交通设计驾驶模拟教学实验辅助系统

马万经， 李 莉， 林典超， 刘兴永

(同济大学 交通运输工程学院，上海 201804)



交通设计驾驶模拟教学实验辅助系统

马万经， 李 莉， 林典超， 刘兴永

(同济大学 交通运输工程学院，上海 201804)

同济大学交通运输工程学院985平台建设项目对“驾驶模拟器”的引入和实验室建设的完成，为交通设计实验教学创造了条件。但由于驾驶模拟器刚刚建设完成，其教学应用尚处在起步阶段。本研究构建的交通设计驾驶模拟教学实验辅助系统致力于从实验前、实验中、实验后各个环节对交通设计驾驶模拟实验进行指导。首先介绍了驾驶模拟器在交通设计课程实验教学中可能的应用领域；然后说明了辅助系统的由来、功能定位、整体架构，并对其各个模块的特点、功能和使用方法进行了详细阐述；最后，以一个道路交叉口设计实验为例，介绍了如何利用该辅助系统进行驾驶模拟实验。

驾驶模拟器； 交通设计； 实验教学； 辅助系统

0 引 言

交通设计是一门基于交通工程学和系统工程学的科学原理，综合分析交通系统基本结构与构成要素之间的关系，研究交通阻塞、交通事故、交通能耗与污染排放等交通问题的影响因素及其规律的学科[1-7]。交通设计的理论来源于实践，在实际教学中需要学生在实践中学习、应用相关理论知识[8-10]。然而，实地开展交通设计实验一方面存在安全风险，且成本较高；另一方面可能会破坏道路交通的正常运行。虽然微观计算机仿真能够实现对一些交通问题尤其是效率问题进行分析，但微观仿真无法研究个体的驾驶行为。

随着计算机软硬件技术的进步，现实中的车辆可以参与到计算机仿真中，驾驶模拟器正是结合真人驾驶的交通仿真系统。该系统可以用于研究驾驶员-车辆-道路设施等综合驾驶环境下的交通特性，并且具有安全性高、再现性好、可开发性强、低成本等特点[11-18]。

驾驶模拟器在交通设计上的使用主要集中在两个方面。① 对道路交通进行主观评价，包括设计中的道路线形、交通标志、交通设施、交通安全、汽车性能以及ITS的评价等；② 对道路交通的特殊现象进行模拟再现，如交通事故、交通流特性、道路服务水平等。以上两方面同时也是交通设计的核心部分，涉及到交叉口，路段，安全，公共交通等。同济大学交通运输工程学院重点实验室拥有世界上先进的8自由度驾驶模拟器，该模拟器可以通过软件构建与实际相符的虚拟路网，并可在路网中添加或更改交通设计的元素。路网建好后，既可使用软件进行离线的实验预仿真，也可进行软硬件结合的在线仿真，并得到实时多样的交通数据。

1 驾驶模拟辅助系统总体设计

同济大学拥有的驾驶模拟器购自法国的OKTAL公司，主要包括模拟驾驶舱和SCANeR studio软件两大部分。其中，SCANeR studio软件用于供用户实验前在电脑上绘制、构建仿真场景，实验中实时监控实验动态，实验后输出分析实验数据。然而，一方面该软件模块众多、功能多样、设置复杂，用户难以上手；另一方面目前其用户手册只有英文版，更增加了用户理解、学习的难度。而事实上，交通设计课程的典型驾驶模拟实验中，所涉及的多为该软件的基本操作，学生没有必要也无法在短期内了解其全部功能，因此一份中文版简易使用手册及典型交通设计驾驶模拟实验的实验指导书对于交通设计驾驶模拟教学的顺利展开尤为重要。

另外，SCANeR studio软件安装后自带有多种仿真场景，每种场景的环境、特点及适用实验各有不同，因此分门别类的场景素材库整理将有助于学生根据实验需求更快更准确地挑选场景。

此外，驾驶模拟实验完成后，输出的实验数据非常全面，包含车辆在实验过程任意时刻的三维位置，速度，加速度，发动机转速，详细的排放与油耗等众多指标。但不同的实验因为目的不同，所需要重点分析的数据类型也有所区别，因此，针对特定的实验目的从众多输出数据中挑选适合的评价参数进行分析成为实验之后数据处理环节的关键。

对于某些具有特定需求(如采集驾驶员的心率，眼球注意点等)的实验(如驾驶员对某些新型交通设计的适应性分析实验)，仅靠驾驶模拟器可能并不能满足全部的数据采集需求；此时，还需在驾驶模拟车辆上加装动态心电仪、眼动仪等辅助设备。因此，实验前期的设备选择也是确保实验顺利进行及数据采集完善的关键。

为解决上述问题，本研究拟构建驾驶模拟教学实验辅助系统(以下简称辅助系统)。

1.1 辅助系统的功能定位

辅助系统的主要功能(见图1)包括：

(1) 帮助学生快速上手SCANeR studio软件的基本操作，了解交通设计课程中典型驾驶模拟实验的实验内容；

(2) 帮助学生准确、快速地挑选到最适合的场景进行实验；

(3) 帮助学生在实验前根据实验目的与要求选择适当的实验辅助设备展开实验；

(4) 帮助学生在实验后根据实验目的与要求选择适当的评价参数进行实验数据分析。

图1 辅助系统主要功能

1.2 辅助系统的整体架构

辅助系统主界面见图2，对应上述各功能定位，该辅助系统主要由实验文档、教学视频、实验场景库、设备选择、数据分析等模块共同构成。

图2 辅助系统主界面

2 辅助系统模块设计

辅助系统各模块的详细内容及使用方法如下：

(1) 实验文档模块。该模块中提供了几种典型交通设计驾驶模拟实验的实验指导书，包括交通冲突分析实验、道路交叉口设计实验、道路通行能力分析实验、出入口交通分析实验及公共交通设计实验。指导书内对各实验的目的、要求和内容做了详细介绍。此外，该模块还提供了SCANeR studio软件原版英文用户手册及简易版中文使用手册的下载。学生可根据需要自行下载所需文档(见图3)。

图3 实验文档模块

(2) 教学视频模块。提供了SCANeR studio软件常用基本操作的教学视频，分为“如何从零开始构建仿真场景”和“如何利用已有仿真场景进行驾驶模拟实验”。视频内容基本涵盖交通设计驾驶模拟典型实验中所需用到的所有操作，并对操作过程中的常见问题进行了阐述。学生可通过观看视频直观、迅速地学会SCANeR studio软件的使用方法(见图4)。

图4 教学视频模块

(3) 实验场景库模块。对SCANeR studio软件内自带的仿真场景进行了详细的分类介绍，其中包含可供直接进行实验的完备场景(如高速公路场景、乡村公路场景、城市道路场景、雪天道路场景等)以及可用于添加、替换到完备场景中的各类素材(如各类交通标志、信号灯、指路标志、房屋、动物等)。学生可根据实验目的和要求，查找实验场景库中对各场景特点的详细介绍，直接索引到SCANeR studio软件中的相应场景文件(见图5)。

(4) 设备选择模块。对常用的且同济大学交通运输工程学院重点实验室具备的驾驶模拟器实验辅助设备(如眼动仪，心电仪等)的作用与使用方法进行了详细介绍，并对其可能应用的交通设计驾驶模拟实验进行了归类。学生可根据实验目的和要求，对照各辅助设备功能，选择合适的辅助设备进行实验(见图6)。

图5 实验场景库模块

图6 设备选择模块

(5) 数据分析模块。对不同类型(如侧重效率、安全、能耗或排放)实验中常用的重点分析数据、评价参数及分析方法进行了详细介绍。学生可根据实验目的和要求，参照本模块选取最佳分析参数，在实验后有针对性地提取相应数据进行分析(见图7)。

图7 数据分析模块

3 辅助设计案例

以一个道路交叉口设计实验为例，逐步介绍如何使用辅助系统进行驾驶模拟实验。

第一步，在“实验文档”模块中下载道路交叉口设计实验的实验指导书，了解该实验的具体目的、要求及内容。

第二步，通过“实验文档”模块中的SCANeR studio软件简易中文手册或英文用户手册了解该软件的仿真场景构建方法，或直接观看“教学视频”模块中的“如何从零开始构建仿真场景”进行学习。

第三步，参照“实验场景库”模块中的场景素材，选取、确定实验过程中可能用到的素材(如信号灯头、灯杆、交通标志、植物、建筑物等)。

第四步，根据第二步中学习到的软件使用技能和第三步中选定的场景素材，在SCANeR studio软件中设计绘制满足实验要求的道路交叉口，并对交叉口进行配时(见图8)。

第五步，实验前，参考“设备选择”模块，选定实验中需要用的辅助设备，并了解其使用方法。

第六步，通过“实验文档”模块中的SCANeR studio软件简易中文手册或英文用户手册了解将该软件与模拟驾驶舱连接进行实验的方法，或直接观看“教学视频”模块中的“如何利用已有仿真场景进行驾驶模拟实验”进行学习。

图8 道路交叉口设计绘制

第七步，根据第六步所学内容，设定好仿真场景中的背景车辆及行驶路径。

第八步，挑选实验者，进入驾驶舱内，确保所选辅助设备安装完好，连接模拟驾驶舱与SCANeR studio软件，开始实验(见图9，图10)。

图9 模拟驾驶舱准备就绪

图10 驾驶模拟实验进行中

第九步，实验结束后，输出实验数据，参考“数据分析”模块选取评价参数，筛选相应的实验数据进行分析，获得实验结论。见图11。必要时可对实验者进行问卷调查。

图11 实验数据输出与选取

4 结 语

受实验条件限制，传统交通设计课程中，学生对交通设计方案优劣的评价和理解多建立在数学分析和认识上；对于不同的交通设计方法、参数乃至整个方案是否符合交通流的运行规律，是否符合驾驶员的心理、生理特征，是否适应于不同的周边环境和条件等缺乏深刻的认识和理解。同济大学交通运输工程学院985平台建设项目对高逼真度“驾驶模拟器”的引入和实验室建设的完成，为交通设计实验教学创造了条件。但由于驾驶模拟器刚刚建设完成，其教学应用尚处在起步阶段。

本研究构建了交通设计驾驶模拟教学实验辅助系统，该系统界面友好、覆盖内容全，可为零基础的学生提供驾驶模拟器SCANeR studio软件快速入门的使用方法，并对实验前的场景构建与设备选择、实验中的实时监控、实验后的参数选取与数据分析等各个环节进行指导，可有效辅助交通设计驾驶模拟实验教学课程的顺利开展。

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Experimental Assistant System for Driving Simulator Teaching of Traffic Design

MAWan-jing,LILi,LINDian-chao,LIUXing-yong

(School of Transportation Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

The introduction of the “Driving Simulator” in the construction project of the 985 platform of School of Transportation Engineering, Tongji University and the completion of the laboratory construction create chances for the experimental teaching of traffic design. This study built an experimental assistant system for driving simulator teaching of traffic design that aims at guiding the traffic design driving simulator experiment in the pre-experiment, in-experiment and post-experiment stages. The possible implication areas of the driving simulator in traffic design teaching were introduced first; then the origin, function and integral framework of the assistant system were presented. Besides, the feature, function and using method of each module of the assistant system were explained in detail. Finally, we took a road intersection design experiment as an example to illustrate how to use this assistant system to conduct driving simulator experiment.

driving simulator; traffic design; experimental teaching; assistant system

2014-10-22

同济大学实验教学改革项目

马万经(1980-)，男，内蒙古赤峰人，博士，教授，博士生导师，从事交通工程领域研究与教学。

Tel.：13482236245；E-mail: mawanjing@tongji.edu.cn

G 420； U 471.3

A

1006-7167(2015)10-0172-04