基于SCANeR快速道路建模的程序化方法

楊 爍，王雪松，王艷麗，毋妙麗

（同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

駕駛模擬器具有安全、準(zhǔn)確、可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境等突出優(yōu)勢(shì)，可以支持交通安全研究，交通心理與行為，智能交通系統(tǒng)（ITS）中的人車路系統(tǒng)，基于安全因素的交通設(shè)施設(shè)計(jì)與維護(hù)，汽車的設(shè)計(jì)、研發(fā)與測(cè)試等領(lǐng)域的研究與開發(fā)[1-2]?；隈{駛模擬器的研究成果非常豐富，如道路設(shè)計(jì)有與安全評(píng)估方面，文獻(xiàn)[3—4]研究了高速公路組合路段設(shè)計(jì)與車速和車道偏移的關(guān)系，評(píng)估設(shè)計(jì)安全性；環(huán)境影響駕駛行為方面，時(shí)恒等[5]利用駕駛模擬器可改變駕駛環(huán)境的特點(diǎn)，研究了霧霾天氣對(duì)車輛跟馳行為的影響；黃曉翔等[6]研究了在城市道路場(chǎng)景下，駕駛員對(duì)應(yīng)激場(chǎng)景的駕駛反應(yīng)；Wang等[7]研究了在模擬環(huán)境下，安全地獲取駕駛員在碰撞風(fēng)險(xiǎn)下安全停止所需的最小距離，用于研究前向碰撞預(yù)警算法。駕駛模擬平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用也越來越廣泛，但作為一種大型儀器設(shè)備，同樣存在專業(yè)性強(qiáng)、使用率低、軟件專用、不易獲取信息等問題，如何提高其使用率和增加效益，是實(shí)驗(yàn)室管理者面臨的共同問題[8-9]。

道路場(chǎng)景建模是駕駛模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的根本基礎(chǔ)，會(huì)耗費(fèi)研究者大量的時(shí)間精力，場(chǎng)景對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有決定性影響。關(guān)于如何搭建模型的相關(guān)研究比較少，一般情況下，場(chǎng)景搭建工作都采取手工方式[10]，但實(shí)際使用中存在學(xué)習(xí)成本高、工作煩瑣、錯(cuò)誤率高等缺點(diǎn)。陳鵬等[11]使用移動(dòng)測(cè)量技術(shù)快速搭建城市道路虛擬場(chǎng)景，可以達(dá)到良好的建模效果，但需要移動(dòng)測(cè)量車等特殊設(shè)備，不具有推廣性。

本文從分析RoadXML的道路數(shù)據(jù)格式開始，用程序化的方法導(dǎo)入設(shè)計(jì)參數(shù)，快速生成場(chǎng)景，用于解決高速公路一類的建模問題。

1 RoadXML及開源解析器

SCANeR Studio是為駕駛模擬器設(shè)計(jì)的軟件工具，能夠?qū)崟r(shí)記錄仿真數(shù)據(jù)，采集車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)、交通參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、駕駛員操作參數(shù)等也可以添加輔助設(shè)備采集駕駛員眼動(dòng)、心率和面部表情等數(shù)據(jù)。其原生地圖格式為 RoadXML，同 OpenDrive、OpenStreetMap等地圖格式相同，都是一種開源道路數(shù)據(jù)格式，遵循 XML語法，在企業(yè)和科研院所近20年的研究歷史，被普遍應(yīng)用于駕駛模擬器和交通研究中。

同濟(jì)大學(xué)建設(shè)了世界先進(jìn)的八自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的駕駛模擬器，橫、縱范圍5 m×20 m，駕駛艙內(nèi)置一輛真實(shí)車輛，具有先進(jìn)的視景和聲響系統(tǒng)，高逼真地模擬駕駛環(huán)境，使用 SCANeR作為軟件平臺(tái)，實(shí)物如圖1所示。

在軟件的 Terrain模式可以直觀地編輯路網(wǎng)，路網(wǎng)的全部信息以RoadXML格式的文件存儲(chǔ)，邏輯層的信息關(guān)鍵決定了車輛行駛邏輯和仿真數(shù)據(jù)，車輛動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)、交通流仿真、路面摩擦系數(shù)控制、自動(dòng)駕駛車輛路徑控制、環(huán)境聲音、生成三維路網(wǎng)和駕駛模擬器的體感模擬等都依賴于邏輯層。道路周邊環(huán)境可以使用 3DSMAX編輯或者添加 SCANeR的原生 對(duì)象。

本文的研究基于 2.4.1版本的 RoadXML數(shù)據(jù)格式，在開源網(wǎng)站 Github上可以獲取解析器的全部源碼[12]，在Windows系統(tǒng)下編譯源代碼得到VS項(xiàng)目，利用Visual Studio打開此項(xiàng)目，可以閱讀其文檔對(duì)象模型，并在此基礎(chǔ)上編寫讀寫RoadXML格式的程序。2.4.1版本的RoadXML格式說明中包含了80個(gè)標(biāo)簽，以及相應(yīng)的屬性和元素，部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 同濟(jì)大學(xué)駕駛模擬器實(shí)物

圖2 RoadXML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2 程序設(shè)計(jì)

通常情況下 CAD設(shè)計(jì)圖中的豎曲線表和直曲線表包含了道路設(shè)計(jì)的全部參數(shù)，需要設(shè)計(jì)合適的表格并對(duì)需要的參數(shù)進(jìn)行合適的處理，用于程序讀取參數(shù)生成對(duì)應(yīng)的RoadXML文件。

2.1 平面線型數(shù)據(jù)

平面線型數(shù)據(jù)保存在XYCurve標(biāo)簽及屬性值中，其嵌套4種線型標(biāo)簽，Segment、CircleArc、ClothoArc和 Polyline，分別表示直線、圓曲線、緩和曲線和多段線，通常定義道路線型只使用前3個(gè)標(biāo)簽。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表的字段名如表1所示。表中Angle是道路起點(diǎn)的方向角度（0°～360°），Length 為對(duì)應(yīng)線型的長(zhǎng)度，Type用于區(qū)分3種線型。

表1 平面線型數(shù)據(jù)表字段名及含義

2.2 高程數(shù)據(jù)

直曲線表一般只提供了樁號(hào)、標(biāo)高、曲線半徑、切線長(zhǎng)、外距、縱坡等數(shù)據(jù)，在SCANeR中無法直接利用這些數(shù)據(jù)來繪制縱斷面。根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)高程[13]，10 m步長(zhǎng)得到每個(gè)樁號(hào)相應(yīng)的設(shè)計(jì)高程，或者在縱斷面設(shè)計(jì)圖中直接提取樁號(hào)和設(shè)計(jì)高程的數(shù)據(jù)。

在SCANeR的Terrain模塊中可編輯高程，其縱斷面曲線由3次樣條曲線擬合，擬合曲線經(jīng)過所有控制點(diǎn)，兩控制點(diǎn)之間的曲線形狀由斜率來控制，擬合曲線在控制點(diǎn)處相切，改變某個(gè)控制點(diǎn)的高度或者斜率只影響相鄰兩點(diǎn)區(qū)間中的曲線形狀。為了保證路面曲線平順，不發(fā)生顛簸現(xiàn)象，使用式（1）計(jì)算每個(gè)控制點(diǎn)的斜率，即此控制點(diǎn)左右兩點(diǎn)之間的斜率。

起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)的斜率與旁邊的坐標(biāo)點(diǎn)斜率相同即可，不會(huì)影響道路整體的平順性。設(shè)計(jì)縱斷面表格如表2所示。

表2 縱斷面數(shù)據(jù)表字段名及含義

縱斷面數(shù)據(jù)以 SZCurve標(biāo)簽表示，嵌套 begin，end兩個(gè)標(biāo)簽，屬性值存儲(chǔ)控制點(diǎn)坐標(biāo)和斜率。

2.3 程序流程與實(shí)例

程序讀取表格中的所有數(shù)據(jù)，每行數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在容器的對(duì)象中，以樹-節(jié)點(diǎn)的方式將賦值到對(duì)應(yīng)標(biāo)簽對(duì)象當(dāng)中，程序執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 生成RoadXML文件的流程圖

3 適用性分析

程序?qū)崿F(xiàn)了從平面圖表數(shù)據(jù)和豎曲線表獲取設(shè)計(jì)道路的橫、縱線型數(shù)據(jù)，由此快速生成相應(yīng)的RoadXML文件，得到模擬道路，無須手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)，可以直接觀察道路的形狀，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與完善。在SCANeR中非常完美地重現(xiàn)了CAD設(shè)計(jì)圖中的道路，省略了手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)過程中煩瑣的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)量巨大的情況下，效果十分明顯。常規(guī)的建模方式中，手動(dòng)輸入道路參數(shù)，數(shù)據(jù)精度只能編輯到 0.001 m，使用程序?qū)霐?shù)據(jù)則沒有精度限制。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有促進(jìn)意義，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)軟件進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，加深對(duì)交通仿真的理解，牢固計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用知識(shí)和夯實(shí)交通專業(yè)知識(shí)，提高綜合能力，可根據(jù)需求合理修改程序，并進(jìn)行探索性的實(shí)驗(yàn)[14]。

同樣也存在一些不足之處，城市道路場(chǎng)景中存在大量的交叉口，由于SCANeR軟件的特性，無法對(duì)交叉口進(jìn)行精確編輯；并且存在公交車停站點(diǎn)等，導(dǎo)致道路橫斷面變化頻繁，收集橫斷面數(shù)據(jù)更加煩瑣，所以城市道路下適用性較差。

4 結(jié)語

使用SCANeR軟件的機(jī)構(gòu)很多，但是對(duì)于道路建模方面的研究還非常少。高質(zhì)量的仿真場(chǎng)景中道路邏輯層面搭建是核心，通過引入ParserRoadXML構(gòu)建道路，可快速開展山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)優(yōu)化和安全評(píng)估、駕駛環(huán)境與行車安全等方面的研究，在“人—車—路—環(huán)境”要素下解決道路相關(guān)的場(chǎng)景搭建問題。對(duì)評(píng)估道路線型設(shè)計(jì)等研究方向具有重要意義。

同時(shí)，軟件的使用對(duì)優(yōu)化儀器設(shè)備、及時(shí)跟進(jìn)前沿研究課題、總結(jié)使用規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)等具有優(yōu)化作用，從技術(shù)角度挖掘高校大型儀器設(shè)備的潛能，提高使用效率。