張馳 魏東東 蘭富安 白皓 黃軍

（1.長安大學公路學院 西安 710064；2.中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031；3.四川樂西高速公路有限責任公司 成都 610000；4.四川高速公路建設開發(fā)集團有限公司 成都 610000）

0 引言

駕駛模擬技術，又稱為駕駛仿真技術，是指采用高科技手段，比如三維即時成像、動力學仿真、大視場顯示等關鍵技術，構造出1種逼真的人工虛擬駕駛環(huán)境，體驗者能夠在該虛擬環(huán)境中感受到接近真實效果的駕駛體驗。駕駛模擬技術作為1種重要的研究手段，自20世紀70年代興起以來，逐漸在交通、汽車等諸多領域獲得廣泛應用；近年來，道路安全科研工作者逐漸使用駕駛模擬技術來研究道路的行車安全性問題，并且大量研究成果已經證實：駕駛模擬技術是1種研究道路行車安全性問題的有效工具[1]。

駕駛模擬技術之所以能夠替代實車實驗，而被廣泛應用于道路行車安全性問題的研究中，主要是因為實車實驗存在以下幾個問題：①在現實環(huán)境中進行實車實驗，車輛和駕駛員的安全均無法得到有效保證，②實車實驗的周期長且成本高；③在實車實驗中，一些相同條件下的交通場景和交通流數據無法重復獲取等。駕駛模擬技術憑借其因素可控性強、安全性高、特殊場景的可重復性高、場地固定、場景可設置，以及經濟性好等優(yōu)勢，可以很好地解決實車實驗中存在的這些問題，進而有助于開展更為有效地針對性研究[2]。

1 駕駛模擬器的發(fā)展歷程

駕駛模擬器（driving simulator，DS）是1種由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構成的駕駛仿真平臺，見圖1。其中，硬件系統(tǒng)主要包括駕駛操作系統(tǒng)（轉向盤、油門、離合、制動踏板等）、駕駛艙運動系統(tǒng)（較高自由度運動平臺）、軟件系統(tǒng)承載體（主機）等設備；軟件系統(tǒng)主要包括聲光視景系統(tǒng)、虛擬現實系統(tǒng)及數據采集系統(tǒng)等[3]。駕駛模擬器就是通過將車輛駕駛系統(tǒng)與虛擬現實技術結合起來，利用計算機仿真技術創(chuàng)造出1種帶有聲響視景效果和運動仿真的虛擬駕駛環(huán)境，試驗者在虛擬駕駛環(huán)境中通過操作駕駛模擬器的硬件系統(tǒng)來進行人機交互，進而產生1種實車駕駛的沉浸感，借此來感受和認識現實環(huán)境中的實車駕駛體驗。

圖1 駕駛模擬器Fig.1 Driving simulator

駕駛模擬器的類型較多，按照不同模擬對象，可分為飛行器駕駛模擬器、汽車駕駛模擬器和列車駕駛模擬器；按照不同自由度，可分為零自由度駕駛模擬器、低自由度駕駛模擬器和高自由度駕駛模擬器；按照不同用途，可分為訓練型駕駛模擬器和科研型駕駛模擬器[4]。其中，訓練型駕駛模擬器主要用于汽車駕駛培訓、交通安全教育等方面，而科研型駕駛模擬器作為道路交通科研機構和各大車企的重要研發(fā)手段，主要運用于“人-車-路-環(huán)境”交通特性研究、駕駛行為特性分析、車輛安全新技術研發(fā)等方面。本文關于駕駛模擬技術在道路行車安全領域的應用研究中，所用到的駕駛模擬器均為科研型駕駛模擬器。

隨著計算機仿真技術的快速發(fā)展，高仿真度科研型駕駛模擬器作為研究道路行車安全性問題的重要手段，越來越受到國內外學者的廣泛關注及應用，以德國、瑞典、日本、美國等為代表的發(fā)達國家較早開展了科研型駕駛模擬器的研發(fā)與應用[5]。表1列舉了國外主要代表性科研型駕駛模擬器的研發(fā)及應用信息。

表1 國外主要代表性科研型駕駛模擬器Tab.1 Major representative driving simulators abroad

由表1可見：國外科研型駕駛模擬器研發(fā)較早，且主要以各大汽車公司為研發(fā)主體?？蒲行婉{駛模擬器在20世紀興起之后，逐漸得到了廣泛應用，早期的駕駛模擬器主要由液壓驅動，且自由度相對較低，其中以6自由度駕駛模擬器在科研機構和各大汽車公司的應用最為廣泛，主要用于車輛系統(tǒng)的測試及驗證、車輛性能的優(yōu)化及產品開發(fā)等方面。進入21世紀，隨著計算機仿真技術、電力驅動及伺服技術的發(fā)展，駕駛模擬器的仿真水平和制動能力不斷改進，駕駛模擬器由較低自由度、液壓驅動向較高自由度、電力驅動的方向發(fā)展，使得駕駛模擬的虛擬場景與現實駕駛環(huán)境的吻合度越來越高，駕駛模擬器的應用范圍不斷擴展，主要用于危險性駕駛行為、車輛主動安全技術、道路安全設計等方面的研究。

中國科研型駕駛模擬器的研發(fā)與應用起步較晚，經歷了從國外引進到自主研發(fā)的過程。中國先后引進了捷克發(fā)明的點光源平板投影式駕駛模擬器和美國研發(fā)的放電影被動式駕駛模擬器；直到1970年初，中國才自主研發(fā)出點光源轉盤機電式駕駛模擬器；進入20世紀80年代后，中國的駕駛模擬器開始迅猛發(fā)展，部分高等院校積極參與研發(fā)，并獲得了一些初級產品；20世紀90年代以來，隨著計算機仿真技術和圖像處理技術的快速發(fā)展，中國逐漸具備了自主研發(fā)科研型駕駛模擬器的能力，其中以吉林大學、昆明理工大學和同濟大學等為代表的科研高校已經自主研發(fā)出高仿真度的科研型駕駛模擬器[6]。表2列舉了中國主要高校代表性科研型駕駛模擬器的研發(fā)及應用信息。

表2 中國部分高校代表性科研型駕駛模擬器Tab.2 Representative driving simulators in some universities in China

2 道路行車安全應用

道路行車安全是由人、車、路、環(huán)境等要素共同決定的，行車事故的發(fā)生從根本上來講是由于各要素間失去平衡所致。導致行車事故的原因有主觀和客觀之分，其中主觀原因一般是指人的因素，尤其是駕駛人的駕駛行為特性等；客觀原因主要包括道路交通條件、駕駛環(huán)境以及車輛技術狀況等。本文基于駕駛模擬技術的道路行車安全性研究涉及人、車輛、道路、環(huán)境、事故這5個方面，研究內容主要包括駕駛行為特性分析、車輛主動安全技術研究、道路與交通設計、車輛駕駛環(huán)境以及道路行車事故研究。研究框架見圖2。

圖2 研究框架Fig.2 Research framework

2.1 不良駕駛行為特性

從廣義上來講，不良駕駛行為是指駕駛員在駕駛車輛過程中出現的一些操作不規(guī)范、不安全、甚至違法的行為。不良駕駛行為特性分析主要關注道路行車安全中的人為因素，包括駕駛人和其他交通參與者（如行人、非機動車騎乘人等），而駕駛人作為道路交通的主要參與者，是道路行車安全研究的重點，特別是駕駛人的不良駕駛行為特性與道路行車安全性之間的關系研究。在道路行車安全性研究中，常見的不良駕駛行為主要包括分心駕駛、疲勞駕駛、超限行駛、激進駕駛，以及酒后駕駛等駕駛行為；研究發(fā)現，相較于其他不良駕駛行為，分心駕駛和疲勞駕駛對于道路行車事故的預測和分析具有重要作用[7]。因此，本研究將選取分心駕駛和疲勞駕駛這2種典型的不良駕駛行為，開展基于駕駛模擬技術的不良駕駛行為特性分析。

1）分心駕駛是指車輛在行駛過程中，駕駛員的注意力從駕駛主任務轉移到諸如喝水、吃東西、打電話等駕駛次任務的1類不良駕駛行為；由于實車實驗存在很大的安全隱患，所以目前國內外普遍利用駕駛模擬技術來研究駕駛分心對道路行車安全性的影響。Kaber等[8]通過駕駛模擬實驗分別研究了視覺分心、認知分心和綜合分心對駕駛行為特性的影響，發(fā)現綜合分心對駕駛人注意力資源的占用最多，而視覺分心則會導致車頭時距的增大，車輛軌跡的偏移，進而影響對車輛的正常操作；Baldwin等[9]通過駕駛模擬研究發(fā)現駕駛員在不同狀態(tài)下行駛時，分心駕駛行為會導致轉向盤的回轉角比專心駕駛時明顯要小。咸化彩[10]研究發(fā)現分心駕駛會使車輛轉向盤的轉向熵及轉角方差出現不同程度的增大；朱彤等[11]研究了駕駛次任務對駕駛人狀態(tài)和交通運行質量的影響，研究發(fā)現，駕駛次任務不僅會對行車安全產生影響，還會導致道路最大交通流量降低、道路擁堵區(qū)域增多、排隊加劇等。

2）疲勞駕駛是導致嚴重道路行車事故的重要原因之一，國內外研究者普遍利用駕駛模擬技術開展疲勞駕駛的相關研究，通過收集駕駛人在疲勞狀態(tài)下的各類特征指標，建立疲勞駕駛的識別算法，進而為預防疲勞駕駛安全隱患提供理論支撐。King等[12]通過駕駛模擬實驗采集到駕駛人在疲勞狀態(tài)下的車輛運動參數，并建立相應的監(jiān)測模型，發(fā)現其檢查準確率高達87%；Baulk[13]研究發(fā)現駕駛人在沒有得到充分休息的情況下，其駕駛反應時間與車輛位置的橫向偏移具有較強的相關性，并且提出駕駛人反應時間可作為評判疲勞駕駛的客觀標準。李平凡等[14]對駕駛人在午餐前后的疲勞狀態(tài)特征變化規(guī)律進行了研究，結果表明：駕駛人午餐后的速度判斷能力和深度知覺能力均會下降，駕駛反應時間會延長，從而導致獲取道路環(huán)境信息的難度和駕駛危險性因素的增加；劉建蓓等[15]以心跳間隔變化率為指標利用駕駛模擬技術對駕駛人在高原環(huán)境下的疲勞狀態(tài)特征進行了研究，發(fā)現駕駛人的平均心跳間隔會隨著海拔的增加而減小，駕駛人出現疲勞的時間點會提前，并且小型車駕駛人比大型車駕駛人更易出現疲勞；屈肖蕾等[16]采集到駕駛員的大量面部視頻數據，利用這些數據對駕駛員的疲勞等級進行了劃分，并篩選得到最佳的指標組合，建立了準確率高達87.7%的駕駛人疲勞在線監(jiān)測算法。

國內外利用駕駛模擬技術在不良駕駛行為特性分析方面均進行了相關的研究，研究內容主要以分心、疲勞等不良駕駛行為特性分析和不良駕駛行為對車輛行駛特性的影響分析為主。利用駕駛模擬技術分析駕駛人的分心、疲勞等不良駕駛行為特性時，可以采集到大量有關車輛運動學及不良駕駛行為特性方面的數據信息，這些數據信息為研究不良駕駛行為對道路行車安全的影響提供了客觀依據；通過對相關數據信息進行挖掘分析發(fā)現，不同種類和方式的不良駕駛行為通過影響車輛的行駛狀態(tài)，進而影響駕駛人的行車安全。目前雖然已經開展了關于不良駕駛行為特性指標獲取和識別算法精度提升方面的研究，但識別算法的實際有效性還沒有得到充分驗證；因此，未來可就如何利用駕駛模擬技術建立有效的不良駕駛行為（如駕駛分心、駕駛疲勞等）檢測識別算法展開研究。

2.2 車輛主動安全技術

車輛安全技術有主動安全技術和被動安全技術之分，其中，被動安全技術是指在車輛發(fā)生行車事故過程中或發(fā)生事故后，采用各種保護措施，避免或減輕駕乘人員傷害程度的安全技術，側重于事中控制或事后減輕，主要措施有安全氣囊、安全帶、吸能式防撞護欄等；而主動安全技術主要突出事前預防，所以又被稱為預防性安全技術，是指基于先進的預防性措施，在車輛遭遇危險狀況時，能夠主動幫助駕駛人避免事故發(fā)生的技術，主要包括底盤一體化控制技術、安全輔助駕駛控制技術、人-車安全監(jiān)控及干預技術等[17]。駕駛模擬技術憑借其因素可控性、安全性等優(yōu)勢而被廣泛用于各類車輛主動安全技術的功效驗證和安全性評價中，其中最為常見的有底盤一體化控制技術和安全輔助駕駛控制技術。

底盤一體化控制技術通過對車輛的各底盤電子系統(tǒng)（如汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（electronic stability controller，ESC）和自適應前照明系統(tǒng)（adaptive front-lighting system，AFS））進行集成、協(xié)調和優(yōu)化，使車輛獲得最佳的整體運動性能，進而減少車輛失控率，降低行車事故率。車輛ESC和AFS等技術的驗證一直是車輛主動安全研究的重點，而駕駛模擬技術在相關的研究驗證工作中扮演著重要角色。通過駕駛模擬實驗，Soudbakhsh[18]研究發(fā)現基于ESC技術的避撞系統(tǒng)在復雜場景中具有較好的避撞效果；Katzourakis等[19]對車輛操作接近穩(wěn)定性極限狀態(tài)下的轉向品質問題進行了研究，研究成果可進一步與ESC技術或AFS技術聯合使用，實現對駕駛員的主動安全提示。楊建森[20]通過將固定底座的駕駛模擬器與一些硬件設備聯合使用，形成了硬件、駕駛員及環(huán)境三者之間可以交互的驗證裝置，實現了對ESC硬件與控制器算法的有效性驗證。

安全輔助駕駛控制技術通過實時采集道路駕駛環(huán)境和車輛行駛狀況等信息，來識別車輛在行駛過程中的潛在危險，一旦發(fā)現危險，車輛會自動進行控制以避免行車事故的發(fā)生或者減輕事故的嚴重程度。國內外學者利用駕駛模擬技術在車輛安全輔助駕駛控制方面進行了大量研究，并取得了一些研究成果。Boyle等[21]就駕駛人對自動導航技術適應度的差異性進行了研究，并分析了危險狀況下駕駛人的應對策略，研究成果能夠提高駕駛員的安全行為能力，促進自動導航技術的更新換代；Hajek等[22]基于駕駛員負荷，對自適應主動導航技術的負荷識別能力進行了改進，研究發(fā)現改進后的自適應主動導航技術深受駕駛員的喜愛。高振海等[23]對駕駛員在虛擬駕駛環(huán)境中的制動時刻數據進行了研究，并分析了駕駛員在跟車行駛過程中的制動行為影響因素；丁潔云等[24]對駕駛人的換道意圖進行了識別，并使用簡易駕駛模擬裝置對其進行確認，但由于駕駛模擬器自身存在的局限性，研究結果有待進一步驗證。

基于車輛主動安全技術的發(fā)展，自動駕駛車輛的行車安全性研究也獲得了一定突破；目前，自動駕駛車輛的接管行為已經成為研究的熱點。接管行為是指當自動駕駛車輛達到系統(tǒng)極限狀態(tài)或者面臨難以應對的行駛狀況時，會及時向駕駛人發(fā)出接管車輛的請求，駕駛人收到接管請求后，在安全時間內重新接管車輛的控制權并駕駛車輛。近年來，國內外學者利用駕駛模擬技術對自動駕駛的接管反應時間進行了大量研究。Eriksson等[25]通過駕駛模擬實驗對高速公路出口預期接管情況下的接管反應時間進行了研究，發(fā)現預期接管的反應時間往往較長，并且指出僅依靠接管時間均值來設計接管過程，不足以保證自動駕駛車輛的行車安全性；Dogan等[26]利用駕駛模擬技術研究了不同駕駛次任務（如看電影、打電話等）對自動駕駛車輛接管行為的影響，研究發(fā)現不同駕駛次任務對接管反應時間的影響并無顯著差異，但對車輛的橫向和縱向控制存在不同的影響。王彥峰等[27]基于駕駛模擬器研究了駕駛次任務沉浸等級對自動駕駛中接管反應時間的影響，研究發(fā)現駕駛人在相同的駕駛次任務條件下，自動駕駛接管正確時間和反應時間都會隨著駕駛次任務沉浸等級的升高而降低。

國內外研究者利用駕駛模擬技術在車輛主動安全技術和自動駕駛車輛的行車安全性等方面均有大量的研究，研究內容主要集中在車輛主動安全技術的主客觀評價、車輛安全系統(tǒng)的實際功效驗證、自動駕駛車輛的接管行為等方面。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，車輛主動安全將會是汽車行業(yè)未來發(fā)展的1個重要方向，而駕駛模擬技術作為1種有效的研發(fā)手段，未來會繼續(xù)在車輛主動安全技術的研究中發(fā)揮重要作用。但值得關注和改進的是，目前針對車輛主動安全技術的測試及驗證，均傾向于選用構造簡單的底座固定式駕駛模擬器，這類駕駛模擬器的功能有限且模擬效果欠佳，未來可通過增設激振裝置等措施對駕駛模擬器加以改造，以提高其自由度，進而達到增強駕駛模擬逼真度的目的。

2.3 道路與交通設計

傳統(tǒng)的道路與交通設計主要依據相關法律法規(guī)、標準規(guī)范和技術指南等執(zhí)行，由于受技術條件的限制，設計人員對道路未來運營后的安全性缺乏足夠的考慮和預測評估。駕駛模擬技術的應用給道路與交通設計的安全性預測及評估提供了可能，利用駕駛模擬技術可以實現道路與交通的可視化設計，通過對現實道路進行較為真實地仿真，使設計者在早期就能夠從道路使用者的角度，對道路與交通設計的合理性及安全性做出評價，并對不同的設計方案進行比選，以發(fā)現設計中存在的問題，達到防患于未然的效果，因此，研究者越來越傾向于利用駕駛模擬技術來分析和解決道路與交通設計中出現的問題，且大量的研究成果已經證實：先進的駕駛模擬技術是研究和解決道路與交通設計中安全問題的有效手段。

隨著計算機仿真技術的快速發(fā)展，利用先進的駕駛模擬技術可以將車輛運動、數據采集、聲音、視景等系統(tǒng)集為一體，構造出1種逼真的虛擬駕駛環(huán)境和接近真實的車輛運動感，再通過眼動儀等心理、生理設備聯合使用，采集并測試駕駛員的駕駛行為特性，進而展開有針對性的研究。Davidse[28]利用駕駛模擬技術研究了不同形式的道路交叉口對老齡駕駛人駕駛行為和工作強度的影響；Richard等[29]研究了路側交通基礎設施對車輛橫向偏移和駕駛人速度選擇的影響；Wang等[30]通過駕駛模擬實驗獲取了山區(qū)高速公路在各種線形組合下的駕駛數據，通過對這些數據進行分析，實現對山區(qū)高速公路不同道路線形組合的安全性評價，并得到了相應的安全評價閾值。張敏等[31]對駕駛員在平縱線形組合路段上的錯視覺進行了研究，發(fā)現相比于凹形曲線路段，駕駛員更容易在凸形曲線路段上產生錯視覺，且最容易在不設超高的平曲線路段上產生錯視覺；魏文海[32]研究了縮減車道寬度對駕駛行為的影響，研究發(fā)現：縮減車道寬度會使車輛的行駛速度顯著降低，也會對車輛的橫向位置產生顯著的負效應。

標志標線是交通設計的關鍵內容之一，它能夠向駕駛人提示道路交通的基本使用信息，進而管制和引導駕駛人及車輛能夠有序使用道路。標志標線位置設計的科學性、形態(tài)的視認性以及信息的有效性，不僅與駕駛員的主觀認知感受緊密聯系，還跟道路的行車安全密切相關[2]。利用駕駛模擬實驗可以詳細記錄駕駛人與標志標線進行信息交互時的主觀反應和駕駛行為變化，通過定性和定量分析駕駛人對標志標線設置情況的主觀感受，為標志標線設計的安全性評價提供有效的依據。例如，通過駕駛模擬Lee等[33]研究發(fā)現可變限速板和交通警告標志的設置對減少行車速度的波動和緩解交通的擁堵具有一定的效果。Yan等[34]進一步對可變信息板的放置位置進行了研究，研究發(fā)現可變信息板置于交叉口上游150～200 m處時效果會更好，而且顯示圖像的可變信息板比僅顯示文字的會更加有效。郭鳳香等[35]通過在某路段的隧道內布設倒伏示警柱，在爬坡路段與混行路段上增設附加車道，研究了車輛在這3種路段上的平均速度與平均橫向位置，結果表明：在隧道內布設倒伏示警柱后，車輛能夠保持較好速度和橫向位置；在爬坡路段上增設附加車道后，主線路上的行車速度會提高；在混行路段上增設附加車道后，行車速度能夠保持穩(wěn)定或者提高，并且可以降低與對向來車發(fā)生沖突的可能性。韓鳳春等[36]利用駕駛模擬器及相關設備，進行了道路交叉出口處交通標志的設置優(yōu)化仿真實驗，針對交叉出口處交通標志的不同組合，對駕駛人的正確識別率、注視累積時長等關鍵評價指標進行了比較。

綜上所述，在道路與交通設計方面，國內外研究者利用駕駛模擬技術均進行了大量研究，研究對象基本涵蓋道路與交通設計的各個方面，研究內容主要集中在道路與交通設計要素和道路行車安全性之間的關系，并且研究中較多考慮了駕駛人對道路與交通設計的適應性與反饋性問題。但值得注意的是，道路與交通設計的真實效果因其變化多樣性和復雜性而不能完全被復制，并且駕駛模擬實驗的參與者存在著個體差異性，對真實道路和虛擬道路的適應性及感受能力存在較大區(qū)別；因此，通過駕駛模擬實驗得到的研究結果，其準確性和有效性尚待進一步驗證。未來可針對駕駛模擬技術的有效性評價和參數標定等進行專項研究，以提升駕駛模擬技術的有效性和適用性，使其能夠更好地適用于中國道路與交通設計的安全性問題研究。

2.4 車輛駕駛環(huán)境

車輛駕駛環(huán)境是1種物的環(huán)境，包括天氣狀況、路側景觀、交通沖突、光線明暗、地物地貌等類型，它通過影響駕駛員的駕駛行為而對道路的行車安全性產生影響。目前，國內外在道路行車安全性問題的研究中，涉及到的車輛駕駛環(huán)境類型主要有不良氣象條件、路側景觀和交通沖突等。

1）不良氣象條件對行車安全性的影響是道路交通安全領域研究的重點之一。Snowden等[37]通過駕駛模擬實驗研究發(fā)現車輛在濃霧環(huán)境條件下行駛時，駕駛員感知到的速度比實際速度要低。Mueller等[38]的研究結果表明不同駕齡的駕駛員在霧天環(huán)境下都會降速行駛，但老手駕駛員的行車速度會下降的更快，最終行車速度會基本趨于一致。張馳等[39]研究發(fā)現不同的路面能見度、道路曲率半徑、行車速度均會對車輛橫向偏移產生顯著影響，且影響程度依次為：能見度＞曲率半徑＞行車速度。趙曉華等[40]的研究結果表明駕駛員在不良氣象條件下低速跟馳行駛時，對車輛間距和車輛行駛穩(wěn)定性的控制能力會有所降低，并且不易察覺前車的加速行為，導致與前車的距離增大，交通流的順暢性降低。

2）在道路路側景觀方面，國內外研究者利用駕駛模擬技術在道路景觀元素、類型及復雜程度對駕駛人安全感知、行車狀態(tài)等的影響方面做了大量研究。Yamakoshi等[41]研究發(fā)現駕駛員長時間行駛在景觀單一的道路上，會很容易產生駕駛疲勞，但長時間使用駕駛模擬器也會使駕駛員產生疲勞感，Bella[42]通過駕駛模擬實驗獲得車輛在不同路側景觀下的橫向位置和行駛速度，分析了不同路側景觀對駕駛行為的影響。荀雙杰等[43]研究了不同路側景觀對行車穩(wěn)定性的影響，發(fā)現駕駛員在全封閉的空間景觀條件下行駛時，行車穩(wěn)定性最好，而在全開放的空間景觀條件下行駛時，行車穩(wěn)定性最差。李南初[44]研究了路側樹木高度、間距、顏色搭配等對駕駛員駕駛行為和景觀感受的影響。

3）道路交通沖突也屬于車輛駕駛環(huán)境的1種類型，可以理解為當駕駛人明顯感覺到存在事故危險時，立即采取積極有效的避險措施的交通遭遇事件，道路交通沖突經常會發(fā)生在高速公路互通式立交的合流區(qū)、交織區(qū)等區(qū)域。交通沖突技術是指利用既定的判斷規(guī)則，對道路交通沖突的整個過程及嚴重程度進行識別和判斷的技術，利用交通沖突技術可以在較短時間內獲得大量的沖突數據，而利用駕駛模擬技術可以較好地模擬道路交通的實際運行情況，研究者們將二者結合起來，對道路合流區(qū)、交織區(qū)的交通沖突展開研究[45]。Li等[46]建立了包含加速車道長度、匝道小時交通量的線性回歸預測模型，對互通式立交合流區(qū)的行車安全水平進一步量化；Ulak等[47]利用駕駛仿真技術構建了1個T形交叉口虛擬場景，研究了駕駛員經驗差異、駕齡對行車安全的影響。沈強儒等[48]對小間距互通式立交區(qū)域進行了安全性評價，并給出了相應的行車安全改善措施。戴俊晨[49]研究了互通交織區(qū)的車流運行特征和沖突機理，利用駕駛模擬實驗獲取了交織區(qū)的交通沖突樣本，并對其進行安全性評價。

綜上分析可知：國內外研究者利用駕駛模擬技術在車輛駕駛環(huán)境方面做了大量的研究工作，研究對象涵蓋現實世界中常見的不良天氣、路側景觀等基本環(huán)境類型，研究內容主要體現在車輛駕駛環(huán)境對駕駛行為的影響。然而，現實世界中的車輛駕駛環(huán)境是復雜多樣且動態(tài)變化的，不光有天氣的變化無常、地勢的高低起伏、光線的明暗相間，還有道路交通的沖突擁堵、道路構造物和路側景觀的種類繁多，以及車流密度和車輛類型的隨機變化等等。利用駕駛模擬技術構建出的虛擬駕駛場景，不能完全呈現出真實駕駛環(huán)境的變化多樣性，現實世界中車輛駕駛環(huán)境的復雜程度還不能夠完全被復制，尤其是不同環(huán)境類型組合之間的交互變化等。未來可針對駕駛模擬器的二次開發(fā)進行專題研究，以提升虛擬駕駛環(huán)境的逼真度，使駕駛模擬技術可以更好地用于以車輛駕駛環(huán)境為影響因素的道路行車安全性研究中。

2.5 道路行車事故

道路行車事故再現是指依據事故調查資料（包括事故留下的痕跡，事故目擊者的證言等）對道路行車事故發(fā)生的全過程進行推斷的過程[50]。利用駕駛模擬技術再現道路行車事故，就是依據調查得到的事故數據資料，通過人機交互的方式再現行車事故發(fā)生的全過程，對事故發(fā)生前后的駕駛行為變化進行分析。Yan等[51]利用駕駛模擬器構建了8個道路交叉口的行車事故場景，將行車事故類型、事故前后駕駛員的駕駛行為與實際事故數據進行對比，發(fā)現駕駛模擬技術可用來評價交叉口的行車安全性。Guzek等[52]通過駕駛模擬實驗研究發(fā)現：相比于白班工作者，夜班工作者下班后駕駛汽車會更容易發(fā)生道路行車事故。蔣陽等[53]根據事故現場采集到的真實信息，利用駕駛模擬技術對3起不同類型行車事故的碰撞過程進行再現分析，確定出事故發(fā)生前各參與方的形態(tài)。張瑞臻等[54]對1起摩托車-行人碰撞事故進行駕駛仿真再現分析，并用行人的特征傷情和其他相關資料對仿真結果的準確性進行了驗證，較為完整地還原了碰撞瞬時摩托車與行人的關鍵形態(tài)。

通過駕駛模擬技術，除了可以再現道路行車事故發(fā)生的整個過程，還能夠采集到事故發(fā)生前后各參與方的行車狀態(tài)參數，通過分析這些狀態(tài)參數，可以總結出引發(fā)道路行車事故的主要原因及其影響因素。Banks等[55]對比分析了不同性別駕駛員預測事故風險準確度的差異性，發(fā)現在睡眠時間同樣不足的情況下，女駕駛員對事故風險的預測準確度比男駕駛員高，但在睡眠時間同樣不足且輕度飲酒的情況下，男女駕駛員均不能準確預測事故風險。侯莉莉等[56]對車輛碰撞事故發(fā)生前的行車狀況、碰撞點、碰撞后的形態(tài)進行再現分析，確定出車輛碰撞時的行駛速度，得出碰撞事故發(fā)生的原因。袁泉等[57]對北京市的88例人車碰撞事故數據進行了分析研究，總結歸納出典型碰撞事故的道路場景、形態(tài)和特點，然后根據典型參數及工況，建立了人車碰撞的虛擬事故場景，開展人車碰撞事故的駕駛模擬實驗，通過實驗獲得了影響碰撞事故發(fā)生的因素和駕駛員面對事故時所采取應急措施。

目前，駕駛模擬技術憑借其“安全性”、危險場景的可設置性，以及費用低等優(yōu)勢，廣泛應用于道路行車事故的再現分析和影響因素分析研究中。利用駕駛模擬技術對道路行車事故進行再現分析，能夠真正讓駕駛人全景感知行車事故發(fā)生的整個過程，弄清楚事故發(fā)生的起因、演變過程以及事故后果等，而不是僅停留在道路行車事故的后果層面。然而，駕駛員使用駕駛模擬器時的“安全感”、虛擬事故場景的逼真度、虛擬事故出現的隨機性，以及事故發(fā)生的誘因還原度等，這些問題會對駕駛模擬實驗的有效性產生影響，進而影響到研究結果的可信度。未來研究重點為增強虛擬駕駛場景的逼真度和還原度，提升駕駛模擬實驗的有效性，使駕駛人能夠更好地感知事故發(fā)生的全部過程。

3 問題與展望

3.1 存在問題

駕駛模擬器已經成為研究道路行車安全性問題的重要工具，未來會繼續(xù)給道路行車安全領域中人、車、路、環(huán)境等事故要素的研究提供更加有利的條件。但同時，駕駛模擬技術仍存在以下3個問題有待進一步探討和研究。

1）有效性評價。有效性是指利用駕駛模擬器模擬道路駕駛環(huán)境和駕駛行為時能夠達到的有效真實程度。駕駛模擬器的有效性可分為絕對有效性和相對有效性，其中絕對有效性又稱為物理有效性，要求駕駛模擬場景與真實場景在尺寸、車速等物理屬性上能夠保持一致；而相對有效性則要求駕駛員在駕駛模擬場景中的駕駛行為與真實道路環(huán)境中的保持一致[58]。因此，駕駛模擬器的有效性評價同樣也可分為絕對有效性評價和相對有效性評價，其中絕對有效性評價是對駕駛模擬器的物理屬性進行評價，而相對有效性評價則是對駕駛行為進行評價，這2類有效性評價是通過對比分析實車實驗和駕駛模擬實驗而進行的。

目前，已有相關研究對駕駛模擬器在基本條件下、復雜條件下和風險環(huán)境下的應用有效性進行了評價，并構建了有效性的評價體系。然而，駕駛模擬器的有效性評價應該是1個多級的綜合性評價體系，隨著應用范圍的不斷擴大，駕駛模擬器的評價體系有待進一步完善和細化，而且還需通過實車實驗不斷進行修正，以盡早建成模塊化和標準化的有效性評價體系。

2）不適性?！把灨小币恢笔抢_駕駛模擬技術應用的首要問題，尤其是長時間的使用會讓駕駛人產生疲勞、眩暈、惡心等不適感；駕駛模擬器的不適性嚴重影響了駕駛體驗真實度和沉浸感，并且在不同駕駛模擬器和不同試驗者之間均存在顯著差異[59]。究其原因，主要是由于硬件設備的信息處理能力受到限制，即控制回路信息反饋的滯后和延遲降低了車載系統(tǒng)的可控性與穩(wěn)定性，導致駕駛模擬器計算系統(tǒng)不能及時準確地對模擬器和實際車輛的動態(tài)特性進行匹配和建模；如果要最大程度地減少造成實驗者不適的各因素影響，駕駛模擬器至少要能輸出具備120 Hz刷新率和4 K分辨率的畫面；為此可以從駕駛模擬器的運動系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、座艙環(huán)境等方面進行改進，研發(fā)出真正具有高沉浸感的駕駛模擬器。

3）二次開發(fā)。目前，道路行車安全問題的研究工作主要依靠駕駛模擬器而開展，但駕駛模擬器自身存在著一定的局限性，無法真實有效地模擬一些特殊的交通場景，比如城市機-非混合交通流場景、不同類型車輛駕駛環(huán)境組合而成的交互變化場景等，因而無法滿足一些有特殊要求的行車安全研究工作，需要對駕駛模擬器進行二次開發(fā)，通過與一些特殊的儀器設備、軟件程序等聯合使用，以提升駕駛模擬場景的高逼真度、高還原度等，達到提升實驗效果的目的。

3.2 應用展望

未來，駕駛模擬技術將在以下3個方面的道路行車安全研究工作中發(fā)揮重要作用。

1）特殊人群（老年人、殘疾人等）的駕駛行為研究。人口老齡化已經是我國社會當前面臨的嚴峻考驗，當前的職業(yè)駕駛群體在未來步入老年后，生活出行仍然會一定程度地依賴汽車駕駛。由于我國機動化時代起步較晚，交通模式和文化背景有別于其他國家，關于老年駕駛員交通安全問題的研究一直滯后于發(fā)達國家。因此，在人口老齡化背景下開展基于駕駛模擬技術的道路交通安全問題研究，將會補充和完善我國交通法規(guī)、交通設計等諸多方面的不足，對提高老年駕駛員的行車安全具有一定的理論價值和經濟意義。

近年來，我國針對單眼視力障礙和上肢殘疾人士做了一系列汽車駕駛相關的規(guī)定，這對于保障殘疾人權益、增進殘疾人社會參與感具有重要意義。針對殘疾人開展基于駕駛模擬技術的交通安全問題研究，是保障殘疾人權益的重要手段，具有十分重要社會價值和現實意義。

2）智能網聯汽車系統(tǒng)的測試及驗證。智能網聯汽車（connected-automated vehicle，CAV）是車聯網和智能車的有機聯合，通過融合車用無線通信技術（vehicle to everything，V2X）與自動駕駛技術，實現車輛與外界駕駛環(huán)境的協(xié)同控制和信息共享，以實現車輛行駛安全、高效、有序和節(jié)能的目的[60]。智能網聯汽車要確保車輛在所有復雜駕駛場景中均是安全可靠的，為實現這一目標，智能網聯汽車必須在更廣的駕駛場景范圍內對系統(tǒng)進行安全性測試與驗證；然而，目前僅依靠真實的道路測試根本無法獲得足夠的驗證，而且測試與驗證的周期十分漫長，無法確定出測試與驗證需要的具體時間及里程。

駕駛模擬技術可以很好地解決智能網聯汽車系統(tǒng)測試及驗證存在的這些問題，利用駕駛模擬技術可以將大部分的測試及驗證工作轉移到虛擬世界中去完成。通過推動智能網聯汽車轉向虛擬場景和模擬車輛測試，不僅可以顯著增加測試的范圍和廣度，還可以實現對測試場景的模擬和并行回放，降低了整個測試與驗證過程的成本和時間，進而加速并改進系統(tǒng)的整個測試和驗證過程。因此，未來可通過駕駛模擬技術解決智能網聯汽車系統(tǒng)的測試與驗證難題。

3）混合交通流環(huán)境下的行車安全問題研究。“機非混行”的城市道路環(huán)境是典型的混合交通流環(huán)境，城市道路的行車安全問題研究主要以分析道路交通沖突和道路行車事故為主；我國每年因行車事故造成的人員傷亡情況依舊很嚴重，究其原因，主要在于機非混行的城市道路環(huán)境、交通設計與駕駛行為的不匹配、交通安全法律意識的淡薄等[2]。利用駕駛模擬技術對城市道路交通環(huán)境、交通特性與駕駛員行為之間的關系進行研究，分析道路行車事故中車輛行駛狀態(tài)和駕駛人反應變化，達到對道路安全中人、車、路、環(huán)境之間復雜關系的進一步理解，從而有助于提升城市道路設計和交通規(guī)劃的安全性，同時有利于指定更加有效的城市道路交通安全措施。

4 結束語

駕駛模擬技術具有安全性高、因素可控性強、經濟性好、場景的可重復性好等優(yōu)勢，成為研究道路行車安全性問題的重要手段。本文從駕駛模擬器的發(fā)展里程出發(fā)，歸納總結了國內外主要代表性科研型駕駛模擬器的相關信息；接著以“人-車-路-環(huán)境-事故”為主線，分別從不良駕駛行為特性分析、車輛主動安全技術研究、道路與交通設計、車輛駕駛環(huán)境以及道路行車事故研究5個方面，對駕駛模擬技術在道路行車安全領域內的應用研究現狀進行了綜述，并從特殊人群的駕駛行為研究、智能網聯汽車系統(tǒng)的測試及驗證、混合交通流環(huán)境下的行車安全問題研究3個方面進行了應用展望。然而，駕駛模擬技術當前仍然存在一系列問題需要進一步研究解決，比如，駕駛模擬器的有效性評價、不適性，以及二次開發(fā)等問題。這些問題的探討與研究，能夠更好地促進駕駛模擬技術的發(fā)展，提升其在道路行車安全研究中的應用水平，為道路行車安全問題的解決提供更加有效的研究工具。