新工科背景下基于虛擬仿真技術(shù)的地方高校交通工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

李超 鄔鑫 賈建林 高利平

摘要：虛擬仿真技術(shù)下實(shí)驗(yàn)教學(xué)是新工科建設(shè)的重要組成部分，也是主動(dòng)應(yīng)對(duì)工科創(chuàng)新發(fā)展的重要舉措。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院積極探索應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，平臺(tái)建設(shè)從交通工程專業(yè)理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐教學(xué)融合的角度出發(fā)，制定交通信號(hào)智能控制系統(tǒng)、交通規(guī)劃與仿真以及車路協(xié)同虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放與共享的實(shí)驗(yàn)資源，并以實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)為切入點(diǎn)，讓學(xué)生們自主學(xué)習(xí)的積極性得到提高，培養(yǎng)學(xué)生們解決實(shí)際問(wèn)題的能力并積累工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，適應(yīng)現(xiàn)代交通工程、交通運(yùn)輸工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，同時(shí)為新工科建設(shè)背景下虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：新工科? 虛擬仿真技術(shù)? 交通工程專業(yè)? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2022）06（b）-0000-00

Construction of Experimental Teaching Platform of Traffic Engineering in Local Universities based on Virtual Simulation Technology in the Background of New Engineering

LI Chao? WU Xin? JIA Jianlin? GAO Liping

（Inner Mongolia University of Technology，College of Civil Engineering，Hohhot，Inner Mongolia Autonomous Region，010051， China）

Abstract：Experimental teaching under virtual simulation technology is an important part of the construction of new engineering and an important initiative to respond to the development of innovation in engineering. Inner Mongolia University of Technology College of Civil Engineering actively explore the application of virtual simulation technology for experimental teaching. Platform construction from the perspective of integration of theoretical learning and practical teaching of traffic engineering majors. Develop experimental teaching contents of traffic signal intelligent control system， traffic planning and simulation， and vehicle-road collaboration virtual simulation. Based on modern information technology， we realize the integration of experimental resources， the open sharing of experimental resources， and the interaction of experimental course teaching as the entry point. Motivate students to learn experiments， enhance their ability to solve practical engineering problems and accumulate practical engineering experience. It is suitable for the cultivation of innovative talents in modern traffic engineering and transportation engineering， and also provides reference for the construction of virtual simulation system in the context of new engineering construction.

Key Words： New engineering; Virtual simulation technology; Traffic engineering major; Experimental teaching

新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，基于“一帶一路”“中國(guó)制造2025”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)、以本為本，四個(gè)回歸的新要求，促進(jìn)了“新工科”概念的提出與發(fā)展，加速了工程教育改革創(chuàng)新的進(jìn)度[1-2]。近年來(lái)，我國(guó)各地高等院校致力于建設(shè)新工科教育體系，既順應(yīng)了當(dāng)前工科創(chuàng)新發(fā)展的新形勢(shì)，也能在實(shí)踐中探索中國(guó)式的工程教學(xué)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)[3]。《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》提出，到2035年基本建成交通強(qiáng)國(guó)。其中，綜合交通運(yùn)輸體系創(chuàng)新方面，要推動(dòng)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、超級(jí)計(jì)算等新技術(shù)與交通行業(yè)的深度融合[4-5]。在“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”的引導(dǎo)下，許多高等院校主動(dòng)探尋大數(shù)據(jù)、人工智能、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)對(duì)新時(shí)代人才培養(yǎng)模式和教育體系的新應(yīng)用[6-7]。本科教學(xué)工作中實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)環(huán)節(jié)受到各高校的重視程度在不斷提高，而實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)環(huán)節(jié)由于受到各種復(fù)雜因數(shù)的限制其具有特殊性，以先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)為依托，在新工科背景下對(duì)交通工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)環(huán)節(jié)展開(kāi)相關(guān)研究，來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的不足對(duì)提高該專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，無(wú)疑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)交通工程專業(yè)是2002年在道路與橋梁工程專業(yè)的基礎(chǔ)上設(shè)置的，作為內(nèi)蒙古自治區(qū)唯一交通運(yùn)輸工程一級(jí)學(xué)科所覆蓋的本科專業(yè)，交通工程專業(yè)堅(jiān)持“發(fā)揮人才培養(yǎng)和學(xué)科優(yōu)勢(shì)，服務(wù)民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展”的辦學(xué)特色，已經(jīng)為自治區(qū)培養(yǎng)了一大批立足內(nèi)蒙古，扎根邊疆，奉獻(xiàn)邊疆踏實(shí)肯干的交通實(shí)踐性人才。交通工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程是本科教學(xué)中重要的組成部分，它能夠幫助學(xué)生鞏固并拓展課程知識(shí)、提高學(xué)生動(dòng)手能力、提升學(xué)生創(chuàng)新水平，同時(shí)實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)展、實(shí)驗(yàn)作業(yè)的評(píng)價(jià)同樣是對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握程度、知識(shí)創(chuàng)新能力評(píng)估重要的手段之一[8]。

1? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)思路

教學(xué)理念一貫堅(jiān)持以學(xué)生為中心，出發(fā)點(diǎn)為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際需求，強(qiáng)調(diào)將交通工程專業(yè)實(shí)踐與理論相結(jié)合，制定規(guī)范合理的交通信號(hào)智能控制系統(tǒng)、交通規(guī)劃與仿真以及車路協(xié)同實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，采用基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源整合、實(shí)驗(yàn)資源的開(kāi)放共享、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)交互為切入點(diǎn)，將學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的積極性最大限度地調(diào)動(dòng)起來(lái)，積累工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并提高學(xué)生們解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，適應(yīng)現(xiàn)代交通工程、交通運(yùn)輸工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

2? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)解決的教學(xué)問(wèn)題

交通工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)可以解決的主要實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題有以下幾個(gè)方面。

（1）通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生深度理解交通信號(hào)智能控制系統(tǒng)、交通規(guī)劃與仿真以及車路協(xié)同系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、掌握基本概念是要解決的主要教學(xué)問(wèn)題之一。

（2）借助現(xiàn)代虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣是要解決的主要教學(xué)問(wèn)題之二。

（3）基于虛擬仿真技術(shù)可視化功能，革新交通規(guī)劃和交通管理與控制教學(xué)方式和教學(xué)場(chǎng)景，解決工程實(shí)際問(wèn)題，積累工程經(jīng)驗(yàn)是要解決的主要教學(xué)問(wèn)題之三。

（4）依托虛擬仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)交通工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)資源管理、實(shí)驗(yàn)資源的開(kāi)放共享、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源整合、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)交互，方便學(xué)生自主靈活參與實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)資源利用效率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果是要解決的主要教學(xué)問(wèn)題之四。

3? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

3.1? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的總體目標(biāo)

（1）教學(xué)理念一貫堅(jiān)持以學(xué)生為中心，出發(fā)點(diǎn)為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際需求，強(qiáng)調(diào)將交通工程專業(yè)實(shí)踐與理論相結(jié)合，以虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)制定合理準(zhǔn)確的交通信號(hào)智能控制系統(tǒng)、交通規(guī)劃與仿真以及車路協(xié)同實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生們的基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新研究能力，適應(yīng)現(xiàn)代交通工程、交通運(yùn)輸工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

（2）運(yùn)用先進(jìn)的虛擬仿真教學(xué)為輔助的教學(xué)方法，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源整合、實(shí)驗(yàn)資源的開(kāi)放共享、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)交互為切入點(diǎn)，將學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的積極性最大限度的調(diào)動(dòng)起來(lái)，積累工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并提高學(xué)生們解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，適應(yīng)現(xiàn)代交通工程、交通運(yùn)輸工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

（3）基于虛擬仿真技術(shù)的交通工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)先進(jìn)共享平臺(tái)，建設(shè)完善交通工程、交通運(yùn)輸工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高師資隊(duì)伍的素質(zhì)，建設(shè)優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)教材。

3.2? 已具備的建設(shè)條件

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)具備的硬件有計(jì)算機(jī)機(jī)房（100臺(tái)PC機(jī)）、筆記本電腦一臺(tái)、交通信號(hào)控制機(jī)6套、雷達(dá)測(cè)速儀1套以及相關(guān)設(shè)備;軟件有transcad軟件2套（2018年新引進(jìn)學(xué)術(shù)版）、Vissim交通仿真系統(tǒng)1套。

3.3? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的具體內(nèi)容

3.3.1? 交通工程專業(yè)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)

以瀏覽器為瀏覽客戶端，通過(guò)數(shù)據(jù)與展示分離，客戶端以瀏覽器為訪問(wèn)界面，通過(guò)嵌入虛擬化應(yīng)用模塊，實(shí)現(xiàn)高速訪問(wèn)虛擬化應(yīng)用。圖1是實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)界面示意圖。

3.3.2? 交通信號(hào)智能控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

基于vissim交通仿真軟件信號(hào)控制接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，由交通仿真軟件提供豐富的仿真道路路網(wǎng)及場(chǎng)景，模擬實(shí)際的道路路網(wǎng)、道路流量、車輛類型構(gòu)成等，虛擬出真實(shí)的道路交通運(yùn)行狀況;利用在環(huán)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)生成不同的信號(hào)配時(shí)方案，直接將控制策略下發(fā)到仿真軟件路口，進(jìn)行單路口定時(shí)、多時(shí)段控制、感應(yīng)信號(hào)控制，多路口的干線協(xié)調(diào)控制，區(qū)域協(xié)調(diào)控制等信號(hào)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

3.3.3? 車路協(xié)同系統(tǒng)微縮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

按照1∶10比例搭建微縮智能車路協(xié)同系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)沙盤(pán)平臺(tái)，平臺(tái)包括智能微縮車、沙盤(pán)道路以及無(wú)線通信等交通設(shè)施。沙盤(pán)道路是寬度為35 cm的雙車道，表面呈磨砂狀，與實(shí)際路面摩擦系數(shù)基本一致，道路沙盤(pán)的幾何特征與實(shí)際場(chǎng)景基本一致，智能微縮車和交通信號(hào)控制機(jī)均有無(wú)線通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)車路信息交互和命令控制。智能車輛在微縮交通場(chǎng)景中可以通過(guò)定位系統(tǒng)、測(cè)距雷達(dá)等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛的自主駕駛，且車輛之間信息的交互可以通過(guò)車間通信實(shí)現(xiàn)。微縮智能車路協(xié)同系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)沙盤(pán)具體見(jiàn)圖2、圖3。

3.3.4? 交通規(guī)劃與設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

基于Transcad或交運(yùn)之星交通規(guī)劃與設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)調(diào)用GIS服務(wù)器的地理信息資源，在B/S或C/S平臺(tái)的GIS地圖上展現(xiàn)特定仿真路網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)也可用于數(shù)據(jù)融合，通過(guò)分析處理路網(wǎng)的歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，在線產(chǎn)生全路網(wǎng)的動(dòng)態(tài)OD流量、路段和路徑交通狀態(tài)等信息，該系統(tǒng)核心技術(shù)包括動(dòng)態(tài)交通需求分析、動(dòng)態(tài)交通分配、離散選擇模型、路徑處理、實(shí)時(shí)交通仿真、以及離線與在線系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定等。GIS地圖上展現(xiàn)路網(wǎng)和地圖上動(dòng)態(tài)OD分析具體見(jiàn)圖4、圖5。

4? 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)交通工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等手段，實(shí)現(xiàn)三維虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)、云計(jì)算支撐平臺(tái)、交通大數(shù)據(jù)展示與分析。平臺(tái)經(jīng)過(guò)1個(gè)周期的建設(shè)，推動(dòng)了專業(yè)建設(shè)，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力，本科生培養(yǎng)質(zhì)量有大幅度提升，就業(yè)質(zhì)量有一定程度提高，就業(yè)質(zhì)量和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力明顯提升，本科畢業(yè)生滿意度達(dá)到90%以上;專業(yè)教師教研項(xiàng)目、論文、成果等水平有一定程度提升，對(duì)自治區(qū)交通行業(yè)的建設(shè)和發(fā)展，起到積極的人才支撐作用。

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