虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)丝荚囍械膽?yīng)用及前景探析

高巖 王峻極 尤志棟 周穆雄

1．公安部交通管理科學(xué)研究所 2．道路交通安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

一、引言

經(jīng)過近30年的經(jīng)濟(jì)高速增長和大規(guī)模交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，我國已進(jìn)入機(jī)動(dòng)化社會(huì)，機(jī)動(dòng)車保有量和駕駛?cè)藬?shù)量呈爆發(fā)式增長態(tài)勢(shì)。在駕駛?cè)藬?shù)量急劇增加、交通事故高發(fā)易發(fā)的形勢(shì)下，加強(qiáng)新駕駛?cè)巳肟诳己税殃P(guān)，嚴(yán)格駕駛?cè)颂貏e是重點(diǎn)駕駛?cè)说陌踩芾?，已成為公安交管部門的重要工作職責(zé)，也是落實(shí)服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)、服務(wù)民生執(zhí)法理念的重要體現(xiàn)。

2013年起實(shí)施的《機(jī)動(dòng)車駕駛證申領(lǐng)和使用規(guī)定》（公安部令第123號(hào)），在駕駛考試方面調(diào)整幅度較大，提高了駕駛考試的針對(duì)性和實(shí)用性。要解決當(dāng)前駕駛考試中考試難度與考試效率、項(xiàng)目實(shí)用性與實(shí)現(xiàn)可行性這兩大矛盾，必須突破傳統(tǒng)駕駛考試的模式和思路，通過新技術(shù)開發(fā)與新裝備集成應(yīng)用，創(chuàng)新教育手段和載體，更科學(xué)地考核駕駛?cè)说鸟{駛技能、駕駛習(xí)慣、安全意識(shí)和應(yīng)急避險(xiǎn)技能。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，駕駛模擬仿真系統(tǒng)已逐漸成為駕駛考試的可能選擇。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與駕駛考試

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在駕駛考試中應(yīng)用基礎(chǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）是近年來出現(xiàn)并興起的高新技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，為使用者提供視覺、聽覺、觸覺等全方位模擬，產(chǎn)生身臨其境之感。

在駕駛考試中引進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1．能夠方便地模擬場(chǎng)地考試和道路考試各種環(huán)境，特別是模擬高速公路、連續(xù)急彎山區(qū)路、隧道等在駕駛考試中難以建設(shè)的真實(shí)道路環(huán)境；

2．計(jì)算機(jī)評(píng)判精度高，可定量考核駕駛操作，且考試過程數(shù)據(jù)全程記錄、可追溯，避免評(píng)判結(jié)果爭議；

3．駕駛模擬考試裝備成本較低，能夠避免昂貴的場(chǎng)地建設(shè)投入和車輛購置投入，更加節(jié)能、環(huán)保；

4．通用性和靈活性較好，只需進(jìn)行系統(tǒng)配置或設(shè)置，即可適應(yīng)各種準(zhǔn)駕車型的考試；

5．安全性有保障，可避免新手因誤操作而發(fā)生交通事故或意外傷害。

（二）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外很早就將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到駕駛?cè)伺嘤?xùn)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于初學(xué)者培訓(xùn)、職業(yè)駕駛?cè)税踩庾R(shí)教育等，其中以日本各大公司產(chǎn)品最為常見。目前應(yīng)用較多的產(chǎn)品有日本Forum8公司的UC-win/Road系列、三菱公司的DS系列、豐田公司的Access Master系列等。國外研究表明，駕駛模擬裝置的訓(xùn)練有利于駕駛?cè)苏莆振{駛技能，特別是危險(xiǎn)情況的應(yīng)急處置技能。日本自上世紀(jì)80年代以來90%的駕駛?cè)硕冀?jīng)過了駕駛模擬培訓(xùn)，取得了比較理想的效果。美國FTA研究表明，采用仿真器訓(xùn)練的巴士司機(jī)，事故率降低43.5%，培訓(xùn)時(shí)間縮短10.5%-25%[6]。

上世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)的駕駛模擬器主要應(yīng)用于駕駛?cè)伺嘤?xùn)領(lǐng)域，用于學(xué)員熟悉車輛操縱部件、了解基本駕駛技能，結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，但硬件做工粗糙，模擬場(chǎng)景單調(diào)，駕駛感受與實(shí)車差別較大?！笆晃濉逼陂g，公安部交通管理科學(xué)研究所自主研發(fā)了面向交通安全意識(shí)提高的新型駕駛模擬裝置，在浙江、廣東進(jìn)行了項(xiàng)目成果示范，目前已在全國20多個(gè)省推廣應(yīng)用，取得了良好成效，也為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在駕駛考試領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[7]。

三、新型駕駛模擬考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)應(yīng)用范圍

新型駕駛模擬考試系統(tǒng)主要用于各地公安交通管理部門和駕培機(jī)構(gòu)，為考生提供場(chǎng)地駕駛和道路駕駛的模擬訓(xùn)練與考試。系統(tǒng)依托虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)評(píng)判，提高駕駛考試效率，提高駕駛考試評(píng)判結(jié)果的科學(xué)性、準(zhǔn)確性，有效解決當(dāng)前考試場(chǎng)地建設(shè)難度大、考試效率低、考生積壓嚴(yán)重等問題。另外，大型客運(yùn)、貨運(yùn)企業(yè)可利用此系統(tǒng)裝備開展重點(diǎn)駕駛?cè)说陌踩{駛“回爐”教育，有助于提高駕駛?cè)说慕煌ò踩庾R(shí)、應(yīng)急避險(xiǎn)技能。

（二）系統(tǒng)功能特點(diǎn)

1．駕駛操作逼真自然。系統(tǒng)主要面向駕駛?cè)丝荚?，采用高清晰顯示部件、實(shí)車操控部件、多自由度運(yùn)動(dòng)底座等，高度仿真車輛真實(shí)運(yùn)行工況，具有良好的駕駛仿真沉浸感，能使駕駛?cè)巳硇娜谌氲今{駛仿真環(huán)境中。

2．考試場(chǎng)地符合規(guī)范。嚴(yán)格按照第123號(hào)部令的考試項(xiàng)目要求，以及《機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)丝荚噲?chǎng)地及其設(shè)施設(shè)置規(guī)范》（GA 1029）的考試場(chǎng)地要求，規(guī)范設(shè)置所有考試項(xiàng)目場(chǎng)地尺寸和考試車輛參數(shù)；考場(chǎng)環(huán)境、場(chǎng)地設(shè)施外觀等參照實(shí)際考場(chǎng)設(shè)置，力求真實(shí)自然。

3．考試評(píng)判嚴(yán)格準(zhǔn)確。按照《機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)丝荚噧?nèi)容和方法》（GA 1026）、《機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)丝荚囅到y(tǒng)通用技術(shù)條件》（GA/T 1028）的要求，準(zhǔn)確設(shè)定考試項(xiàng)目評(píng)判規(guī)則，發(fā)揮數(shù)字傳感器和計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)定量精確的考核評(píng)價(jià)，杜絕人為因素干擾和誤判。

4．可選性與可擴(kuò)展性較強(qiáng)。系統(tǒng)硬件提供大中型客貨車、小型汽車等多種車型，手動(dòng)擋、自動(dòng)擋以及低自由度、多自由度等不同選擇，適用于不同的準(zhǔn)駕車型。系統(tǒng)軟件擴(kuò)展能力強(qiáng)，可配置A、B、C等不同準(zhǔn)駕車型的模擬考試場(chǎng)景，并且可拓展加入重點(diǎn)駕駛?cè)藢忩?yàn)教育、應(yīng)急避險(xiǎn)等相關(guān)教育內(nèi)容，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

（三）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1．系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

按照使用功能的不同，系統(tǒng)硬件由操控及座艙、采樣及輸出、主控計(jì)算機(jī)、視景顯示、多自由度運(yùn)動(dòng)和聲音仿真6個(gè)子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

駕駛?cè)送ㄟ^操控駕駛部件，由采樣及輸出子系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集、識(shí)別操控信號(hào)，輸入主控計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)理、解算。主控計(jì)算機(jī)運(yùn)行視景仿真程序、車輛仿真程序及聲音仿真程序，通過視景顯示子系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示道路場(chǎng)景畫面，多自由度運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)模擬車身運(yùn)行姿態(tài)動(dòng)感，聲音仿真子系統(tǒng)模擬駕駛音效環(huán)境，從而為駕駛?cè)颂峁?shí)時(shí)、閉環(huán)的涵蓋視覺、聽覺、觸覺、動(dòng)覺的全方位模擬駕駛環(huán)境。系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)與控制邏輯如圖2所示。

按照系統(tǒng)功能架構(gòu)，軟件系統(tǒng)由視景仿真、車輛仿真、系統(tǒng)管理3部分組成。其中，視景仿真包括場(chǎng)景建模、交通流仿真、交通事件仿真、視景驅(qū)動(dòng)等功能模塊；車輛仿真包括車輛動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制、聲音仿真等功能模塊；系統(tǒng)管理包括主控管理和駕駛評(píng)判等功能模塊，系統(tǒng)軟架構(gòu)如圖3所示。

視景仿真程序基于實(shí)景實(shí)拍建立三維道路場(chǎng)景模型，控制智能交通流運(yùn)行和交通事件觸發(fā)，通過視景驅(qū)動(dòng)引擎實(shí)現(xiàn)仿真畫面的實(shí)時(shí)渲染輸出。車輛仿真程序建立17自由度的車輛動(dòng)力學(xué)模型、碰撞檢測(cè)模型，根據(jù)汽車運(yùn)行邏輯和車輛操控信號(hào)，實(shí)時(shí)解算車輛運(yùn)行參數(shù)，控制車輛姿態(tài)變化及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)作；系統(tǒng)管理程序控制考試過程，按照評(píng)判規(guī)則庫綜合評(píng)判駕駛行為，給出考試評(píng)判結(jié)果。系統(tǒng)軟件的運(yùn)行邏輯如圖4所示。

四、系統(tǒng)研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

（一）硬件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件開發(fā)需集成應(yīng)用相關(guān)領(lǐng)域高新技術(shù)，以構(gòu)造出高逼真度、高沉浸感的駕駛模擬仿真環(huán)境。

1．基于實(shí)車的駕駛操控部件

應(yīng)采用與原型車一致的駕駛座艙布局，配置模擬駕駛必需的操控部件，如組合式儀表面板、離合器、制動(dòng)、加速踏板、變速箱、座椅、安全帶等，最好為實(shí)車部件改造。應(yīng)采用機(jī)械連鎖式變速箱裝置，操作邏輯與實(shí)車一致。

2．視景顯示設(shè)備

基于不斷發(fā)展的場(chǎng)景建模和視景驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以營造出更加逼真的虛擬交通環(huán)境；在顯示設(shè)備方面，可采用3通道、環(huán)幕等寬視角顯示技術(shù)，以及立體顯示等技術(shù)，為駕駛?cè)颂峁└由鷦?dòng)、細(xì)膩、真實(shí)的視覺感受。

孟導(dǎo)接過手機(jī)，看著屏幕上密密麻麻的數(shù)據(jù)，也不知從何看起。而且表里凈是些看不懂的術(shù)語，什么折五折二，什么“背星點(diǎn)”，什么“出頭隆”。不過孟導(dǎo)很快就在表里找到了自己最關(guān)心的信息，阿拉伯?dāng)?shù)字代表的價(jià)格讓孟導(dǎo)沮喪。

3．多自由度運(yùn)動(dòng)底座

開發(fā)或集成2自由度、3自由度和6自由度運(yùn)動(dòng)底座，可提供前后、左右、升降、俯仰、側(cè)傾、橫擺等方向上的運(yùn)動(dòng)及其復(fù)合運(yùn)動(dòng)，配合車輛運(yùn)行姿態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，提供更加逼真的駕駛動(dòng)感。

裝置實(shí)物如圖5所示。

（二）軟件開發(fā)

系統(tǒng)軟件開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括場(chǎng)景建模、視景驅(qū)動(dòng)、車輛動(dòng)力學(xué)模型、評(píng)判模塊開發(fā)等。其中，評(píng)判模塊是實(shí)現(xiàn)考試功能的關(guān)鍵之處。評(píng)判模塊主要根據(jù)評(píng)判規(guī)則，結(jié)合不同考試項(xiàng)目的場(chǎng)地、道路邊界等條件，將考試車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡和駕駛操作進(jìn)行解析，通過微觀車輛仿真的實(shí)時(shí)檢測(cè)與判斷，獲取評(píng)判所需的關(guān)鍵變量值，如車輛位置、車速、轉(zhuǎn)向角度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位信息等，通過對(duì)上述參數(shù)的實(shí)時(shí)處理，抽象成具體的評(píng)判條件，從而衡量駕駛考試是否合格及扣分項(xiàng)目。軟件系統(tǒng)界面及畫面效果如圖6所示。

以A1準(zhǔn)駕車型駕駛考試為例，評(píng)判模塊包括建立評(píng)判模型、抽象評(píng)判條件兩個(gè)步驟。

步驟1：建立評(píng)判模型。按照A1考試操作要求，評(píng)判模型采取如圖7所示定義建模。

1．車輛模型：抽象為車輛車身平面、車輪（觸地點(diǎn)）、車輛軸距、前后懸等部分；

2．車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)：速度、加速度、轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)速等；

3．駕駛操作：加減速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、換擋、手制動(dòng)等。

步驟2：抽象評(píng)判條件。針對(duì)不同考試項(xiàng)目，從評(píng)判模型中獲取參數(shù)，抽象成具體評(píng)判條件。在場(chǎng)地考試項(xiàng)目中的主要抽象評(píng)判條件見表1所示：

以樁考為例，通過4個(gè)階段分別進(jìn)行評(píng)判，各階段的評(píng)判邊界不同，各階段均順利通過且未碰擦樁桿、發(fā)生碰撞等情況，表示順利通過樁考項(xiàng)目，各階段評(píng)判要素如圖8所示。

五、總結(jié)與展望

相關(guān)研究表明，駕駛模擬考試與實(shí)車實(shí)路考試具有一定的互補(bǔ)性，通過不斷完善新型駕駛模擬考試系統(tǒng)軟硬件水平，將具有良好的應(yīng)用前景。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟和軟硬件開發(fā)成本的降低，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新型駕駛模擬考試系統(tǒng)將迎來發(fā)展機(jī)遇。

1．采取駕駛模擬考試代替科目二中部分項(xiàng)目的實(shí)車考試十分可行，特別是模擬高速公路、連續(xù)急彎山區(qū)路、隧道、雨霧天氣、濕滑路面、緊急情況處置等6個(gè)項(xiàng)目，采用駕駛模擬方式進(jìn)行考試尤為合適，比實(shí)車場(chǎng)地考試節(jié)省投資、效果好、效率高。

2．駕駛模擬考試不能完全取代實(shí)車實(shí)路考試，后者在考核駕駛技能、空間位置判斷、駕駛心理和安全意識(shí)等方面的作用無可代替，兩者具有互補(bǔ)性，應(yīng)各取所長。

3．目前實(shí)施模擬駕考在法規(guī)層面存在障礙，建議先組織選擇開展較大范圍的試點(diǎn)和跟蹤研究，經(jīng)過充分論證后修改相關(guān)法規(guī)，制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，切實(shí)推動(dòng)模擬駕考進(jìn)入實(shí)用。

4．可將科目一、科目四的考試內(nèi)容集成到駕駛模擬考試系統(tǒng)中，或集成交通安全宣傳教育、互動(dòng)體驗(yàn)等內(nèi)容，拓展系統(tǒng)的適用范圍。

5．鼓勵(lì)相關(guān)單位開展先進(jìn)駕駛模擬技術(shù)研究，進(jìn)一步提高硬件的可靠性和軟件的仿真度，有效解決駕駛模擬不適癥，并降低軟硬件成本，有利于大規(guī)模推廣。

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