基于虛擬仿真的城市交叉口信號控制實驗教學改革

摘 要：基于虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建城市交叉口信號控制實驗項目，服務(wù)于《交通管理與控制》課程的實驗技能培養(yǎng)。通過交通信號控制虛擬仿真實驗項目，培養(yǎng)學生掌握城市道路交通控制與管理的基本原理和方法；熟悉并掌握道路交叉口渠化設(shè)計、信控方案的綜合設(shè)計和優(yōu)化評價方法；使學生基本具備進行道路交通管理控制方案綜合設(shè)計、工程實踐和創(chuàng)新的能力。

關(guān)鍵詞：交通工程；交通管理與控制；虛擬仿真；交通信號；實踐教學

1 引言

交通工程專業(yè)交通管理與控制課程的教學過程中，對于交通信號控制系統(tǒng)的運用與信號方案的優(yōu)化都需要通過實驗實踐與案例來展示。傳統(tǒng)教學方案依賴于信號機實物認知教學，借助交通信號控制機實物學習信號相位、信號階段及信號相位方案設(shè)計等理論知識，并完成指定信號控制方案的設(shè)計、方案輸入與運行。具有可重復(fù)性差，教學過程單一，學生參與度低等缺點。為解決實驗教學過程中形象生動與實體實驗復(fù)雜性、高成本之間的矛盾[1，2]，提高實踐教學的生動性和趣味性，利用虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建虛擬仿真實驗教學項目，實現(xiàn)城市交叉口信號控制實驗教學的改革。

2 虛擬仿真實驗方案設(shè)計思路

實驗項目圍繞“以培養(yǎng)交通管理控制方案綜合設(shè)計能力培養(yǎng)為主，兼顧交通信號控制初學者能力提升為輔”的設(shè)計思路，針對不同知識層次的學生設(shè)置了交通信號控制設(shè)計性實驗和演示性實驗。設(shè)計性實驗又可選擇“示例交叉口”或“自選交叉口”進行方案設(shè)計。

演示性實驗主要面向交通信號控制初學者，幫助其掌握信號階段、信號相位方案設(shè)計以及交叉口信號機配置及使用方法。

設(shè)計性實驗則采用模塊化分步實驗的方法，緊密結(jié)合了交叉口渠化方案設(shè)計、信控方案設(shè)計和方案模擬與仿真分析等多個內(nèi)容，通過可視性強、互動性好的虛擬仿真實驗訓練學生進行交通控制系統(tǒng)的方案設(shè)計、方案控制、仿真分析的綜合設(shè)計運用能力。此外，設(shè)計性實驗可選擇“示例交叉口”或“自選交叉口”，實驗項目提供實際交叉口的幾何參數(shù)和交通量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為示例交叉口，學生也可根據(jù)自選交叉口新建實驗方案。

3 交通信號控制虛擬仿真實驗原理

實驗項目針對不同層次學生設(shè)置有交通信號控制演示性實驗和設(shè)計性實驗。設(shè)計性實驗可在方案設(shè)計之后導(dǎo)出仿真數(shù)據(jù)，用于方案仿真分析與工程實證。實驗采用模塊化分步進行，主要包括：交通調(diào)查與分析、交叉口交通管理渠化方案設(shè)計、交叉口信號控制方案設(shè)計、方案模擬演示、方案仿真分析與應(yīng)用實證。

1）交通調(diào)查與分析：在交通信號控制虛擬仿真實驗教學中，通過交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時查看設(shè)計交叉口的交通運行狀態(tài)視頻信息，統(tǒng)計交叉口交通流量、流向等基礎(chǔ)信息。也可直接在虛擬仿真實驗教學平臺下載所需的設(shè)計道路交叉口幾何信息和交通流量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）交叉口交通管理渠化方案設(shè)計：根據(jù)交叉口幾何條件及流量數(shù)據(jù)，在城市道路交通信號控制虛擬仿真實驗平臺完成交叉口渠化設(shè)計?；驹戆ǎ呵瓌t；車道線設(shè)計；入口道形式。

3）交叉口信號控制方案設(shè)計：根據(jù)交叉口渠化方案及流量數(shù)據(jù)，完成交叉口信號配時設(shè)計?；驹戆ǎ篐CM計算分析方法；飽和流量計算；最佳信控周期韋伯斯特計算方法；服務(wù)水平分析：交叉口飽和度、延誤分析。

4）方案仿真分析與應(yīng)用實證：根據(jù)設(shè)計方案生成的Lisp工程文件和TSIS仿真接口文件，運行專業(yè)交通仿真軟件TSIS，對交通流特征進行分析與評價。根據(jù)仿真結(jié)果，優(yōu)化信號控制方案；并將優(yōu)化方案通過工程中心發(fā)送至交警支隊信號控制中心進行運營評估。

4 傳統(tǒng)教學的延伸與拓展

傳統(tǒng)城市道路交通信號控制實驗傳統(tǒng)教學以實物工作演示為主，側(cè)重于掌握信號機工作流程，對信號控制工作原理、控制參數(shù)及運行情況闡述不夠深入。

虛擬仿真實驗項目通過綜合渠化設(shè)計方法、飽和流量計算、信號配時計算方法、延誤分析方法等知識點，對傳統(tǒng)實驗涉及理論知識進行了延伸。實驗項目通過模塊化實驗設(shè)計，實現(xiàn)了對交通管理與控制理論教學與實驗內(nèi)容的銜接，通過渠化方案設(shè)計和信號控制方案設(shè)計的綜合，實現(xiàn)了對學生進行交通信號控制的綜合訓練。實驗項目可導(dǎo)出交通信號控制方案仿真數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對交通信號控制仿真分析的綜合與拓展。

虛擬仿真實驗項目將交通渠化設(shè)計方案與AutoCAD進行對接、控制方案與仿真分析軟件對接，提升了實驗內(nèi)容的可視性，提高了交叉口信號控制效果，使學生掌握渠化功能優(yōu)化、信號控制相位方案、配時方案的多方案綜合優(yōu)化能力。

5 結(jié)語

城市道路交通信號控制實驗是交通管理與控制課程的必修實驗項目，重點培養(yǎng)學生進行道路交通管理控制方案綜合設(shè)計、工程實踐和創(chuàng)新的能力。實驗項目采用虛擬仿真手段實現(xiàn)了交通管理與控制理論教學與實驗內(nèi)容的銜接和綜合，實現(xiàn)了交通渠化設(shè)計方案與AutoCAD對接、控制方案與仿真分析軟件對接，提高了實驗內(nèi)容的可視性和實驗效果。

參考文獻

[1] 陳峻， 熊宏齊， 黃曉明，等. 道路交通工程虛擬仿真項目的資源建設(shè)方案[J]. 實驗室研究與探索， 2017，（36）4：98-102..

[2] 馬駟， 彭其淵， 王 琳，等. 交通運輸專業(yè)實踐教學體系改革研究[J]. 西南交通大學學報（社會科學版）， 2008，（9）6：95-99.

基金項目：

教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（201702117016）；桂林電子科技大學教育教學改革項目（JGB201843）。

作者簡介：

謝練（1989-），男，湖南婁底，助教，研究方向：交通管理與控制，交通設(shè)計、交通安全。E-mail： xielian@whut.edu.cn。