李晓艺 吕斌 郎斌柯
兰州交通大学， 甘肃 兰州 730000
摘要：本实验研发了一种基于虚拟现实的驾驶行为分析实验教学系统，将虚拟仿真技术引入道路交通设计实验，让学生掌握巩固车辆交通特性、道路基本特性、道路网布局、驾驶员特性等基本理论知识，分析在不同道路环境参数改变的情况下对驾驶员行为的影响，掌握选取合理的指标分析驾驶员驾驶行为与交通运行效率、交通安全之间关系的能力，训练学生在多因素影响、多场景综合条件下对交通系统运行指标的分析能力。实验系统方案符合先进的虚拟现实发展方向，为学生提供了灵活的学习模式。实验结果表明，该系统有利于培养学生的实践能力、探索能力和科技创新能力。
关键词：虚拟现实，驾驶行为，实验系统
高校实验室承担着各种实践教学和科学研究任务，不仅是培养高素质人才和进行科技创新的重要基地，更是对学生实施综合素质教育和技能训练的重要课堂[1-3]。因此为了获知驾驶员行为并评估其行为产生的后果，研究道路交通安全设施设计方案的运营效果，本文将科研成果部分内容转化为实验教学资源，以道路交通实际工程为背景构建高度仿真和形式丰富的虚拟现实实验，设计开发了基于虚拟现实的驾驶行为分析实验教学系统。该系统利用Unity3D软件为开发引擎，在Visual Studio 2013的开发环境下，结合实验室现有资源设备，如ErgoLAB人机环境互动平台、罗技模拟驾驶器以及可穿戴无线生理传感器等，利用心理学方法分析驾驶员心理活动和行为对于交通安全的影响。让学生掌握扎实的理论知识的同时，培养学生的设计能力和进行试验调试的应用动手能力[4-7]。
1.实验要求
该实验系统主要用于本科实验教学，重视引导学生在课程设计、实验实习、毕业设计过程中加强社会、健康、安全、法律、文化和环境等因素的分析。其中学生需要了解掌握的知识点包括：①道路交通设计构成要素和要求。驾驶员在道路上行驶的过程中，会不断地对其他车辆、行人、交通设施、天气、环境等外界信息产生反应，并通过自身的判断对这些信息进行处理。上述过程可以简化为驾驶员对交通信息的感知、判断、动作组成的不断交叉反馈的动态信息处理过程，如图1所示。
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②道路网及其构成要素。了解熟悉城市道路网络和（高速）公路道路网络基本特性，掌握交通系统中环境因素变动对驾驶员驾驶行为的影响。③驾驶过程三维仿真场景搭建。本模拟驾驶实验采用具有自主知识产权的三维场景建模软件Unity 3D。运用3D编程技术，实现三维模拟场景的搭建，攻克虚拟场景光环境建设过程中的动态三维场景开发的技术，实现虚拟条件下的灯光效果、景观、标志标线之间的全面耦合，以模拟多种针对交通特定环境的设计方案。在进行道路交通系统仿真实验时，学生根据实验的目的，自主设定特定的交通情景（如城市道路、高速公路和普通公路等），满足与微观驾驶行为及驾驶员特性相关的分析要求[11-15]。④实验感知数据的定量化分析和评估。学习分析不同设计方案对驾驶人的综合影响，利用统计分析及数据挖掘方法，实现不同道路类型交通设计方案的评估，构建基于驾驶人综合感知的评估模型，提升学生分析交通复杂运行过程的能力。
2.实验系统设计
2.1实验系统整体结构
实验系统硬件部分主要由罗技模拟驾驶器、可穿戴无线生理传感器、计算机组成。
（1）罗技模拟驾驶器：主要包括罗技G29方向盘和脚踏板。
（2）无线生理传感器：主要包括PPG/BVP无线血容量脉搏传感器、EDA无线皮电传感器、SKT无线皮肤温度传感器、ECG无线心电传感器、EMG无线肌电传感器、RESP无线呼吸传感器以及SpO2无线血氧饱和度/脉搏传感器，主要用来检测驾驶员生理信息变化。
实验系统软件部分是由Unity3D系统开发的驾驶行为分析仿真实验系统。作为一款由Unity Technologies开发的多平台综合型开发工具，Unity3D以易用、跨平台能力强等诸多优点而受到广泛的关注。采用Unity3D软件模拟城市道路网络、公路道路网络、车辆、周边环境等交通网络元素，并配以视频、图表、文字、音效等多媒体方式的交互界面。为满足模拟真实驾驶的各种需求，建立驾驶场景所需的各类模型（包括树木、植被、房屋、道路、信号灯等静态模型），将这些模型组合成一个完备的虚拟驾驶仿真平台，同时加入声音与粒子系统，使平台更加拟真化。
2.2实验系统原理
本实验项目采用三维可视化、信息化及图形交互等技术，与交通设计实践教学相融合，实验过程、实物三维虚拟仿真效果贴近实际，拟通过模拟城市道路和普通公路交通流运行场景，让学生参与车辆驾驶全过程，并了解、认识交通设计要素的相关理论背景，为交通设计的虚拟仿真实验提供平台。
3.实验项目开发
3.1城市道路驾驶行为分析实验
实验系统以培养学生工程应用与创新能力为目标，采用真实工程项目与虚拟现实相结合的教学方式。学生通过驾驶行为虚拟仿真实验项目，能够深入了解学习不同道路场景交通路网布局以及各自的特点，通过实验收集有效数据进行分析处理，对驾驶员驾驶行为和驾驶心理有更明确的认识和学习。系统操作主要步骤如下：
（1）系统登陆，根据分配的账户和密码进行模拟仿真系统的登陆。
（2）进入驾驶行为特征及其影响因素介绍页面，熟悉各种驾驶行为的基本特征及其不合理的驾驶行为对道路交通安全造成的危害和影响。
（3）进入城市道路场景介绍界面，进行理论知识的预习，单击选择城市道路实验路网类型，包括棋盘式城市道路网络、带形城市道路网络以及放射型城市道路网络，如图2所示。选择完毕后即可载入预先设定的城市区域道路交通网络，系统载入后将显示路网特征，可视化网路中交叉口和路段的基本结构、各类交通设施设置情况。
（4）点击“虚拟场景模拟驾驶”按钮，进入三维仿真演示界面，进行模拟驾驶基础操作的熟悉，如图3所示。
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（5）完成场景的熟悉和选择后，进入仿真实验基本参数的设定，主要包括：驾驶车辆类型选择、导航系统设置（指南针导航、实物导航、方向小地图）、道路车辆构成、交通量设置、道路限制速度、是否开启行驶轨迹设置、中央隔离带高度设置、道路护栏高度设置、交叉口信号控制方式、有无交叉口过街行人、有无路段行人、非机动车数量设置、机非隔离方式选择、公交线路数量等。
（6）点击“天气环境设置”按钮，进入设置界面，对雨雪天气、雷电强度、开始模拟时间等参数进行选择。
（7）点击“进入场景实验”按钮，进行虚拟仿真驾驶实验，并保存驾驶过程以及模拟结果，选择是否进行回放以及是否将数据导出到本地。选择观察模拟驾驶过程时刻，选择观察视角，观察过程中人、车、路之间的相互影响程度。如图4所示。
（8）实验结果输出。模拟驾驶实验结束后，可以返回模拟结果。选择输出模拟驾驶测评参数，包括运行时间、最大速度、平均速度、油耗、污染物排放量等。如图5所示。
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（9）实验结果分析。选择结果输出形式，利用输出的图或表进行对比分析，同时分析驾驶行为与交通条件、交通设施之间的关系。
（10）重复上述步骤，完成多次实验。对比不同参数设置条件下的实验结果，分析实验结果差异及其原因。
3.2普通公路驾驶行为分析实验
普通公路驾驶行为分析实验与城市道路驾驶行为分析实验在步骤3的场景理论知识的学习和步骤5基本参数的设定上略有不同。
（3）进入普通公路道路场景介绍界面，进行理论知识的预习。单击选择实验路网类型，包括三角形公路网、树杈形公路网以及并列形公路网。即可载入预先设定的公路区域道路交通网络，系统载入后将显示路网特征，可视化网络中交叉口和路段的基本结构、各类交通设施设置情况。
（5）完成场景的熟悉和选择后，进入仿真实验基本参数的设定，主要包括：驾驶车辆类型选择、导航系统设置（指南针导航、实物导航、方向小地图）、道路车辆构成、交通量设置、道路限制速度、车道数量选择、道路线性设置、是否开启行驶轨迹设置、路肩形式选择、是否设置隧道路段、交叉口信号控制方式、有无村镇、非机动车数量设置等。
4.结语
本文设计了基于虚拟现实的驾驶行为分析实验教学系统，覆盖了计算机技术、数据处理、课程设计等多方面的实验，综合多门学科知识，不仅可以提升相关专业在交通设计、交通安全、交通系统仿真等方面的教学与科研水平，为交通相关专业的学生提供驾驶行为仿真分析的测试平台，也可以促进学生使用现代工具、研究和工程与社会等毕业要求的达成，促进学生进行“自主式、合作式、探究式”学习，提升专业综合创新能力。
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作者简介：吕斌 1975年；性别：男；民族：汉；籍贯：甘肃兰州；职务职称：教授；学历：博士；单位：兰州交通大学；研究方向：铁路运输 数据分析.