虛擬現實技術在機動車駕駛人考試中的應用及前景探析

2014-04-24 02:36:48高巖王峻極尤志棟周穆雄

警察技術 2014年6期

關鍵詞：系統

高巖王峻極尤志棟周穆雄

1．公安部交通管理科學研究所 2．道路交通安全公安部重點實驗室

一、引言

經過近30年的經濟高速增長和大規模交通基礎設施建設，我國已進入機動化社會，機動車保有量和駕駛人數量呈爆發式增長態勢。在駕駛人數量急劇增加、交通事故高發易發的形勢下，加強新駕駛人入口考核把關，嚴格駕駛人特別是重點駕駛人的安全管理，已成為公安交管部門的重要工作職責，也是落實服務經濟社會、服務民生執法理念的重要體現。

2013年起實施的《機動車駕駛證申領和使用規定》（公安部令第123號），在駕駛考試方面調整幅度較大，提高了駕駛考試的針對性和實用性。要解決當前駕駛考試中考試難度與考試效率、項目實用性與實現可行性這兩大矛盾，必須突破傳統駕駛考試的模式和思路，通過新技術開發與新裝備集成應用，創新教育手段和載體，更科學地考核駕駛人的駕駛技能、駕駛習慣、安全意識和應急避險技能。隨著虛擬現實技術的不斷發展與應用，駕駛模擬仿真系統已逐漸成為駕駛考試的可能選擇。

二、虛擬現實技術與駕駛考試

（一）虛擬現實技術在駕駛考試中應用基礎

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是近年來出現并興起的高新技術，利用計算機模擬產生一個三維空間的虛擬世界，為使用者提供視覺、聽覺、觸覺等全方位模擬，產生身臨其境之感。

在駕駛考試中引進虛擬現實技術具有以下優點：

1．能夠方便地模擬場地考試和道路考試各種環境，特別是模擬高速公路、連續急彎山區路、隧道等在駕駛考試中難以建設的真實道路環境；

2．計算機評判精度高，可定量考核駕駛操作，且考試過程數據全程記錄、可追溯，避免評判結果爭議；

3．駕駛模擬考試裝備成本較低，能夠避免昂貴的場地建設投入和車輛購置投入，更加節能、環保；

4．通用性和靈活性較好，只需進行系統配置或設置，即可適應各種準駕車型的考試；

5．安全性有保障，可避免新手因誤操作而發生交通事故或意外傷害。

（二）國內外研究現狀

國外很早就將虛擬現實技術引入到駕駛人培訓領域，主要應用于初學者培訓、職業駕駛人安全意識教育等，其中以日本各大公司產品最為常見。目前應用較多的產品有日本Forum8公司的UC-win/Road系列、三菱公司的DS系列、豐田公司的Access Master系列等。國外研究表明，駕駛模擬裝置的訓練有利于駕駛人掌握駕駛技能，特別是危險情況的應急處置技能。日本自上世紀80年代以來90%的駕駛人都經過了駕駛模擬培訓，取得了比較理想的效果。美國FTA研究表明，采用仿真器訓練的巴士司機，事故率降低43.5%，培訓時間縮短10.5%-25%[6]。

上世紀90年代以來，國內的駕駛模擬器主要應用于駕駛人培訓領域，用于學員熟悉車輛操縱部件、了解基本駕駛技能，結構簡單、價格低廉，但硬件做工粗糙，模擬場景單調，駕駛感受與實車差別較大。“十一五”期間，公安部交通管理科學研究所自主研發了面向交通安全意識提高的新型駕駛模擬裝置，在浙江、廣東進行了項目成果示范，目前已在全國20多個省推廣應用，取得了良好成效，也為虛擬現實技術在駕駛考試領域的應用奠定了基礎[7]。

三、新型駕駛模擬考試系統設計

（一）系統應用范圍

新型駕駛模擬考試系統主要用于各地公安交通管理部門和駕培機構，為考生提供場地駕駛和道路駕駛的模擬訓練與考試。系統依托虛擬現實等先進技術，實現計算機自動評判，提高駕駛考試效率，提高駕駛考試評判結果的科學性、準確性，有效解決當前考試場地建設難度大、考試效率低、考生積壓嚴重等問題。另外，大型客運、貨運企業可利用此系統裝備開展重點駕駛人的安全駕駛“回爐”教育，有助于提高駕駛人的交通安全意識、應急避險技能。

（二）系統功能特點

1．駕駛操作逼真自然。系統主要面向駕駛人考試，采用高清晰顯示部件、實車操控部件、多自由度運動底座等，高度仿真車輛真實運行工況，具有良好的駕駛仿真沉浸感，能使駕駛人全身心融入到駕駛仿真環境中。

2．考試場地符合規范。嚴格按照第123號部令的考試項目要求，以及《機動車駕駛人考試場地及其設施設置規范》（GA 1029）的考試場地要求，規范設置所有考試項目場地尺寸和考試車輛參數；考場環境、場地設施外觀等參照實際考場設置，力求真實自然。

3．考試評判嚴格準確。按照《機動車駕駛人考試內容和方法》（GA 1026）、《機動車駕駛人考試系統通用技術條件》（GA/T 1028）的要求，準確設定考試項目評判規則，發揮數字傳感器和計算機的優勢，實現定量精確的考核評價，杜絕人為因素干擾和誤判。

4．可選性與可擴展性較強。系統硬件提供大中型客貨車、小型汽車等多種車型，手動擋、自動擋以及低自由度、多自由度等不同選擇，適用于不同的準駕車型。系統軟件擴展能力強，可配置A、B、C等不同準駕車型的模擬考試場景，并且可拓展加入重點駕駛人審驗教育、應急避險等相關教育內容，可實現一機多用。

（三）系統總體設計

1．系統硬件架構設計

按照使用功能的不同，系統硬件由操控及座艙、采樣及輸出、主控計算機、視景顯示、多自由度運動和聲音仿真6個子系統組成，系統硬件架構如圖1所示。

駕駛人通過操控駕駛部件，由采樣及輸出子系統實時采集、識別操控信號，輸入主控計算機子系統進行調理、解算。主控計算機運行視景仿真程序、車輛仿真程序及聲音仿真程序，通過視景顯示子系統實時顯示道路場景畫面，多自由度運動子系統模擬車身運行姿態動感，聲音仿真子系統模擬駕駛音效環境，從而為駕駛人提供實時、閉環的涵蓋視覺、聽覺、觸覺、動覺的全方位模擬駕駛環境。系統硬件基本結構與控制邏輯如圖2所示。

按照系統功能架構，軟件系統由視景仿真、車輛仿真、系統管理3部分組成。其中，視景仿真包括場景建模、交通流仿真、交通事件仿真、視景驅動等功能模塊；車輛仿真包括車輛動力學、運動平臺控制、聲音仿真等功能模塊；系統管理包括主控管理和駕駛評判等功能模塊，系統軟架構如圖3所示。

視景仿真程序基于實景實拍建立三維道路場景模型，控制智能交通流運行和交通事件觸發，通過視景驅動引擎實現仿真畫面的實時渲染輸出。車輛仿真程序建立17自由度的車輛動力學模型、碰撞檢測模型，根據汽車運行邏輯和車輛操控信號，實時解算車輛運行參數，控制車輛姿態變化及運動平臺動作；系統管理程序控制考試過程，按照評判規則庫綜合評判駕駛行為，給出考試評判結果。系統軟件的運行邏輯如圖4所示。

四、系統研發關鍵技術與實現

（一）硬件開發與實現

系統硬件開發需集成應用相關領域高新技術，以構造出高逼真度、高沉浸感的駕駛模擬仿真環境。

1．基于實車的駕駛操控部件

應采用與原型車一致的駕駛座艙布局，配置模擬駕駛必需的操控部件，如組合式儀表面板、離合器、制動、加速踏板、變速箱、座椅、安全帶等，最好為實車部件改造。應采用機械連鎖式變速箱裝置，操作邏輯與實車一致。

2．視景顯示設備

基于不斷發展的場景建模和視景驅動技術，可以營造出更加逼真的虛擬交通環境；在顯示設備方面，可采用3通道、環幕等寬視角顯示技術，以及立體顯示等技術，為駕駛人提供更加生動、細膩、真實的視覺感受。

孟導接過手機，看著屏幕上密密麻麻的數據，也不知從何看起。而且表里凈是些看不懂的術語，什么折五折二，什么“背星點”，什么“出頭隆”。不過孟導很快就在表里找到了自己最關心的信息，阿拉伯數字代表的價格讓孟導沮喪。

3．多自由度運動底座

開發或集成2自由度、3自由度和6自由度運動底座，可提供前后、左右、升降、俯仰、側傾、橫擺等方向上的運動及其復合運動，配合車輛運行姿態產生相應動作，提供更加逼真的駕駛動感。

裝置實物如圖5所示。

（二）軟件開發

系統軟件開發的關鍵技術主要包括場景建模、視景驅動、車輛動力學模型、評判模塊開發等。其中，評判模塊是實現考試功能的關鍵之處。評判模塊主要根據評判規則，結合不同考試項目的場地、道路邊界等條件，將考試車輛的運動軌跡和駕駛操作進行解析，通過微觀車輛仿真的實時檢測與判斷，獲取評判所需的關鍵變量值，如車輛位置、車速、轉向角度、發動機轉速、檔位信息等，通過對上述參數的實時處理，抽象成具體的評判條件，從而衡量駕駛考試是否合格及扣分項目。軟件系統界面及畫面效果如圖6所示。