交通設(shè)計(jì)駕駛模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)

馬萬經(jīng)， 李 莉， 林典超， 劉興永

(同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804)

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交通設(shè)計(jì)駕駛模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)

馬萬經(jīng)， 李 莉， 林典超， 劉興永

(同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804)

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)“駕駛模擬器”的引入和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的完成，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)完成，其教學(xué)應(yīng)用尚處在起步階段。本研究構(gòu)建的交通設(shè)計(jì)駕駛模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)致力于從實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中、實(shí)驗(yàn)后各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)交通設(shè)計(jì)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)。首先介紹了駕駛模擬器在交通設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可能的應(yīng)用領(lǐng)域；然后說明了輔助系統(tǒng)的由來、功能定位、整體架構(gòu)，并對(duì)其各個(gè)模塊的特點(diǎn)、功能和使用方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述；最后，以一個(gè)道路交叉口設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為例，介紹了如何利用該輔助系統(tǒng)進(jìn)行駕駛模擬實(shí)驗(yàn)。

駕駛模擬器； 交通設(shè)計(jì)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 輔助系統(tǒng)

0 引 言

交通設(shè)計(jì)是一門基于交通工程學(xué)和系統(tǒng)工程學(xué)的科學(xué)原理，綜合分析交通系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與構(gòu)成要素之間的關(guān)系，研究交通阻塞、交通事故、交通能耗與污染排放等交通問題的影響因素及其規(guī)律的學(xué)科[1-7]。交通設(shè)計(jì)的理論來源于實(shí)踐，在實(shí)際教學(xué)中需要學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)、應(yīng)用相關(guān)理論知識(shí)[8-10]。然而，實(shí)地開展交通設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一方面存在安全風(fēng)險(xiǎn)，且成本較高；另一方面可能會(huì)破壞道路交通的正常運(yùn)行。雖然微觀計(jì)算機(jī)仿真能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一些交通問題尤其是效率問題進(jìn)行分析，但微觀仿真無法研究個(gè)體的駕駛行為。

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，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，并且具有安全性高、再現(xiàn)性好、可開發(fā)性強(qiáng)、低成本等特點(diǎn)[11-18]。

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。① 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；② 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)的核心部分，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)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有世界上先進(jìn)的8自由度駕駛模擬器，該模擬器可以通過軟件構(gòu)建與實(shí)際相符的虛擬路網(wǎng)，并可在路網(wǎng)中添加或更改交通設(shè)計(jì)的元素。路網(wǎng)建好后，既可使用軟件進(jìn)行離線的實(shí)驗(yàn)預(yù)仿真，也可進(jìn)行軟硬件結(jié)合的在線仿真，并得到實(shí)時(shí)多樣的交通數(shù)據(jù)。

1 駕駛模擬輔助系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

同濟(jì)大學(xué)擁有的駕駛模擬器購自法國(guó)的OKTAL公司，主要包括模擬駕駛艙和SCANeR studio軟件兩大部分。其中，SCANeR studio軟件用于供用戶實(shí)驗(yàn)前在電腦上繪制、構(gòu)建仿真場(chǎng)景，實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)，實(shí)驗(yàn)后輸出分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然而，一方面該軟件模塊眾多、功能多樣、設(shè)置復(fù)雜，用戶難以上手；另一方面目前其用戶手冊(cè)只有英文版，更增加了用戶理解、學(xué)習(xí)的難度。而事實(shí)上，交通設(shè)計(jì)課程的典型駕駛模擬實(shí)驗(yàn)中，所涉及的多為該軟件的基本操作，學(xué)生沒有必要也無法在短期內(nèi)了解其全部功能，因此一份中文版簡(jiǎn)易使用手冊(cè)及典型交通設(shè)計(jì)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書對(duì)于交通設(shè)計(jì)駕駛模擬教學(xué)的順利展開尤為重要。

另外，SCANeR studio軟件安裝后自帶有多種仿真場(chǎng)景，每種場(chǎng)景的環(huán)境、特點(diǎn)及適用實(shí)驗(yàn)各有不同，因此分門別類的場(chǎng)景素材庫整理將有助于學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求更快更準(zhǔn)確地挑選場(chǎng)景。

此外，駕駛模擬實(shí)驗(yàn)完成后，輸出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常全面，包含車輛在實(shí)驗(yàn)過程任意時(shí)刻的三維位置，速度，加速度，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，詳細(xì)的排放與油耗等眾多指標(biāo)。但不同的實(shí)驗(yàn)因?yàn)槟康牟煌?，所需要重點(diǎn)分析的數(shù)據(jù)類型也有所區(qū)別，因此，針對(duì)特定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康膹谋姸噍敵鰯?shù)據(jù)中挑選適合的評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行分析成為實(shí)驗(yàn)之后數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的關(guān)鍵。

對(duì)于某些具有特定需求(如采集駕駛員的心率，眼球注意點(diǎn)等)的實(shí)驗(yàn)(如駕駛員對(duì)某些新型交通設(shè)計(jì)的適應(yīng)性分析實(shí)驗(yàn))，僅靠駕駛模擬器可能并不能滿足全部的數(shù)據(jù)采集需求；此時(shí)，還需在駕駛模擬車輛上加裝動(dòng)態(tài)心電儀、眼動(dòng)儀等輔助設(shè)備。因此，實(shí)驗(yàn)前期的設(shè)備選擇也是確保實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行及數(shù)據(jù)采集完善的關(guān)鍵。

為解決上述問題，本研究擬構(gòu)建駕駛模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱輔助系統(tǒng))。

1.1 輔助系統(tǒng)的功能定位

輔助系統(tǒng)的主要功能(見圖1)包括：

(1) 幫助學(xué)生快速上手SCANeR studio軟件的基本操作，了解交通設(shè)計(jì)課程中典型駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；

(2) 幫助學(xué)生準(zhǔn)確、快速地挑選到最適合的場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

(3) 幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)輔助設(shè)備展開實(shí)驗(yàn)；

(4) 幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求選擇適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

圖1 輔助系統(tǒng)主要功能

1.2 輔助系統(tǒng)的整體架構(gòu)

輔助系統(tǒng)主界面見圖2，對(duì)應(yīng)上述各功能定位，該輔助系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)文檔、教學(xué)視頻、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景庫、設(shè)備選擇、數(shù)據(jù)分析等模塊共同構(gòu)成。

圖2 輔助系統(tǒng)主界面

2 輔助系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

輔助系統(tǒng)各模塊的詳細(xì)內(nèi)容及使用方法如下：

(1) 實(shí)驗(yàn)文檔模塊。該模塊中提供了幾種典型交通設(shè)計(jì)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，包括交通沖突分析實(shí)驗(yàn)、道路交叉口設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、道路通行能力分析實(shí)驗(yàn)、出入口交通分析實(shí)驗(yàn)及公共交通設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。指導(dǎo)書內(nèi)對(duì)各實(shí)驗(yàn)的目的、要求和內(nèi)容做了詳細(xì)介紹。此外，該模塊還提供了SCANeR studio軟件原版英文用戶手冊(cè)及簡(jiǎn)易版中文使用手冊(cè)的下載。學(xué)生可根據(jù)需要自行下載所需文檔(見圖3)。

圖3 實(shí)驗(yàn)文檔模塊

(2) 教學(xué)視頻模塊。提供了SCANeR studio軟件常用基本操作的教學(xué)視頻，分為“如何從零開始構(gòu)建仿真場(chǎng)景”和“如何利用已有仿真場(chǎng)景進(jìn)行駕駛模擬實(shí)驗(yàn)”。視頻內(nèi)容基本涵蓋交通設(shè)計(jì)駕駛模擬典型實(shí)驗(yàn)中所需用到的所有操作，并對(duì)操作過程中的常見問題進(jìn)行了闡述。學(xué)生可通過觀看視頻直觀、迅速地學(xué)會(huì)SCANeR studio軟件的使用方法(見圖4)。

圖4 教學(xué)視頻模塊

(3) 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景庫模塊。對(duì)SCANeR studio軟件內(nèi)自帶的仿真場(chǎng)景進(jìn)行了詳細(xì)的分類介紹，其中包含可供直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的完備場(chǎng)景(如高速公路場(chǎng)景、鄉(xiāng)村公路場(chǎng)景、城市道路場(chǎng)景、雪天道路場(chǎng)景等)以及可用于添加、替換到完備場(chǎng)景中的各類素材(如各類交通標(biāo)志、信號(hào)燈、指路標(biāo)志、房屋、動(dòng)物等)。學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，查找?shí)驗(yàn)場(chǎng)景庫中對(duì)各場(chǎng)景特點(diǎn)的詳細(xì)介紹，直接索引到SCANeR studio軟件中的相應(yīng)場(chǎng)景文件(見圖5)。

(4) 設(shè)備選擇模塊。對(duì)常用的且同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室具備的駕駛模擬器實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備(如眼動(dòng)儀，心電儀等)的作用與使用方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)其可能應(yīng)用的交通設(shè)計(jì)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了歸類。學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，?duì)照各輔助設(shè)備功能，選擇合適的輔助設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(見圖6)。

圖5 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景庫模塊

圖6 設(shè)備選擇模塊

(5) 數(shù)據(jù)分析模塊。對(duì)不同類型(如側(cè)重效率、安全、能耗或排放)實(shí)驗(yàn)中常用的重點(diǎn)分析數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)參數(shù)及分析方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，參照本模塊選取最佳分析參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)后有針對(duì)性地提取相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(見圖7)。

圖7 數(shù)據(jù)分析模塊

3 輔助設(shè)計(jì)案例

以一個(gè)道路交叉口設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為例，逐步介紹如何使用輔助系統(tǒng)進(jìn)行駕駛模擬實(shí)驗(yàn)。

第一步，在“實(shí)驗(yàn)文檔”模塊中下載道路交叉口設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，了解該實(shí)驗(yàn)的具體目的、要求及內(nèi)容。

第二步，通過“實(shí)驗(yàn)文檔”模塊中的SCANeR studio軟件簡(jiǎn)易中文手冊(cè)或英文用戶手冊(cè)了解該軟件的仿真場(chǎng)景構(gòu)建方法，或直接觀看“教學(xué)視頻”模塊中的“如何從零開始構(gòu)建仿真場(chǎng)景”進(jìn)行學(xué)習(xí)。

第三步，參照“實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景庫”模塊中的場(chǎng)景素材，選取、確定實(shí)驗(yàn)過程中可能用到的素材(如信號(hào)燈頭、燈桿、交通標(biāo)志、植物、建筑物等)。

第四步，根據(jù)第二步中學(xué)習(xí)到的軟件使用技能和第三步中選定的場(chǎng)景素材，在SCANeR studio軟件中設(shè)計(jì)繪制滿足實(shí)驗(yàn)要求的道路交叉口，并對(duì)交叉口進(jìn)行配時(shí)(見圖8)。

第五步，實(shí)驗(yàn)前，參考“設(shè)備選擇”模塊，選定實(shí)驗(yàn)中需要用的輔助設(shè)備，并了解其使用方法。

第六步，通過“實(shí)驗(yàn)文檔”模塊中的SCANeR studio軟件簡(jiǎn)易中文手冊(cè)或英文用戶手冊(cè)了解將該軟件與模擬駕駛艙連接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方法，或直接觀看“教學(xué)視頻”模塊中的“如何利用已有仿真場(chǎng)景進(jìn)行駕駛模擬實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行學(xué)習(xí)。

圖8 道路交叉口設(shè)計(jì)繪制

第七步，根據(jù)第六步所學(xué)內(nèi)容，設(shè)定好仿真場(chǎng)景中的背景車輛及行駛路徑。

第八步，挑選實(shí)驗(yàn)者，進(jìn)入駕駛艙內(nèi)，確保所選輔助設(shè)備安裝完好，連接模擬駕駛艙與SCANeR studio軟件，開始實(shí)驗(yàn)(見圖9，圖10)。

圖9 模擬駕駛艙準(zhǔn)備就緒

圖10 駕駛模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中

第九步，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，參考“數(shù)據(jù)分析”模塊選取評(píng)價(jià)參數(shù)，篩選相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論。見圖11。必要時(shí)可對(duì)實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行問卷調(diào)查。

圖11 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出與選取

4 結(jié) 語

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)境和條件等缺乏深刻的認(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，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)完成，其教學(xué)應(yīng)用尚處在起步階段。

本研究構(gòu)建了交通設(shè)計(jì)駕駛模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)界面友好、覆蓋內(nèi)容全，可為零基礎(chǔ)的學(xué)生提供駕駛模擬器SCANeR studio軟件快速入門的使用方法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)前的場(chǎng)景構(gòu)建與設(shè)備選擇、實(shí)驗(yàn)中的實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)后的參數(shù)選取與數(shù)據(jù)分析等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行指導(dǎo)，可有效輔助交通設(shè)計(jì)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的順利開展。

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Experimental Assistant System for Driving Simulator Teaching of Traffic Design

MAWan-jing,LILi,LINDian-chao,LIUXing-yong

(School of Transportation Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

The introduction of the “Driving Simulator” in the construction project of the 985 platform of School of Transportation Engineering, Tongji University and the completion of the laboratory construction create chances for the experimental teaching of traffic design. This study built an experimental assistant system for driving simulator teaching of traffic design that aims at guiding the traffic design driving simulator experiment in the pre-experiment, in-experiment and post-experiment stages. The possible implication areas of the driving simulator in traffic design teaching were introduced first; then the origin, function and integral framework of the assistant system were presented. Besides, the feature, function and using method of each module of the assistant system were explained in detail. Finally, we took a road intersection design experiment as an example to illustrate how to use this assistant system to conduct driving simulator experiment.

driving simulator; traffic design; experimental teaching; assistant system

2014-10-22

同濟(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目

馬萬經(jīng)(1980-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事交通工程領(lǐng)域研究與教學(xué)。

Tel.：13482236245；E-mail: mawanjing@#edu.cn

G 420； U 471.3

A

1006-7167(2015)10-0172-04