虚拟现实技术在机动车驾驶人考试中的应用及前景探析

2014-04-24高岩王峻极尤志栋周穆雄

警察技术 2014年6期

高岩王峻极尤志栋周穆雄

1．公安部交通管理科学研究所 2．道路交通安全公安部重点实验室

一、引言

经过近30年的经济高速增长和大规模交通基础设施建设，我国已进入机动化社会，机动车保有量和驾驶人数量呈爆发式增长态势。在驾驶人数量急剧增加、交通事故高发易发的形势下，加强新驾驶人入口考核把关，严格驾驶人特别是重点驾驶人的安全管理，已成为公安交管部门的重要工作职责，也是落实服务经济社会、服务民生执法理念的重要体现。

2013年起实施的《机动车驾驶证申领和使用规定》（公安部令第123号），在驾驶考试方面调整幅度较大，提高了驾驶考试的针对性和实用性。要解决当前驾驶考试中考试难度与考试效率、项目实用性与实现可行性这两大矛盾，必须突破传统驾驶考试的模式和思路，通过新技术开发与新装备集成应用，创新教育手段和载体，更科学地考核驾驶人的驾驶技能、驾驶习惯、安全意识和应急避险技能。随着虚拟现实技术的不断发展与应用，驾驶模拟仿真系统已逐渐成为驾驶考试的可能选择。

二、虚拟现实技术与驾驶考试

（一）虚拟现实技术在驾驶考试中应用基础

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是近年来出现并兴起的高新技术，利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，为使用者提供视觉、听觉、触觉等全方位模拟，产生身临其境之感。

在驾驶考试中引进虚拟现实技术具有以下优点：

1．能够方便地模拟场地考试和道路考试各种环境，特别是模拟高速公路、连续急弯山区路、隧道等在驾驶考试中难以建设的真实道路环境；

2．计算机评判精度高，可定量考核驾驶操作，且考试过程数据全程记录、可追溯，避免评判结果争议；

3．驾驶模拟考试装备成本较低，能够避免昂贵的场地建设投入和车辆购置投入，更加节能、环保；

4．通用性和灵活性较好，只需进行系统配置或设置，即可适应各种准驾车型的考试；

5．安全性有保障，可避免新手因误操作而发生交通事故或意外伤害。

（二）国内外研究现状

国外很早就将虚拟现实技术引入到驾驶人培训领域，主要应用于初学者培训、职业驾驶人安全意识教育等，其中以日本各大公司产品最为常见。目前应用较多的产品有日本Forum8公司的UC-win/Road系列、三菱公司的DS系列、丰田公司的Access Master系列等。国外研究表明，驾驶模拟装置的训练有利于驾驶人掌握驾驶技能，特别是危险情况的应急处置技能。日本自上世纪80年代以来90%的驾驶人都经过了驾驶模拟培训，取得了比较理想的效果。美国FTA研究表明，采用仿真器训练的巴士司机，事故率降低43.5%，培训时间缩短10.5%-25%[6]。

上世纪90年代以来，国内的驾驶模拟器主要应用于驾驶人培训领域，用于学员熟悉车辆操纵部件、了解基本驾驶技能，结构简单、价格低廉，但硬件做工粗糙，模拟场景单调，驾驶感受与实车差别较大。“十一五”期间，公安部交通管理科学研究所自主研发了面向交通安全意识提高的新型驾驶模拟装置，在浙江、广东进行了项目成果示范，目前已在全国20多个省推广应用，取得了良好成效，也为虚拟现实技术在驾驶考试领域的应用奠定了基础[7]。

三、新型驾驶模拟考试系统设计

（一）系统应用范围

新型驾驶模拟考试系统主要用于各地公安交通管理部门和驾培机构，为考生提供场地驾驶和道路驾驶的模拟训练与考试。系统依托虚拟现实等先进技术，实现计算机自动评判，提高驾驶考试效率，提高驾驶考试评判结果的科学性、准确性，有效解决当前考试场地建设难度大、考试效率低、考生积压严重等问题。另外，大型客运、货运企业可利用此系统装备开展重点驾驶人的安全驾驶“回炉”教育，有助于提高驾驶人的交通安全意识、应急避险技能。

（二）系统功能特点

1．驾驶操作逼真自然。系统主要面向驾驶人考试，采用高清晰显示部件、实车操控部件、多自由度运动底座等，高度仿真车辆真实运行工况，具有良好的驾驶仿真沉浸感，能使驾驶人全身心融入到驾驶仿真环境中。

2．考试场地符合规范。严格按照第123号部令的考试项目要求，以及《机动车驾驶人考试场地及其设施设置规范》（GA 1029）的考试场地要求，规范设置所有考试项目场地尺寸和考试车辆参数；考场环境、场地设施外观等参照实际考场设置，力求真实自然。

3．考试评判严格准确。按照《机动车驾驶人考试内容和方法》（GA 1026）、《机动车驾驶人考试系统通用技术条件》（GA/T 1028）的要求，准确设定考试项目评判规则，发挥数字传感器和计算机的优势，实现定量精确的考核评价，杜绝人为因素干扰和误判。

4．可选性与可扩展性较强。系统硬件提供大中型客货车、小型汽车等多种车型，手动挡、自动挡以及低自由度、多自由度等不同选择，适用于不同的准驾车型。系统软件扩展能力强，可配置A、B、C等不同准驾车型的模拟考试场景，并且可拓展加入重点驾驶人审验教育、应急避险等相关教育内容，可实现一机多用。

（三）系统总体设计

1．系统硬件架构设计

按照使用功能的不同，系统硬件由操控及座舱、采样及输出、主控计算机、视景显示、多自由度运动和声音仿真6个子系统组成，系统硬件架构如图1所示。

驾驶人通过操控驾驶部件，由采样及输出子系统实时采集、识别操控信号，输入主控计算机子系统进行调理、解算。主控计算机运行视景仿真程序、车辆仿真程序及声音仿真程序，通过视景显示子系统实时显示道路场景画面，多自由度运动子系统模拟车身运行姿态动感，声音仿真子系统模拟驾驶音效环境，从而为驾驶人提供实时、闭环的涵盖视觉、听觉、触觉、动觉的全方位模拟驾驶环境。系统硬件基本结构与控制逻辑如图2所示。

按照系统功能架构，软件系统由视景仿真、车辆仿真、系统管理3部分组成。其中，视景仿真包括场景建模、交通流仿真、交通事件仿真、视景驱动等功能模块；车辆仿真包括车辆动力学、运动平台控制、声音仿真等功能模块；系统管理包括主控管理和驾驶评判等功能模块，系统软架构如图3所示。

视景仿真程序基于实景实拍建立三维道路场景模型，控制智能交通流运行和交通事件触发，通过视景驱动引擎实现仿真画面的实时渲染输出。车辆仿真程序建立17自由度的车辆动力学模型、碰撞检测模型，根据汽车运行逻辑和车辆操控信号，实时解算车辆运行参数，控制车辆姿态变化及运动平台动作；系统管理程序控制考试过程，按照评判规则库综合评判驾驶行为，给出考试评判结果。系统软件的运行逻辑如图4所示。

四、系统研发关键技术与实现

（一）硬件开发与实现

系统硬件开发需集成应用相关领域高新技术，以构造出高逼真度、高沉浸感的驾驶模拟仿真环境。

1．基于实车的驾驶操控部件

应采用与原型车一致的驾驶座舱布局，配置模拟驾驶必需的操控部件，如组合式仪表面板、离合器、制动、加速踏板、变速箱、座椅、安全带等，最好为实车部件改造。应采用机械连锁式变速箱装置，操作逻辑与实车一致。

2．视景显示设备

基于不断发展的场景建模和视景驱动技术，可以营造出更加逼真的虚拟交通环境；在显示设备方面，可采用3通道、环幕等宽视角显示技术，以及立体显示等技术，为驾驶人提供更加生动、细腻、真实的视觉感受。

孟导接过手机，看着屏幕上密密麻麻的数据，也不知从何看起。而且表里净是些看不懂的术语，什么折五折二，什么“背星点”，什么“出头隆”。不过孟导很快就在表里找到了自己最关心的信息，阿拉伯数字代表的价格让孟导沮丧。

3．多自由度运动底座

开发或集成2自由度、3自由度和6自由度运动底座，可提供前后、左右、升降、俯仰、侧倾、横摆等方向上的运动及其复合运动，配合车辆运行姿态产生相应动作，提供更加逼真的驾驶动感。

装置实物如图5所示。

（二）软件开发

系统软件开发的关键技术主要包括场景建模、视景驱动、车辆动力学模型、评判模块开发等。其中，评判模块是实现考试功能的关键之处。评判模块主要根据评判规则，结合不同考试项目的场地、道路边界等条件，将考试车辆的运动轨迹和驾驶操作进行解析，通过微观车辆仿真的实时检测与判断，获取评判所需的关键变量值，如车辆位置、车速、转向角度、发动机转速、档位信息等，通过对上述参数的实时处理，抽象成具体的评判条件，从而衡量驾驶考试是否合格及扣分项目。软件系统界面及画面效果如图6所示。