面向交通设计的驾驶模拟实验建模方法研究

马万经 白玉

摘要：驾驶模拟器是用于测试驾驶人对于道路特征、交通条件以及整个驾驶环境适应性的关键装备，其使用过程非常复杂。实验过程中，熟练运用辅助设计软件和工具进行驾驶模拟场景和实验准备非常重要，影响着实验数据提取、数据分析等后续所有工作。基于高精度8个自由度的同济大学驾驶模拟器，面向交通设计建模需求，阐述了驾驶模拟建模的过程以及主要的使用方法，并以一个交叉口为例，详细说明了如何进行驾驶模拟模型构建。因此，本文可为使用驾驶模拟器进行交通设计方案模拟分析的师生提供有力的实验指导。

关键词：交通设计；驾驶模拟器；实践；基本技能

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）37-0124-02

一、引言

交通领域尤其是交通工程领域的研究包含人、车、路、环境等影响因素，是一个超复杂系统的研究。对交通工程中的一些问题，考虑到安全、成本及可实施性等，很难开展现场实验，往往是借助计算机仿真系统来对交通问题进行研究分析。随着计算机软硬件技术的进步，现实中的车辆可以参与到计算机仿真中，而不再是计算机驾驶车辆。驾驶模拟器正是结合真人驾驶的交通仿真系统。该系统可以用于研究驾驶员—车辆—道路设施等综合驾驶环境下的交通特性，并具有安全性高、再现性好、可开发性强、低成本等特点[1]。

交通设计课程作为国家视频公开课和上海市精品课程不仅具有丰富的理论特性，同时具有很强的工程实践特性，但考虑到交通工程的复杂性很多实验往往很难开展。同济大学拥有世界上先进的8自由度驾驶模拟器，其强大功能完全可以开展交通设计的多种实验。总结起来驾驶模拟器在交通设计上的使用主要集中在两个方面：一是对道路交通进行主观评价，包括设计中的道路线形、交通标志、交通设施、交通安全、汽车性能以及ITS的评價等；二是对道路交通的特殊现象进行模拟再现，如交通事故、交通流特性、道路服务水平等。以上两方面同时也是交通设计核心的一部分，涉及到交叉口、路段、安全、公共交通等。同济大学交通运输工程学院的驾驶模拟器能够建立多种交通条件下的驾驶仿真实验，既可以使用软件进行离线的实验预仿真，也可以进行软硬件结合的在线仿真，同时能够得到实时的多样的交通数据，特别可支持不同行驶环境和场景下的道路与交通适应性理论、典型集成设计方案的综合评价。因此，交通设计尤其是路段、交叉口及安全方面的实验，完全可以通过驾驶模拟器来完成。

二、驾驶模拟的建模方法

驾驶模拟实验的核心目的是通过数据分析交通设计的效果，所以数据的提取和分析就尤为重要。不同的实验目的和实验过程，或产生不同类型的数据。为了获取这些数据，驾驶模拟建模非常重要，主要包括：（1）对场景进行初步编辑的Terrain模块；（2）可以对实验室车辆的参数进行设定的Vehicle模块；（3）场景转换和宏观参数编辑的Scenario模块，（4）对场景进行细部设计和仿真实现与运行的Simulation模块，（5）实验过程中和结束后的数据采集与分析的Analysis模块。5个模块相互独立又互相配合，实现驾驶模拟辅助系统的所有功能。

五个模块中，开发和实验的师生所需要使用的模块是Terrain模块、Scenario模块、Simulation模块和Analysis模块。而Vehicle模块是针对实验管理员使用的，不需要师生参与。

（1）Terrain模块。该模块中，所有细节都需要一点一滴自己绘制。选择从该模块开始，其实是比较繁琐且基本没有必要的工作。最好的做法是从辅助系统内大量已有场景中选择一个场景，在Scenario模块和Simulation模块中依据自己所需的交通元素进行修改和添加。但是，如果想构建已有场景中没有的现实场景，比如：上海内环高架的局部，那么就需要在该模块中通过导入背景图进行编辑。Terrain模块是所有模块中的基本模块，其中的操作也大多是基本操作，新手可以在该模块中进行反复练习，并参照说明书以提高熟练度。

（2）Scenario模块。该模块主要用于生成的新场景，并对场景宏观参数进行编辑。值得注意的是，Terrain模块和Scenario模块的场景的后缀名是不同的，只能是在Terrain模块中构建的场景转换为能在Scenario模块中使用的场景，而不能反之转换。Terrain模块中构建的场景只能在Terrain模块中打开，而Scenario模块能使用的场景是通用场景，能在除Terrain模块外的其他模块打开。打开Scenario模块，并选择已有的场景载入。新建选项是将Terrain模块中的场景转换成Scenario模块中的场景，打开选项是直接打开Scenario模块中的场景。打开后，点保存，命名，则得到了对应的sce文件。主要的编辑工作在Simulation模块中进行。

（3）Simulation模块。如果说Terrain模块是对路的编辑，那么Simulation模块则是对车（内蕴人的逻辑）的编辑。Simulation模块可以实现多辆车的不同运行轨迹、判断逻辑、（人的）驾驶习惯、光线等细部规则的编辑，也可以进行计算机的试运行，以助于观察与调整路网与车辆的逻辑与环境效果。

（4）Analysis模块。分析模块是整个实验过程最后使用的模块，也是实验成果生成的模块。由于仿真结果会产生不同类型的大量数据，并非所有数据都有用，所以必须在该界面中仔细筛选。数据的分析是研究成果产生的部分，需要仔细斟酌。一次实验的数据并不可靠，只有从多次实验的数据才能得出严谨的实验结果。

三、辅助设计案例

本节将以一个交叉口为例，介绍如何使用辅助设计系统进行驾驶模拟实验。首先打开SCANeR studio，导入底图图片，如图1示。在此基础上，基于底图，绘制各进口道路段逻辑层，如图2所示。各路段逻辑层建好后，建立交叉口内部各进出口道匹配逻辑层，如图3所示。路段及交叉口内部的行驶逻辑层建好后，插入各交通设施模型（如信号灯杆、指示牌等），如图4，以及必要的背景模型，如路边的建筑物等，如图所示。然后在灯杆上添加信号灯模型，并进行信号灯色显示设置。接着将建成的交叉口文件导出为仿真场景模型，如图4所示。在场景模型中，添加各类背景车辆，并设置各背景车辆的行驶路径、速度等。选择是否要进行数据采集，并设置数据采集频率等。加载各仿真运行所需模块，开启模拟器，连接好相关数据采集设备（如眼动仪、心率仪等），如图5。驾驶员先接受事前培训，并被告知相关实验注意事项，然后在模拟器内的试验车内准备就绪。将电脑及模拟器接通，点击运行，驾驶员即可以开始驾驶模拟实验，如图6所示。实验结束后，利用SCANeR studio软件的分析工具，找到数据采集文件，可回放实验车运行轨迹，并对采集到的各类数据（速度、加速度、位置、油耗、排放等）进行分析。

四、总结

受实验条件限制，传统交通设计课程中，学生对交通设计方案优劣的评价和理解多建立在数学分析和认识上；对于不同的交通设计方法、参数乃至整个方案是否符合交通流的运行规律，是否符合驾驶员的心理、生理特征，是否适应于不同的周边环境和条件，缺乏深刻的认识和理解。同济大学交通运输工程学院985平台建设项目对高逼真度“驾驶模拟器”的引入和实验室建设的完成，则为交通设计实验教学创造了条件。但由于驾驶模拟器刚刚建设基本完成，其教学应用尚处在起步阶段。

本文介绍了驾驶模拟分析模型的建模方法，以一个交叉口为例，介绍了如何使用辅助设计系统进行驾驶模拟实验。本文可为使用驾驶模拟辅助系统进行驾驶模拟实验的师生提供有力的实验指导。

参考文献：

[1]熊坚，曾纪国，管欣.驾驶模拟器用于交通系统仿真的研究[J].系统仿真学报，2001，（83）.

[2]SCANeRstudio 1.3用户使用说明书[Z].