基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的典型動態(tài)交通場景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

周 穎 嚴(yán)利鑫 吳 青 高 嵩 吳超仲

（1．武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心 武漢430063；2．中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢430056；3．武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢430063）

0 引 言

利用汽車駕駛模擬器呈現(xiàn)實(shí)際道路交通環(huán)境中易發(fā)的危險(xiǎn)交通情景，使用汽車駕駛模擬器對駕駛?cè)诉M(jìn)行培訓(xùn)，通過模擬危險(xiǎn)的交通環(huán)境，讓駕駛?cè)梭w驗(yàn)不安全的駕駛行為可能引發(fā)的后果，通過這種信息刺激的方法來提高駕駛?cè)税踩{駛技能和安全意識水平，能夠有效的減少在道路通行過程中由于人的因素而造成的交通事故。本研究通過對2000～2010年［1－11］的道路交通事故數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提取危險(xiǎn)特征并設(shè)計(jì)典型的交通情景，實(shí)現(xiàn)視景后利用汽車駕駛模擬器與被培訓(xùn)的駕駛?cè)说慕换?，通過設(shè)定虛擬交通環(huán)境和動態(tài)交通場景，在保證駕駛?cè)说娜松戆踩那疤嵯?，讓駕駛?cè)烁惺懿恢?jǐn)慎駕駛可能帶來的危險(xiǎn)后果，提高其安全意識水平和駕駛操作技能。

1 動態(tài)交通場景的特征提取與分析

動態(tài)交通場景是由交通環(huán)境中的交通行為引發(fā)，沒有動態(tài)交通場景的虛擬情景不會對駕駛行為形成干擾，缺乏真實(shí)性，達(dá)不到提高駕駛?cè)税踩庾R的目的。動態(tài)場景指交通系統(tǒng)中所有動態(tài)的交通活動，主要指機(jī)動車以及其他道路使用者的運(yùn)動對交通安全的影響。而道路交通環(huán)境是1個由人、車、路和環(huán)境組成的系統(tǒng)，要提取動態(tài)交通場景的特征必須從人、車、路以及事故形態(tài)等幾個方面對其進(jìn)行分析研究。

公路和城市道路是交通事故發(fā)生的主要地點(diǎn)，根據(jù)道路交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，全國發(fā)生的交通事故中，58%發(fā)生在公路上，42%發(fā)生在城市道路上［1］。按照道路等級和道路類型的不同，分別統(tǒng)計(jì)公路和城市道路中的交通事故發(fā)生地點(diǎn)，分析發(fā)現(xiàn)二級、三級公路以及一般城市道路發(fā)生的事故起數(shù)最多，此外在一級、四級公路和城市快速路上也發(fā)生較多的道路交通事故。

同時，由于大約90%道路交通事故是由駕駛?cè)诉`規(guī)行為造成的［12－13］，因此有必要對駕駛?cè)说倪`規(guī)形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對機(jī)動車司機(jī)不同違規(guī)行為造成的事故死亡人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)超速行駛、未按規(guī)定讓行以及無證駕駛引發(fā)的死亡人數(shù)最多。統(tǒng)計(jì)分析機(jī)動車在不同行駛狀態(tài)下的事故起數(shù)不考慮直行情況下，機(jī)動車在左轉(zhuǎn)彎的時候發(fā)生的事故起數(shù)最多，其次是右轉(zhuǎn)彎，另外在變更車道的時候也比較容易引發(fā)交通事故［14］?？梢娷囕v在進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動的過程中最容易引發(fā)事故。

最后，事故形態(tài)是事故發(fā)生前引發(fā)事故的車輛或行人等運(yùn)動趨勢的結(jié)果，它可以作為事故致因分析研究以及事故責(zé)任的劃分依據(jù)。通過對道路交通事故形態(tài)的統(tǒng)計(jì)分析，可以提取典型常見的事故動態(tài)特征，也為典型交通情景的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)對2000～2010年不同道路交通事故形態(tài)事故量的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，事故量最多的事故形態(tài)是車輛之間側(cè)面相撞，其次是正面相撞和尾隨相撞，而車輛與行人之間的碰撞也較多，發(fā)生刮擦行人的事故量僅次于車輛之間的追尾，可見道路交通事故主要為機(jī)動車與機(jī)動車之間的碰撞，其次為機(jī)動車與行人之間的碰撞。

根據(jù)近年來道路交通事故的事故形態(tài)、不同道路類型的事故統(tǒng)計(jì)等的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)車輛影響安全的主要性能是制動，車輛在轉(zhuǎn)彎換道的時候最容易引發(fā)交通事故，且機(jī)動車駕駛?cè)说倪`規(guī)行為主要為超速和未減速讓行，可見車速過快是威脅交通安全的主要原因，而合理制動和控制車速是駕駛?cè)吮仨氉袷氐男熊嚋?zhǔn)則。道路交通的事故形態(tài)主要為車輛之間的碰撞（包括正面相撞、側(cè)面相撞和尾隨相撞）以及刮擦行人。具體動態(tài)特征見表1。

表1 動態(tài)特征提取結(jié)果Tab．1 Dynamic characteristics collecting results

2 動態(tài)交通場景的設(shè)計(jì)

本文結(jié)合典型交通情景的靜態(tài)環(huán)境和動態(tài)場景設(shè)計(jì)，對“機(jī)動車－行人沖突”這種類型的動態(tài)場景設(shè)計(jì)1個典型的例子。由于城市場景較為復(fù)雜，場景沖突種類和數(shù)量較多，并且城市道路可以更豐富地包含危險(xiǎn)靜態(tài)特征提取的結(jié)果，因此本研究典型交通靜態(tài)環(huán)境以城市道路場景為例。在城市道路環(huán)境中布置可能發(fā)生的動態(tài)場景，這些場景所在的靜態(tài)環(huán)境也需要相應(yīng)的設(shè)計(jì)。下面以發(fā)生在城市道路場景中的1種類型的動態(tài)場景為例進(jìn)行說明。

機(jī)動車和行人的沖突一般發(fā)生在行人過街時，城市公交站臺處的上下車乘客過街是城市道路環(huán)境中常見的現(xiàn)象，假設(shè)有行人從公交站臺前方的人行橫道上行走，而公交站臺有?？康墓卉?，則主車駕駛?cè)嗽谛旭傊行枰獪p速注意，避免由于公交車的遮擋，而在行駛中與突然出現(xiàn)在視線中的行人相撞。具體情況見圖1。該場景中對應(yīng)靜態(tài)交通環(huán)境為雙向四車道城市次干道，路側(cè)設(shè)有公交站臺，公交站臺前方有供行人過街的人行橫道，公交站臺有到站停靠的公交車。各道路設(shè)計(jì)參數(shù)以及相關(guān)交通設(shè)施參考相關(guān)規(guī)范。

圖1 公交站臺行人過街Fig．1 Bus station pedestrian crossing the street

動態(tài)交通場景為行人過街場景。通過主車的行駛路徑和行人在人行橫道上過街時橫穿馬路的軌跡，確定預(yù)計(jì)沖突點(diǎn)。當(dāng)駕駛?cè)笋{駛主車行駛至距沖突點(diǎn)距離X滿足觸發(fā)條件時，行人開始過街，當(dāng)行人行走經(jīng)過公交車以后發(fā)現(xiàn)主車朝他行駛，猶豫以后加快速度過街。如果駕駛?cè)藳]有注意道路環(huán)境放慢速度，并在發(fā)現(xiàn)行人以后及時采取制動，則主車極有可能與行人發(fā)生嚴(yán)重沖突甚至碰撞，即主車制動停止以后與行人的距離小于安全距離S0，或者車輛與行人碰撞發(fā)生事故。

這個場景的觸發(fā)條件為，當(dāng)主車距離沖突點(diǎn)距離X滿足式（1）。行人過街，到達(dá)沖突點(diǎn)的時間為：

式中：v人1為行人初始過街速度；v人2為行人猶豫以后過街的速度；L1為行人開始過街到行人駐足猶豫期間行走的距離，本場景中定義為行人出發(fā)點(diǎn)與公交車左前角之間的距離；t0為行人發(fā)現(xiàn)主車以后猶豫過街的猶豫時間；L為行人過街出發(fā)點(diǎn)到?jīng)_突點(diǎn)之間的距離。

這里參數(shù)t0、v人1、v人2和L1都是可以靈活設(shè)置，不同的組合可以展現(xiàn)出行人的不同運(yùn)動狀態(tài)，但前提是需要與真實(shí)情況相符。并且根據(jù)動態(tài)場景的第2條假設(shè)前提條件，這個時間與主車制動場景相等，因此在設(shè)置參數(shù)的時候需要滿足前提條件T＝t1＋t2＋t3＋t4，其中t1為司機(jī)反應(yīng)時間，約為0．6～0．8s；t2為制動系統(tǒng)延遲時間，氣壓約為0．2～0．5s，液壓0．03～0．05s；t3為制動系統(tǒng)壓力升高時間，氣壓約為0．4～1s，液壓約為0．15～0．2s；t4為車輪抱死滑動滑動經(jīng)過的時間。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果，經(jīng)過程序中的不斷嘗試和修改，確定行人過街動態(tài)場景中的參數(shù)取值分別為v人1為4km／h；v人2為7km／h；L1為3 m；L為15m。由于行人的行走速度較低，行人在距機(jī)動車相對較大距離內(nèi)是安全的，本場景中行人的安全距離選取為2m。

3 動態(tài)交通場景的實(shí)現(xiàn)

3．1 動態(tài)交通場景算法設(shè)計(jì)

將有限狀態(tài)機(jī)的思想用于動態(tài)交通場景的實(shí)現(xiàn)，交通場景中的每1個沖突對象作為1個狀態(tài)機(jī)，設(shè)置狀態(tài)條件，一旦滿足某個條件則轉(zhuǎn)換到該條件對應(yīng)的狀態(tài)上。以行人過街的動態(tài)場景為例，行人作為動態(tài)場景中與主車沖突的對象，其動作直接影響場景的效果。使用有限狀態(tài)機(jī)對行人的動作分解為多個狀態(tài)，每個狀態(tài)對應(yīng)不同的狀態(tài)條件，通過條件的轉(zhuǎn)換，狀態(tài)之間切換連貫起來就形成行人過街的整個動作。

將行人過街的動作分解為“沿人行道行走”、“行走過街”、“駐足猶豫”、“奔跑過街”、4個狀態(tài)，見圖2。

該場景過程是：

1）行人在街邊以v1＝4km／h的速度行走，但是被公交站臺?？康墓卉囕v遮擋，主車駕駛?cè)丝赡芸床灰娊诌呅腥恕?/p>

2）當(dāng)主車行駛過來，根據(jù)主車的即時行駛速度v車，計(jì)算主車距預(yù)計(jì)沖突點(diǎn)的距離X滿足觸發(fā)條件X＝S＋2m時，行人狀態(tài)改變?yōu)橐詖2＝7 km／h的速度步行勻速直線過街。

3）當(dāng)行人經(jīng)過路邊?？抗卉嚽胺綍r，即行人的位置在公交車的左前方時，發(fā)現(xiàn)主車行駛過來，在街邊駐足猶豫是否過街。

4）當(dāng)行人猶豫時間達(dá)到1s以后，決定強(qiáng)行過街，行人的狀態(tài)改為以v2＝7km／h的速度向街對面奔跑。

5）當(dāng)行人到達(dá)街道對面，完成過街的動作以后，行人的狀態(tài)恢復(fù)到以v1＝4km／h的速度沿人行道行走。

圖2 行人過街狀態(tài)分解Fig．2 pedestrian crossing the street State decomposition

該場景的狀態(tài)變換表可以清楚反映狀態(tài)之間的切換關(guān)系，見表2。

表2 行人過街場景切換表Tab．2 Pedestrian crossing the street state Switching table

根據(jù)表2的狀態(tài)和變換狀態(tài)的條件，可以實(shí)現(xiàn)行人過街的動態(tài)場景。在這些動態(tài)交通場景中，每個與主車相沖突的對象利用有限狀態(tài)機(jī)的原理進(jìn)行狀態(tài)劃分，根據(jù)狀態(tài)變換條件來確定不同情況下的狀態(tài)，最終形成沖突對象的連貫運(yùn)動。利用Lua動態(tài)腳本語言來設(shè)定動態(tài)交通情景，腳本被模擬器主程序加載以后在駕駛模擬器中呈現(xiàn)。

在利用腳本語言實(shí)現(xiàn)動態(tài)場景之前，需要首先分析腳本格式與模擬器軟件進(jìn)行交互的信息。對腳本中的對象模塊內(nèi)容進(jìn)行需求分析，該模塊主要負(fù)責(zé)對象的定義以及對象初始狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，而腳本中對象的運(yùn)動狀態(tài)和視景呈現(xiàn)，都是需要借助模擬器軟件實(shí)現(xiàn)的。因此腳本中定義的對象需要能被模擬器軟件識別，而目前開發(fā)的模擬器軟件中已經(jīng)具備了完整的對象類定義、對象屬性和操作行為的接口，因此腳本中對象的部分屬性設(shè)置，可以通過訪問模擬器軟件相關(guān)接口來實(shí)現(xiàn)。

在模擬器中開放好接口后，Lua中就可以直接利用這些接口來進(jìn)行動態(tài)情景的表述［14］。對象運(yùn)動的函數(shù)以及相關(guān)參數(shù)的調(diào)用需要通過對象來獲取，而在模擬器中相關(guān)接口已經(jīng)開放了這些對象的接口，所以只需要在腳本中添加函數(shù)來獲取模擬器中對象。對虛擬交通場景中的運(yùn)動對象進(jìn)行定義如下。

完成腳本語言的定義以后，模擬器軟件需要對腳本進(jìn)行加載才能完成動態(tài)情景的視景呈現(xiàn)。

3．2 動態(tài)交通場景實(shí)現(xiàn)的結(jié)果

通過對交通靜態(tài)環(huán)境中道路、道路交通工程設(shè)施、周邊環(huán)境等模型的制作和渲染，通過有限狀態(tài)機(jī)的原理對交通動態(tài)場景的描述和Lua腳本語言的表達(dá)，完成典型動態(tài)交通場景在駕駛模擬器中的呈現(xiàn)?！皺C(jī)動車－行人沖突”動態(tài)交通場景實(shí)現(xiàn)以后效果見圖3。通過實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)該動態(tài)交通場景能夠有效的模擬出駕駛過程中對駕駛行為形成干擾的交通場景，互動效果良好并且能夠讓駕駛員在模擬駕駛過程中產(chǎn)生類似于實(shí)際駕駛的感受，能夠達(dá)到提高駕駛?cè)税踩庾R的目的。

4 結(jié)束語

駕駛?cè)耸怯绊懙缆方煌ò踩闹饕颍瑸榱藴p少和預(yù)防道路交通事故的發(fā)生，提高駕駛?cè)说陌踩庾R水平有著重要意義。由于駕駛?cè)嗽谡鎸?shí)的交通環(huán)境中體驗(yàn)危險(xiǎn)無法保障人身安全，所以使用汽車駕駛模擬器模擬危險(xiǎn)的交通環(huán)境，使駕駛?cè)嗽谔摂M的交通情景中體驗(yàn)由于大意、違規(guī)駕車帶來的危害，通過對駕駛?cè)说陌踩庾R培訓(xùn)，可以有效提高駕駛?cè)说陌踩庾R水平。筆者通過對2000－2010年的道路交通事故數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別從人、車、路、環(huán)境以及事故形態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取對道路安全影響最大的因素。將這些因素進(jìn)行提取總結(jié)，并且以公交站臺行人過街為例進(jìn)行了動態(tài)場景的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)。為提高駕駛員行車安全、減少交通事故提供技術(shù)支持。

［1］ 公安部交通管理局．2000年道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)［Z］．北京：公安部交通管理局，2001．

［2］ 公安部交通管理局．2001年道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)［Z］．北京：公安部交通管理局，2002．

［3］ 公安部交通管理局．2002年道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)［Z］．北京：公安部交通管理局，2003．

［4］ 公安部交通管理局．2003年道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)［Z］．北京：公安部交通管理局，2004．

［5］ 公安部交通管理局．2004年道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)［Z］．北京：公安部交通管理局，2005．

［6］ 公安部交通管理局．2005年道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)［Z］．北京：公安部交通管理局，2006．

［7］ 公安部交通管理局．2006年道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)［Z］．北京：公安部交通管理局，2007．

［8］ 公安部交通管理局．2007年道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)［Z］．北京：公安部交通管理局，2008．

［9］ 公安部交通管理局．2008年道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)［Z］．北京：公安部交通管理局，2009．

［10］ 陳 斌，袁 偉，付 銳，等．連續(xù)長大下坡路段交通事故特征分析［J］．交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2009（8）：75－78．

［11］ 公安部交通管理局．2010年道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)［Z］．北京：公安部交通管理局，2011．

［12］ 胡江碧，曹新濤．道路交通事故肇事駕駛員特征分析［J］．中國公路學(xué)報(bào)，2009（11）：106－11．

［13］ 陳 晨，高 嵩．我國高速公路交通安全現(xiàn)狀及對策研究［J］．交通信息與安全，2011，29（1）：59－63．

［14］ 趙 騫，趙勝川．基于核聚類算法的交通事故主要原因分類及分析［J］．交通與物流，2006：733－738．

［15］ Ierusalimschy R，F(xiàn)igueiredo L H．Celes W．The evolution of Lua［C］∥3rd ACM SIGPLAN History of Programming Languages Conference．United States：Association for Computing Machinery，2007．