交通信號(hào)控制虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)與平臺(tái)開(kāi)發(fā)

林賜云　龔勃文

摘要：隨著城市交通建設(shè)重心從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向功能提升轉(zhuǎn)變，交通信號(hào)控制成為未來(lái)交通投資和應(yīng)用的重點(diǎn)。社會(huì)對(duì)交通信號(hào)控制相關(guān)人才的需求日趨迫切，對(duì)交通信號(hào)控制人才的培養(yǎng)模式和培養(yǎng)方法提出了新的要求。另外，隨著交通信號(hào)控制向智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)性方向快速發(fā)展，交通信號(hào)控制模式、控制方法、控制策略層出不窮。實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足交通信號(hào)控制技術(shù)更新需求。因此，只有通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)才能解決交通信號(hào)控制新技術(shù)、新方法實(shí)踐教學(xué)的需要。為了使學(xué)生能夠全面深刻地認(rèn)識(shí)、掌握交通信號(hào)控制理論和方法，本文構(gòu)建交通信號(hào)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)生不受時(shí)空限制進(jìn)行實(shí)踐操作，以此激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和主動(dòng)性，從而提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)認(rèn)識(shí)水平、動(dòng)手操作能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；實(shí)踐教學(xué)：虛擬實(shí)驗(yàn)：交通信號(hào)控制

一、引言

隨著城市交通建設(shè)重心從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向功能提升轉(zhuǎn)變，交通信號(hào)控制作為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)規(guī)范交叉口秩序、保障交通安全、減少交通排放、緩解交通擁擠、提升路網(wǎng)運(yùn)行效率等具有重要的作用，成為城市交通智能化管理投資建設(shè)和應(yīng)用的重點(diǎn)項(xiàng)目。與此同時(shí)，國(guó)家及各級(jí)政府部門(mén)將科技支撐作為加強(qiáng)道路交通安全、暢通、高效、節(jié)能減排的原則，出臺(tái)了一系列政策加以扶持和引導(dǎo)，不斷加大交通信號(hào)控制系統(tǒng)投資、建設(shè)和扶持的力度。

隨著城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)在各級(jí)城市的不斷普及和廣泛使用，智能交通領(lǐng)域?qū)煌ㄐ盘?hào)控制技術(shù)及相關(guān)學(xué)科的人才需求日趨迫切，同時(shí)也對(duì)高校交通工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方式和方法提出新的挑戰(zhàn)。

二、交通信號(hào)控制實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前，我院交通工程專(zhuān)業(yè)設(shè)置的與交通信號(hào)控制相關(guān)的課程主要包括《交通管理與控制》《智能交通系統(tǒng)》《交通信息與控制技術(shù)》《交通數(shù)據(jù)傳輸與網(wǎng)絡(luò)》等，分別從管理技術(shù)、控制技術(shù)、智能技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)等幾個(gè)方面展開(kāi)教學(xué)工作。然而由于該課程群的學(xué)科交叉特點(diǎn)，在教學(xué)中對(duì)于教學(xué)目標(biāo)的定位、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置、教學(xué)活動(dòng)的組織等方面面臨著多重挑戰(zhàn)。特別是對(duì)于實(shí)踐課程的設(shè)置方式和內(nèi)容，是培養(yǎng)交通工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。然而，在上述課程的教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容中，關(guān)于交通信號(hào)控制實(shí)踐教學(xué)方面，還存在如下問(wèn)題：

（1）對(duì)交通信號(hào)控制原理、方法的學(xué)習(xí)還停留在書(shū)本層面?，F(xiàn)有教學(xué)設(shè)備對(duì)交通信號(hào)控制的教學(xué)過(guò)多重視理論學(xué)習(xí)而忽視實(shí)際操作。教學(xué)成果只停留在讓學(xué)生會(huì)“算”而不會(huì)“用”的階段，這不符合“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力訓(xùn)練和人才培養(yǎng)模式改革的要求。

（2）對(duì)交通信號(hào)控制設(shè)備的學(xué)習(xí)主要停留在外觀(guān)感知層面?，F(xiàn)有教學(xué)設(shè)備只注重交通信號(hào)控制設(shè)備的展示性，而忽視了操作性。導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法真正掌握實(shí)際交通信號(hào)控制設(shè)備的各項(xiàng)功能及運(yùn)行原理。雖然在現(xiàn)有的實(shí)踐課程中，學(xué)生設(shè)計(jì)交通控制方案在交通仿真軟件中進(jìn)行模擬，但這類(lèi)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不能了解交通信號(hào)控制的執(zhí)行主體，即交通信號(hào)控制設(shè)備的工作原理及操作過(guò)程，無(wú)法認(rèn)識(shí)交通信號(hào)控制設(shè)備的各項(xiàng)功能和參數(shù)，學(xué)生基本不會(huì)操作和使用交通信號(hào)控制設(shè)備。

（3）理論學(xué)習(xí)、方案設(shè)計(jì)、實(shí)踐效果之間缺乏可視化交互?，F(xiàn)有教學(xué)設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)交通流、交通信號(hào)控制策略、交通信號(hào)控制設(shè)備之間進(jìn)行交互，致使學(xué)生很難深刻理解交通流、交通信號(hào)控制策略、交通信號(hào)控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系，也無(wú)法對(duì)交通信號(hào)控制策略的實(shí)施效果進(jìn)行觀(guān)察、分析以及對(duì)其有效性、準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)。雖然現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中，通過(guò)搭建交通信號(hào)控制軟件實(shí)現(xiàn)與交通信號(hào)控制器的通信，展現(xiàn)交通信號(hào)控制器的燈態(tài)運(yùn)行效果以及信號(hào)機(jī)的簡(jiǎn)單操作。這種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)交通仿真軟件的不足，但它不能實(shí)現(xiàn)交通控制策略與交通流之間的交互，學(xué)生無(wú)法理解整個(gè)交通信號(hào)控制系統(tǒng)的工作機(jī)能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)控制策略的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)。

（4）基礎(chǔ)課程與專(zhuān)業(yè)課程在學(xué)科領(lǐng)域缺少溝通的橋梁?，F(xiàn)有教學(xué)設(shè)備無(wú)法讓學(xué)生認(rèn)清基礎(chǔ)課程與專(zhuān)業(yè)課程之間的關(guān)系。如我院交通工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程中有《電工學(xué)I》《電工學(xué)II》《微機(jī)原理與接口技術(shù)》《信息通信基礎(chǔ)》，這些課程涵蓋的模擬電路、數(shù)字電路、嵌人式設(shè)備、接口技術(shù)是動(dòng)手進(jìn)行交通信號(hào)控制設(shè)備信號(hào)接人實(shí)驗(yàn)、交通信號(hào)控制器與信號(hào)燈組連接測(cè)試實(shí)驗(yàn)、交通信號(hào)控制設(shè)備運(yùn)行故障排除實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)。而在教學(xué)過(guò)程中，經(jīng)常有學(xué)生抱怨學(xué)習(xí)上述課程“無(wú)用”、“偏離專(zhuān)業(yè)”等；而在與企業(yè)交流過(guò)程中，企業(yè)管理人員卻抱怨學(xué)生“沒(méi)有設(shè)備基礎(chǔ)常識(shí)”、“只會(huì)方案，不會(huì)實(shí)施”、“方案脫離實(shí)際”等。究其原因，則是開(kāi)設(shè)的實(shí)踐教學(xué)課程缺少將基礎(chǔ)課程知識(shí)和專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)連接起來(lái)的橋梁和紐帶。

因此，亟須通過(guò)實(shí)踐教學(xué)，在鞏固理論知識(shí)和加深理論認(rèn)識(shí)的同時(shí)，結(jié)合智能交通的前沿應(yīng)用技術(shù)和實(shí)際工程需求，培養(yǎng)學(xué)生的交通信號(hào)控制實(shí)踐操作能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力和技術(shù)創(chuàng)新能力。使學(xué)生在專(zhuān)業(yè)教師的指導(dǎo)下，能夠?qū)嶋H操作交通信號(hào)控制設(shè)備，了解交通信號(hào)控制的運(yùn)行原理、配時(shí)參數(shù)、基本功能；了解交通信號(hào)控制設(shè)備交通數(shù)據(jù)采集工作原理和輸出形式，了解交通信號(hào)控制設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)和工作流程，通過(guò)實(shí)踐操作，真正掌握交通檢測(cè)信號(hào)接人、信號(hào)機(jī)與燈組的連接、信號(hào)控制相位設(shè)計(jì)、各種信號(hào)控制方案設(shè)計(jì)、信號(hào)配時(shí)方案輸入交通信號(hào)控制設(shè)備運(yùn)行、交通信號(hào)控制效果評(píng)價(jià)、交通信號(hào)控制設(shè)備運(yùn)行故障排除等技術(shù)和方法，從而顯著提升學(xué)生對(duì)于交通信號(hào)控制相關(guān)理論與方法的感性認(rèn)識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，為學(xué)生畢業(yè)后在相關(guān)企事業(yè)單位就業(yè)提供有力的實(shí)踐和創(chuàng)新能力支撐。

三、交通信號(hào)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及智能交通新理論、新方法、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，交通信號(hào)控制向智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)性方向快速發(fā)展，交通信號(hào)控制模式、控制方法、控制策略層出不窮。而現(xiàn)有的交通信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)有交通信號(hào)控制復(fù)雜、多變、實(shí)時(shí)性的要求，不斷對(duì)交通信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代也不現(xiàn)實(shí)，而虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪鉀Q上述問(wèn)題。

為了使學(xué)生能夠全面深刻地認(rèn)識(shí)、掌握交通信號(hào)控制理論和方法，我們構(gòu)建了交通信號(hào)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)集交通信號(hào)控制、交通仿真技術(shù)、GIS-T數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等于一體，學(xué)生不受時(shí)空限制，通過(guò)智能手機(jī)、平板電腦、PC機(jī)均可以進(jìn)行交通信號(hào)控制模式、控制策略、故障檢測(cè)、相位設(shè)計(jì)、效果評(píng)估等虛擬實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)具有實(shí)踐和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

交通信號(hào)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由軟、硬件系統(tǒng)組成，在硬件組成上主要由進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)生終端、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理終端三部分組成，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

學(xué)生可以通過(guò)智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、臺(tái)式計(jì)算機(jī)等進(jìn)行交通信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)操作，不受時(shí)間、空間的限制；實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理終端將學(xué)生的交通信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果在智能終端設(shè)備上進(jìn)行顯示，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像頭可以進(jìn)行遠(yuǎn)程驗(yàn)證實(shí)際效果，教師可以對(duì)學(xué)生所進(jìn)行的交通信號(hào)控制實(shí)踐操作進(jìn)行跟蹤、評(píng)價(jià)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器構(gòu)建WEB服務(wù)器與Internet連接，構(gòu)成廣域網(wǎng)的交通信號(hào)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，供學(xué)生通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)接人方式進(jìn)行交通信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)操作。

交通信號(hào)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵在于軟件系統(tǒng)，主要由虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)用戶(hù)管理、在線(xiàn)幫助與技術(shù)論壇等四部分組成，如圖2所示。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明、使用幫助，可以自己在虛擬仿真軟件中動(dòng)手進(jìn)行交通信號(hào)控制方案的仿真、測(cè)試、在線(xiàn)調(diào)整、信號(hào)配時(shí)參數(shù)（周期、綠信比、相位差）優(yōu)化、飽和與過(guò)飽和交通信號(hào)控制、干線(xiàn)協(xié)調(diào)控制、區(qū)域協(xié)調(diào)控制等仿真實(shí)驗(yàn)，并最終提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以達(dá)到掌握交通信號(hào)控制理論和方法；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理中，教師可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考核與評(píng)價(jià)，最終進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檔案管理和分析；在實(shí)驗(yàn)用戶(hù)管理中集成了用戶(hù)登錄管理和用戶(hù)信息管理，用戶(hù)可以通過(guò)登錄系統(tǒng)了解、查詢(xún)、咨詢(xún)交通信號(hào)控制相關(guān)的實(shí)踐操作和專(zhuān)業(yè)知識(shí)；在線(xiàn)幫助與技術(shù)論壇中，使用基于微信公眾服務(wù)號(hào)，對(duì)學(xué)生咨詢(xún)的實(shí)踐操作問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)解答和指導(dǎo)。同時(shí)，構(gòu)建技術(shù)支持論壇，對(duì)于交通信號(hào)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用操作問(wèn)題、開(kāi)發(fā)建議、常見(jiàn)問(wèn)題以及交通信號(hào)控制基礎(chǔ)理論、前沿技術(shù)等提供老師之間、學(xué)生之間、老師與學(xué)生之間的交互平臺(tái)。

學(xué)生可以通過(guò)該交通信號(hào)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合，直觀(guān)、全面、深入地了解交通信號(hào)控制設(shè)備的運(yùn)行原理、配時(shí)參數(shù)、基本功能等；同時(shí)可以學(xué)習(xí)各種控制策略，觀(guān)察交通信號(hào)控制策略對(duì)交通流的影響及控制效果；此外，交通信號(hào)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的控制策略實(shí)施有效性評(píng)估，從多角度給出評(píng)價(jià)結(jié)果，便于學(xué)生進(jìn)行優(yōu)化控制策略的學(xué)習(xí)。從而提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)認(rèn)識(shí)水平、動(dòng)手操作能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和主動(dòng)性。

四、交通信號(hào)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

交通信號(hào)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于SOA架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，采用B/S及C/S混合應(yīng)用方式，方便系統(tǒng)部署和維護(hù)，個(gè)別應(yīng)用采用C/S應(yīng)用方式，客戶(hù)端具有良好的通用性和友好性，操作簡(jiǎn)單方便。

平臺(tái)原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用EmbarcaderoRADsm.dio10Seattle集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)WEB服務(wù)應(yīng)用以及AndroidAPP用戶(hù)應(yīng)用終端和iOSAPP用戶(hù)應(yīng)用終端，基于DelDhi+VISSIMCOM實(shí)現(xiàn)對(duì)交通控制策略的評(píng)價(jià)。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著交通信號(hào)控制系統(tǒng)在保障交通安全、減少交通排放、緩解交通擁擠、提升路網(wǎng)運(yùn)行效率等方面的功能作用不斷加強(qiáng)和提升，社會(huì)對(duì)交通信號(hào)控制人才的培養(yǎng)也提出了新的需求。以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)為目標(biāo)，將交通信號(hào)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的重要平臺(tái)，將是我院履行從交通工程專(zhuān)業(yè)特色出發(fā)，以學(xué)生就業(yè)為導(dǎo)向，以智能交通發(fā)展趨勢(shì)和人才需求為引導(dǎo)，培養(yǎng)上能進(jìn)行交通信號(hào)控制理論研究，下能進(jìn)行交通信號(hào)控制應(yīng)用操作的高素質(zhì)綜合型人才的主要途徑。