基于駕駛模擬的本科實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

王艷麗，楊 爍，吳 兵

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

0 引言

駕駛模擬是讓駕駛?cè)藛T在虛擬的駕駛環(huán)境中進(jìn)行駕駛，具有安全、節(jié)能、高效等特點。最早被應(yīng)用到駕駛員培訓(xùn)中，后來隨著計算機(jī)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的發(fā)展，駕駛模擬器的精度和性能不斷提升，駕駛模擬開始逐漸用于對駕駛行為、交通安全、人機(jī)工程等相關(guān)研究中，到現(xiàn)在已經(jīng)成為重要的駕駛員培訓(xùn)的重要手段，也是科學(xué)研究的有力工具［1-3］。

高校作為科研的重要場所，在駕駛模擬的研究與應(yīng)用中也發(fā)揮著重要作用。很多高校都研發(fā)或搭建了駕駛模擬平臺。而這些平臺由于造價或成本較高、數(shù)量較少，所以往往主要是用于科研。但對于本科生而言，能夠適應(yīng)交通科技的發(fā)展、面向復(fù)雜的交通實際、解決復(fù)雜的交通問題，是今后就業(yè)的必備要求。所以，結(jié)合新興交通科技的本科實驗也越來越受到重視，并成為交通工程實驗教學(xué)改革的重點［4］。而駕駛模擬作為一門新興技術(shù)，當(dāng)前在交通相關(guān)專業(yè)的本科實驗教學(xué)中尚處于起步階段。毋妙麗等［5］總結(jié)了如何將駕駛模擬平臺應(yīng)用到創(chuàng)新型的開放實驗教學(xué)中，馬萬經(jīng)等［6］給出了面向交通設(shè)計的駕駛模擬實驗方法，這些是對駕駛模擬實驗教學(xué)某一方面的探索，針對的是少部分的學(xué)生，且并未系統(tǒng)地梳理基于駕駛模擬的本科實驗教學(xué)內(nèi)容和實驗項目。

為促進(jìn)大學(xué)生對駕駛模擬技術(shù)的理解和掌握，在對駕駛模擬機(jī)理和功能分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了基于駕駛模擬可開展的本科教學(xué)實驗項目及其類型和內(nèi)容，并以其中一個實驗項目為例展示了實驗教學(xué)過程。

1 駕駛模擬機(jī)理和功能

駕駛模擬通常是基于三維虛擬仿真軟件對駕駛環(huán)境進(jìn)行仿真模擬，然后駕駛員通過操縱部件與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，即將操縱部件的變化信號實時傳輸給虛擬車輛的動力學(xué)模型，從而獲得車輛的當(dāng)前狀態(tài)并進(jìn)行圖像等顯示［7］。其中主要涉及的3 個關(guān)鍵技術(shù)是：模擬駕駛環(huán)境的虛擬現(xiàn)實技術(shù)、模仿駕駛過程中的物理仿真技術(shù)、逼真的圖像顯示技術(shù)。

隨著駕駛模擬技術(shù)的發(fā)展，其精度和真實感的要求也越來越高，核心技術(shù)也在不斷完善，于是各種駕駛模擬器相繼問世。因核心技術(shù)（特別是物理仿真技術(shù)）的復(fù)雜程度不同，模擬器的逼真與造價也差異較大。從運動系統(tǒng)來說，多自由度模擬器比無自由度的真實感更強(qiáng)，而真車座椅的模擬器則比簡易座位的造價要高。自由度越多的真車式模擬其真實感則更強(qiáng)，例如我校擁有的內(nèi)置全真車輛的8 個自由度的高仿真駕駛模擬器模擬效果就比較好［5］。當(dāng)然要營造出逼真的駕駛環(huán)境，精細(xì)的道路3D 模型、多自由度的動力學(xué)和力反饋模型、逼真的環(huán)屏顯示，仿真座椅、油門、剎車等都是必不可少的。

通常簡單的駕駛模擬器主要用于駕駛員培訓(xùn)包括飛行員、列車駕駛員、汽車駕駛員等，或者對中小學(xué)生進(jìn)行科普教育。而復(fù)雜的駕駛模擬器則以科研為主，主要的研究或應(yīng)用方向包括道路交通工程的設(shè)計與安全評估、交通環(huán)境與交通安全分析、駕駛心理和行為的研究以及人機(jī)交互及輔助駕駛等界面和設(shè)施的設(shè)計與評估等［1］。

2 基于駕駛模擬的實驗

2.1 基于駕駛模擬的實驗項目

基于駕駛模擬的5 個主要應(yīng)用方向，有很多研究課題，而每個課題都需要進(jìn)行駕駛模擬實驗，當(dāng)然在研究課題中的實驗項目主要以創(chuàng)新型為主［8-13］。而實際上每個應(yīng)用方向，都可以按照實驗教學(xué)規(guī)律與需求，設(shè)計成由簡到繁的層進(jìn)式的實驗項目組合架構(gòu)。先從簡單的演示實驗開始、然后是驗證型實驗、慢慢地進(jìn)行綜合型、設(shè)計型實驗項目，最后可以引導(dǎo)部分學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新型實驗。經(jīng)系統(tǒng)梳理，基于駕駛模擬的實驗項目和內(nèi)容以及實驗方法如圖1 所示。

圖1 基于駕駛模擬的實驗項目與內(nèi)容分類圖

2.2 基本實驗流程

基于模擬駕駛的基本實驗流程包括：①實驗前，教師將實驗相關(guān)資料和指導(dǎo)書以及實驗要求提供給學(xué)生，學(xué)生按要求進(jìn)行實驗設(shè)計。對于道路交通工程相關(guān)的實驗項目，學(xué)生需要對老師給定的路網(wǎng)局部要素進(jìn)行方案設(shè)計；交通環(huán)境相關(guān)的實驗項目，學(xué)生則需要對天氣要素或景觀要素等進(jìn)行方案設(shè)計；而對于駕駛心理和行為相關(guān)實驗，則要求學(xué)生對駕駛員進(jìn)行篩選和問卷設(shè)計。②實驗過程中，教師先進(jìn)行操作演示講解實驗方法，學(xué)生分組分工進(jìn)行實驗，每組至少3 人，1人負(fù)責(zé)控制操作模擬器、1 人負(fù)責(zé)引導(dǎo)駕駛員操作駕駛模擬器、1 人負(fù)責(zé)引導(dǎo)實驗后的駕駛員進(jìn)行問卷填寫，對于駕駛心理和行為相關(guān)的實驗，還需要給駕駛員佩戴腦電等監(jiān)控設(shè)備［14］。③實驗結(jié)束后，導(dǎo)出需要的參數(shù)和數(shù)據(jù)、學(xué)生進(jìn)行分析完成實驗報告。具體流程如圖2 所示，圖中同時給出了不同實驗類型的特殊要求。

圖2 基于駕駛模擬的實驗流程

3 本科實驗教學(xué)示例

以我校交通管理與控制課程［15］中的1 個基于駕駛模擬的實驗項目為例進(jìn)行具體實驗教學(xué)方法展示。

課程中的實驗為2 個學(xué)時，實驗項目設(shè)計為較簡單的基于駕駛模擬的高速公路的地點限速分析實驗。實驗?zāi)康氖亲寣W(xué)生進(jìn)一步掌握機(jī)動車行車管理中限速管理的內(nèi)容，并能熟練運用限速計算方法進(jìn)行實際道路的限速計算。實驗內(nèi)容主要是：①了解駕駛模擬關(guān)鍵技術(shù)和駕駛模擬器的構(gòu)成；②初步學(xué)習(xí)駕駛模擬及操作軟件SCANeR STUDIO 的組成和操作；③分組進(jìn)行駕駛模擬實驗；④每位同學(xué)計算各自對應(yīng)的地點限制車速。

具體實驗教學(xué)過程如下：①課前教師將實驗指導(dǎo)書和已搭建好的高速公路模型（可以直接用科研項目中的高速公路模型）、學(xué)生分組情況（包括每位學(xué)生需要計算限速的地點）提供給學(xué)生，讓學(xué)生提前了解實驗過程。學(xué)生可以通過開放實驗室的SCANeR STUDIO軟件提前熟悉道路，獲悉各自所需要計算限速的路段地點。②上課時，教師先講解駕駛模擬關(guān)鍵技術(shù)和駕駛模擬器的構(gòu)成、駕駛模擬及操作軟件的組成和實驗操作過程，然后指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗操作。學(xué)生實驗的駕駛員建議提前從學(xué)生中選取有駕照的學(xué)生為志愿者，或者也可以招募其他志愿駕駛員?？紤]到實驗時間限制，一般學(xué)生分成5～10 組，志愿者與分組數(shù)量相同即可，這樣每組只需操作引導(dǎo)1 位駕駛員進(jìn)行駕駛模擬。小組依次在教師指導(dǎo)下分工進(jìn)行實驗，其他學(xué)生在控制室與駕駛艙進(jìn)行現(xiàn)場感受和學(xué)習(xí)。③實驗結(jié)束后，教師統(tǒng)一導(dǎo)出數(shù)據(jù)給學(xué)生，每位學(xué)生找到自己對應(yīng)地點的車速記錄，進(jìn)行限速計算，并完成實驗報告。

在實驗過程中，學(xué)生了解了駕駛模擬的相關(guān)技術(shù)以及復(fù)雜駕駛模擬器的構(gòu)成，學(xué)習(xí)了基于駕駛模擬的實驗設(shè)計方法。不同于傳統(tǒng)的地點限速的計算題，通過該實驗，學(xué)生在駕駛模擬中不僅掌握了限速的計算方法，而且對車速有更直觀的感受，切身體會到駕駛?cè)艘曇芭c車速關(guān)系，以便更好地學(xué)習(xí)與應(yīng)用車速管理和交通設(shè)計管理相關(guān)理論。

4 結(jié)語

將駕駛模擬技術(shù)融入本科實驗教學(xué)，將新科技與專業(yè)和實際交通問題結(jié)合，不僅豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，讓大學(xué)生親身感受前沿科學(xué)技術(shù)，而且實驗中也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、動手能力和團(tuán)隊合作能力。這對增加大學(xué)生對高科技社會的適應(yīng)能力以及在專業(yè)中的創(chuàng)新與競爭力具有重要意義。