基于駕駛模擬的本科實驗教學內容設計

王艷麗，楊 爍，吳 兵

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

0 引言

駕駛模擬是讓駕駛人員在虛擬的駕駛環境中進行駕駛，具有安全、節能、高效等特點。最早被應用到駕駛員培訓中，后來隨著計算機和虛擬現實等技術的發展，駕駛模擬器的精度和性能不斷提升，駕駛模擬開始逐漸用于對駕駛行為、交通安全、人機工程等相關研究中，到現在已經成為重要的駕駛員培訓的重要手段，也是科學研究的有力工具［1-3］。

高校作為科研的重要場所，在駕駛模擬的研究與應用中也發揮著重要作用。很多高校都研發或搭建了駕駛模擬平臺。而這些平臺由于造價或成本較高、數量較少，所以往往主要是用于科研。但對于本科生而言，能夠適應交通科技的發展、面向復雜的交通實際、解決復雜的交通問題，是今后就業的必備要求。所以，結合新興交通科技的本科實驗也越來越受到重視，并成為交通工程實驗教學改革的重點［4］。而駕駛模擬作為一門新興技術，當前在交通相關專業的本科實驗教學中尚處于起步階段。毋妙麗等［5］總結了如何將駕駛模擬平臺應用到創新型的開放實驗教學中，馬萬經等［6］給出了面向交通設計的駕駛模擬實驗方法，這些是對駕駛模擬實驗教學某一方面的探索，針對的是少部分的學生，且并未系統地梳理基于駕駛模擬的本科實驗教學內容和實驗項目。

為促進大學生對駕駛模擬技術的理解和掌握，在對駕駛模擬機理和功能分析的基礎上，系統分析了基于駕駛模擬可開展的本科教學實驗項目及其類型和內容，并以其中一個實驗項目為例展示了實驗教學過程。

1 駕駛模擬機理和功能

駕駛模擬通常是基于三維虛擬仿真軟件對駕駛環境進行仿真模擬，然后駕駛員通過操縱部件與虛擬環境進行交互，即將操縱部件的變化信號實時傳輸給虛擬車輛的動力學模型，從而獲得車輛的當前狀態并進行圖像等顯示［7］。其中主要涉及的3 個關鍵技術是：模擬駕駛環境的虛擬現實技術、模仿駕駛過程中的物理仿真技術、逼真的圖像顯示技術。

隨著駕駛模擬技術的發展，其精度和真實感的要求也越來越高，核心技術也在不斷完善，于是各種駕駛模擬器相繼問世。因核心技術（特別是物理仿真技術）的復雜程度不同，模擬器的逼真與造價也差異較大。從運動系統來說，多自由度模擬器比無自由度的真實感更強，而真車座椅的模擬器則比簡易座位的造價要高。自由度越多的真車式模擬其真實感則更強，例如我校擁有的內置全真車輛的8 個自由度的高仿真駕駛模擬器模擬效果就比較好［5］。當然要營造出逼真的駕駛環境，精細的道路3D 模型、多自由度的動力學和力反饋模型、逼真的環屏顯示，仿真座椅、油門、剎車等都是必不可少的。

通常簡單的駕駛模擬器主要用于駕駛員培訓包括飛行員、列車駕駛員、汽車駕駛員等，或者對中小學生進行科普教育。而復雜的駕駛模擬器則以科研為主，主要的研究或應用方向包括道路交通工程的設計與安全評估、交通環境與交通安全分析、駕駛心理和行為的研究以及人機交互及輔助駕駛等界面和設施的設計與評估等［1］。

2 基于駕駛模擬的實驗

2.1 基于駕駛模擬的實驗項目

基于駕駛模擬的5 個主要應用方向，有很多研究課題，而每個課題都需要進行駕駛模擬實驗，當然在研究課題中的實驗項目主要以創新型為主［8-13］。而實際上每個應用方向，都可以按照實驗教學規律與需求，設計成由簡到繁的層進式的實驗項目組合架構。先從簡單的演示實驗開始、然后是驗證型實驗、慢慢地進行綜合型、設計型實驗項目，最后可以引導部分學生進行創新型實驗。經系統梳理，基于駕駛模擬的實驗項目和內容以及實驗方法如圖1 所示。

圖1 基于駕駛模擬的實驗項目與內容分類圖

2.2 基本實驗流程

基于模擬駕駛的基本實驗流程包括：①實驗前，教師將實驗相關資料和指導書以及實驗要求提供給學生，學生按要求進行實驗設計。對于道路交通工程相關的實驗項目，學生需要對老師給定的路網局部要素進行方案設計；交通環境相關的實驗項目，學生則需要對天氣要素或景觀要素等進行方案設計；而對于駕駛心理和行為相關實驗，則要求學生對駕駛員進行篩選和問卷設計。②實驗過程中，教師先進行操作演示講解實驗方法，學生分組分工進行實驗，每組至少3 人，1人負責控制操作模擬器、1 人負責引導駕駛員操作駕駛模擬器、1 人負責引導實驗后的駕駛員進行問卷填寫，對于駕駛心理和行為相關的實驗，還需要給駕駛員佩戴腦電等監控設備［14］。③實驗結束后，導出需要的參數和數據、學生進行分析完成實驗報告。具體流程如圖2 所示，圖中同時給出了不同實驗類型的特殊要求。

圖2 基于駕駛模擬的實驗流程

3 本科實驗教學示例

以我校交通管理與控制課程［15］中的1 個基于駕駛模擬的實驗項目為例進行具體實驗教學方法展示。

課程中的實驗為2 個學時，實驗項目設計為較簡單的基于駕駛模擬的高速公路的地點限速分析實驗。實驗目的是讓學生進一步掌握機動車行車管理中限速管理的內容，并能熟練運用限速計算方法進行實際道路的限速計算。實驗內容主要是：①了解駕駛模擬關鍵技術和駕駛模擬器的構成；②初步學習駕駛模擬及操作軟件SCANeR STUDIO 的組成和操作；③分組進行駕駛模擬實驗；④每位同學計算各自對應的地點限制車速。

具體實驗教學過程如下：①課前教師將實驗指導書和已搭建好的高速公路模型（可以直接用科研項目中的高速公路模型）、學生分組情況（包括每位學生需要計算限速的地點）提供給學生，讓學生提前了解實驗過程。學生可以通過開放實驗室的SCANeR STUDIO軟件提前熟悉道路，獲悉各自所需要計算限速的路段地點。②上課時，教師先講解駕駛模擬關鍵技術和駕駛模擬器的構成、駕駛模擬及操作軟件的組成和實驗操作過程，然后指導學生進行實驗操作。學生實驗的駕駛員建議提前從學生中選取有駕照的學生為志愿者，或者也可以招募其他志愿駕駛員。考慮到實驗時間限制，一般學生分成5～10 組，志愿者與分組數量相同即可，這樣每組只需操作引導1 位駕駛員進行駕駛模擬。小組依次在教師指導下分工進行實驗，其他學生在控制室與駕駛艙進行現場感受和學習。③實驗結束后，教師統一導出數據給學生，每位學生找到自己對應地點的車速記錄，進行限速計算，并完成實驗報告。

在實驗過程中，學生了解了駕駛模擬的相關技術以及復雜駕駛模擬器的構成，學習了基于駕駛模擬的實驗設計方法。不同于傳統的地點限速的計算題，通過該實驗，學生在駕駛模擬中不僅掌握了限速的計算方法，而且對車速有更直觀的感受，切身體會到駕駛人視野與車速關系，以便更好地學習與應用車速管理和交通設計管理相關理論。

4 結語

將駕駛模擬技術融入本科實驗教學，將新科技與專業和實際交通問題結合，不僅豐富了實驗教學內容，讓大學生親身感受前沿科學技術，而且實驗中也提高了學生的學習熱情、動手能力和團隊合作能力。這對增加大學生對高科技社會的適應能力以及在專業中的創新與競爭力具有重要意義。