虚拟仿真在公安院校交通管理工程专业教学中的应用

方 斌 杨降勇 王 岩 胡 鹏

（湖南警察学院交通管理系 湖南·长沙 410038）

公安院校是公安机关高素质人才培养和输出的主要阵地，培养具有突出实践能力的应用型人才是公安院校的重要人才培养目标。公安院校交通管理工程专业培养学员利用工程、教育、执法等手段，正确处理道路中的人、车、路、环境之间的关系，保障道路交通的安全、有序、畅通。公安院校交通管理工程专业所开设的课程的一个显著特点是贴近实战，具有很强的实践性。然而，在实践能力训练中却大量存在交通事故现场处理、高速公路执勤执法等具有实训安全风险的教学内容，这为发展交通管理工程虚拟仿真实训教学提供了需求空间。

1 虚拟仿真技术

虚拟仿真技术以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，基于头盔、手柄、眼睛等设备为用户提供一个观测该虚拟世界的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。[1]在建设创新型应用人才的背景下，将虚拟仿真技术引入公安院校交通管理工程专业建设中，使得实训教学环节具有以下优势：

（1）课程开设灵活机动，不受场地、设备数量和实训项目内容的限制，有效解决了目前实训教学学生多、空间小、设备昂贵的问题。[2][3]

（2）教学组织安全可靠，利用虚拟仿真平台构建高危或极端的仿真环境，可以可靠、安全地开展实验。

（3）实训成本可控，不消耗实际设备器材，不存在设备的损坏，可以重复进行实验，节约了实验成本，提高了实验效率。

（4）虚拟仿真环境增强了沉浸感和体验效果，提升了学习兴趣。

2 虚拟仿真教学内容设计

交通管理工程专业实训教学内容设计以培养贴近公安实战的交通管理人才为目标牵引，通过统筹规划，分批建设，构筑专业基础课程、行业特色项目、前沿技术专题三个层次的交通管理工程虚拟仿真教学内容，使学生“由浅入深、循序渐进”地掌握交通管理工程的专业知识和实战能力。

2.1 虚拟仿真教学内容

2.1.1 专业基础课程

交通管理工程专业基础课程中涉及到虚拟仿真实训项目的课程包括汽车构造、道路交通设施以及车辆与驾驶人管理等课程。

（1）汽车构造。基于虚拟仿真平台，对汽车的各个组成部分模拟三维动画，并且在此基础上引入虚拟现实技术，能够360度全方位展示每一个零部件；使得学员能够深入认识发动机、汽车底盘、车身、电气设备、汽车车身等主要构件的原理、分类、特性，熟悉汽车的工作原理。

（2）道路交通设施。基于虚拟仿真平台，开展不同场景、不同交通设施对驾驶行为的影响，在仿真环境下利用算法获取路段的安全等级，进而达到提高道路交通安全性的目的。

图1 交通虚拟仿真平台建设方案

（3）车辆与驾驶人管理。在虚拟仿真平台下，通过定制的车驾管业务办理动画，使学员能够深入掌握车辆与驾驶人管理的业务流程以及注意事项。

2.1.2 行业特色项目

针对公安院校的人才培养需求，基于虚拟仿真实训平台开展具备公安院校行业特色的虚拟仿真项目实训。

（1）事故重建。事故重建交通事故重建是在全面勘验交通损伤案件发生时所涉及的“人-车-路（物）”后，对整个案件的过程进行模拟重建，为肇事逃逸案件的侦破和事故责任的区分提供科学依据。事故重建的目的是要求回答事故是如何发生的，运用力学动量守恒与能量守恒的基本理论，对事故发生过程进行推理与验证。[4]

（2）事故分析。交通事故分析的作用是为决策提供依据。交通事故分析就是通过对交通事故的调查、分析，根据掌握的信息，运用数学、力学、工程学的基本方法，进行事故再现，找出事故发生的现场情况，为分析和判断事故原因提供依据；再通过对大量已经发生的交通事故原因的调查、统计、分析，从中得出趋势性的结论，以便为采取决策提供依据和基础。近年来发展起来的基于虚拟仿真软件的分析手段，为事故分析提供了科学的手段。

（3）道路执勤执法。通过交互式的虚拟仿真体验项目，让学员能够熟悉掌握执勤执法的标准处置流程和注意事项。对于不规范的操作，可以通过视、听、触等多种形式给出提示。

2.1.3 前沿技术专题

前沿技术专题虚拟仿真实训以智能交通系统的新技术实训为目的，通过系统仿真和半实物仿真实训对交通控制的决策进行验算，并对未来城市路网综合监控以及无人驾驶对城市交通管理带来的挑战等前沿问题开展技术探索。[5]

（1）智能交通。目前，国内的很多城市都提出了智慧城市、智能交通的愿景，希望借助于人工智能、大数据等新兴技术来解决日益复杂的城市交通问题。基于虚拟仿真平台，能以现实的城市交通道路为基本，结合街道、绿化、车辆等交通设施的三维虚拟仿真效果，使用户高度沉浸于虚拟城市的交通之中。同时，嵌入先进的人工智能、图像处理、大数据处理等算法，可以有效地评估智能交通方案的可行性和先进性。

（2）无人驾驶。随着自动驾驶、目标识别、智能控制等无人系统支撑技术的不断发展，无人车的应用也取得了突破进展。可以预见，在不久的将来，无人车作为一种新兴的交通出行工具，将会被越来越多人所接受，成为城市交通的重要部分。因此，基于虚拟仿真平台，通过对无人车运行特征和驾驶行为的研究分析，可以为未来公安交管部门对无人车辆的管控提供重要的数据支撑和经验积累，也可以基于虚拟仿真平台开展无人车辆驾驶行为研判、智能控制等前沿课题的研究。

2.2 教学设计

围绕上述的专业基础课程、行业特色项目、前沿技术专题三层阶梯课程方案，构建如图1 所示的虚拟仿真平台建设方案。

2.2.1 交通控制分析仿真系统

基于微观交通仿真软件VISSIM 以及宏观交通仿真软件VISUM 开展实训教学，支撑道路交通管理规划、交通仿真、交通控制等专业课程的实验教学和科研工作。[6]开设的仿真实训项目包括：十字信号交叉口仿真实验、交叉口过街行人仿真实验、交叉口非机动车仿真、优化交叉口信号配时仿真、城市干道两相邻交叉口道路仿真系统的建立等。

2.2.2 交通事故仿真分析系统

基于交通事故分析软件PC-Crash 开展实训教学，以支撑道路交通事故处理、交通事故分析与再现等专业课程的实验教学和科研工作。PC-Crash 用于事故的分析重现，根据事故现场的采集记录的数据，主要包括车辆的状态数据、地面痕迹长度、事故周边设施的受损程度等，运用运动学与动力学理论反推碰撞过程，进而分析推算碰撞前车辆的运行状态。典型的应用场景包括：汽车对汽车碰撞交通事故计算与再现、汽车对两(三)轮车碰撞交通事故计算与再现、汽车碰撞行人交通事故计算与再现、车辆坠崖交通事故计算与再现、车辆碰撞固定物交通事故计算与再现、摩托车对两轮车碰撞交通事故计算与再现、摩托车碰撞行人交通事故计算与再现、摩托车碰撞静止物交通事故计算与再现等。

2.2.3 典型软件仿真实验平台

构建分布式控制仿真、数据交互、交通信号控制等功能智能系统仿真虚拟平台，具备定时控制、感应控制、自适应控制，以及干线绿波带控制、路网自适应协调控制等智能交通控制算法的加载及仿真效果分析等功能。[7]典型的应用场景包括平面交叉口管理控制仿真实验、交通信号控制仿真实验、绿波配时仿真控制实验以及多路口分布式控制仿真实验。

3 虚拟仿真现实在交通管理工程专业中的应用前景

3.1 学生的教育训练

虚拟现实技术运用于实训教学，将更能激发学员的学习兴趣，提高教学效果。传统的交通管理工程专业知识讲授大都借助于文字案例、有关的视频等教学工具来实现，对于一些交管实战的训练较为薄弱。借助于虚拟现实技术，就可以将对道路交通的人、车、路、环境四要素搭建模型，利用虚拟现实各项交管业务的功能系统，让学员在仿真环境中就能体验交通管理中的所有要素。

3.2 研究者理论研究

在虚拟仿真环境中嵌入各种算法模型，验证相应控制方式、控制方法的效果；在仿真环境中探索无人车、车路协同、智能驾驶等前沿研究方向，达到支持研究者理论研究的目的。

3.3 课程虚拟实验

利用虚拟仿真技术可创建一个基于计算机为核心的虚拟实验平台，利用虚拟仿真技术进行技能训练、虚拟实验，既可以不依赖于昂贵的实验器材，降低实验成本，又能保证实训结果同现实技能训练的教学效果基本一致。

4 结语

通过交通虚拟仿真平台的建设，可以开发符合交通信息与控制发展潮流的虚拟仿真实训教学资源和实训方法，建立培养具有创新意识和工程实训能力的高素质人才体系框架，推进交通管理工程类实训教学的信息化、网络化建设以及实训教学改革。同时基于虚拟仿真硬件环境和软件，积极参与交通事故的司法鉴定、智能交通系统的建设等工作，更好地为公安机关的交通管理工作服务。