融合虛擬仿真與模擬實(shí)驗(yàn)的交通管理與控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

文/徐巧妮 牟瑞濤（青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

在“一流學(xué)科”建設(shè)和“新工科”背景下，設(shè)計(jì)綜合性、靈活性、融入行業(yè)先進(jìn)技術(shù)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趨勢(shì)[1]?！敖煌ü芾砼c控制”是交通工程專業(yè)本科階段的核心專業(yè)課之一，課程的知識(shí)體系較大，內(nèi)容更新較快，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為課程教學(xué)的一部分，能夠使學(xué)生將理論和實(shí)踐相結(jié)合，從而加深對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，也能讓學(xué)生了解使用交通管理和交通控制的常用方法，對(duì)于教學(xué)具有重要的意義。各高校圍繞“交通管理與控制”課程開展了不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[2-3]，主要的實(shí)驗(yàn)手段有：通過仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如德國(guó)PTV公司的VISSIM仿真軟件[4]、美國(guó)Trafficware公司開發(fā)的Synchro仿真軟件[5-7]；通過搭建仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)[8]。雖然這些方法都能一定程度上完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但仍存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為片面，不能將知識(shí)更多地覆蓋、更系統(tǒng)地梳理等不足。針對(duì)上述問題，本文搭建了一個(gè)將虛擬仿真與模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既解決了難以進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)的困境，也使實(shí)驗(yàn)體系更完善，綜合性更強(qiáng)，同時(shí)使實(shí)驗(yàn)注入了很多行業(yè)新技術(shù)，能提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度，較大的激發(fā)起學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情。

一、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由五部分組成，分別是校園交通流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、Synchro虛擬仿真系統(tǒng)、沙盤信號(hào)模擬控制系統(tǒng)、電子警察系統(tǒng)和工業(yè)信號(hào)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的體系與作用如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

這五大系統(tǒng)既包含交通流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、交通量的調(diào)查，又具備虛擬仿真和模擬實(shí)驗(yàn)，也能實(shí)現(xiàn)模擬真實(shí)控制，實(shí)現(xiàn)交通管理與控制的全過程實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)方法和內(nèi)容與工業(yè)方法相近，能讓學(xué)生直觀體驗(yàn)工業(yè)中交通管理和控制的常用方法。

二、校園交通流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

作為交通渠化和相位配時(shí)的依據(jù)，交通流的實(shí)地調(diào)查、流量的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)是交通管理與控制過程中不可或缺的前提準(zhǔn)備，但由于存在時(shí)間、組織、安全等方面的原因，很難有合適的機(jī)會(huì)組織學(xué)生進(jìn)行真實(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，校園交通流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則為這類實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供了可能。

校園交通流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由布置在校園中的32個(gè)攝像頭和總監(jiān)控平臺(tái)構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)校園內(nèi)主要道路和重要交叉口的實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控平臺(tái)具有以下功能：

（1）多路同時(shí)監(jiān)控；

（2）選擇性監(jiān)控；

（3）不同時(shí)段下的車流量統(tǒng)計(jì)；

（4）車輛測(cè)速；

（5）24小時(shí)內(nèi)監(jiān)控回放；

（6）監(jiān)控視頻截取和監(jiān)控畫面截圖。

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控校園內(nèi)的相關(guān)交叉口在各時(shí)段中行人、機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車的通行情況，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成交通狀況的把握和交通量的統(tǒng)計(jì)，既可以避免現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可能妨礙交通、具有危險(xiǎn)性等問題，又能使學(xué)生感受到真實(shí)的交通情況，從中發(fā)現(xiàn)問題，為接下來的交通控制方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)過程中，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求確定實(shí)驗(yàn)路口，通過系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到路口的幾何布局，計(jì)數(shù)不同時(shí)段的車流量和人流量，統(tǒng)計(jì)通過路口的車輛類型和比例、不同方向車輛排隊(duì)長(zhǎng)度，計(jì)算通過路口汽車的平均車速，得到當(dāng)前的交通評(píng)價(jià)，根據(jù)上述信息，制訂出交通渠化方案并設(shè)計(jì)路口的相位方案。

三、Synchro虛擬仿真系統(tǒng)

Synchro是針對(duì)城市路網(wǎng)進(jìn)行信號(hào)配時(shí)與優(yōu)化的仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)設(shè)置、路段設(shè)置、信號(hào)配時(shí)、方案協(xié)調(diào)等功能，相對(duì)于Vissim仿真軟件，Synchro添加了延誤時(shí)間、道路服務(wù)水平、廢氣排放等評(píng)價(jià)指標(biāo)，使仿真效果更好[9]。同時(shí)，Synchro可以進(jìn)行控制優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)交通控制方案的改進(jìn)，從而得到最優(yōu)控制方案。

通過校園交通流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)路口進(jìn)行截圖，導(dǎo)入Synchro中，生成實(shí)驗(yàn)路段，根據(jù)通過交通流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)到的流量信息和制訂的控制方案進(jìn)行設(shè)置，并進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)仿真得到評(píng)價(jià)結(jié)果，從而對(duì)制訂的交通方案進(jìn)行調(diào)整，直至找到最優(yōu)控制方案。

四、沙盤信號(hào)模擬控制系統(tǒng)

沙盤信號(hào)模擬控制系統(tǒng)主要由道路仿真沙盤、循跡模型小車和小車服務(wù)軟件、交通信號(hào)控制機(jī)組成。能夠?qū)崿F(xiàn)交通信號(hào)控制方案的模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

（一）道路仿真沙盤

道路仿真沙盤按照真實(shí)道路和建筑的尺寸進(jìn)行比例縮放，得到了如圖2所示的道路和景觀沙盤，沙盤是一個(gè)環(huán)形車道，共有6個(gè)路口，每個(gè)路口都設(shè)置有東、西、南、北四向的信號(hào)燈，用以指揮循跡模擬小車的直行和轉(zhuǎn)向動(dòng)作。沙盤中包含的傳感器和作用如表1所示。

圖2 道路仿真沙盤

表1 道路仿真沙盤所含傳感器

其中，線圈、地磁和壓電傳感器埋設(shè)在沙盤車道下，雷達(dá)、超聲波和紅外傳感器放置在隔段安置的龍門架上，各傳感器能實(shí)現(xiàn)既不影響道路交通又能互相配合，得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)沙盤中運(yùn)行小車的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（二）循跡模擬小車和小車服務(wù)軟件

如圖3所示的循跡模擬小車作為模擬系統(tǒng)中的主要被控對(duì)象，在道路仿真沙盤中可以執(zhí)行：沿道路行駛、變道、根據(jù)交通信號(hào)控制行車、與前車保持適當(dāng)距離、車輛實(shí)時(shí)位置信息發(fā)布等任務(wù)。循跡小車通過WIFI串口通信，與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換，通過PWM設(shè)定值調(diào)節(jié)車速，控制循跡小車加、減速或停止動(dòng)作。圖4為循跡模擬小車的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 循跡模擬小車

圖4 循跡模擬小車結(jié)構(gòu)圖

循跡小車搭配有服務(wù)軟件，軟件主要作用于實(shí)時(shí)檢測(cè)沙盤上運(yùn)行的每個(gè)小車的狀態(tài)，包括行駛數(shù)據(jù)的記錄和行車狀態(tài)的監(jiān)控等。

（三）交通信號(hào)控制機(jī)

交通信號(hào)控制機(jī)如圖5所示，可以實(shí)現(xiàn)沙盤中信號(hào)燈的控制，是實(shí)驗(yàn)中的主要控制器?？刂茩C(jī)可以提供16個(gè)信號(hào)燈組相位控制，44路信號(hào)輸出，能實(shí)現(xiàn)多時(shí)段控制、固定周期控制、特殊日控制、黃閃控制、手動(dòng)控制、全紅控制、無電纜聯(lián)動(dòng)控制、感應(yīng)式控制、綠波協(xié)調(diào)控制、區(qū)域協(xié)調(diào)等控制方式，其中多時(shí)段控制可設(shè)置至少16個(gè)控制方案，足以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

圖5 交通信號(hào)控制機(jī)

交通信號(hào)控制機(jī)的上位機(jī)軟件ITS也可以完成交通信號(hào)燈的簡(jiǎn)單控制，ITS軟件除具有相位編輯和信號(hào)燈手動(dòng)控制功能外，還具有電子地圖功能，即顯示選定區(qū)域的道路地圖和附近已配置信號(hào)機(jī)的位置。

實(shí)驗(yàn)中，將在Synchro軟件中優(yōu)化的交通信號(hào)控制方案和渠化方案編輯到交通信號(hào)控制機(jī)中，根據(jù)沙盤道路與實(shí)際實(shí)驗(yàn)道路的比例確定小車的速度，將一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)小車放入沙盤中運(yùn)行，以此模擬所設(shè)計(jì)的信號(hào)控制方案對(duì)車輛的控制，通過觀察記錄沙盤中小車所形成的交通的狀態(tài)和道路的通行情況，評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的交通控制方案對(duì)車輛的控制質(zhì)量。

五、電子警察系統(tǒng)

通過虛擬仿真和模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)交通控制方案進(jìn)行優(yōu)化后，即可將交通控制方案應(yīng)用到實(shí)際控制當(dāng)中，但在現(xiàn)實(shí)的交通控制過程中，除了通過交通信號(hào)燈和交通渠化方案對(duì)交通流進(jìn)行控制，也需要對(duì)駕駛員的駕駛行為進(jìn)行執(zhí)法管理，只有兩者相互配合，才能保障交通秩序，促進(jìn)道路交通安全暢通。為了讓學(xué)生體驗(yàn)更真實(shí)的交通管理與控制過程，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含了一種先進(jìn)的執(zhí)法管理系統(tǒng)——電子警察系統(tǒng)。

電子警察系統(tǒng)，如圖6所示，也稱交通違法抓拍系統(tǒng)，是現(xiàn)代交通管理的重要組成部分，能夠有效地提高交通的管理水平。電子警察[10]是指具備多種現(xiàn)代電子技術(shù)，具有執(zhí)法功能的一種執(zhí)法工具。電子警察主要由路口控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、指揮中心設(shè)備構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：

圖6 電子警察系統(tǒng)

（1）闖紅燈抓拍；

（2）卡口管理；

（3）超速抓拍；

（4）變線抓拍；

（5）逆行抓拍；

（6）不按規(guī)定車道行駛抓拍。

在實(shí)驗(yàn)過程中，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)電子警察的操作方法，通過操控小車闖紅燈、逆行等行為，觀察其對(duì)道路交通帶來的影響，同時(shí)，記錄電子警察的抓拍情況，以加深學(xué)生對(duì)交通管理過程中電子警察必要性的認(rèn)識(shí)。

六、工業(yè)信號(hào)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)除了有提升學(xué)生動(dòng)手能力的任務(wù)外，還應(yīng)不斷吸收先進(jìn)技術(shù)，以便與行業(yè)接軌。通常情況下，學(xué)生很難有機(jī)會(huì)近距離觀察、使用工業(yè)信號(hào)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)的工業(yè)信號(hào)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主體是一臺(tái)真實(shí)的工業(yè)信號(hào)機(jī)，如圖7所示。系統(tǒng)為學(xué)生提供了一個(gè)了解、使用工業(yè)信號(hào)機(jī)的機(jī)會(huì)，學(xué)生可以將前面實(shí)驗(yàn)得到的交通信號(hào)控制方案輸入到工業(yè)信號(hào)機(jī)中，通過這種真實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)掌握工業(yè)信號(hào)機(jī)的構(gòu)成、使用原理和使用方法。

圖7 工業(yè)信號(hào)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

七、結(jié)論

本文介紹了應(yīng)用于交通管理與控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)由五大系統(tǒng)構(gòu)成，融合了虛擬仿真與現(xiàn)實(shí)模擬，系統(tǒng)之間環(huán)環(huán)相扣，可以使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容覆蓋交通管理與控制的大部分重點(diǎn)內(nèi)容，使教學(xué)實(shí)驗(yàn)更完整、更全面。實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間為8課時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)，極大地增進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提升了學(xué)生對(duì)交通管理與控制方法的認(rèn)知，使學(xué)生對(duì)交通管理與控制的全過程有了較深入的了解，為今后的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)打下了基礎(chǔ)。