子系統。考慮到車輛的運動特點，采用六自由度運動平臺，該平臺可提供笛卡爾坐標系內的縱向、橫向、垂向3個自由度平動，仰俯、側傾、偏航3個自由度轉動。

3.1.2控制臺及輔助系統開發

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

仿真主控計算機負責完成仿真運算、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、其他模擬平臺的通信。仿真主控計算機采用工控機，其外圍設備包括數據采集卡、5.1立體聲音效系統等，分別完成操作動作采樣、儀表臺輸出控制、聲音仿真等功能。

系統管理計算機負責管理程序運行、學員數據信息保存，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

仿真平臺軟件系統主要完成道路視景仿真、駕駛過程邏輯驅動、運動平臺控制等功能。軟件系統首先根據駕駛者的輸入（方向盤轉角、油門、制動）等控制信息解算車輛的運動姿態，根據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），由視景驅動模塊完成實時渲染處理，同時控制運動平臺實施相應動作，呈現給駕駛者以逼真的仿真駕駛環境。

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

表1　軟件系統的主要功能模塊

4　仿真平臺運行流程

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

4.1系統管理

系統開機后首先進入系統管理界面，由管理員進行操作，需輸入登錄口令。口令正確，進入管理界面后，可選擇“開始體驗訓練”、“系統檢測”、“學員數據庫管理”、“訓練成績打印”、“關閉系統”等。

圖3　低等級公路駕駛體驗訓練仿真平臺運行流程

4.2學員登錄、操作

系統進入駕駛模擬訓練主程序后，首先進入“學員登錄界面”，學員需錄入身份證號碼、準駕車型，系統數據庫建立一條數據信息，該學員的訓練時間、訓練內容、訓練評分、錯誤駕駛等自動記入該條數據信息中。所有數據信息長期存儲在計算機硬盤中。

學員登錄后，即進入“選擇主界面”，在該界面選擇訓練內容，包括分項訓練和綜合體驗。學員完成體驗訓練后返回該界面，選擇“學員退出”，則該學員的數據信息（如訓練時間、得分、主要錯誤等）被寫入數據庫，臨時性數據被清空（如該學員的實時駕駛參數、場景數據等）。

4.3綜合評價

在“體驗訓練”結束后，系統即進入“綜合評價”模塊。

（1）過程回放。首先進行“過程回放”，系統自動依次回放車輛在交通場景中的運動過程。播放視角由系統隨機生成，包括后上方俯視、前上方俯視、正上方俯視、側方視角、自車視角、對向來車視角、后車視角等。在播放過程中，在左側屏幕上疊加顯示車輛主要運動參數，包括速度、轉向燈狀態、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，然后繼續下一個場景的回放。

（3）綜合評分。系統自動判斷、記錄學員的交通違法行為，根據評分規則累積扣分，以100分為基礎分，給出評判得分，并給出扣分項細目。綜合評分結果可打印，交付學員。

5　結語

該文分析了中國農村地區嚴峻的交通安全現狀，結合駕駛模擬技術，設計了仿真平臺的分項訓練和綜合體驗方案，并對仿真平臺的軟硬件開發技術進行了重點講解。

低等級公路駕駛體驗訓練仿真平臺的推廣與應用，可大幅提高農村地區駕駛人的交通安全意識、增強農村地區駕駛人的駕駛技能，成為向農村地區駕駛人開展交通安全宣傳教育的重要方式，對提升農村地區交通安全現狀具有顯著意義。

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中圖分類號：U471.3

文獻標志碼：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