儿童穿越城市道路过程中关键情境虚拟仿真研究

沈婷 高瞻 王华容

摘 要：儿童行为因素是导致儿童交通事故的重要风险因素之一。由于儿童认知发展水平的局限，他们在穿越城市道路时会比成年人更容易犯错，因此需要通过一种有效的交通安全教育方法改善儿童行为从而降低风险。针对车速车间距组合的感知与判断、车辆临时停车导致的视线遮挡这两个关键情境，利用虚拟现实技术进行仿真，构建交通安全训练虚拟现实系统，培训儿童安全穿越城市道路。系统试用结果表明，学生在多次训练后过马路成功几率及安全意识均有所提升。将虚拟现实用于儿童穿越城市道路的情境仿真和训练，能增强儿童过马路能力。

关键词：儿童道路安全;虚拟现实;安全教育;人机交互

DOI：10. 11907/rjdk. 191398 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）002-0066-05

英标：Virtual Simulation of Key Scenarios of Children Crossing Urban Roads

英作：SHEN Ting1，GAO Zhan1，WANG Hua-rong2

英单：（1. School of Information Science and Technology， Nantong University;2. Department of Traffic Psychology， Institute？of？Special？Environmental？Medicine， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract：Childrens behavior factors are one of the important risk factors of childrens traffic accidents. Due to the cognitive development characteristics of children， they are more likely to make mistakes than adults in some scenarios in the process of crossing urban roads. Therefore， an effective traffic safety education method is needed to improve childrens behavior and reduce their risks of crossing urban roads. The research goal of this topic is to use virtual reality technology to simulate and construct the traffic safety training virtual reality system for educating children crossing urban roads in view of the two key scenarios of perception and judgment of vehicle speed and vehicle spacing and childrens sight blocked because of temporary vehicle parking. The system was put into local primary school trials， and the experimental results proved that students have a chance to cross the road after passing many trainings. Questionnaire survey shows that students safety awareness has improved after receiving training. It proves that virtual reality used for childrens cross-city road simulation and training can enhance childrens ability to cross the road.

Key Words：children road safety; virtual reality; safe education; human-machine interaction

0 引言

行人事故是導致儿童死亡和严重伤害的重要原因之一[1]。由于儿童注意力不集中，综合处理交通流信息能力不足，而当下交通安全教育方式参与性较低，教育效果不佳[2]。因此，亟需一种有效的儿童城市道路交通安全教育方式。

运用虚拟现实技术对儿童进行交通安全教育研究较多，如Jodie M Plumert等[3]通过实验表明，不管是在大屏幕虚拟环境还是在真实环境，人们的距离感几乎完全相同;David C Schwebel等[4]几乎一致认为，在虚拟环境中进行交通安全培训是一种新颖、有效的方法;Robert J Matheis等[5]要求不同类型的被测试者在虚拟环境和真实环境中学习并记住一个办公室场景，结果表明，虚拟环境下人脑的学习与记忆能力与真实环境没有太大差别，人们在虚拟环境中也能像平时一样学习新的知识和技能，并把它们应用到现实生活中去。

刘东波、张雷元等 [6]指出，交通违法警示教育虚拟体验系统对行人和非机动车交通违法警示具有针对性，可接受程度高。通过交通安全环境仿真，有助于快速提升行人、非机动车群体的交通安全意识;武汉理工大学研制的驾驶员模拟训练器[7]，在没有危险情况的同时使学员熟悉汽车性能，掌握基本的操作方法和驾驶技术，同时学习交通规则，在满足驾驶模拟培训的基础上提高用户的交互感和沉浸感，使汽车驾驶培训具有游戏性和娱乐性;清华大学罗元等 [8]从微观到宏观介绍了虚拟现实环境下城市道路交通流模拟的原理、方法和技术，实现了城市道路交通流智能化模拟虚拟现实系统，使研究成果能够适应虚拟现实环境下行人交通安全教育以及城市道路交通流运动研究的实际需求;重庆大学对城市道路斑马线通行体验系统[9]进行开发，证明虚拟现实技术可以对行人斑马线通行进行模拟，让体验者以第一人称的角度沉浸在虚拟现实环境中，通过操作硬件设备、观看立体大屏幕视频，真实体验斑马线通行，降低了体验者在实际通过斑马线时发生危险的概率;王梅亮等 [10]使用虚拟现实技术开发的交通安全教育和技能训练系统，让儿童通过鼠标键盘等外部设备体验桌面式虚拟现实系统，增加了交通安全教育的趣味性。

我国虽然在交通安全领域应用虚拟现实技术已有研究，但并没有真正实现沉浸式交通安全训练虚拟现实系统，现有研究大部分都是使用计算机或投影仪等仪器显示场景，没有真正使用虚拟现实设备，如虚拟现实头盔、虚拟现实数据手套等。因此，目前的儿童交通安全教育虚拟现实系统存在沉浸感不强、交互性不足、场景体验不真实等缺点[11]。

利用虚拟现实技术，针对车速车间距组合的感知与判断、车辆临时停车导致的视线遮挡这两个关键情境，本文使用虚拟现实头盔设备开发儿童穿越城市道路的交通安全训练虚拟现实系统，训练儿童对车速、车间距以及周围环境作出正确判断，增强交通法规意识，提升安全穿越城市道路技能，从而获得自我保护能力。本文将系统投入当地小学试用，设计实验对儿童进行训练，获取并分析训练数据，验证了该系统的有效性。

1 车速与车间距判断情境

JGordon Simpson等 [12-14]研究表明， 10岁以下儿童的交通事故发生率远高于其它年龄段的主要原因在于他们缺乏交通流信息综合处理能力，不能正确判断车速、车间距，准确找到过马路的时机以及控制自身速度，其中最重要的是车速和车间距判断;Connelly等[15]研究指出，2/3的儿童只根据距离判断是否安全，而不考虑车速;Rosenbloom等[16]调查被试人员对车辆距离和速度的视觉计时，研究与此相联系的危险害怕情绪体验，结果发现，成人能够根据车辆速度和距离作出恐懼与害怕评价，而儿童很难将速度与危险联系起来，也很难将速度与距离整合考虑。

十字路口交通状况复杂，有过街行人、驶入交叉口的车辆，在这种情况下，机动车为了获得优先权容易与行人发生冲突，常常会为了通过交叉路口加速行驶。本就不能正确判断车速车间距的儿童在这种情况下，经常来不及作出反应。而高速驾驶时，驾驶员在短时间内接收信息并作出正确处理的可能性较小，因此操作失误率较高。根据能量守恒定律，速度越高，车辆发生碰撞时的加速度越大，释放的能量也越大，对车辆和行人的危害也越大[17]。

以上研究表明，儿童在穿越城市道路时，本就缺乏正确判断车速、车间距的能力，在道路交通复杂的情况下，与成人相比更容易发生事故，而因车速误判造成的伤害会非常大。因此，对儿童进行穿越道路的交通安全训练时，需要将车速与车距整合起来，帮助儿童正确识别车速车间距，判断当前的交通状况是否适合穿越道路，建立正确的车辆信息判断能力，提升城市道路穿越安全性。

为了提升儿童对车速车距感知能力，本系统设计车速车距感知训练场景，场景设计如图1所示。场景中道路为双向车道，各车道宽3.5m且均有车流，车道中存在供行人穿越城市道路的斑马线。

启动系统后，程序会在每个车道的起始处生成车辆，待车辆充满道路时，引导儿童佩戴虚拟现实头盔并进行训练，训练的最终目的是成功穿越城市道路到达马路对面。儿童在过马路过程中，系统会记录多项数据以便后期分析研究，主要包括通过马路时间、与车辆的最近距离、两次过车距离（过车距离指儿童穿越马路时与来车的距离）以及是否通过马路。

2 视线遮挡关键情境

实际交通中可能存在儿童视线被某些障碍物遮挡的情况，导致儿童接收错误的交通信息，作出错误的判断与行为，这是影响儿童安全过马路的一大因素[18]。儿童视线被遮挡指儿童在穿越城市道路时，路上存在大型车辆等障碍物影响儿童视野。由于儿童缺乏安全穿越城市道路的经验，在经过障碍物时往往不会仔细观察周围环境，排除存在视线遮挡的可能性，因此容易引发交通事故。

针对儿童穿越城市道路时无法正确判断是否存在视线遮挡的情况，需要设计儿童可能存在视线遮挡情况并使用虚拟现实技术，在虚拟环境中对该情况进行仿真，让儿童在虚拟世界中感受视线遮挡的场景，体验错误判断视线遮挡的危险后果，教育儿童在穿越城市道路过程中注意该类情形，并在过马路时养成仔细观察道路两边信息的习惯，从而达到交通安全教育的目的。

本文在虚拟训练系统中搭建视线遮挡关键情境，如图2所示。

图2中，儿童意图从马路这边走到另一边，此时儿童的左边有一辆静止的车辆A，因为车辆A导致一段视野盲区（图2中阴影所示），可看出在当前情况下，车辆B处于儿童视野盲区内，若车辆B正以较快速度向右行驶，并且儿童在穿越该段道路时没有注意观察左右车辆或不了解可能存在的视线遮挡情况而径直向前穿越道路，则极有可能被视野盲区的车辆B撞到而发生交通事故。

设计在训练前告知儿童以平常心态穿越虚拟现实头盔呈现的道路场景，以不被虚拟车辆撞到、安全到达马路对面为目的。在进行训练时，启动系统，让儿童佩戴头盔，此时系统启动车辆B，车辆B的位置经过事先计算，可以基本保证儿童径直走过车辆A并不放慢脚步左右观察时会被车辆B撞到。

由于儿童行为存在随机性，如游戏一开始儿童就以较快速度跑向对面，这会导致车辆B还没有靠近儿童时就已经到达马路对面，还存在一种情况是儿童在马路上走走停停、速度非常慢，这时车辆B已驶过车辆A，而该儿童还未走完马路的一半。上述两种行为虽然没有被车辆B撞到，但是都属于危险行为（在马路上奔跑和停留同样危险[19]）。因此，本文设置若干判断条件判定儿童是否成功过马路，判定条件如表1所示。

图3是系统的视线遮挡训练场景俯视图和从儿童视角看到的道路交通情况图，可以看出在视线遮挡场景训练中，儿童站在大型车辆旁准备穿越城市道路，此时儿童根本无法看到隐藏在大车辆后面的小汽车。

3 实验与数据分析

本系统硬件平台为GTX1050的PC机和HTC VIVE虚拟现实头盔设备，操作系统为Windows，虚拟现实场景通过头盔显示，对训练者进行穿越城市道路的交通安全训练并记录训练结果，用户使用场景如图4所示。

图4中，训练场地为小学教室，大小为8m×6m，场地要求没有障碍物，VIVE定位器放置在长方形场地的两个斜对角位置。通过系统设置，将训练场地中8m长的边设置为需横穿的城市道路，这满足3.5m×2宽的城市双向车道。使用者需佩戴头盔体验穿越城市道路过程，从场地一端安全走到另一端，即在虚拟环境中从一端路沿安全穿越道路到另一端路沿。图4中左上角为程序的电脑端显示，即为儿童进行交通安全训练时头盔显示器所见场景。

儿童穿越城市道路交通安全训练虚拟现实系统有两个关键情境：车速车间距组合的判断和视线遮挡场景设计实验。在某小学抽取部分学生进行实验，记录并分析实验数据。

3.1 车速、车间距感知实验

3.1.1 实验设计

随机选择四、五年级的小学生各80名，共160名，性别各半。实验步骤如下：①实验者佩戴相应设备，了解实验任务;②摄像机全程记录实验者过马路行为及当前道路信息;③4种道路交通情境，包括车速快车距远、车速快车距近、车速慢车距远和车速慢车距近，通过拉丁方设计[20]4组实验如下：

车速与车间距分别是：①30km/h+20m车间距;②30km/h+100m车间距;③60km/h+20m车间距;④60km/h+100m车间距。

受训儿童需要按照特定的车速车间距顺序训练8次，其中每种道路情境下训练2次。在每次训练中，受训儿童需要在给定时间内判断最佳过马路时机，穿越马路并到达马路对面记为“成功过马路”。

3.1.2 数据分析

在车速、车间距实验中，分析每次实验中儿童的平均通过率（安全穿越城市道路的学生数目占总数的比例），实验结果如图5所示。横坐标代表每一次实验，纵坐标代表160名学生的平均通过率。可以看出在相同的车速车间距情况下，儿童经过一次训练后再次训练的通过率会有明显提升（比如第二次比第一次的通过率高很多）。靠后的训练次数难度更大（更小的车间距和更大的车速），在训练难度提升的情况下，折线图总体仍呈上升趋势，通过率有所提升，证明了系统的有效性。

3.2 视线遮挡实验

3.2.1 实验设计

随机选取小学生做实验，从四、五年级中各选择60名共120名学生，男女生各占一半。在实验过程中，告知儿童以平常心态在虚拟场景中安全穿越城市道路，实验人员不会透露障碍物后方会有来车。本实验共考虑了两个训练场景，分别是障碍物在左边和障碍物在右边。

儿童过马路时，系统会时刻记录穿越马路过程中是否有转头行为，在过马路时是否跑动、跳跃或停留，是否出现其它玩闹行为，是否走在斑马线上，是否被撞以及过马路时间。每位儿童共做5次实验，根据记录的实验数据判断儿童是否成功过马路。

3.2.2 数据分析

兩种视线遮挡训练场景中儿童每次训练的通过率如图6所示。可以看出刚开始训练时，儿童并未注意观察交通流中可能存在的视线遮挡情况，因此前两次通过率较低。随着训练次数的增加，儿童意识到注意视野盲区的重要性，通过率逐渐提升。同时发现两个训练场景的通过率基本一致，尤其是经过多次训练后，两次的通过率基本一致。

3.3 问卷调查

为了进一步评估系统训练效果，本文对训练后的儿童进行问卷调查，主要从以下4个方面设计问卷：①儿童训练时的身体反应;②儿童训练时的心理感受;③训练模块逼真度;④系统有效性。从参加训练的学生中随机抽取200人进行问卷调查，通过对问卷调查分析发现，系统达到了较好的训练效果。图7展示了部分统计结果，可以看出受训者普遍认为训练场景逼真、训练效果好。同时可以看出一部分儿童在训练时会有身体不适，多是眼睛疲劳、眩晕等常见现象。还有极少数儿童会觉得厌烦，这和场景关卡设计相关，也表明需进一步提升系统训练模块的丰富度。

4 结语

本文设计的儿童交通安全训练虚拟现实系统，形式新颖，参与性强，拥有良好的视听感受。实验结果表明，该系统互动性较好，相比传统的交通安全教育形式，能提高儿童道路安全意识，具有显著的道路安全训练效果，有利于提高儿童道路安全技能，减少儿童因自身行为导致的道路安全事故。本系统开发证明虚拟现实技术可以用于儿童过马路行为训练，为后续研究交通安全教育手段提供了一个方向。后续还需完善交通安全训练虚拟现实系统，如更多地考虑儿童穿越城市道路的关键情境，以及更为逼真地模拟车辆等。

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（责任编辑：杜能钢）