虚拟仿真交通安全体验系统

第20卷 第2期 中 国 水 运 Vol.20 No.2 2020年 2月 China Water Transport February 2020
收稿日期：2019-09-29
作者简介：杜宝江（1962-），男，硕士，上海理工大学机械工程学院，副教授，硕士生导师，研究方向为虚拟制造技术、
计算机辅助设计及机电一体化。

通讯作者：徐尚云（1995-），男，上海理工大学机械工程学院，研究生，研究方向为虚拟制造技术、计算机辅助设计。

虚拟仿真交通安全体验系统
杜宝江，徐尚云
（上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）
摘 要：本文针对我国青少年的基数庞大，交通安全意识薄弱，城市交通系统复杂等因素。

提出了一种借助于虚拟现实技术来规范青少年交通行为的解决办法，以此保障青少年的人身安全。

为此，开发了交通安全虚拟仿真体验系统，通过构建的虚拟交通场景以及行为检测反馈模块识别学生的行为，实时反馈、纠正，最终实现提高青少年交通安全意识，规范青少年交通安全行为的目的。

关键词：虚拟仿真；Unity 3D；碰撞检测；行为检测
中图分类号：G710 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）02-0064-03
一、引言
如今，我国城市化的发展越来越快，交通路网复杂、车辆拥堵成为了城市道路的常态。

交通安全问题早已成为大家热议的话题，尤其是青少年，处在成长阶段，对于危险的防范意识不足，面临突发状况的应变能力有限。

据统计，目前我国有大约1.63亿在读的中小学生，基数之庞大，足以将提高中小学生的交通安全意识作为研究对象。

根据调查研究，许多学者对城市道路的虚拟化展开研究，如清华大学罗元同学团队，通过虚拟现实技术对城市道路交通流进行模拟研究[1]，为行人交通安全教育提供重要的参考，也证明利用虚拟现实技术分析道路环境的可行性。

但是目前，国内对于规范青少年交通安全行为的系统少之又少，并且带领青少年在现实生活中去体验实际交通状况，存在一定的风险，且学生数量基数大，实施起来存在一定的困难。

因此，借助虚拟现实软件构建交通场景，挑选典型路段建立虚拟仿真交通安全体验系统训练青少年规范其自身的交通行为，增强交通安全意识，保障人身安全。

二、虚拟仿交通安全体验系统设计方案
本课题研究的目的在于通过建设虚拟仿真交通安全体验系统，以此训练、规范青少年的交通行为，保障他们的人身安全。

为了增强青少年的体验感，还原近乎真实的交通场景，并识别其交通行为，给予正确反馈纠正。

1．虚拟交通场景的设计
针对还原现实交通环境这一目标，给予青少年真实感官刺激，增强体验感。

需添加静态虚拟要素和动态虚拟要素，要求最好来源于现实。

静态虚拟要素的添加是对现实交通环境的还原和补充，利用三维建模软件构建三维道路造型，导入图片贴图处理模型，完善交通环境。

根据虚拟环境中交通指示、文字提示灯方式对青少年进行引导。

动态虚拟要素的添加是为了仿真动态交通环境，利用虚拟仿真软件和编程软
件构建脚本，将特定脚本关联至红绿灯、车辆、行人等模型上，给予运动信息。

青少年获取道路动态信息（如红绿灯闪烁），进行交通体验。

2．交通行为判别的设计
针对识别虚拟仿真环境中青少年错误的交通行为并给予纠正这一问题，需设计相应的检测方法，将检测结果告知系统，得到正反馈。

因此，添加碰撞体干涉以检测青少年交通行为是否安全，利用虚拟仿真软件给运动模型外挂干涉脚本，设计判别依据，青少年在虚拟场景中需遵守交通规则，避开碰撞体，保证自身安全；添加青少年行为判别以反馈，在虚拟场景中，添加干涉反馈事件，青少年触发判别系统后，系统警告提示，告知错误行为，以此规范其行为。

二者相辅相成，缺一不可。

三、虚拟仿交通安全体验系统的技术实现
该系统主要建立在虚拟环境下，为了健全青少年交通安全体验系统，需要借助相关的软件进行场景的设计、搭建，对其行为方式进行判别、反馈，从而达到训练的目的。

根据提出的设计方案要求，不仅需要建立静态模型、动态信息，还需要在动态模型上添加干涉事件，以及建立一定的青少年行为判别系统。

通过对常用的三维可视化软件的对比，常见的三维建模软件SolidWorks、3DMax、Maya 等并不具备实现模型的动态信息添加、模型行为检测的功能[2]。

因此利用上述常用的三维建模软件进行建模，以.fbx 文件的格式导入虚拟仿真软件Unity 3D 中，完成对虚拟仿真体验场景的构建。

1．虚拟交通场景的实现 （1）静态交通虚拟场景的构建
构建静态虚拟场景的目标是还原真实交通环境，给予青少年最直观的感受。

借助Unity3D 软件搭建三维的基础地形之后，采用高分辨率的VR 相机对典型的道路进行全景照片
第2期 杜宝江等：虚拟仿真交通安全体验系统 65
的采集，一方面显示的街景图片来源于现实，仿真度比较高的静态模型添加上现实街景图显得更加贴近于生活；另一方面，Unity 3D 软件对于图像的兼容，还原性比较好。

最后，以贴图的形式将采集的图片添加到虚拟场景中，完成对虚拟场景静态要素的添加。

交通场景采集示例如图1
所示。

图1 交通场景采集示例图
虚拟场景效果图如2
所示。

图2 静态场景仿真图
（2）动态虚拟要素的构建
添加动态虚拟要素的目标是仿真动态的交通环境，青少年在进行交通安全体验时，需要对道路信息进行收集、观察和判断，然后做出正确的行为动作。

利用建模软件，在模型建立的基础上，添加模型运动信息，规定动态模型的运动路径、确定运动模型的运动速度和方向、创建合理的视点。

具体方式为：利用选用的Unity 3D 三维可视化软件，在其Curvy 中找到project 面板，然后将spline controller 脚本拖动到物体上，并且将上面制作好的curvy spline 拖动赋给spline controller 中的变量进行绑定，同时设置一下运动速度speed，就可以看到运动体沿着轨迹开始移动了。

模型运动示例图如图3
所示。

图3 模型运动示例图
添加特定运动信息之后，模型可按照预定的运动轨迹进行运动。

修改相关参数，如修改speed 参数，即可修改场景中模型的运动速度。

这样，便可自行调节参数，重复训练学生、并规范他们的交通行为。

通过上述两部分，将虚拟交通环境搭建完成。

但是，作为交通安全体验系统，仅有这两部分内容还是不够的，不足以体现如何规范青少年的交通行为方式。

2．交通行为判别的实现
（1）添加碰撞体检测
碰撞检测技术是虚拟现实系统的重要技术之一[3]，设计碰撞检测的目标在于检测场景中两物体是否发生了模型干涉，若发生干涉，则不符合交通逻辑。

同时，也作为青少年交通行为是否安全的判别依据。

以汽车模型为例，虚拟交通场景中碰撞体的碰撞都是在同一平面，也就是说可以忽略高度，将汽车模型与行人模型的碰撞检测简化为两个矩形在同一平面的碰撞，如图4所示。

令汽车包围盒四点坐标为（1X ，1Y ）、（1X ，2Y ）、（2X ，
1Y ）、（2X ，2Y ），在坐标系中的位置如图5所示。

图4 汽车模型简化图 图5 模型在坐标系中位置图 在Unity 中编辑脚本程序，利用程序检测包围盒所在平面有无交集，实现交通模型碰撞检测，核心代码如下：
void AABB：：getCorners（Vec3 *dst） const//获取四个顶点信息 {assert（dst）；
// 朝着Z 轴正方向的面
dst[0].set（_min.x， _max.y）； // 左上顶点坐标 dst[1].set（_max.x， _max.y，）； // 右上顶点坐标 // 朝着Z 轴负方向的面
dst[2].set（_max.x， _max.y，）；// 右上顶点坐标 dst[3].set（_min.x， _max.y，）； // 左上顶点坐标 }
//判断两个包围盒是否碰撞
bool AABB：：intersects（const AABB& aabb） const{
return （（_min.x >= aabb._min.x && _min.x <= aabb._max.x） || （aabb._min.x >= _min.x && aabb._min.x <= _max.x）） &&
（（_min.y >= aabb._min.y && _min.y <= aabb._max.y） || （aabb._min.y >= _min.y && aabb._min.y <= _max.y）） &&
}
核心代码设置了简化物体的坐标，通过检测坐标值是否存在干涉情况来判是否存在碰撞，将设定好的脚本写入，并与场景中涉及到的模型相关联之后，为规范青少年的行为方式是否安全提供了依据。

（2）青少年行为判别
青少年行为判别模块设计的目的是对青少年在虚拟交通场景下的交通行为作出识别，并给予反馈，以此来纠正青少年的交通行为方式。

本节承接与上一节的碰撞检测，通过编写判别检验系统，当模型发生碰撞干涉时，给予反馈。

具体做法是可以通过设计良好的UI 交互界面，导入Unity3D 引擎，触发干涉事件，弹窗UI 界面给予反馈，告知正确交通行为，纠正错误交通行为。

本系统借用Unity3D 中的GUI 系统，设计交通碰撞后知识问答界面，供青少年进行知识答题，提升交通安全知识。

效果如图6所示。

（下转第191页）
第2期 白 鑫：都龙锡锌多金属矿床CuFeS2-ZnS-FeS2交生结构的成因判别 191
硫化物样品20件进行磨制光片。

本文利用电子探针微束分析技术对该矿床具交生结构的硫化物进行了详细的形态学和成分研究。

测试单位为昆明理工大学电子探针分析室，仪器型号为JXA-8100。

测试所用加速电压为15KV，电流为20nA，束斑直径为1μm 和5μm。

为了探寻具交生结构的闪锌矿-黄铜矿-黄铁矿的成分及其变化规律，在进行成分分析时挑选了黄铜矿和黄铁矿分布较为均匀的地方进行测试，颗粒较小（5μm）的黄铜矿（黄铁矿）电子束直径为1μm，颗粒较大（30μm）的束斑直径为5μm。

为了更好的分析黄铜矿（黄铁矿）成分在空间上的变化，在测试过程中采用线测试方法沿一定方向线性打点。

五、测试结果
本次分析一共测试了26个点，其中闪锌矿-黄铜矿交生结构21个点，闪锌矿-黄铁矿交生结构5个点。

从测试结果看来，闪锌矿、黄铜矿和黄铁矿中Zn、Fe、S 和Cu 含量的变化范围都较小，没有出现明显的含量变化。

同时发现黄铜矿边缘和核部的元素含量几乎没有变化。

将富铁闪锌矿中黄铜矿和黄铁矿测试数据分别投在FeS-ZnS-CuS 的三元体系相图中（图2），此图内有在600~800℃温度条件下通过实验测定的闪锌矿固溶体出溶成因区。

从结果看来，成分点几乎都投影在固溶体出溶区域，黄铜矿的形成温度大致在300~400℃之间。

图2 Fe-Cu-Zn-S 体系固溶体区及交生黄铜矿-闪锌矿成份投影图 六、闪锌矿-黄铁矿-黄铜矿交生结构的成因
早期大量研究普遍认为闪锌矿-黄铜矿密切同生结构是“固溶体分离”成因，即在高温成矿阶段形成的闪锌矿-黄铜矿固溶体，随着温度降低，发生固溶体分离，形成闪锌矿-黄铜矿密切交生体。

后来学者经过研究认为出现这种交生结构的成因也可能为交代成因，认为含Cu 的热液对早期形成的闪锌矿进行了交代，从而形成了黄铜矿斑点。

前人关于交生结构交代成因理论的立论依据之一是闪锌矿边缘的Fe 元素含量较中心明显降低，被认为是在交代过程中迁移到后期形成的黄铜矿中。

而本次研究闪锌矿边缘的Fe 元素并没有明显降低，而且两种矿物接触的边界附近，无论闪锌矿还是黄铜矿的边缘，Fe 元素含量都没有显著降低/升高的现象，说明都龙锡锌多金属矿床的闪锌矿-黄铜矿交生结构并不是交代成因。

从投影出来的FeS-ZnS-CuS 的三元体系相图来看，黄铜矿的形成温度为300~400℃，从图上来看成分投影点几乎全部落在固溶体出溶区域，这指示了都龙矿床闪锌矿-黄铜矿交生结构成因为固溶体分离成因。

七、结论
综上所述，笔者认为都龙矿床闪锌矿-黄铜矿交生结构是由于黄铜矿在高温成矿阶段（400℃）与闪锌矿发生混溶形成闪锌矿-黄铜矿固溶体，当温度降低时固溶体发生分离，黄铜矿出溶于闪锌矿，故而形成黄铜矿成水滴状、短线状、网格状不规则分布于闪锌矿上的现象。

云南都龙锡锌多金属矿床中闪锌矿-黄铜矿-黄铁矿交生结构成因应为固溶体分离成因。

参考文献
[1] 张斌辉，丁俊，任光明等.云南马关老君山花岗岩的年代
学、地球化学特征及地质意义[J].
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[2] 胡文宣，张文兰，胡受奚等.闪锌矿交代黄铜矿形成的”
黄铜矿病毒”结构[J].矿物学报，2000，（04）：331-336. [3] 叶霖，鲍谈，刘玉平，张乾等.蓝江波.云南都龙锡锌多金
属矿床成矿阶段与成矿流体[J].矿物学报，2016，36（04）：503-509.
（上接第65页）
图6 交通安全虚拟场景及问答界面效果图 四、应用
本课题开发的虚拟仿真交通安全体验系统已成功应用于上海市虹口区部分中小学安全教育培训项目建设。

通过对在校学生的训练，青少年的交通安全意识得到了普遍的增强，交通安全行为得到了有效的规范，保障了青少年的人身安全。

五、结论
本文通过一定的逻辑关系设计了交通安全虚拟仿真体验系统，借助三维可视化软件构建静态虚拟场景、添加设定的动态信息，一方面保证了场景的真实性，另一方面还原了现实交通环境的动态效果。

其次，将危险情况纳入考虑范围之内，将场景中的今天模型进行碰撞检测，以此作为依据，和青少年的行为判别系统相联系，当触发碰撞检测之后，设计一定的问答方式对青少年的行为进行规范，以此增强青少年的交通安全意识，防范交通安全事故，保障青少年的交通安全。

参考文献
[1] 罗元.城市道路交通流智能化模拟虚拟现实系统研究
[D].2013.
[2] 许孟建，王允.基于Unity3D 二次开发的山地公路三维运
行仿真技术研究[J].上海公路，2013，（01）：14+83-86. [3] 武桐，王晓雨.Unity3D 中碰撞检测问题的研究[J].电子测
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