虛擬仿真在公安院校交通管理工程專業教學中的應用

方 斌 楊降勇 王 巖 胡 鵬

（湖南警察學院交通管理系 湖南·長沙 410038）

公安院校是公安機關高素質人才培養和輸出的主要陣地，培養具有突出實踐能力的應用型人才是公安院校的重要人才培養目標。公安院校交通管理工程專業培養學員利用工程、教育、執法等手段，正確處理道路中的人、車、路、環境之間的關系，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所開設的課程的一個顯著特點是貼近實戰，具有很強的實踐性。然而，在實踐能力訓練中卻大量存在交通事故現場處理、高速公路執勤執法等具有實訓安全風險的教學內容，這為發展交通管理工程虛擬仿真實訓教學提供了需求空間。

1 虛擬仿真技術

虛擬仿真技術以仿真的方式給用戶創造一個實時反映實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境中的作用與變化，產生沉浸感。[1]在建設創新型應用人才的背景下，將虛擬仿真技術引入公安院校交通管理工程專業建設中，使得實訓教學環節具有以下優勢：

（1）課程開設靈活機動，不受場地、設備數量和實訓項目內容的限制，有效解決了目前實訓教學學生多、空間小、設備昂貴的問題。[2][3]

（2）教學組織安全可靠，利用虛擬仿真平臺構建高危或極端的仿真環境，可以可靠、安全地開展實驗。

（3）實訓成本可控，不消耗實際設備器材，不存在設備的損壞，可以重復進行實驗，節約了實驗成本，提高了實驗效率。

（4）虛擬仿真環境增強了沉浸感和體驗效果，提升了學習興趣。

2 虛擬仿真教學內容設計

交通管理工程專業實訓教學內容設計以培養貼近公安實戰的交通管理人才為目標牽引，通過統籌規劃，分批建設，構筑專業基礎課程、行業特色項目、前沿技術專題三個層次的交通管理工程虛擬仿真教學內容，使學生“由淺入深、循序漸進”地掌握交通管理工程的專業知識和實戰能力。

2.1 虛擬仿真教學內容

2.1.1 專業基礎課程

交通管理工程專業基礎課程中涉及到虛擬仿真實訓項目的課程包括汽車構造、道路交通設施以及車輛與駕駛人管理等課程。

（1）汽車構造。基于虛擬仿真平臺，對汽車的各個組成部分模擬三維動畫，并且在此基礎上引入虛擬現實技術，能夠360度全方位展示每一個零部件；使得學員能夠深入認識發動機、汽車底盤、車身、電氣設備、汽車車身等主要構件的原理、分類、特性，熟悉汽車的工作原理。

（2）道路交通設施。基于虛擬仿真平臺，開展不同場景、不同交通設施對駕駛行為的影響，在仿真環境下利用算法獲取路段的安全等級，進而達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方案

（3）車輛與駕駛人管理。在虛擬仿真平臺下，通過定制的車駕管業務辦理動畫，使學員能夠深入掌握車輛與駕駛人管理的業務流程以及注意事項。

2.1.2 行業特色項目

針對公安院校的人才培養需求，基于虛擬仿真實訓平臺開展具備公安院校行業特色的虛擬仿真項目實訓。

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

（2）事故分析。交通事故分析的作用是為決策提供依據。交通事故分析就是通過對交通事故的調查、分析，根據掌握的信息，運用數學、力學、工程學的基本方法，進行事故再現，找出事故發生的現場情況，為分析和判斷事故原因提供依據；再通過對大量已經發生的交通事故原因的調查、統計、分析，從中得出趨勢性的結論，以便為采取決策提供依據和基礎。近年來發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的手段。

（3）道路執勤執法。通過交互式的虛擬仿真體驗項目，讓學員能夠熟悉掌握執勤執法的標準處置流程和注意事項。對于不規范的操作，可以通過視、聽、觸等多種形式給出提示。

2.1.3 前沿技術專題

前沿技術專題虛擬仿真實訓以智能交通系統的新技術實訓為目的，通過系統仿真和半實物仿真實訓對交通控制的決策進行驗算，并對未來城市路網綜合監控以及無人駕駛對城市交通管理帶來的挑戰等前沿問題開展技術探索。[5]

（1）智能交通。目前，國內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、大數據等新興技術來解決日益復雜的城市交通問題。基于虛擬仿真平臺，能以現實的城市交通道路為基本，結合街道、綠化、車輛等交通設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，嵌入先進的人工智能、圖像處理、大數據處理等算法，可以有效地評估智能交通方案的可行性和先進性。

（2）無人駕駛。隨著自動駕駛、目標識別、智能控制等無人系統支撐技術的不斷發展，無人車的應用也取得了突破進展。可以預見，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據支撐和經驗積累，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 教學設計

圍繞上述的專業基礎課程、行業特色項目、前沿技術專題三層階梯課程方案，構建如圖1 所示的虛擬仿真平臺建設方案。

2.2.1 交通控制分析仿真系統

基于微觀交通仿真軟件VISSIM 以及宏觀交通仿真軟件VISUM 開展實訓教學，支撐道路交通管理規劃、交通仿真、交通控制等專業課程的實驗教學和科研工作。[6]開設的仿真實訓項目包括：十字信號交叉口仿真實驗、交叉口過街行人仿真實驗、交叉口非機動車仿真、優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的建立等。

2.2.2 交通事故仿真分析系統

基于交通事故分析軟件PC-Crash 開展實訓教學，以支撐道路交通事故處理、交通事故分析與再現等專業課程的實驗教學和科研工作。PC-Crash 用于事故的分析重現，根據事故現場的采集記錄的數據，主要包括車輛的狀態數據、地面痕跡長度、事故周邊設施的受損程度等，運用運動學與動力學理論反推碰撞過程，進而分析推算碰撞前車輛的運行狀態。典型的應用場景包括：汽車對汽車碰撞交通事故計算與再現、汽車對兩(三)輪車碰撞交通事故計算與再現、汽車碰撞行人交通事故計算與再現、車輛墜崖交通事故計算與再現、車輛碰撞固定物交通事故計算與再現、摩托車對兩輪車碰撞交通事故計算與再現、摩托車碰撞行人交通事故計算與再現、摩托車碰撞靜止物交通事故計算與再現等。

2.2.3 典型軟件仿真實驗平臺

構建分布式控制仿真、數據交互、交通信號控制等功能智能系統仿真虛擬平臺，具備定時控制、感應控制、自適應控制，以及干線綠波帶控制、路網自適應協調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]典型的應用場景包括平面交叉口管理控制仿真實驗、交通信號控制仿真實驗、綠波配時仿真控制實驗以及多路口分布式控制仿真實驗。

3 虛擬仿真現實在交通管理工程專業中的應用前景

3.1 學生的教育訓練

虛擬現實技術運用于實訓教學，將更能激發學員的學習興趣，提高教學效果。傳統的交通管理工程專業知識講授大都借助于文字案例、有關的視頻等教學工具來實現，對于一些交管實戰的訓練較為薄弱。借助于虛擬現實技術，就可以將對道路交通的人、車、路、環境四要素搭建模型，利用虛擬現實各項交管業務的功能系統，讓學員在仿真環境中就能體驗交通管理中的所有要素。

3.2 研究者理論研究

在虛擬仿真環境中嵌入各種算法模型，驗證相應控制方式、控制方法的效果；在仿真環境中探索無人車、車路協同、智能駕駛等前沿研究方向，達到支持研究者理論研究的目的。

3.3 課程虛擬實驗

利用虛擬仿真技術可創建一個基于計算機為核心的虛擬實驗平臺，利用虛擬仿真技術進行技能訓練、虛擬實驗，既可以不依賴于昂貴的實驗器材，降低實驗成本，又能保證實訓結果同現實技能訓練的教學效果基本一致。

4 結語

通過交通虛擬仿真平臺的建設，可以開發符合交通信息與控制發展潮流的虛擬仿真實訓教學資源和實訓方法，建立培養具有創新意識和工程實訓能力的高素質人才體系框架，推進交通管理工程類實訓教學的信息化、網絡化建設以及實訓教學改革。同時基于虛擬仿真硬件環境和軟件，積極參與交通事故的司法鑒定、智能交通系統的建設等工作，更好地為公安機關的交通管理工作服務。