基于駕駛模擬的超車仿真教學實驗設計

郭鳳香　和文耀　萬華森　秦雅琴　賈現廣　陳亮

摘? 要：道路交通運輸專業(yè)具有多學科融合、緊密結合實踐的特點，但許多交通專業(yè)課程的實踐教學環(huán)節(jié)往往會受到場地大小、條件不可控、重復性差和實際道路危險性等不利因素的限制而無法順利開展。為提升學生的實踐能力與課程參與度，基于駕駛模擬技術，探討可用于交通仿真、道路交通安全及交通行為分析等課程教學的超車仿真教學實驗項目，教學實驗以鍛煉學生分析解決問題能力和實踐操作能力為目標，詳細地設計實驗流程與實踐教學內容，并將該實驗項目在道路交通安全、交通仿真等課程的實踐環(huán)節(jié)進行應用，為駕駛模擬系統在教學實驗中的應用提供參考。

關鍵詞：交通運輸；駕駛模擬；超車仿真；實驗設計；實踐教學

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）16-0049-04

Abstract： The road traffic transportation specialty has the characteristics of multidisciplinary integration and close combination with practice. However， the practical teaching links of many transportation specialty courses are often limited by unfavorable factors such as site size， uncontrollable conditions， poor repeatability， and actual road risks. In order to improve students'practical ability and course participation， based on driving simulation technology， this paper discusses the teaching experiment project of overtaking simulation which can be used in the teaching of traffic simulation， road traffic safety and traffic behavior analysis. The teaching experiment aims at training students' ability to analyze and solve problems and practical operation ability. The experimental process and practical teaching content are designed in detail， and the experimental project is applied in the practical links of road traffic safety， traffic simulation and other courses， which provides reference for the application of driving simulation system in teaching experiment.

Keywords： transportation; driving simulation; overtaking simulation; experimental design; practice teaching

道路交通運輸是涉及車輛、信息、管理及土木等多學科的綜合性專業(yè)，在學生的培養(yǎng)過程中不僅要求其掌握復雜的專業(yè)理論知識，還需具備自主學習、團隊合作與實踐能力。但在實踐能力的培養(yǎng)中，實際道路交通實驗具有實驗條件不可控、重復實驗困難且存在著一定的危險性的特點，導致交通運輸專業(yè)人才的實踐能力培養(yǎng)的教學環(huán)節(jié)難以開展。這也是在教學過程中，學生對道路交通系統中出現的各種原理、特征、現象等缺乏實際的感官認識的主要原因之一，學生的認識更多地停留在理論知識上，缺少結合現場實際的深刻理解，導致許多學生在理論知識與實際結合上有所欠缺。而本教學實驗中基于虛擬仿真技術的實驗教學方法具有虛實結合、安全性高的特點，可以為實踐教學的展開提供一個合適的平臺，搭建幫助課程實現學生從理論走向實際的橋梁，達到學以致用的目標。

駕駛人超車仿真實驗的開設，旨在以超車這一日常交通現象為基礎，建立駕駛人在不同道路與交通條件下的超車行為虛擬實驗場景，考察與了解不同駕駛人的行為特性與安全駕駛特性。同時，通過該實驗可以確定安全超車的道路條件、交通條件，考察相同道路及交通條件下不同駕駛人的行為特性，了解駕駛人安全駕駛的相關特性。通過該實驗還可以幫助學生了解基于駕駛模擬系統的三維虛擬場景的設計方法及實驗方案的制定方法，倡導以學生為主體的創(chuàng)新性實驗改革，發(fā)揮學生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，逐漸掌握提出問題、分析問題、解決問題的思路與方法，提升學生的綜合能力。

一? 仿真實驗的設計

超車是一種常見的交通現象，駕駛人超車行為過程會受到道路交通系統中的人、車、路、環(huán)四個因素的影響，因此超車實驗可以幫助學生全方面地掌握道路交通系統構成要素的特性。本實驗作為綜合設計型實驗，主要通過三維虛擬環(huán)境下的超車仿真實驗的設計和開展來培養(yǎng)學生分析解決問題能力、實踐操作能力、自主學習能力和團隊合作意識。在實驗前，學生需要應用所學知識，根據超車仿真實驗目的、超車原理和安全要求設計超車仿真實驗的實驗方案，根據實驗方案搭建虛擬的超車仿真實驗場景，組織完成虛擬仿真實驗，并在實驗后根據結果分析撰寫報告。

（一）? 實驗設計

超車仿真模擬教學實驗基于昆明理工大學自主研發(fā)的三維虛擬軟件與駕駛模擬系統，結合眼動儀、生理儀、心理儀等設備，由學生在老師的指導下根據實驗目的自主設計實驗道路交通條件與交通環(huán)境，進行模擬實驗并完成實驗報告。

實驗方案設計過程中，學生可以根據不同的實驗目的在實驗中設計不同超車方式和道路交通條件的虛擬實驗場景，包括：①通過對不同人群的超車行為進行考察，分析性別、年齡、個人性格等不同的人的行為特性對超車行為的影響，進而分析不同人群的駕駛特性；②為了考察不同車輛的動力、剎車等車輛性能對車輛超車行為與駕駛安全性的影響，可以通過更改虛擬仿真實驗中的各類性能參數，從而改變仿真車輛的車輛性能，最終可以設計不同性能車輛的超車模擬實驗，分析不同車輛性能對超車行為的影響；③設計不同類型的道路或者同一道路不同路段的超車行為，如鄉(xiāng)村道路的直路、彎路等，進而研究不同道路條件對車輛超車行為的影響等。

（二）? 教學實驗開展步驟

與普通的課程實驗不同，本教學實驗以學生自主實驗為主，學生被分為不同實驗小組，各小組根據不同的實驗目的搭建虛擬場景進行超車仿真實驗，在實驗設計和開展過程中可以鍛煉學生的團隊合作能力。

具體的教學實驗過程主要由五部分組成：①課前學生可參考瀏覽已完成的報告書和仿真模型，幫助了解實驗；②課上教師對相關軟件以及仿真儀器的使用方式進行教學，并進行一次模擬實驗；③學生分組設計實驗、構建模型，并招募實驗志愿者，可由擁有駕駛執(zhí)照的學生擔當，也可招募其他駕駛人；④任課教師的監(jiān)督完成實驗，并對實驗中所需的相關數據記錄進行分析，完成報告書；⑤教師在提出修改意見后，依據學生在實驗中的表現以及報告書的完成度進行評分。

二? 仿真實驗的應用

超車仿真實驗技術屬于虛擬實驗技術范疇，是一種將仿真技術運用于教學實驗的參與式學習。設計的主旨是改變傳統的被動學習方式，由學生作為課堂教學的主體，體現以學生為中心的教學理念，注重發(fā)揮學生的主觀能動性，以實踐性和研究性為主旨的教學方式，是一門綜合性與開放性兼具的教學實驗，可以在滿足多門交通專業(yè)課程教學的同時綜合考察學生對交通仿真、交通安全等多門科目的學習情況，并通過實驗進行實踐考核。

（一）? 交通仿真

在超車仿真教學實驗中，學生需要學習使用交通仿真技術，以現實中的真實道路為基礎，結合交通安全、交通心理學等不同課程的需求設計不同的超車仿真實驗，并獲取需要的數據。其中，學生運用交通仿真技術進行實驗設計、模型構建的過程，實際就是學生能逐步理解掌握駕駛模擬實驗、學習交通仿真技術的過程，由淺入深地加深對場景設計、駕駛仿真技術等仿真模擬知識的認識，全面深刻理解交通仿真理論與技術，提高學生專業(yè)興趣和理論聯系實際能力。交通仿真教學不再局限于單一的課堂理論知識教學，而是由學生自主學習構建仿真場景。

學生可以任意建立某個具有道路交通特定環(huán)境及交通動態(tài)特征的虛擬場景，包括真實的、想象的或用于特殊實驗的場景，并能通過對駕駛車輛、交通車流、行人的動態(tài)參數和其他環(huán)境因素有條件的控制，在模擬器上實現對各類道路交通問題的動態(tài)信息采集、參數分析和仿真實驗。不僅可以解決實際道路的安全問題，也能使學生根據自己的想法、思路和目的設計實驗，包括場景設計、交通模型、實驗方法、所需數據的處理和分析方法等，將不可及的抽象概念轉化為直觀、可控的仿真圖形、數據與過程，同時可進行重復模擬，是一種開放的設計型教學實驗。尤其在仿真過程中改變多種交通條件，如被超車的速度、數量，對向車的速度、數量等所導致的被試者操作反應，讓學生對駕駛人行為安全特性有較為直觀的了解，進而引發(fā)學生的研究興趣，在實際應用中強化加深對交通仿真技術的理解，形成一套完整的、系統的、科學的概念。

如圖1所示，超車方式可以包括正常超車、對向有車輛的情況下超車、超載大型車輛和超越車隊等，還可以為前車和對象車輛設置不同的間距與車速，用于營造不同的交通條件，方便學生學習和了解不同交通條件下的超車行為。

除了設置不同的交通條件，還可以應用圖2中的各類素材（部分展示），對仿真實驗中的人、車、路環(huán)境進行設計，以滿足不同方面的教學實驗需求。同時超車仿真實驗多樣化的實驗方案設計，不僅可以拓寬學生的思路，提升創(chuàng)新能力，也可以為不同的教學科目提供個性化的教學素材。

（二）? 道路交通安全

道路交通系統是一個由人、車、路、環(huán)境四種因素組成的復雜系統，其具有系統性、動態(tài)性和復雜性的特點。因此在進行相關實踐教學時，往往會因為受到道路條件與道路危險性的限制而無法開展，只能進行理論與案例教學，學生難以切實地體會到道路交通系統中各個因素對交通安全的影響。而超車仿真模擬教學實驗以學生的實踐與參與感為重點，旨在以超車這一日常交通現象作為研究點，由學生按照課程需求，在教師的指導下使用仿真建模軟件設計或還原某一超車場景，探究不同道路、路段、氣候和交通環(huán)境等因素對超車行為的影響，甚至可以構建某一事故場景，分析不同因素對事故的影響程度。比如雙車道超車行為，由于需要借用對向車道完成超車，駕駛人不僅僅要保證與前車的安全距離，還要觀察對向車道，極容易發(fā)生追尾或者碰撞事故，利用駕駛模擬系統，學生不僅可以還原這一危險場景進行直觀體驗，還可以通過設備獲取的詳細數據對道路交通中存在的各項因素進行分析，深入了解道路交通安全中的各類風險因素。同時，通過實驗進行考核，擺脫了期末筆試考核的局限性，可以更全面地考察學生對道路交通安全的認知與理解。

（三）? 交通心理學與行為分析

交通心理學是一門與現實交通生活非常貼近的應用心理學學科，學生單靠書本知識和教師的講解很難有直觀的認識。例如，關于駕駛人危險知覺、駕駛人分心等領域的相關知識都難以通過教學講解。類似的，在交通行為分析教學中，駕駛行為本身是一種動態(tài)的行為，包括駕駛行為可靠性分析、人群行為差異性分析等內容，單靠文字說明和圖片演示難以達到預期的教學效果，課程也會顯得枯燥無味。但在超車仿真實驗中，每一位學生都可以使用仿真模擬設備，進入車輛駕駛室模擬演練，不僅可以在模擬實驗中根據自己的主觀感受學習駕駛人在駕駛汽車過程中感知、決策等心理活動的規(guī)律及影響因素，還可以在模擬演練中通過生理心理儀采集多項客觀數據。在模擬演練后，可以通過超車仿真實驗中的車速、剎車踏板深度等數據進行駕駛人行為分析，結合心跳、皮電等數據分析駕駛人的心理，學習交通行為與心理的關系。將兩門抽象的教學課程結合為一門具體的教學實驗，不僅可以保證師生安全，還可以給予學生直觀的教學體驗。

（四）? 教學實例

以昆明理工大學本科教學為例，課程實驗設計為基于駕駛模擬的車輛超車行為分析實驗。實驗目的是讓學生進一步掌握交通仿真、道路交通安全等課程的相關知識，熟練運用相關設計軟件完成虛擬場景構建與實驗。如圖3所示，在課程中，學生需要使用實驗室提供的設備完成實驗場景的構建，包括道路搭建、駕駛環(huán)境設計、車流設計等，學生可以充分發(fā)揮自己的想法。在實驗中，被試人的選取、數據記錄與駕駛模擬器的監(jiān)測均由學生負責，任課教師僅負責實驗安全與必要的指導。在實驗完成后，學生分組提交完整的實驗報告與設計場景，并注明每位組員的工作任務，任課教師根據場景設計的真實性、實驗報告的完整性與科學性、不同人員的工作內容等，給予學生綜合評分。

三? 結束語

超車仿真實驗以超車這一日常交通現象為例，將虛擬仿真技術引入學生的課堂教學，將理論與實踐結合，軟件與硬件結合，為交通工程專業(yè)教學提供效費比高的實驗實踐平臺。同時，在教學實驗中，可以深入結合多門專業(yè)課的理論知識，拓展教學手段，提升學生個人綜合素質能力，在教學結束后，可以通過問卷調查的方式了解學生對課程的直觀感受，并結合學生期末成績與實驗完成情況對課程教學進行調整與優(yōu)化。最后，學生在任課教師的指導下，主動完成實驗設計、仿真建模、設備調試、模擬實驗和數據分析，更加綜合地考量了學生的個人能力與團隊協作能力，提高了課程興趣，考驗了學生的自主積極性，是多門專業(yè)課程相融合的綜合創(chuàng)新性實驗課程。

參考文獻：

[1] 陳定方，李勛祥，李文鋒.基于分布式虛擬現實技術的汽車駕駛模擬器的研究[J].系統仿真學報，2005（2）：347-350.

[2] The Daimler-Benz Driving Simulator A Tool for Vehicle Development[J]. SAE Transactions， 1985（94）：981-997.

[3] IOWATUO. National Advanced Driving Simulator Overview[R].IOWA，USA：University of IOWA，2010.

[4] 熊堅，曾紀國，丁立，等.面向道路交通的汽車駕駛模擬器的研究及應用[J].中國公路學報，2002（2）：120-122.

[5] 毋妙麗，吳志周.駕駛模擬平臺在開放實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2013，32（10）：194-196.

[6] 王艷麗，楊爍，吳兵.基于駕駛模擬的本科實驗教學內容設計[J].實驗室研究與探索，2020，39（11）：171-174.

[7] 嚴京濱，張偉，王延斌.基于駕駛仿真的人因實驗教學的探索[J].實驗技術與管理，2008，25（12）：102-104.

[8] 邱麗原，孫偉超.仿真技術用于實驗教學改革的思考與實踐[J].實驗技術與管理，2019，36（12）：157-160，196.

[9] 孫福，孫佳怡，劉國慶，等.虛擬仿真實驗教學項目評價研究[J].實驗技術與管理，2020，37（7）：187-190.

[10] 郭鳳香，熊堅，秦雅琴，等.研究生交通仿真課程教學的探索與實踐[J].高教學刊，2019（22）：75-77.

基金項目：2020年度云南省研究生優(yōu)質課程建設項目“交通系統仿真技術及應用研究生教學案例庫”（云學位〔2021〕2號）；2021年度云南省專業(yè)學位研究生案例庫建設項目“交通系統仿真技術及應用研究生教學案例庫”（云學位〔2021〕18號）

第一作者簡介：郭鳳香（1979-），女，漢族，黑龍江海林人，博士，教授，博士研究生導師，副院長。研究方向為交通安全和駕駛行為。

*通信作者：萬華森（1974-），男，漢族，云南曲靖人，博士，副教授。研究方向為交通安全與車路協同。