基于虛擬現實技術的安全文明及應急處置能力測試場景構建與實現

關鍵詞：安全文明駕駛，應急處置，典型駕駛場景，仿真考核系統

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2025.03.033

0 引言

隨著汽車保有量的不斷增加，道路交通安全問題日益凸顯。新駕駛人安全文明駕駛、應急處置能力存在明顯不足，無法達到安全行駛的要求，由此引發的交通安全問題日益凸顯。目前駕駛人駕駛技能考試通過實物模擬方考核，成本高、效果單一，科目三安全文明駕駛常識考試，以文字或靜態圖片形式展示交通場景，難以起到準確評價安全駕駛和應急處置水平的目的。虛擬現實技術因其不受場地限制，能夠靈活構建與真實駕駛環境非常接近的虛擬駕駛環境，可對各類道路環境、典型突發情景進行無風險的仿真，很好地解決上述實物模擬高成本、信息展示形式單一等問題，能夠在一定程度提升駕駛人安全文明駕駛和應急處置能力，完善目前機動車駕駛人考試的考核評價效果，從源頭完善新駕駛人考核方式方法，提升通行安全和通行效率。本文旨在探討基于虛擬現實技術的安全文明駕駛及應急處置能力測試場景構建和系統研究，以提高駕駛人的應急處置能力和安全駕駛水平。通過我國典型交通事故、交通違法行為分析提取特征要素，集成駕駛人相關法規標準、道路類型、道路環境、交通參與類型等多維數據、多維行為構建典型道路動態交通場景庫，形成適用于駕駛人駕駛安全意識和應急處置能力考核仿真考核評價系統。

1 典型場景特征研究

本文基于我國近年來道路交通事故和違法行為數據分析，從人-車-路-環境、違法行為誘因、交通對象參與類型等維度梳理凝練交通事故和違法行為特征要素[1]，分析各要素與事故風險程度、違法行為的關系，挖掘各要素間關聯規則，梳理適用于安全文明駕駛考核的典型道路駕駛情景。

1.1 交通事故特征

1.1.1 一般道路交通事故特征分析

一般道路交通事故高發時段通常集中在早晚高峰及節假日，特別是惡劣天氣條件下，如雨、雪、霧等，道路滑濕、能見度低，易造成剎車失效或偏離車道。其次，事故多發生在交通復雜的路段，如交叉口、急彎和匝道，這些地方視距差、車速較快，容易導致碰撞；特別是在山區道路，由于道路彎道較多、坡度陡峭、視距差，易因操作失誤導致翻車、碰撞等嚴重事故。本文從事故原因、事故形態、事故道路類型、事故地形條件、事故道路時間、天氣條件[2]等方面梳理一般道路交通事故典型特征要素，如表1所示。

1.1.2 高速公路道路交通事故特征分析

高速公路交通事故發生的時間通常集中在早高峰和晚高峰時段，特別是在節假日或惡劣天氣條件下，交通流量大、駕駛人疲勞駕駛的情況較為嚴重。其次，事故的高發區域多位于車速較快、路況復雜的路段，如匝道、橋梁和隧道附近。此外，車輛碰撞是最常見的事故類型，尤其是rear-end（追尾）和側撞事故較為頻繁，原因往往與駕駛人分心、超速、不遵守交通規則等行為密切相關。天氣因素、道路狀況（如道路濕滑、視距不清）以及駕駛人的操作失誤也是主要的事故誘因。從事故發生原因、事故形態、事故時間、事故道路情況、事故道路天氣條件等方面梳理高速公路交通事故典型特征要素，如表2所示。

1.2 交通違法行為特征

道路交通違法行為并不必然引發交通事故，但任何交通事故都是以交通違法行為的存在為前提的。基于交通違法情景所構建的考試場景更具普遍性和廣泛性，可以說它是交通事故場景的一個擴展集，涵蓋了更多潛在的危害性場景，能夠更加完備地對駕駛人安全文明駕駛和應急處置能力進行考試提升[3]。

1.2.1 城市道路交通違法特征分析

城市道路交通違法行為主要表現為駕駛人在復雜的城市環境中不遵守交通規則。常見的違法行為包括：闖紅燈，駕駛人為了節省時間忽視紅燈信號；不按車道行駛，部分駕駛人隨意變道、超車，增加了發生碰撞的風險；在擁堵路段或小巷中逆向行駛；違法停車，占用盲道、消防通道或人行道；在行駛過程中使用手機，分散注意力，增加事故概率；通過人行橫道未減速慢行等。城市道路交通行駛常見的違法行為情況如表3所示。

1.2.2 國省道、高速公路道路交通違法特征分析

國省道、高速公路上超速駕駛是最常見的違法行為，許多駕駛人在國省道、高速公路上因車速過快而忽視限速規定，特別是在視距良好、交通流暢的情況下，超速行駛大大增加了事故的發生風險。其次，高速公路中不按車道行駛也較為突出，部分駕駛人在車流密集時頻繁變道、超車或占用應急車道，導致交通混亂并增加了碰撞的概率。疲勞駕駛在長途行駛中尤為嚴重，駕駛人長時間未休息導致注意力不集中，反應遲鈍，易引發與其他車輛碰撞。國省道、高速公路道路交通行駛常見的違法行為情況如表4所示。

2 典型道路駕駛仿真場景構建

基于上述分析的道路交通事故與違法行為特征要素，融合我國典型道路環境、道路類型、天氣及光照條件和交通流環境等多源模式不同駕駛場景需求，依據我國道路交通法律法規、標準規范等規定的通行規則及安全文明駕駛要求，設計構建了多種可用于駕駛安全文明和應急處置能力考核的道路駕駛仿真場景。

2.1 駕駛安全文明測試場景

2.1.1 主輔路路口行駛

主輔路交叉口行駛時，主路車輛優先通行，輔路車輛需減速并觀察交通標志或信號燈。在無交通信號燈的交叉口，輔路車輛應遵守“讓行”或“停車”標志的指示，確保安全通過。轉彎時，駕駛人需提前打轉向燈，并按規定車道行駛。遵守交通規則和信號燈指示，確保通行順暢并避免交通事故。駕駛人應注意觀察其他車輛和行人，保持安全車距，特別是在繁忙或視線不佳的路。用例特征布置如表5所示，用例示意圖如圖1所示。

2.1.2 駛出高速公路

駛出高速公路時，駕駛人應提前注意出口標志，確保提前變道。進入減速車道時，逐漸降低車速，避免急剎車。離開高速公路前，應確保轉向燈開啟，避免與其他車輛發生沖突。用例特征布置如表6所示，用例示意圖如圖2所示。

2.1.3 無信號燈路口通行

在無信號燈路口通行時，駕駛人應根據交通標志、標線和路況合理判斷通行順序，確保安全。遇到“停止”或“讓行”標志時，駕駛人必須提前減速、停車并觀察四周，確認無其他車輛或行人時方可通行。對于沒有信號燈的交叉口，若主路和輔路交匯，主路車輛享有優先通行權，輔路車輛需遵守讓行規定，待主路車輛通過后再行駛。用例特征布置如表7所示，用例示意圖如圖3所示。

2.1.4 前方道路施工

應及時觀察施工區域，采取向左車道并線通過該區域的處理方式；遇有左側車道存在其他車輛行駛時，車輛應減速避讓，待其他車輛通過后，開啟左轉向燈，向左側車道并線，通過臨時施工路段。用例特征布置如表8所示，用例示意圖如圖4所示。

2.1.5 窄路會車

正確判斷會車地點，會車有危險時，控制車速，提前避讓，調整會車地點，會車時與對方車輛保持安全間距。在沒有中心隔離設施或者沒有中心線但能同時通行的路段上會車時，應提前控制車速減速靠右行駛，并與其他車輛、行人保持必要的安全距離；在無法同時通行或同時通行有危險的路段上時，一是在有障礙的路段，無障礙的一方先行，但有障礙的一方已駛入障礙路段而無障礙的一方未駛入時有障礙的一方先行；二是在狹窄的坡路，上坡的一方先行，但下坡的一方已行至中途而上坡的一方未上坡時下坡的一方先行；三是在狹窄的山路，不靠山體的一方先行。用例特征布置如表9所示，用例示意圖如圖5所示。

2.2 應急處置能力測試場景

2.2.1 超越前方車輛

機動車超車時，應當提前開啟左轉向燈、變換使用遠、近光燈或鳴喇叭。在沒有道路中心線或者同方向只有1條機動車道的道路上，在確認有充足的安全距離后，從前車的左側超越，在與被超車輛拉開必要的安全距離后，開啟右轉向燈，駛回原車道。用例特征布置如表10所示，用例示意圖如圖6所示。

2.2.2 人行橫道遇行人盲區穿越馬路

駛抵人行橫道線前減速，駕駛人應減速并提前觀察，特別注意盲區，確保視線清晰沒有行人正在或準備橫穿馬路。遇行人在人行橫道行走時，擁有優先通行權，應停車讓行，直至行人安全通過。用例特征布置如表11所示，用例示意圖如圖7所示。

2.2.3 公交車進出站臺

駛抵公共汽車站前減速，觀察公共汽車進、出站動態和乘客上下車動態，著重注意同向公共汽車前方或對向公共汽車后方有無行人橫穿道路。

有公交車出入站臺時，采取減速措施平穩通過公交車站區域。準確觀察有公交車輛停靠公交車站，提取降低車輛行駛速度，待行人通過后，車輛直線通行。用例特征布置如表12所示，用例示意圖如圖8所示。

2.2.4 急彎山區路（臨水、臨崖、急彎破路）

在急彎山區路（臨水、臨崖、急彎破路）行駛時，注意觀察道路變化，急彎路段要保持低俗或提前減速，避免急剎車或急轉彎，確保操控穩定。遇對向有車駛來時，減速向右避讓后，讓不靠山體的一方車輛先行通過后，再有序通過，用例特征布置如表13所示。

2.2.5 突發團霧駕行駛行駛

時遇突發團霧路段，應降低車速，保持安全車距，避免急剎車或突然加速。開啟霧燈和近光燈，避免使用遠光燈造成反射。盡量依靠道路標線或車道線行駛，避免頻繁變道。用例特征布置如表14所示。

3 駕駛場景仿真測試評價系統實現

3.1 駕駛座艙系統

本文采用真實的汽車駕駛艙設計，包括方向盤、油門、剎車、離合器等控制部件，使得駕駛人在模擬環境中的駕駛體驗與真實環境相似[4]。駕駛座艙如圖9所示，除基礎結構外，駕駛座艙主要集成以下3種模塊：①檢測模塊，用于檢測駕駛人的操作動作，如轉向盤轉動角度、剎車力度等；②反饋模塊，提供行車環境實時反饋，如車輛加速、剎車、轉向等動作，使駕駛人能夠感受到虛擬環境中的車輛運動，反饋模塊包括振動反饋器、聲音反饋器等，用于模擬真實的車輛運動狀態。③傳感器模塊，包括各種傳感器，如加速度傳感器、角度傳感器等，用于采集駕駛人的操作命令和車輛的運動狀態并將數據進行結構化處理后輸出至評價模塊進行處理和分析。

3.2 駕駛視景系統

虛擬駕駛環境的構建是測試場景的基礎。本文基于Unity3D技術對交通環境進行三維建模，根據真實道路數據，構建包括高速公路、城市道路、鄉村小路等不同類型的道路，包含相應的道路標志、信號燈、交通標志線等以模擬真實的駕駛環境。針對道路交通參與者，通過程序的腳本和動畫系統，模擬其他車輛和行人的行為，支持手動設置運動軌跡與觸發條件，以及基于AI控制的交互模式。針對天氣條件模擬，使用引擎的著色器和光照系統，調整虛擬環境中的光照、陰影、反射等效果，模擬晴天、雨天、雪天等不同的天氣狀況，從而增加駕駛環境的真實感。模擬駕駛時，仿真模擬車輛運行前方道路交通視景，內后視鏡顯示車輛后方交通視景，兩側外后視鏡顯示汽車相應側后方道路交通視景。車輛運行所在的道路交通駕駛場景與駕駛前方視景、內、外后視鏡顯示觀察視景圖像關聯同步，如圖10所示。

3.3 數據交互組件

在虛擬駕駛環境中，駕駛人需要與虛擬環境進行交互。因此，設計合理的交互邏輯和反饋機制至關重要。在車輛控制邏輯方面，系統基于高精度車輛動力學模型，對車輛加速、剎車、轉向等動作進行精準控制，模擬真實車輛的物理特性，以確保駕駛人在虛擬環境中的駕駛體驗與真實環境相似[5]。在環境反饋方面，系統通過集成視覺、聽覺和觸覺等多種傳感器，盡可能模擬實際場景的多源輸入，如：當車輛發生碰撞時，可以通過聲音和振動來提醒駕駛人；當車輛偏離車道時，可以通過視覺提示來引導駕駛人。在數據采集與分析方面，通過整合Unity3D的傳感器模擬和物理引擎以及實體操作部件狀態，提取駕駛人的駕駛行為數據，如車速、加速度、剎車力度等，根據駕駛人在應急處置能力測試場景中的操作表現，評價其安全駕駛和應急反應能力[6]。

3.4 駕駛能力測試評價系統

基于道路通行規則及安全文明駕駛要求，借鑒我國機動車駕駛人考試管理制度以及考試項目、方法和評判要求，構建基于虛擬現實技術的安全文明及應急處置能力測試評價系統。系統通過采集駕駛人駕駛過程視景和駕駛行為數據，包括車輛運動特征信息、操作行為特征信息、場景特征信息、錯誤駕駛操作等信息[7]，能對超越前方車輛、通過人行橫道、通過公共汽車站、急彎山區路行駛、行駛中遇突發團霧、行駛中遇前車緊急剎車、主輔路路口行駛、駛出高速公路、無信號燈路口通行、道路施工通行、窄路會車等安全文明及應急處置道路駕駛仿真場景中的駕駛行為進行綜合評價[8]，各項目評判扣分如表15所示。

4 結語

本文基于交通事故、違法行為和法律法規分析等多維數據驅動的典型道路駕駛情景構建技術。通過我國典型交通事故、典型交通違法行為分析提取特征要素，集成駕駛人相關法規標準、道路類型、道路環境、交通參與類型等多維數據，創新性構建適用于駕駛人駕駛安全意識和應急處置能力測試仿真場景。依托我國道路通行規則及全文明駕駛要求，形成駕駛人關于安全文明駕駛及應急處置能力的考核評價方法；通過虛擬現實技術動態直觀仿真再現復雜道路環境、危險駕駛交通場景，形成典型駕駛場景仿真考核系統，評價駕駛人安全文明及應急處置駕駛能力。

作者簡介

耿威，通信作者，碩士，高級工程師，研究方向為駕駛人考試技術與標準化研究。

（責任編輯：袁文靜）