兒童穿越城市道路過程中關鍵情境虛擬仿真研究

沈婷 高瞻 王華容

摘 要：兒童行為因素是導致兒童交通事故的重要風險因素之一。由于兒童認知發展水平的局限，他們在穿越城市道路時會比成年人更容易犯錯，因此需要通過一種有效的交通安全教育方法改善兒童行為從而降低風險。針對車速車間距組合的感知與判斷、車輛臨時停車導致的視線遮擋這兩個關鍵情境，利用虛擬現實技術進行仿真，構建交通安全訓練虛擬現實系統，培訓兒童安全穿越城市道路。系統試用結果表明，學生在多次訓練后過馬路成功幾率及安全意識均有所提升。將虛擬現實用于兒童穿越城市道路的情境仿真和訓練，能增強兒童過馬路能力。

關鍵詞：兒童道路安全;虛擬現實;安全教育;人機交互

DOI：10. 11907/rjdk. 191398 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）002-0066-05

英標：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

行人事故是導致兒童死亡和嚴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。

運用虛擬現實技術對兒童進行交通安全教育研究較多，如Jodie M Plumert等[3]通過實驗表明，不管是在大屏幕虛擬環境還是在真實環境，人們的距離感幾乎完全相同;David C Schwebel等[4]幾乎一致認為，在虛擬環境中進行交通安全培訓是一種新穎、有效的方法;Robert J Matheis等[5]要求不同類型的被測試者在虛擬環境和真實環境中學習并記住一個辦公室場景，結果表明，虛擬環境下人腦的學習與記憶能力與真實環境沒有太大差別，人們在虛擬環境中也能像平時一樣學習新的知識和技能，并把它們應用到現實生活中去。

劉東波、張雷元等 [6]指出，交通違法警示教育虛擬體驗系統對行人和非機動車交通違法警示具有針對性，可接受程度高。通過交通安全環境仿真，有助于快速提升行人、非機動車群體的交通安全意識;武漢理工大學研制的駕駛員模擬訓練器[7]，在沒有危險情況的同時使學員熟悉汽車性能，掌握基本的操作方法和駕駛技術，同時學習交通規則，在滿足駕駛模擬培訓的基礎上提高用戶的交互感和沉浸感，使汽車駕駛培訓具有游戲性和娛樂性;清華大學羅元等 [8]從微觀到宏觀介紹了虛擬現實環境下城市道路交通流模擬的原理、方法和技術，實現了城市道路交通流智能化模擬虛擬現實系統，使研究成果能夠適應虛擬現實環境下行人交通安全教育以及城市道路交通流運動研究的實際需求;重慶大學對城市道路斑馬線通行體驗系統[9]進行開發，證明虛擬現實技術可以對行人斑馬線通行進行模擬，讓體驗者以第一人稱的角度沉浸在虛擬現實環境中，通過操作硬件設備、觀看立體大屏幕視頻，真實體驗斑馬線通行，降低了體驗者在實際通過斑馬線時發生危險的概率;王梅亮等 [10]使用虛擬現實技術開發的交通安全教育和技能訓練系統，讓兒童通過鼠標鍵盤等外部設備體驗桌面式虛擬現實系統，增加了交通安全教育的趣味性。

我國雖然在交通安全領域應用虛擬現實技術已有研究，但并沒有真正實現沉浸式交通安全訓練虛擬現實系統，現有研究大部分都是使用計算機或投影儀等儀器顯示場景，沒有真正使用虛擬現實設備，如虛擬現實頭盔、虛擬現實數據手套等。因此，目前的兒童交通安全教育虛擬現實系統存在沉浸感不強、交互性不足、場景體驗不真實等缺點[11]。

利用虛擬現實技術，針對車速車間距組合的感知與判斷、車輛臨時停車導致的視線遮擋這兩個關鍵情境，本文使用虛擬現實頭盔設備開發兒童穿越城市道路的交通安全訓練虛擬現實系統，訓練兒童對車速、車間距以及周圍環境作出正確判斷，增強交通法規意識，提升安全穿越城市道路技能，從而獲得自我保護能力。本文將系統投入當地小學試用，設計實驗對兒童進行訓練，獲取并分析訓練數據，驗證了該系統的有效性。

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生率遠高于其它年齡段的主要原因在于他們缺乏交通流信息綜合處理能力，不能正確判斷車速、車間距，準確找到過馬路的時機以及控制自身速度，其中最重要的是車速和車間距判斷;Connelly等[15]研究指出，2/3的兒童只根據距離判斷是否安全，而不考慮車速;Rosenbloom等[16]調查被試人員對車輛距離和速度的視覺計時，研究與此相聯系的危險害怕情緒體驗，結果發現，成人能夠根據車輛速度和距離作出恐懼與害怕評價，而兒童很難將速度與危險聯系起來，也很難將速度與距離整合考慮。

十字路口交通狀況復雜，有過街行人、駛入交叉口的車輛，在這種情況下，機動車為了獲得優先權容易與行人發生沖突，常常會為了通過交叉路口加速行駛。本就不能正確判斷車速車間距的兒童在這種情況下，經常來不及作出反應。而高速駕駛時，駕駛員在短時間內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。根據能量守恒定律，速度越高，車輛發生碰撞時的加速度越大，釋放的能量也越大，對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，本就缺乏正確判斷車速、車間距的能力，在道路交通復雜的情況下，與成人相比更容易發生事故，而因車速誤判造成的傷害會非常大。因此，對兒童進行穿越道路的交通安全訓練時，需要將車速與車距整合起來，幫助兒童正確識別車速車間距，判斷當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。

為了提升兒童對車速車距感知能力，本系統設計車速車距感知訓練場景，場景設計如圖1所示。場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。

啟動系統后，程序會在每個車道的起始處生成車輛，待車輛充滿道路時，引導兒童佩戴虛擬現實頭盔并進行訓練，訓練的最終目的是成功穿越城市道路到達馬路對面。兒童在過馬路過程中，系統會記錄多項數據以便后期分析研究，主要包括通過馬路時間、與車輛的最近距離、兩次過車距離（過車距離指兒童穿越馬路時與來車的距離）以及是否通過馬路。

2 視線遮擋關鍵情境

實際交通中可能存在兒童視線被某些障礙物遮擋的情況，導致兒童接收錯誤的交通信息，作出錯誤的判斷與行為，這是影響兒童安全過馬路的一大因素[18]。兒童視線被遮擋指兒童在穿越城市道路時，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驗，在經過障礙物時往往不會仔細觀察周圍環境，排除存在視線遮擋的可能性，因此容易引發交通事故。

針對兒童穿越城市道路時無法正確判斷是否存在視線遮擋的情況，需要設計兒童可能存在視線遮擋情況并使用虛擬現實技術，在虛擬環境中對該情況進行仿真，讓兒童在虛擬世界中感受視線遮擋的場景，體驗錯誤判斷視線遮擋的危險后果，教育兒童在穿越城市道路過程中注意該類情形，并在過馬路時養成仔細觀察道路兩邊信息的習慣，從而達到交通安全教育的目的。

本文在虛擬訓練系統中搭建視線遮擋關鍵情境，如圖2所示。

圖2中，兒童意圖從馬路這邊走到另一邊，此時兒童的左邊有一輛靜止的車輛A，因為車輛A導致一段視野盲區（圖2中陰影所示），可看出在當前情況下，車輛B處于兒童視野盲區內，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沒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的車輛B撞到而發生交通事故。

設計在訓練前告知兒童以平常心態穿越虛擬現實頭盔呈現的道路場景，以不被虛擬車輛撞到、安全到達馬路對面為目的。在進行訓練時，啟動系統，讓兒童佩戴頭盔，此時系統啟動車輛B，車輛B的位置經過事先計算，可以基本保證兒童徑直走過車輛A并不放慢腳步左右觀察時會被車輛B撞到。

由于兒童行為存在隨機性，如游戲一開始兒童就以較快速度跑向對面，這會導致車輛B還沒有靠近兒童時就已經到達馬路對面，還存在一種情況是兒童在馬路上走走停停、速度非常慢，這時車輛B已駛過車輛A，而該兒童還未走完馬路的一半。上述兩種行為雖然沒有被車輛B撞到，但是都屬于危險行為（在馬路上奔跑和停留同樣危險[19]）。因此，本文設置若干判斷條件判定兒童是否成功過馬路，判定條件如表1所示。

圖3是系統的視線遮擋訓練場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景訓練中，兒童站在大型車輛旁準備穿越城市道路，此時兒童根本無法看到隱藏在大車輛后面的小汽車。

3 實驗與數據分析

本系統硬件平臺為GTX1050的PC機和HTC VIVE虛擬現實頭盔設備，操作系統為Windows，虛擬現實場景通過頭盔顯示，對訓練者進行穿越城市道路的交通安全訓練并記錄訓練結果，用戶使用場景如圖4所示。

圖4中，訓練場地為小學教室，大小為8m×6m，場地要求沒有障礙物，VIVE定位器放置在長方形場地的兩個斜對角位置。通過系統設置，將訓練場地中8m長的邊設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穿越城市道路過程，從場地一端安全走到另一端，即在虛擬環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，即為兒童進行交通安全訓練時頭盔顯示器所見場景。

兒童穿越城市道路交通安全訓練虛擬現實系統有兩個關鍵情境：車速車間距組合的判斷和視線遮擋場景設計實驗。在某小學抽取部分學生進行實驗，記錄并分析實驗數據。

3.1 車速、車間距感知實驗

3.1.1 實驗設計

隨機選擇四、五年級的小學生各80名，共160名，性別各半。實驗步驟如下：①實驗者佩戴相應設備，了解實驗任務;②攝像機全程記錄實驗者過馬路行為及當前道路信息;③4種道路交通情境，包括車速快車距遠、車速快車距近、車速慢車距遠和車速慢車距近，通過拉丁方設計[20]4組實驗如下：

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。

受訓兒童需要按照特定的車速車間距順序訓練8次，其中每種道路情境下訓練2次。在每次訓練中，受訓兒童需要在給定時間內判斷最佳過馬路時機，穿越馬路并到達馬路對面記為“成功過馬路”。

3.1.2 數據分析

在車速、車間距實驗中，分析每次實驗中兒童的平均通過率（安全穿越城市道路的學生數目占總數的比例），實驗結果如圖5所示。橫坐標代表每一次實驗，縱坐標代表160名學生的平均通過率?？梢钥闯鲈谙嗤能囁佘囬g距情況下，兒童經過一次訓練后再次訓練的通過率會有明顯提升（比如第二次比第一次的通過率高很多）?？亢蟮挠柧毚螖惦y度更大（更小的車間距和更大的車速），在訓練難度提升的情況下，折線圖總體仍呈上升趨勢，通過率有所提升，證明了系統的有效性。

3.2 視線遮擋實驗

3.2.1 實驗設計

隨機選取小學生做實驗，從四、五年級中各選擇60名共120名學生，男女生各占一半。在實驗過程中，告知兒童以平常心態在虛擬場景中安全穿越城市道路，實驗人員不會透露障礙物后方會有來車。本實驗共考慮了兩個訓練場景，分別是障礙物在左邊和障礙物在右邊。

兒童過馬路時，系統會時刻記錄穿越馬路過程中是否有轉頭行為，在過馬路時是否跑動、跳躍或停留，是否出現其它玩鬧行為，是否走在斑馬線上，是否被撞以及過馬路時間。每位兒童共做5次實驗，根據記錄的實驗數據判斷兒童是否成功過馬路。

3.2.2 數據分析

兩種視線遮擋訓練場景中兒童每次訓練的通過率如圖6所示。可以看出剛開始訓練時，兒童并未注意觀察交通流中可能存在的視線遮擋情況，因此前兩次通過率較低。隨著訓練次數的增加，兒童意識到注意視野盲區的重要性，通過率逐漸提升。同時發現兩個訓練場景的通過率基本一致，尤其是經過多次訓練后，兩次的通過率基本一致。

3.3 問卷調查

為了進一步評估系統訓練效果，本文對訓練后的兒童進行問卷調查，主要從以下4個方面設計問卷：①兒童訓練時的身體反應;②兒童訓練時的心理感受;③訓練模塊逼真度;④系統有效性。從參加訓練的學生中隨機抽取200人進行問卷調查，通過對問卷調查分析發現，系統達到了較好的訓練效果。圖7展示了部分統計結果，可以看出受訓者普遍認為訓練場景逼真、訓練效果好。同時可以看出一部分兒童在訓練時會有身體不適，多是眼睛疲勞、眩暈等常見現象。還有極少數兒童會覺得厭煩，這和場景關卡設計相關，也表明需進一步提升系統訓練模塊的豐富度。

4 結語

本文設計的兒童交通安全訓練虛擬現實系統，形式新穎，參與性強，擁有良好的視聽感受。實驗結果表明，該系統互動性較好，相比傳統的交通安全教育形式，能提高兒童道路安全意識，具有顯著的道路安全訓練效果，有利于提高兒童道路安全技能，減少兒童因自身行為導致的道路安全事故。本系統開發證明虛擬現實技術可以用于兒童過馬路行為訓練，為后續研究交通安全教育手段提供了一個方向。后續還需完善交通安全訓練虛擬現實系統，如更多地考慮兒童穿越城市道路的關鍵情境，以及更為逼真地模擬車輛等。

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（責任編輯：杜能鋼）