基于SCANeR快速道路建模的程序化方法

杨 烁，王雪松，王艳丽，毋妙丽

（同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

驾驶模拟器具有安全、准确、可重复的实验环境等突出优势，可以支持交通安全研究，交通心理与行为，智能交通系统（ITS）中的人车路系统，基于安全因素的交通设施设计与维护，汽车的设计、研发与测试等领域的研究与开发[1-2]。基于驾驶模拟器的研究成果非常丰富，如道路设计有与安全评估方面，文献[3—4]研究了高速公路组合路段设计与车速和车道偏移的关系，评估设计安全性；环境影响驾驶行为方面，时恒等[5]利用驾驶模拟器可改变驾驶环境的特点，研究了雾霾天气对车辆跟驰行为的影响；黄晓翔等[6]研究了在城市道路场景下，驾驶员对应激场景的驾驶反应；Wang等[7]研究了在模拟环境下，安全地获取驾驶员在碰撞风险下安全停止所需的最小距离，用于研究前向碰撞预警算法。驾驶模拟平台在实验教学中的应用也越来越广泛，但作为一种大型仪器设备，同样存在专业性强、使用率低、软件专用、不易获取信息等问题，如何提高其使用率和增加效益，是实验室管理者面临的共同问题[8-9]。

道路场景建模是驾驶模拟实验进行的根本基础，会耗费研究者大量的时间精力，场景对实验结果具有决定性影响。关于如何搭建模型的相关研究比较少，一般情况下，场景搭建工作都采取手工方式[10]，但实际使用中存在学习成本高、工作烦琐、错误率高等缺点。陈鹏等[11]使用移动测量技术快速搭建城市道路虚拟场景，可以达到良好的建模效果，但需要移动测量车等特殊设备，不具有推广性。

本文从分析RoadXML的道路数据格式开始，用程序化的方法导入设计参数，快速生成场景，用于解决高速公路一类的建模问题。

1 RoadXML及开源解析器

SCANeR Studio是为驾驶模拟器设计的软件工具，能够实时记录仿真数据，采集车辆动力学参数、交通参数、环境参数、驾驶员操作参数等也可以添加辅助设备采集驾驶员眼动、心率和面部表情等数据。其原生地图格式为 RoadXML，同 OpenDrive、OpenStreetMap等地图格式相同，都是一种开源道路数据格式，遵循 XML语法，在企业和科研院所近20年的研究历史，被普遍应用于驾驶模拟器和交通研究中。

同济大学建设了世界先进的八自由度运动系统的驾驶模拟器，横、纵范围5 m×20 m，驾驶舱内置一辆真实车辆，具有先进的视景和声响系统，高逼真地模拟驾驶环境，使用 SCANeR作为软件平台，实物如图1所示。

在软件的 Terrain模式可以直观地编辑路网，路网的全部信息以RoadXML格式的文件存储，逻辑层的信息关键决定了车辆行驶逻辑和仿真数据，车辆动力学数据、交通流仿真、路面摩擦系数控制、自动驾驶车辆路径控制、环境声音、生成三维路网和驾驶模拟器的体感模拟等都依赖于逻辑层。道路周边环境可以使用 3DSMAX编辑或者添加 SCANeR的原生 对象。

本文的研究基于 2.4.1版本的 RoadXML数据格式，在开源网站 Github上可以获取解析器的全部源码[12]，在Windows系统下编译源代码得到VS项目，利用Visual Studio打开此项目，可以阅读其文档对象模型，并在此基础上编写读写RoadXML格式的程序。2.4.1版本的RoadXML格式说明中包含了80个标签，以及相应的属性和元素，部分结构如图2所示。

图1 同济大学驾驶模拟器实物

图2 RoadXML数据结构

2 程序设计

通常情况下 CAD设计图中的竖曲线表和直曲线表包含了道路设计的全部参数，需要设计合适的表格并对需要的参数进行合适的处理，用于程序读取参数生成对应的RoadXML文件。

2.1 平面线型数据

平面线型数据保存在XYCurve标签及属性值中，其嵌套4种线型标签，Segment、CircleArc、ClothoArc和 Polyline，分别表示直线、圆曲线、缓和曲线和多段线，通常定义道路线型只使用前3个标签。设计数据表的字段名如表1所示。表中Angle是道路起点的方向角度（0°～360°），Length 为对应线型的长度，Type用于区分3种线型。

表1 平面线型数据表字段名及含义

2.2 高程数据

直曲线表一般只提供了桩号、标高、曲线半径、切线长、外距、纵坡等数据，在SCANeR中无法直接利用这些数据来绘制纵断面。根据这些参数计算设计高程[13]，10 m步长得到每个桩号相应的设计高程，或者在纵断面设计图中直接提取桩号和设计高程的数据。

在SCANeR的Terrain模块中可编辑高程，其纵断面曲线由3次样条曲线拟合，拟合曲线经过所有控制点，两控制点之间的曲线形状由斜率来控制，拟合曲线在控制点处相切，改变某个控制点的高度或者斜率只影响相邻两点区间中的曲线形状。为了保证路面曲线平顺，不发生颠簸现象，使用式（1）计算每个控制点的斜率，即此控制点左右两点之间的斜率。

起点和终点坐标的斜率与旁边的坐标点斜率相同即可，不会影响道路整体的平顺性。设计纵断面表格如表2所示。

表2 纵断面数据表字段名及含义

纵断面数据以 SZCurve标签表示，嵌套 begin，end两个标签，属性值存储控制点坐标和斜率。

2.3 程序流程与实例

程序读取表格中的所有数据，每行数据都存储在容器的对象中，以树-节点的方式将赋值到对应标签对象当中，程序执行流程如图3所示。

图3 生成RoadXML文件的流程图

3 适用性分析

程序实现了从平面图表数据和竖曲线表获取设计道路的横、纵线型数据，由此快速生成相应的RoadXML文件，得到模拟道路，无须手动输入数据，可以直接观察道路的形状，并进行适当的调整与完善。在SCANeR中非常完美地重现了CAD设计图中的道路，省略了手动输入数据过程中烦琐的数据校准，在数据量巨大的情况下，效果十分明显。常规的建模方式中，手动输入道路参数，数据精度只能编辑到 0.001 m，使用程序导入数据则没有精度限制。

在实验教学中具有促进意义，引导学生对软件进行深入学习，加深对交通仿真的理解，牢固计算机辅助应用知识和夯实交通专业知识，提高综合能力，可根据需求合理修改程序，并进行探索性的实验[14]。

同样也存在一些不足之处，城市道路场景中存在大量的交叉口，由于SCANeR软件的特性，无法对交叉口进行精确编辑；并且存在公交车停站点等，导致道路横断面变化频繁，收集横断面数据更加烦琐，所以城市道路下适用性较差。

4 结语

使用SCANeR软件的机构很多，但是对于道路建模方面的研究还非常少。高质量的仿真场景中道路逻辑层面搭建是核心，通过引入ParserRoadXML构建道路，可快速开展山区高速公路设计优化和安全评估、驾驶环境与行车安全等方面的研究，在“人—车—路—环境”要素下解决道路相关的场景搭建问题。对评估道路线型设计等研究方向具有重要意义。

同时，软件的使用对优化仪器设备、及时跟进前沿研究课题、总结使用规律和经验等具有优化作用，从技术角度挖掘高校大型仪器设备的潜能，提高使用效率。