驾驶模拟器

酒驾者。药驾者。疲劳驾驶者。Ginger Watson每天都让他们坐上她的雪佛兰 Malibu 的驾驶座，然后让他们在车流中自由驰骋，只希望他们能发生一场非常糟糕的事故。“你必须看到人们在开车时睡着，”Watson 兴高采烈地说。

坐在这台世界上最先进的驾驶模拟器驾驶座上的这位女士，看不到头顶上的 15 台投影仪，它们创造了一个如此逼真的虚拟世界，以至于她会忘记自己的汽车正行驶在一条没有终点的道路上。

对那些驾驶员来说，幸运的是，危险纯属虚拟。那辆 Malibu 并不是一辆真正的汽车。它确实是一辆雪佛兰，有真正的座椅和真正的控制装置，但它没有轮胎，取而代之的是液压执行器，它们能令人信服地模仿轮胎在路面上滚动的颠簸感。掀开引擎盖，里面不是发动机，而是一堆电缆和电脑。走出车辆，从错误的视角看，风景就会消失。这辆能够轻松从 0 加速到 60 英里/小时的碰撞测试汽车，实际上是在一个巨大的模拟器中完成的。在这里，作为国家先进驾驶模拟器人类因素实验室主任的 Watson，可以测试任何驾驶员在最可怕的场景中，并反复进行。

多年来，驾驶模拟器一直被用于研究道路设计、培训驾驶员以及测试消费者对新车的接受度。其复杂程度从只有 PC 屏幕和操纵杆的简陋模拟器，到具有逼真汽车控制和道路声音的模拟器不等。世界上最顶级的模拟器由柏林的戴姆勒克莱斯勒公司拥有，它安装在一个约 20 英尺长的轨道上，并为虚拟体验增加了运动感：猛踩刹车，驾驶舱就会向后弹射，将驾驶员推向方向盘。

当国家先进驾驶模拟器于一月投入使用时，它让德国的机器相形见绌。这是第一次，模拟器中的驾驶员发现周围的世界如此逼真，以至于他忘记了那辆突然驶入他车道的汽车并非真实存在。这种逼真性并非廉价——开发和建造爱荷华大学珊瑚维尔研究中心这座模拟器的 8000 万美元成本，大部分来自国家公路交通安全管理局。

然而，与每年公路事故造成的约五条生命损失相比，这个价格似乎很低。国家公路交通安全管理局人类中心研究办公室主任 Keith Brewer 表示，交通事故每年给美国造成的损失超过 1500 亿美元。

爱荷华州的模拟器安装在一对相互垂直的长梁上。一根梁前后移动，另一根梁左右移动，可在 4,356 平方英尺的范围内移动。由于模拟器的圆顶可以自由快速移动，因此可以帮助营造一种倾斜感。如果驾驶员踩下刹车，雪佛兰不仅会向后弹射并降低车头，周围巨型屏幕上的图像也会略微上升。机器还可以将驾驶员向侧面抛出，甚至在侧滑时将世界变成一个令人头晕的旋转木马。

Watson 说，真实的运动感起到了关键作用：“如果汽车给你的感觉像真实世界，你的表现就会非常接近真实世界。如果不是，你就会做出一些奇怪的事情。”例如，在固定式模拟器中，驾驶员在面对突发危险时，不会猛踩刹车，而是会反复踩放刹车几次，然后再进行猛踩刹车的操作。“你感觉自己停不下来，”Watson 说，“所以你会做出在恐慌情况下不会做的调整。”

固定式模拟器还有另一个问题：它们会让人感到不适。当模拟器提供给驾驶员的视觉线索和运动线索不匹配时，驾驶员可能会出现所谓的“模拟器病”，通常以叹气和发热感开始，然后发展到头痛、眼部疲劳，最终达到严重的恶心。

要建造如此复杂的驾驶模拟器，需要将发动机移除，替换为一个灵活、先进的计算机。仅仅通过更改软件，程序员就可以为这辆汽车配置不同的变速箱，甚至是新的动力总成。

爱荷华州的模拟器能够保持九个自由度的同步。而戴姆勒克莱斯勒公司的模拟器只有七个。从技术上讲，三维空间中的任何物体都有六个自由度。前三个包括前后、左右、上下移动。对角线移动不计为另一个自由度，因为它是前三个的组合。后三个自由度包括围绕一个轴的向前和向后旋转，称为俯仰；像飞机倾斜机翼一样旋转，称为滚转；以及像在转盘上一样横向旋转，称为偏航。

爱荷华州的系统额外增加了三个自由度，因为汽车还可以在一个 66 x 66 英尺的巨大方形区域内移动。如果一个模拟器有两个机制来实现某个特定的自由度，工程师们就会说这个机器拥有额外的自由度。以国家先进驾驶模拟器为例，前后移动的方式不止一种。汽车所安装的六条腿可以使其短距离移动，而 66 x 66 英尺的运动底座可以使其长距离移动。

尽管运动对模拟驾驶体验至关重要，但 Watson 说，大约 90% 的驾驶是视觉的。戴姆勒克莱斯勒公司的机器拥有 180 度的视野。爱荷华州的模拟器则为驾驶员提供了完整的 360 度视野。一个悬挂在车顶的视频投影仪环，在高分辨率的图像投射到圆顶内表面，营造出沉浸感。这些视觉图像以每秒 60 帧的速率刷新，是传统电影放映机每秒 24 帧的两倍多。圆顶的内表面覆盖着一层高反射涂层，旨在将几乎所有的光线反射到驾驶员的眼睛，以达到真实世界的亮度。“我们称之为价值五十万美元的油漆工作，”该设施首席技术官 Yiannis Papelis 说。

模拟器丰富的视觉世界的细节被存储在称为“瓦片”的软件片段中，这些瓦片代表了高速公路、居民区、商业和工业区、乡村景象，甚至是长达 15 英里的蜿蜒山路。使用一种称为瓦片马赛克工具的程序，设计师可以创建复杂的环境，例如一个城镇及其向乡村延伸的郊区。瓦片可以重复使用，并进行细微的调整。

技术人员还可以选择一天中的时间和天气，将视觉场景与改变汽车性能的机制相结合。例如，在雨夜场景中，汽车的行驶可能会感觉道路很滑。

最难工程化的元素之一是随机性。“真实世界从不规律，”Papelis 说。“不是每个人都会以完全相同的方式在停车标志前停下来。”问题是，当研究人员一遍又一遍地对不同的受试者进行相同的测试，甚至在不同条件下对同一个人进行测试时，为了获得可比较的结果，两次测试必须几乎相同。然而，为了既逼真又可靠，模拟器必须提供混乱和秩序。为了解决这个困境，Papelis 和他的团队设计了名为“运行时协调器”的软件程序，他称之为“在模拟运行时在计算机上运行的智能代理”。协调器能够决定驾驶环境何时可以随机，何时需要控制。例如，一项实验可能要求驾驶员对一辆突然驶入其车道的巴士做出反应。协调器可能允许参与者在随机生成的交通中驾驶 15 分钟。然后，当汽车接近重要交叉路口时，协调器就会接管。红灯变绿；不重要的车辆悄无声息地移到路边；关键的巴士登场了。这样，驾驶员就可以一遍又一遍地通过相同的场景，而不会意识到他们正在这样做，因为只有关键元素保持不变。其余时间，他们感觉就像是在一个非常不确定、因此非常真实的世界中驾驶。

不太复杂的模拟器已经提供了很多关于驾驶员的信息。例如，最近的研究发现，服用第一代抗组胺药——广泛无需处方即可购买——的驾驶员可能比饮酒的驾驶员更危险。酒驾者反应迟钝，但通常能够跟上车流。服用抗组胺药的驾驶员表现出同样的失控，而且还容易在驾驶时打瞌睡。

左边的模拟器运营经理 Tad Gates 和高级硬件工程师 Jeff Dolan 每天都在努力完善其中的圆顶和汽车。他们知道一些测试驾驶员会试图将汽车推向极限，所以 Dolan 说：“我们自己也会做很多这方面的工作，以了解机器的局限性。”

研究人员认为，爱荷华州的模拟器还可以进一步加深他们对酒后驾驶的理解。各州一直以来只能根据已发生事故的驾驶员统计数据来设定非法血液酒精含量。通过爱荷华州的模拟器，科学家将能够观察酒后驾驶员的实际行为，记录他们的脉搏率，测量他们偏离车道的距离，并找出“醉到什么程度就不能开车”。

该模拟器可能用途的例子几乎是无限的。目前已经有研究正在测量同时开车和使用手机的安全性。制造商和学术界都可以使用该设施。制造商已经计划将新车规格输入该设备，以在原型车建造之前了解其安全性。

一些问题的答案最终需要一个更好的模拟器。例如，Watson 设想了一个“安装在汽车车顶的类似 MRI 的脑部扫描仪，用于观察人们在驾驶时大脑发生的变化，这将使我们能够了解他们在不同情况下真正思考什么以及使用大脑的哪个区域。她表示，这还很遥远，但在这个计算能力大约每两年翻一番的时代，谁又能预测到，在珊瑚维尔的某个建筑不久就会被用作健身房呢？