基于情景模拟标准的电动滑板车安全风险场景再现构建

刘霞 周成 陈倩雯 王坤然 房祥静 许丽丹

摘 要：基于国家标准《消费品安全 危害识别 情景模拟法》（GB/T 39108-2020）中的相关规定，通过相关软件与硬件搭建电动滑板车风险分析平台，模拟场景设计、执行测评、数据收集和结果分析等过程，分析了电动滑板车风险试验系统的构建过程，为后续电动滑板车的风险分析提供理论依据和试验平台。

关键词：电动滑板车，情景模拟，风险，场景

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.05.027

国家标准《消费品安全 危害识别 情景模拟法》（GB/T 39108—2020）是我国第1部提出运用虚拟现实方法，搭建消费品伤害场景的国家标准，该标准规定了运用虚拟现实等情景模拟方法，通过相关流程进行消费品安全风险分析，用于各相关方在消费品设计、生产、使用（包括维修）阶段开展危害识别。本研究在充分依据国家标准的基础上，开发了电动滑板车騎行过程中，可能发生外环境光线过暗、滑板车灯位置不合理等导致骑行车侧翻，或者撞到路人等安全事件场景[1-3]，为开展电动滑板车研发和设计人员识别产品安全危害源提供依据。

1 系统软硬件组成

1.1 场景模型渲染平台

选用3ds Max软件创建场景三维模型，同时创建电动滑板车、虚拟人物等部分的三维模型和动画，处理好的模型保存为FBX文件格式。Unity3D引擎支持FBX文件格式，能够实现模型的网格、材质、动画和骨骼属性同时导入。

Unity3D引擎兼容C#、JAVA Script和Boo Script三种语言。本研究选择C # 语言进行开发，选用Unity3D作为电动滑板车安全风险试验系统的开发平台[4]。

1.2 硬件设备

本系统硬件主要由显示层、交互层、数据层组成，显示层硬件选用HTC Vive头戴式设备和电脑显示屏；交互层硬件包括HTC Vive操控手柄、电动滑板车模拟器、鼠标以及激光定位器；数据层硬件包括图形工作站和计算机。HTC Vive对运行主机的配置要求如下：①处理器为Intel i7 10850H或更高配置；②显卡为NVIDA GTX 1060同等或更高配置；③内存16GB；④视频输出为HDMI 1.4/ DisplayPort 1.2或更高版本；⑤操作系统为Windows10。

2 系统开发流程

电动车滑板车安全风险试验系统开发主要包括试验参数设置页面构建、试验场景构建以及VR设备接入三个部分。开发流程主要包括以下步骤：①对环境要素和电动滑板车进行三维建模与渲染；②采集电动滑板车实时骑行数据，并实时上传；③数据解析为后续数据绑定做准备；④数据绑定，实现实时驱动，同时提供可视化界面，试验者在骑行过程中也能同步获取当前骑行过程数据；⑤将环境要素模型和电动滑板车驱动模型导入集成为试验场景；⑥试验参数设置页面构建；⑦接入VR设备；⑧最终发布成可执行文件[5-6]。

3 三维模型构建

3.1 试验场景模型的构建

本试验场景是：电动滑板车在公园主道路进行骑行。试验场景模型主要起到丰富场景的作用，对模型的尺寸精度要求不高，可以利用贴图代替模型部分细节特征，因此选用3ds Max软件创建模型。首先利用3ds Max建立公园的基本模型，对于较细节的部分，采用纹理映射的方法，使用纹理图片取代详细模型，最后将创建好的模型导入Unity3D搭建场景。为了提高试验的随机性，将道路上的坑洼单独设置成为可配置选项（即坑洼路面/正常路面）如图1、图2和图3所示，根据试验参数可动态地分配在道路中。

3.2 电动滑板车模型构建

试验系统基于电动滑板车模拟真实骑行体验，为了提升试验者的真实感，建立虚拟模型来映射电动滑板车的骑行状态。将电动滑板车结构分为车轮、底座和手柄杆三部分进行建模，如图4所示。

3.3 虚拟人物模型构建

为了增加场景的真实性以及模拟真实骑行体验，选择引入虚拟人物模型实时同步试验人员的骑行行为和模拟人员在道路上行走以及骑行状态。选用3ds Max软件建立虚拟人物的几何模型和动作模型。在3ds Max中，利用角色动画CAT工具包建立人体骨骼模型，利用多边形结构建立人体表面模型，再进行纹理贴图，最后创建人物站立、行走、骑行、摔倒等行为动画。创建完成的部分虚拟人物模型如图5所示。

4 数据采集过程与分析

4.1 数据采集实现

模拟真实骑行状态，本质上就是要建立滑板车模拟器与安全风险试验系统的映射关系，两者映射的纽带为滑板车模拟器的实时数据。通过采集实时数据，实现两者的映射交互。（1）数据需求分析。在骑行过程中需要获取的骑行数据主要为转向角度、实时速度、油门百分比、刹车百分比。（2）数据通信实现。数据通信也称数据交换，指将数据从一个系统传输至另一个系统的过程。电动滑板车模拟器采用串口通信来实现数据交互。（3）通讯协议确定。通讯波特率：9600；数据位：8位；停止位：1位。数据格式采用Hex（十六进制数据），通讯采用应答方式，主机问一次，滑板车应答一次。

4.2 数据驱动实现

基于获取到的电动滑板车模拟器的实时速度、转向角度、刹车百分比和油门百分比。建立一个滑板车图案（S co oter）作为模型的父物体，将车轮、底座和手柄杆作为子物体。Unity软件里的WheelCollider（车轮碰撞器）是一种特殊的地面车辆碰撞器，它具有内置的碰撞金测、车轮物理引擎和一个基于滑移的轮胎摩擦模型。WheelCollider是专门为有轮子的车辆所做的设计，因此采用WheelCollider来设置滑板车轮胎的运动和地面的碰撞。通过控制wheelCollider的motorTorque值来控制加速/减速。在滑板车模型上添加Rigidbody组件，通过获取Rigidbody的velocity值来控制速度值。

4.3 可视化界面

本系统界面的主要作用是实现试验参数设置以及试验过程骑行数据的展示交互。通过选择不同的试验参数，进入相应的试验场景。交互界面设计为两个主模块，一个是试验参数设置模块，另一个是骑行过程数据展示模块。

在虚拟场景中添加名为Menu的Canvas组件，设置渲染模式为World Space，使畫布渲染于世界坐标系，在Menu下添加不同的Button控件、Text控件和Image控件，调整各个控件到合适位置，设置相应参数，创建完成的试验参数设置界面如图6所示。模拟时获取实时速度并展示，如图7所示。

5 结 语

通过情景模拟平台的软硬件系统及场景三维建模分析，构建了电动滑板车风险试验系统。软件主要用于电动滑板车骑行试验，得出在不同试验场景下，电动滑板车的安全骑行速度。通过构建与现实场景同等比例模型提高试验真实参与感。软件不仅提供多个试验场景满足试验需求，在试验场景中设置行人、路障等要素，同时实时采集电动滑板车模拟器的骑行数据，更好地模拟出真实骑行道路状况。试验者通过佩戴VR设备即可开始骑行试验，根据试验者的骑行速度与遇到道路状况的处置行为，软件会反馈相应的结果显示，达到更好的交互体验。

参考文献

[1]陈治灸，陈洋，李倩倩，等.基于用户体验的电动滑板车设计研究[J].包装工程，2020，41（18）：207-213.

[2]钱晓波，张凌浩，陈香.基于门径管理模型的电动滑板车概念设计[J].机械设计，2015，32（12）：116-119.

[3]刘延柱.自平衡独轮滑板车的动力学分析[J].力学与实践，2021，43（6）：1002- 1005.

[4]戈秋虞，徐艺诺， 邱荣祖，等. 基于系统动力学的城市客运交通减碳情景模拟研究[ J ] .气候变化研究进展，2023，19（3）：357-370.

[5]张沛朋，李俊雅.虚拟现实场景下的精准化采摘机器人作业研究[J].农机化研究，2024，46（6）：210-213.

[6]叶家杰，黄菊清，萧蕾. 基于虚拟现实技术的高校校园生活区种植场景环境恢复性效益研究[ J ] .中国园林，2023，39（11）：97-103.

作者简介

刘霞，博士，研究员，从事消费品安全标准化及监管制度、产品安全风险管理研究工作。

（责任编辑：张佩玉）