面向交通設(shè)計(jì)的駕駛模擬實(shí)驗(yàn)建模方法研究

馬萬(wàn)經(jīng) 白玉

摘要：駕駛模擬器是用于測(cè)試駕駛?cè)藢?duì)于道路特征、交通條件以及整個(gè)駕駛環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵裝備，其使用過(guò)程非常復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，熟練運(yùn)用輔助設(shè)計(jì)軟件和工具進(jìn)行駕駛模擬場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備非常重要，影響著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)分析等后續(xù)所有工作。基于高精度8個(gè)自由度的同濟(jì)大學(xué)駕駛模擬器，面向交通設(shè)計(jì)建模需求，闡述了駕駛模擬建模的過(guò)程以及主要的使用方法，并以一個(gè)交叉口為例，詳細(xì)說(shuō)明了如何進(jìn)行駕駛模擬模型構(gòu)建。因此，本文可為使用駕駛模擬器進(jìn)行交通設(shè)計(jì)方案模擬分析的師生提供有力的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：交通設(shè)計(jì)；駕駛模擬器；實(shí)踐；基本技能

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）37-0124-02

一、引言

交通領(lǐng)域尤其是交通工程領(lǐng)域的研究包含人、車、路、環(huán)境等影響因素，是一個(gè)超復(fù)雜系統(tǒng)的研究。對(duì)交通工程中的一些問(wèn)題，考慮到安全、成本及可實(shí)施性等，很難開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，往往是借助計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)來(lái)對(duì)交通問(wèn)題進(jìn)行研究分析。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)實(shí)中的車輛可以參與到計(jì)算機(jī)仿真中，而不再是計(jì)算機(jī)駕駛車輛。駕駛模擬器正是結(jié)合真人駕駛的交通仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用于研究駕駛員—車輛—道路設(shè)施等綜合駕駛環(huán)境下的交通特性，并具有安全性高、再現(xiàn)性好、可開發(fā)性強(qiáng)、低成本等特點(diǎn)[1]。

交通設(shè)計(jì)課程作為國(guó)家視頻公開課和上海市精品課程不僅具有豐富的理論特性，同時(shí)具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐特性，但考慮到交通工程的復(fù)雜性很多實(shí)驗(yàn)往往很難開展。同濟(jì)大學(xué)擁有世界上先進(jìn)的8自由度駕駛模擬器，其強(qiáng)大功能完全可以開展交通設(shè)計(jì)的多種實(shí)驗(yàn)?？偨Y(jié)起來(lái)駕駛模擬器在交通設(shè)計(jì)上的使用主要集中在兩個(gè)方面：一是對(duì)道路交通進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，包括設(shè)計(jì)中的道路線形、交通標(biāo)志、交通設(shè)施、交通安全、汽車性能以及ITS的評(píng)價(jià)等；二是對(duì)道路交通的特殊現(xiàn)象進(jìn)行模擬再現(xiàn)，如交通事故、交通流特性、道路服務(wù)水平等。以上兩方面同時(shí)也是交通設(shè)計(jì)核心的一部分，涉及到交叉口、路段、安全、公共交通等。同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院的駕駛模擬器能夠建立多種交通條件下的駕駛仿真實(shí)驗(yàn)，既可以使用軟件進(jìn)行離線的實(shí)驗(yàn)預(yù)仿真，也可以進(jìn)行軟硬件結(jié)合的在線仿真，同時(shí)能夠得到實(shí)時(shí)的多樣的交通數(shù)據(jù)，特別可支持不同行駛環(huán)境和場(chǎng)景下的道路與交通適應(yīng)性理論、典型集成設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)。因此，交通設(shè)計(jì)尤其是路段、交叉口及安全方面的實(shí)驗(yàn)，完全可以通過(guò)駕駛模擬器來(lái)完成。

二、駕駛模擬的建模方法

駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的核心目的是通過(guò)數(shù)據(jù)分析交通設(shè)計(jì)的效果，所以數(shù)據(jù)的提取和分析就尤為重要。不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)過(guò)程，或產(chǎn)生不同類型的數(shù)據(jù)。為了獲取這些數(shù)據(jù)，駕駛模擬建模非常重要，主要包括：（1）對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行初步編輯的Terrain模塊；（2）可以對(duì)實(shí)驗(yàn)室車輛的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定的Vehicle模塊；（3）場(chǎng)景轉(zhuǎn)換和宏觀參數(shù)編輯的Scenario模塊，（4）對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)和仿真實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行的Simulation模塊，（5）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中和結(jié)束后的數(shù)據(jù)采集與分析的Analysis模塊。5個(gè)模塊相互獨(dú)立又互相配合，實(shí)現(xiàn)駕駛模擬輔助系統(tǒng)的所有功能。

五個(gè)模塊中，開發(fā)和實(shí)驗(yàn)的師生所需要使用的模塊是Terrain模塊、Scenario模塊、Simulation模塊和Analysis模塊。而Vehicle模塊是針對(duì)實(shí)驗(yàn)管理員使用的，不需要師生參與。

（1）Terrain模塊。該模塊中，所有細(xì)節(jié)都需要一點(diǎn)一滴自己繪制。選擇從該模塊開始，其實(shí)是比較繁瑣且基本沒(méi)有必要的工作。最好的做法是從輔助系統(tǒng)內(nèi)大量已有場(chǎng)景中選擇一個(gè)場(chǎng)景，在Scenario模塊和Simulation模塊中依據(jù)自己所需的交通元素進(jìn)行修改和添加。但是，如果想構(gòu)建已有場(chǎng)景中沒(méi)有的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，比如：上海內(nèi)環(huán)高架的局部，那么就需要在該模塊中通過(guò)導(dǎo)入背景圖進(jìn)行編輯。Terrain模塊是所有模塊中的基本模塊，其中的操作也大多是基本操作，新手可以在該模塊中進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，并參照說(shuō)明書以提高熟練度。

（2）Scenario模塊。該模塊主要用于生成的新場(chǎng)景，并對(duì)場(chǎng)景宏觀參數(shù)進(jìn)行編輯。值得注意的是，Terrain模塊和Scenario模塊的場(chǎng)景的后綴名是不同的，只能是在Terrain模塊中構(gòu)建的場(chǎng)景轉(zhuǎn)換為能在Scenario模塊中使用的場(chǎng)景，而不能反之轉(zhuǎn)換。Terrain模塊中構(gòu)建的場(chǎng)景只能在Terrain模塊中打開，而Scenario模塊能使用的場(chǎng)景是通用場(chǎng)景，能在除Terrain模塊外的其他模塊打開。打開Scenario模塊，并選擇已有的場(chǎng)景載入。新建選項(xiàng)是將Terrain模塊中的場(chǎng)景轉(zhuǎn)換成Scenario模塊中的場(chǎng)景，打開選項(xiàng)是直接打開Scenario模塊中的場(chǎng)景。打開后，點(diǎn)保存，命名，則得到了對(duì)應(yīng)的sce文件。主要的編輯工作在Simulation模塊中進(jìn)行。

（3）Simulation模塊。如果說(shuō)Terrain模塊是對(duì)路的編輯，那么Simulation模塊則是對(duì)車（內(nèi)蘊(yùn)人的邏輯）的編輯。Simulation模塊可以實(shí)現(xiàn)多輛車的不同運(yùn)行軌跡、判斷邏輯、（人的）駕駛習(xí)慣、光線等細(xì)部規(guī)則的編輯，也可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)的試運(yùn)行，以助于觀察與調(diào)整路網(wǎng)與車輛的邏輯與環(huán)境效果。

（4）Analysis模塊。分析模塊是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程最后使用的模塊，也是實(shí)驗(yàn)成果生成的模塊。由于仿真結(jié)果會(huì)產(chǎn)生不同類型的大量數(shù)據(jù)，并非所有數(shù)據(jù)都有用，所以必須在該界面中仔細(xì)篩選。數(shù)據(jù)的分析是研究成果產(chǎn)生的部分，需要仔細(xì)斟酌。一次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)并不可靠，只有從多次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)才能得出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果。

三、輔助設(shè)計(jì)案例

本節(jié)將以一個(gè)交叉口為例，介紹如何使用輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行駕駛模擬實(shí)驗(yàn)。首先打開SCANeR studio，導(dǎo)入底圖圖片，如圖1示。在此基礎(chǔ)上，基于底圖，繪制各進(jìn)口道路段邏輯層，如圖2所示。各路段邏輯層建好后，建立交叉口內(nèi)部各進(jìn)出口道匹配邏輯層，如圖3所示。路段及交叉口內(nèi)部的行駛邏輯層建好后，插入各交通設(shè)施模型（如信號(hào)燈桿、指示牌等），如圖4，以及必要的背景模型，如路邊的建筑物等，如圖所示。然后在燈桿上添加信號(hào)燈模型，并進(jìn)行信號(hào)燈色顯示設(shè)置。接著將建成的交叉口文件導(dǎo)出為仿真場(chǎng)景模型，如圖4所示。在場(chǎng)景模型中，添加各類背景車輛，并設(shè)置各背景車輛的行駛路徑、速度等。選擇是否要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率等。加載各仿真運(yùn)行所需模塊，開啟模擬器，連接好相關(guān)數(shù)據(jù)采集設(shè)備（如眼動(dòng)儀、心率儀等），如圖5。駕駛員先接受事前培訓(xùn)，并被告知相關(guān)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，然后在模擬器內(nèi)的試驗(yàn)車內(nèi)準(zhǔn)備就緒。將電腦及模擬器接通，點(diǎn)擊運(yùn)行，駕駛員即可以開始駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用SCANeR studio軟件的分析工具，找到數(shù)據(jù)采集文件，可回放實(shí)驗(yàn)車運(yùn)行軌跡，并對(duì)采集到的各類數(shù)據(jù)（速度、加速度、位置、油耗、排放等）進(jìn)行分析。

四、總結(jié)

受實(shí)驗(yàn)條件限制，傳統(tǒng)交通設(shè)計(jì)課程中，學(xué)生對(duì)交通設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的評(píng)價(jià)和理解多建立在數(shù)學(xué)分析和認(rèn)識(shí)上；對(duì)于不同的交通設(shè)計(jì)方法、參數(shù)乃至整個(gè)方案是否符合交通流的運(yùn)行規(guī)律，是否符合駕駛員的心理、生理特征，是否適應(yīng)于不同的周邊環(huán)境和條件，缺乏深刻的認(rèn)識(shí)和理解。同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院985平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目對(duì)高逼真度“駕駛模擬器”的引入和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的完成，則為交通設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)造了條件。但由于駕駛模擬器剛剛建設(shè)基本完成，其教學(xué)應(yīng)用尚處在起步階段。

本文介紹了駕駛模擬分析模型的建模方法，以一個(gè)交叉口為例，介紹了如何使用輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行駕駛模擬實(shí)驗(yàn)。本文可為使用駕駛模擬輔助系統(tǒng)進(jìn)行駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的師生提供有力的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊堅(jiān)，曾紀(jì)國(guó)，管欣.駕駛模擬器用于交通系統(tǒng)仿真的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2001，（83）.

[2]SCANeRstudio 1.3用戶使用說(shuō)明書[Z].