交通信息與控制類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐

溫立民， 閆茂德， 朱禮亞, 王會(huì)峰

(長安大學(xué) a.電子與控制工程學(xué)院，b.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，西安 710064)

交通信息與控制類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐

溫立民a,b， 閆茂德a， 朱禮亞a,b, 王會(huì)峰a,b

(長安大學(xué) a.電子與控制工程學(xué)院，b.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，西安 710064)

為順應(yīng)國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的指示精神，長安大學(xué)在現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上，加大虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投資力度，建設(shè)有交通信息與控制工程背景的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。闡述了交通信息及控制虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)的內(nèi)涵和要求，平臺(tái)建設(shè)的整體框架及實(shí)施方法。實(shí)驗(yàn)室建成后經(jīng)1年多測試, 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行良好，傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)不能開設(shè)學(xué)時(shí)總學(xué)時(shí)89.1%，受到廣大師生好評(píng)，有力促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

交通信息; 虛擬實(shí)驗(yàn)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

0 引 言

隨著社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化率的提高推動(dòng)了城市數(shù)量和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，也導(dǎo)致城市人口和機(jī)動(dòng)車保有量的激增，進(jìn)而造成交通擁堵問題日益突出，隨之而產(chǎn)生的環(huán)境污染、交通安全等問題也引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1-3]。以智能交通系統(tǒng)為代表的信息化與智能化控制技術(shù)可以極大提升交通運(yùn)行的安全運(yùn)營能力和綜合服務(wù)水平，其研究意義日益重要[4-6]。但是，對(duì)于科學(xué)研究和專業(yè)教學(xué)而言，交通信息與控制技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)有些與實(shí)物條件相關(guān)的環(huán)節(jié)卻很難直接實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重阻礙交通信息與控制類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)行，因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是行之有效的解決方案[7-9]：①交通信息與控制類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)成本高。交通信息與控制的實(shí)驗(yàn)場所與對(duì)象，如城市交通環(huán)境、公路隧道等實(shí)驗(yàn)條件有其特殊性，高成本、高消耗且實(shí)驗(yàn)安全隱患大[10-12]。學(xué)生在專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所涉及的路網(wǎng)監(jiān)控、安全運(yùn)營、車輛避碰、車路協(xié)同、交通誘導(dǎo)和綜合管控等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難以完成；開展多班次、大批量的交通控制類本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)也極為不便。而實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建成本巨大。因此，綜合性、系統(tǒng)化的交通信息與控制類虛擬仿真平臺(tái)亟待建設(shè)，迫切需要為學(xué)生提供更為有效和便利的實(shí)踐途徑。②交通信息與控制實(shí)體實(shí)驗(yàn)的可逆操作過程難以完成。交通信息與控制實(shí)驗(yàn)中涉及到的各類決策數(shù)據(jù)信息量巨大, 難以實(shí)時(shí)獲?。徊⑶疑婕敖煌ōh(huán)境等的實(shí)驗(yàn)過程難以可逆操作和反復(fù)進(jìn)行。因此，無論對(duì)于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還是對(duì)于科學(xué)項(xiàng)目研究，交通信息與控制虛擬仿真平臺(tái)都帶來了極大的便利，其建設(shè)的必要性和意義不言而喻。③在現(xiàn)代信息技術(shù)條件下，交通信息與控制的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)效果可以更為有效實(shí)現(xiàn)。如前所述，交通控制的實(shí)驗(yàn)載體具有不可及和不可逆的典型特征。然而，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫、信息技術(shù)和半實(shí)物等的條件下，利用虛擬仿真技術(shù)，交通信息與控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、信息采集、控制反饋和算法執(zhí)行等可以更為有效地實(shí)現(xiàn)，有助于多快好省求解和驗(yàn)算重大的交通控制問題。④交通信息與控制虛擬仿真的教學(xué)資源在使用方式上，易于實(shí)現(xiàn)云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)化、分布式和并行運(yùn)作。在信息化設(shè)備的軟硬件平臺(tái)支持下，交通信息與控制虛擬仿真的各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以充分利用個(gè)人計(jì)算機(jī)終端、實(shí)驗(yàn)室機(jī)房和項(xiàng)目平臺(tái)完成信息的集成處理和虛擬仿真過程，不僅僅體現(xiàn)出很高的性價(jià)比，而且有效解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和場地限制，使得教學(xué)資源的使用更為靈活、便利，更好地激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新精神。

因此，在國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下，為響應(yīng)教育部加強(qiáng)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，努力建設(shè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的意見[13]，學(xué)校整合現(xiàn)有資源，成立交通信息與控制類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，為師生提供一個(gè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)替代的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)整體框架設(shè)計(jì)

參照傳統(tǒng)交通信息與控制課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，按照模塊化軟件設(shè)計(jì)的原則，設(shè)計(jì)交通信息與控制虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理平臺(tái)的系統(tǒng)框架，該平臺(tái)主要由管理員模塊、教師管理與評(píng)價(jià)模塊、學(xué)生學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備模塊和游客模塊組成如圖1所示。

(1) 管理員模塊。管理員模塊是具有最高權(quán)限的模塊,主要由管理員操作，在教學(xué)中心一般由實(shí)驗(yàn)室主任副主任負(fù)責(zé)管理，它的主要功能是對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的賬號(hào)管理，教師增、刪、查、改，新聞列表及交流中心的管理如圖2所示。

圖1 交通信息與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心整體框圖

圖2 管理員模塊框圖

(2) 教師管理與評(píng)價(jià)模塊。教師管理與評(píng)價(jià)模塊主要由經(jīng)過授權(quán)的專兼職教師管理，教師必須經(jīng)管理員授權(quán)后，才有權(quán)登錄虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔導(dǎo)和管理。登錄后，系統(tǒng)首先需要對(duì)教師進(jìn)行身份驗(yàn)證，通過驗(yàn)證后教師即可進(jìn)入相應(yīng)的教師模塊并對(duì)本模塊進(jìn)行管理，實(shí)驗(yàn)教師具有實(shí)驗(yàn)?zāi)K管理的權(quán)利。該模塊主要具有以下功能，管理學(xué)生的賬號(hào)，在線交流、實(shí)驗(yàn)及報(bào)告、軟件管理，其中實(shí)驗(yàn)管理包括課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的維護(hù)及視頻演示管理，實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理包括成績發(fā)布及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的測評(píng)發(fā)布見圖3。

圖3 教師模塊框圖

(3) 學(xué)生管理模塊。學(xué)生管理模塊(如圖4)包括軟件學(xué)習(xí)及下載、器件介紹、學(xué)生資料管理和虛擬實(shí)驗(yàn)。交通信息與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)工具軟件包括Multisim, Alera Quartus II, Labview、TransCAD、TransModeler、Multigen Creator、SuperMap GIS等，學(xué)生可以在虛擬平臺(tái)上學(xué)習(xí)使用各種虛擬軟件，也可從平臺(tái)上下載使用；器件介紹包括儀器設(shè)備和耗材，虛擬設(shè)備和現(xiàn)實(shí)設(shè)備，虛擬設(shè)備設(shè)計(jì)到虛擬示波器、虛擬信號(hào)源等。現(xiàn)實(shí)設(shè)備是實(shí)驗(yàn)教師事先將真的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的檔案資料(操作手冊(cè)、性能資料)上傳到虛擬平臺(tái)上供學(xué)生學(xué)習(xí)、使用和下載。平臺(tái)按課程設(shè)置實(shí)驗(yàn)?zāi)K，每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K按大綱要求設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)科目，包括基礎(chǔ)和綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的數(shù)目一般多余大綱要求的數(shù)目，師生可根據(jù)需要取舍實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。每個(gè)實(shí)驗(yàn)有預(yù)習(xí)視頻，學(xué)生可根據(jù)視頻內(nèi)容對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)。

圖4 學(xué)生模塊框圖

2 交通信息與控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)施與測試

平臺(tái)通過購置、自主研發(fā)和科研成果轉(zhuǎn)化，建成了涵蓋3個(gè)層次、22門課程和7個(gè)專題的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，如圖5所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康模蛇M(jìn)一步將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為專業(yè)基礎(chǔ)課程、行業(yè)特色項(xiàng)目和前沿技術(shù)專題3大層次，按照工程項(xiàng)目的貫通式遞進(jìn)主線，使學(xué)生“由淺入深、循序漸進(jìn)”地掌握交通信息與控制虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)方法和技能，從而滿足學(xué)生在不同培養(yǎng)階段的需要。

圖5 交通信息與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

2.1 虛擬平臺(tái)建設(shè)實(shí)施

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心將以“服務(wù)教學(xué)，促進(jìn)科研”為主線，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍、學(xué)校信息平臺(tái)和管理體制等方面積極進(jìn)取、開拓創(chuàng)新，重點(diǎn)建設(shè)以下幾方面的內(nèi)容：①將虛擬實(shí)驗(yàn)課程劃分為專業(yè)基礎(chǔ)課程、行業(yè)特色項(xiàng)目和前沿技術(shù)專題3個(gè)層次，虛擬實(shí)驗(yàn)課程需求配置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，重點(diǎn)建設(shè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境無法開展的半實(shí)物仿真教學(xué)資源和大型綜合性實(shí)訓(xùn)專題。②將交通信息化建設(shè)典型工程案例、運(yùn)行數(shù)據(jù)和科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)范圍，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。③組建以提高教學(xué)能力、拓展實(shí)踐領(lǐng)域、豐富教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目的專任教師隊(duì)伍和實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。④圍繞卓越工程師教育計(jì)劃和專業(yè)綜合改革試點(diǎn)，瞄準(zhǔn)“培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高質(zhì)量工程應(yīng)用型人才和選拔科學(xué)研究型人才”目標(biāo)，鼓勵(lì)教師加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的升級(jí)和完善，撰寫實(shí)驗(yàn)講義和教材，將其落實(shí)到交通信息與控制類專業(yè)教學(xué)體系框架結(jié)構(gòu)中。⑤對(duì)虛擬仿真教學(xué)成果進(jìn)行反復(fù)試點(diǎn)，一方面聘請(qǐng)校內(nèi)外專家進(jìn)行教學(xué)審核，同時(shí)不斷收集教師和學(xué)生的反饋意見，形成了一套完整、標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用評(píng)估體系，以更好規(guī)范和加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測試

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)登錄界面如圖6所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建成后，向全校交通控制類專業(yè)和電子類專業(yè)師生開放，目前開設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程21門，其中傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能開設(shè)的課程為17門，占85.7%；開設(shè)的計(jì)劃實(shí)驗(yàn)為343學(xué)時(shí)，其中傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能開設(shè)的為306學(xué)時(shí)，占總學(xué)時(shí)89.1%。經(jīng)1年多的測試，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體運(yùn)行良好，受到廣大師生好評(píng)。

圖6 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面

3 結(jié) 語

為深化實(shí)驗(yàn)教育體系改革，學(xué)校構(gòu)建了面向國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的多模運(yùn)行機(jī)制，該虛擬中心的建立，緩解了實(shí)驗(yàn)資源與實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求的矛盾，為交通信息類專業(yè)學(xué)生提供虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，增強(qiáng)了教學(xué)效果，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性、科學(xué)性、指導(dǎo)性和可操作性；對(duì)同類專業(yè)乃至其他專業(yè)進(jìn)行虛擬和實(shí)際工程創(chuàng)新訓(xùn)練改革，提高工科大學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)具有較大的參考價(jià)值。

[1] 李 平，毛昌杰，徐 進(jìn).開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013， 23(11)：5-8.

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[11] 中華人民共和國教育部.關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z].2013.

[12] 中華人民共和國教育部。教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)[Z]. 2012.

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Practice and Construction of Virtual Simulation Laboratory for Traffic Information and Control

WENLimina,b,YANMaodea,ZHULiyaa,b,WANGHuifenga,b

(a. School of Electronic & Control Engineering， b. Experimental teaching center of Virtual Simulation Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In order to follow up the indicative spirit of developing state-level virtual simulation experimental platform under the outline of the national medium and long term educational reform and development, Chang’an University increased the investment for virtual experiments on the basis of current material foundation, and constructed virtual experimental platform with the background of traffic information and control. This paper states intension and requirement of the virtual experiment, framework and implementation method. Test for more than one year showed that the platform has run well with the ratio of 89.1 percent of virtual experiments to traditional experiments, and has been acclaimed by students and teachers.

traffic information; virtual experiment; experimental teaching center

2016-07-25

陜西高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(15BY23)；西安市科技基金(CXY1512(9))

溫立民(1976-)，男，黑龍江佳木斯人，博士，講師，主要從事交通控制實(shí)驗(yàn)等方面的教學(xué)和科研工作。

Tel.:15129006427； E-mail:lmwen@chd.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)05-0118-04