交通仿真中的虚拟现实技术

图1.1：虚拟现实的３I特征交通仿真中的虚拟现实技术

【摘要】虚拟现实技术是当今科技发展的新热点，虚拟现实技术也越来越多的成为交通仿真领域应用软件发展的新趋势。本文简要介绍了虚拟现实技术的特点，探讨了在交通仿真中虚拟现实技术的应用情况，并对虚拟现实技术在这些领城的发展进行了展望。

【关键词】虚拟现实；交通仿真

随着我国的交通事业迅速的发展。在交通仿真应用软件不断更新，除了模型本身，虚拟现实技术的应用越来越多的成为这些软件发展的新趋势以及评价的一个重要指标，为实际应用提供了更为直观、有效的工具。本文就交通仿真中虚拟现实技术的应用进行了分析和介绍，并对今后交通仿真领域虚拟现实技术的发展进行了展望。

一、虚拟现实技术综述

虚拟现实技术(virtual reality, VR)，又称临境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征（如图1.１）的计算机高级人机界面。它综合利用了计算

机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计

算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人

的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在

计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自

然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其它客观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验。

虚拟现实技术具有超越现实的虚拟性。虚拟现实系统（如图1.２）的核心设备仍然是计算机。它的一个主要功能是生成虚拟境界的图形，故此又称为图形工作站。图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设，目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其中高档的头盔显示器在屏蔽

现实世界的同时，提供高分辨率、大视场角的虚拟场景，并带有立体声耳机，

可以使人产生强烈的浸没感。其他外设主要

用于实现与虚拟现实的交互功能，包括数据

手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、

语音识别与合成系统，等等。

图1.2：虚拟现实系统的组成

虚拟现实是近年来十分活跃的技术研究领域，是一系列高新技术的汇集。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术更高层次的集成和渗透。它能给用户以更逼真的体验，为人们探索宏观世界和微观世界以及由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律，提供了极大的便利。将某种概念设计或构思转化为可视化或可操作化的过程，实现逼真的现场效果，达到任复杂环境的廉价模拟训练等目的。虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律三大手段。

二、交通仿真的概念

仿真是将所研究的问题用其它手段加以模仿的一种技术，按所用的方法分为物理仿真和数学模型仿真即计算机仿真。物理仿真就是对真实系统建立物理模型；数学模型仿真就是运用计算机及相应的程序代码表示实际系统，使之运行时与实际系统在逻辑上具有相同或类似的特性，从而可以用它来检验实际系统，修改实际系统的不足之处，或者用于教学演示等，并能节省费用和时间，减少不必要的风险。

具体来说，交通仿真技术是运用现代计算机技术建立能够替代实际交通系统的计算机模型的研究过程，该模型能够再现现实交通系统的特性，分析在各种设定条件下交通系统的可能行为，通过模型仿真的试验结果，以寻求现实交通问题的最优解、评价运输设施各类设计方案的效果。

宏观仿真和微观仿真是根据交通研究模型的不同而对交通仿真进行研究的两种主要方法。根据交通宏观参数来描述交通流状态的模型是宏观交通模型，它主要是针对车流整体。而侧重模拟车辆个体运动状态的研究方法则是微观交通模型。若交通流的运行是通过流量——密度关系来控制，流体运动的机制通过交通流的运动来处理，且模型不追踪单个车辆处理，则主要应用在宏观仿真

中。典型的宏观仿真问题有路径出行选择问题、网络流量分配问题等。

微观仿真模型以单个车辆为描述对象，以跟车模型为基础，追踪每辆车的运动过程，在微观模型中，每辆车的位置和当前速度是很重要的参数，在交通网络环境中单个“驾驶员——车辆元素”的动态变化是微观模型的考察重点。在考察过程中，要遵循的二个规则:车辆移动的基本规则(跟车模型和换道模型)、信号约束规则和服务优先规则。

到目前为止，较为成熟并且已具有相当商业性和通用性的交通仿真软件有:苏格兰Quadstone、Limited公司的PARAMICS；美国联邦公路署(FHWA)开发的CORSIM，NETSIM；德国PTV公司的VISSIM；西班牙TSS公司的AIMSUN2；另外还有由TRRL开发的TRANSYT；由MIT开发的DYNAMIT 等。

三、交通仿真中的虚拟现实技术

交通系统是一个涉及驾驶员、车辆、道路、交通环境相互作用的复杂系统，既有其确定性的一面，又有随机性的一面，同时还有人的行为因素的影响。尤其对于我国大城市的交通系统。相比较国外的交通系统而言，其复杂性、不确定性、人的行为因素的影响表现得更为突出和集中。对于这此复杂的交通现象和交通问题的分析，传统的分析方法即经验模型法和分析模型法很难加以科学、直观的分析，随着计算机技术的飞速发展，在复杂的交通系统的设计和分析中，因计算机仿真的优点在交通领域得到较为广泛的应用。但随着“数字交通，概念的提出和基础设施的建设，人们在对交通的仿真精度提出更高要求的同时对系统界面的友好、直观也更为关注，而虚拟现实技术是解决这一问题的途径之一。

20世纪90年代后，如何对交通实际情况虚拟现实(VR)、多媒体技术(MMT )和二、三维动画技术有效地结合实现更加友好的人机工程成为交通仿真软件的研发重点。

１、微观交通仿真中的虚拟现实技术

2000年后，交通环境的3D可视化的开发和实现己经成为交通仿真的一个重要的研究方向。3D仿真技术的实现逐步开始与两个方面的技术紧密结合在

一起，一方面是3D引擎技术，另一方面是就是虚拟现实技术(VR) 。

当前微观仿真技术应用比较多的领域是城市地理信息系统，基于细节层次显示技术和视景分块调度技术，结合虚拟现实技术，通过对图形数据和属性数据库的共同管理、分析及操作。实现数据可视化，也可使用基于图形和基于图像的建模技术对建筑物和其他一些复杂的模型如树木等进行重建，再利用有理函数模型表示遥感影像与地面之间的构象关系，使用纹理映射技术，构建具有高度真实感的平面或者三维景观图。或者将城市表面几何对象经过模型化后，都以数字的形式存储在计算机中，采用纹理和贴图技术、LOD模型、动态多分辨率的纹理与影像优化技术，进行微观仿真。

在软件方面，目前国内比较成功的交通仿真产品有同济大学的邹智军、杨东援开发的TESS；浙江大学的王晓薇、李平研究的城域混合交通流仿真系统的人机界面设计实现；同济大学的钟邦秀、杨晓光建立的面向对象微观交通仿真系统；清华大学的娄明、张毅研究的基于Java3D技术的虚拟车辆仿真系统；北京工业大学的荣建、向怀坤、冯天科研究的基于GIS的城市快速路交通仿真模型研究；中国农业大学的孙晋文对基于Agent的智能交通控制策略与可视化动态仿真进行了研究等。但由于我国相关软件开发与国外还有相当差距，国内软件并没有得到推广。目前，国内交通行业仍以引进国外交通仿真软件为主，应用较广的软件主要有英国的苏格兰Quadstone公司开发的Paramics、德国PTV的Vissim、美国Caliper公司的T ansModeler等。

2、行人仿真中的虚拟现实技术

中国的城市交通以非机动车和机动车的混合交通流为主，行人干扰现象严重，所以，对行人进行仿真研究具有重要意义。与机动车模拟仿真研究相比，对于行人运动仿真的研究起步较晚，究其原因主要在于行人运动比车辆运动更加复杂的缘故。现在流行的行人仿真软件大都为国外开发的软件，如Keith Still 教授在1996年开发的Legion仿真系统；英国合乐(Halcrow)公司开发的PAXPORT仿真系统；荷兰Delft理工大学开发的NOMAD仿真系统；ANSYS 公司开发的STEPS仿真系统等。

国内面临的交通流问题从来都是混合交通流，但国外微观交通仿真软件绝