劉霞 周成 陳倩雯 王坤然 房祥靜 許麗丹

摘 要：基于國家標(biāo)準(zhǔn)《消費(fèi)品安全 危害識別 情景模擬法》（GB/T 39108-2020）中的相關(guān)規(guī)定，通過相關(guān)軟件與硬件搭建電動滑板車風(fēng)險分析平臺，模擬場景設(shè)計、執(zhí)行測評、數(shù)據(jù)收集和結(jié)果分析等過程，分析了電動滑板車風(fēng)險試驗系統(tǒng)的構(gòu)建過程，為后續(xù)電動滑板車的風(fēng)險分析提供理論依據(jù)和試驗平臺。

關(guān)鍵詞：電動滑板車，情景模擬，風(fēng)險，場景

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.05.027

國家標(biāo)準(zhǔn)《消費(fèi)品安全 危害識別 情景模擬法》（GB/T 39108—2020）是我國第1部提出運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)方法，搭建消費(fèi)品傷害場景的國家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)等情景模擬方法，通過相關(guān)流程進(jìn)行消費(fèi)品安全風(fēng)險分析，用于各相關(guān)方在消費(fèi)品設(shè)計、生產(chǎn)、使用（包括維修）階段開展危害識別。本研究在充分依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了電動滑板車騎行過程中，可能發(fā)生外環(huán)境光線過暗、滑板車燈位置不合理等導(dǎo)致騎行車側(cè)翻，或者撞到路人等安全事件場景[1-3]，為開展電動滑板車研發(fā)和設(shè)計人員識別產(chǎn)品安全危害源提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)軟硬件組成

1.1 場景模型渲染平臺

選用3ds Max軟件創(chuàng)建場景三維模型，同時創(chuàng)建電動滑板車、虛擬人物等部分的三維模型和動畫，處理好的模型保存為FBX文件格式。Unity3D引擎支持FBX文件格式，能夠?qū)崿F(xiàn)模型的網(wǎng)格、材質(zhì)、動畫和骨骼屬性同時導(dǎo)入。

Unity3D引擎兼容C#、JAVA Script和Boo Script三種語言。本研究選擇C # 語言進(jìn)行開發(fā)，選用Unity3D作為電動滑板車安全風(fēng)險試驗系統(tǒng)的開發(fā)平臺[4]。

1.2 硬件設(shè)備

本系統(tǒng)硬件主要由顯示層、交互層、數(shù)據(jù)層組成，顯示層硬件選用HTC Vive頭戴式設(shè)備和電腦顯示屏；交互層硬件包括HTC Vive操控手柄、電動滑板車模擬器、鼠標(biāo)以及激光定位器；數(shù)據(jù)層硬件包括圖形工作站和計算機(jī)。HTC Vive對運(yùn)行主機(jī)的配置要求如下：①處理器為Intel i7 10850H或更高配置；②顯卡為NVIDA GTX 1060同等或更高配置；③內(nèi)存16GB；④視頻輸出為HDMI 1.4/ DisplayPort 1.2或更高版本；⑤操作系統(tǒng)為Windows10。

2 系統(tǒng)開發(fā)流程

電動車滑板車安全風(fēng)險試驗系統(tǒng)開發(fā)主要包括試驗參數(shù)設(shè)置頁面構(gòu)建、試驗場景構(gòu)建以及VR設(shè)備接入三個部分。開發(fā)流程主要包括以下步驟：①對環(huán)境要素和電動滑板車進(jìn)行三維建模與渲染；②采集電動滑板車實(shí)時騎行數(shù)據(jù)，并實(shí)時上傳；③數(shù)據(jù)解析為后續(xù)數(shù)據(jù)綁定做準(zhǔn)備；④數(shù)據(jù)綁定，實(shí)現(xiàn)實(shí)時驅(qū)動，同時提供可視化界面，試驗者在騎行過程中也能同步獲取當(dāng)前騎行過程數(shù)據(jù)；⑤將環(huán)境要素模型和電動滑板車驅(qū)動模型導(dǎo)入集成為試驗場景；⑥試驗參數(shù)設(shè)置頁面構(gòu)建；⑦接入VR設(shè)備；⑧最終發(fā)布成可執(zhí)行文件[5-6]。

3 三維模型構(gòu)建

3.1 試驗場景模型的構(gòu)建

本試驗場景是：電動滑板車在公園主道路進(jìn)行騎行。試驗場景模型主要起到豐富場景的作用，對模型的尺寸精度要求不高，可以利用貼圖代替模型部分細(xì)節(jié)特征，因此選用3ds Max軟件創(chuàng)建模型。首先利用3ds Max建立公園的基本模型，對于較細(xì)節(jié)的部分，采用紋理映射的方法，使用紋理圖片取代詳細(xì)模型，最后將創(chuàng)建好的模型導(dǎo)入Unity3D搭建場景。為了提高試驗的隨機(jī)性，將道路上的坑洼單獨(dú)設(shè)置成為可配置選項（即坑洼路面/正常路面）如圖1、圖2和圖3所示，根據(jù)試驗參數(shù)可動態(tài)地分配在道路中。

3.2 電動滑板車模型構(gòu)建

試驗系統(tǒng)基于電動滑板車模擬真實(shí)騎行體驗，為了提升試驗者的真實(shí)感，建立虛擬模型來映射電動滑板車的騎行狀態(tài)。將電動滑板車結(jié)構(gòu)分為車輪、底座和手柄桿三部分進(jìn)行建模，如圖4所示。

3.3 虛擬人物模型構(gòu)建

為了增加場景的真實(shí)性以及模擬真實(shí)騎行體驗，選擇引入虛擬人物模型實(shí)時同步試驗人員的騎行行為和模擬人員在道路上行走以及騎行狀態(tài)。選用3ds Max軟件建立虛擬人物的幾何模型和動作模型。在3ds Max中，利用角色動畫CAT工具包建立人體骨骼模型，利用多邊形結(jié)構(gòu)建立人體表面模型，再進(jìn)行紋理貼圖，最后創(chuàng)建人物站立、行走、騎行、摔倒等行為動畫。創(chuàng)建完成的部分虛擬人物模型如圖5所示。

4 數(shù)據(jù)采集過程與分析

4.1 數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)

模擬真實(shí)騎行狀態(tài)，本質(zhì)上就是要建立滑板車模擬器與安全風(fēng)險試驗系統(tǒng)的映射關(guān)系，兩者映射的紐帶為滑板車模擬器的實(shí)時數(shù)據(jù)。通過采集實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)兩者的映射交互。（1）數(shù)據(jù)需求分析。在騎行過程中需要獲取的騎行數(shù)據(jù)主要為轉(zhuǎn)向角度、實(shí)時速度、油門百分比、剎車百分比。（2）數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)通信也稱數(shù)據(jù)交換，指將數(shù)據(jù)從一個系統(tǒng)傳輸至另一個系統(tǒng)的過程。電動滑板車模擬器采用串口通信來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。（3）通訊協(xié)議確定。通訊波特率：9600；數(shù)據(jù)位：8位；停止位：1位。數(shù)據(jù)格式采用Hex（十六進(jìn)制數(shù)據(jù)），通訊采用應(yīng)答方式，主機(jī)問一次，滑板車應(yīng)答一次。

4.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)

基于獲取到的電動滑板車模擬器的實(shí)時速度、轉(zhuǎn)向角度、剎車百分比和油門百分比。建立一個滑板車圖案（S co oter）作為模型的父物體，將車輪、底座和手柄桿作為子物體。Unity軟件里的WheelCollider（車輪碰撞器）是一種特殊的地面車輛碰撞器，它具有內(nèi)置的碰撞金測、車輪物理引擎和一個基于滑移的輪胎摩擦模型。WheelCollider是專門為有輪子的車輛所做的設(shè)計，因此采用WheelCollider來設(shè)置滑板車輪胎的運(yùn)動和地面的碰撞。通過控制wheelCollider的motorTorque值來控制加速/減速。在滑板車模型上添加Rigidbody組件，通過獲取Rigidbody的velocity值來控制速度值。

4.3 可視化界面

本系統(tǒng)界面的主要作用是實(shí)現(xiàn)試驗參數(shù)設(shè)置以及試驗過程騎行數(shù)據(jù)的展示交互。通過選擇不同的試驗參數(shù)，進(jìn)入相應(yīng)的試驗場景。交互界面設(shè)計為兩個主模塊，一個是試驗參數(shù)設(shè)置模塊，另一個是騎行過程數(shù)據(jù)展示模塊。

在虛擬場景中添加名為Menu的Canvas組件，設(shè)置渲染模式為World Space，使畫布渲染于世界坐標(biāo)系，在Menu下添加不同的Button控件、Text控件和Image控件，調(diào)整各個控件到合適位置，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，創(chuàng)建完成的試驗參數(shù)設(shè)置界面如圖6所示。模擬時獲取實(shí)時速度并展示，如圖7所示。

5 結(jié) 語

通過情景模擬平臺的軟硬件系統(tǒng)及場景三維建模分析，構(gòu)建了電動滑板車風(fēng)險試驗系統(tǒng)。軟件主要用于電動滑板車騎行試驗，得出在不同試驗場景下，電動滑板車的安全騎行速度。通過構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)場景同等比例模型提高試驗真實(shí)參與感。軟件不僅提供多個試驗場景滿足試驗需求，在試驗場景中設(shè)置行人、路障等要素，同時實(shí)時采集電動滑板車模擬器的騎行數(shù)據(jù)，更好地模擬出真實(shí)騎行道路狀況。試驗者通過佩戴VR設(shè)備即可開始騎行試驗，根據(jù)試驗者的騎行速度與遇到道路狀況的處置行為，軟件會反饋相應(yīng)的結(jié)果顯示，達(dá)到更好的交互體驗。

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作者簡介

劉霞，博士，研究員，從事消費(fèi)品安全標(biāo)準(zhǔn)化及監(jiān)管制度、產(chǎn)品安全風(fēng)險管理研究工作。

（責(zé)任編輯：張佩玉）