基于虚拟仿真技术的道路交通管理与控制实验教学

谢海军

2013年，教育部印发《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，由此拉开了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的序幕。从2017年起，教育部又开展了示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，推动高校积极探索线上线下相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式①贺占魁、黄涛：《虚拟仿真实验教学项目建设探索》，《实验技术与管理》2018年第2期。。虚拟仿真技术的教学应用是高等教育信息化的重要举措。“信息技术与教育教学的深度融合，要从形式的转变转向方法的变革，要从技术辅助转变为交织交融，要从简单的物理变化变为发生反应的化学变化”，②吴岩：《打造一流本科，培养一流人才》，《世界教育信息》2018年第7期。是一场教学思维、教学方法和教学手段的革命。

一、道路交通管理与控制实验教学的现状及分析

（一）道路交通管理与控制现状

道路交通是一个涉及人、车、路和环境等众多相互关联因素的复杂、动态和时变的大系统。道路交通控制主要分为设计、规划、管控等三个主要步骤，设计与规划是首要任务，而管控是重要保证。从我国道路交通管理现有体制来讲，设计和规划由交通部门负责实施，管理与控制主要由公安交通管理部门负责。随着公安工作改革的不断深化，现代交通管理正由粗放型向精细化转变。①陈峻、熊宏齐、黄晓明：《道路交通工程虚拟仿真教学项目的资源建设方案》，《实验室研究与探索》2017年第4期。一方面，随着城市规模扩大、汽车工业发展、物流需求上升，机动车保有量急剧增长，交通拥堵、交通安全、交通污染等问题日益严重。另一方面，受土地、财政等多方面限制，原来采用的建立交桥、新修道路等粗放型交通管理模式已越来越不能满足现实需求。国家统计局资料显示，2013年我国的城市化率已超过50%，城市的快速发展迫切要求更为精细化的现代交通管理模式。

（二）道路交通管理人才需求现状

近几年来，我国国家、社会生活中的大事多、要事多，公安交通管理部门承担的任务十分繁重。要实现保畅通、保安全的目标就必须进一步强化对道路交通的管控。公安机关，特别是江苏公安交通管理部门，对交通管理专业人才的需求不断增加，迫切需要大量业务能力强的交通管理专业毕业生充实到基层一线。《关于公安院校公安专业人才招录培养制度改革的意见》指出，公安院校是输送公安专门人才的主渠道。培养素质高、能力强的交通民警是各级公安院校的首要任务。②薛宏伟：《改进公安院校人才培养模式和路径的思考》，《山东警察学院学报》2016年第3期。同时，日益增多的城市大型活动交通组织与控制任务也对相关专业学生的理论水平和实践能力提出了新的要求，并成为交通运输、公安交通管理工程与控制等专业的教学、科研工作所面对的一个现实挑战。

（三）对道路交通管理与控制专业实验教学现状的分析

交通管理与控制的首要任务是对各种交通数据进行搜集和分析。传统的数据搜集方法耗时耗力，且样本量不足。在传统实验教学中，学生很难完全认清逼真、立体的交通运行环境，无法深入分析随机干扰情况下的交通演变机理。在交通管理与控制的教学中，要想把根据专业知识设计出的不同解决方案进行比选、判断和优化，是无法以真实地付诸实施的方式来实现的。而仿真交通环境可以提供无成本的验证机会，并能够有效加深学生对交通系统的认知。因此，交通管理与控制教学需要借助虚拟仿真技术去呈现各种方案在实际交通系统中的应用效果，使学习者获得身临其境的体验感，从而最大限度地激起他们的自主实验兴趣以及解开世界奥秘的冲动，不断提高自身解决问题的能力，并由此发挥出实验教学所具有的独特作用。

二、实现教育信息化，打造时代“金课”

2018年6月，教育部在成都召开了本科教育工作会议，随后又出台了《关于加快建设高水平本科教育，全面提高人才培养能力的意见》，提出要推进课堂教学革命，以学生发展为中心，通过教学改革促进学习革命，积极推广小班化教学、混合式教学和翻转课堂，大力推进智慧教室建设，构建线上线下相结合的教学模式。江苏省教育厅在2016年开展了省级实验教学示范中心（共享平台）和省级在线开放虚拟仿真实验教学项目的建设工作，按专业门类进行共享平台和虚拟仿真实验教学项目建设，实现实验教学资源管理与信息服务的科学化和系统化，满足多专业、多学校和多地区共同开展虚拟仿真实验教学的需要。虚拟仿真“金课”通过将信息技术、智能技术与实验教学深度融合，破解了高等学校实验、实习、实训中的“老大难”问题，解决了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的问题。③吴岩：《建设中国“金课”》，《中国大学教学》2018年第12期。例如，运动会、演唱会等大型活动的交通管理具有“车流、人流集散强度大，交通运行组织方案影响因素多、方案设计精确度要求高”等特征，需要综合运用交通管理工程与控制专业的多种理论和方法。采用现场实验的方式来检验具体的设计方案，显然难度大、风险高、可实施性弱，因此，虚拟场景再现和过程仿真实验就具有非常重要的意义，其突破了传统的实习、实训必须到基层单位真刀实枪地进行演练的条件限制。由此，打造道路交通管理与控制虚拟仿真实验教学“金课”就成为提升公安院校教学水平，提高交通管理人才培养质量的不可或缺的重要环节。

三、道路交通管理与控制虚拟仿真实验教学项目的建设

（一）项目建设内容

下文以江苏警官学院道路交通管理与控制虚拟仿真实验教学项目建设为例进行论述。该项目结合江苏省道路管理实际，所设计的仿真实验是基于GIS的复杂交通系统建模与优化平台。该平台以警用GIS系统的虚拟现实和大数据技术为基础，通过微观交通仿真软件建立虚拟仿真实验环境，并以仿真交互机制实现大规模交通数据获取和动态、协同的对象控制。引入仿真实验管理方法可以使师生在仿真环境中轻松实现交通工程、组织、管理与控制等课程的教学实验和理论验证。①施佺、钱源、孙玲：《基于教育数据挖掘的网络学习监管过程研究》，《现代教育技术》2016年第6期。在教学中，教师可以通过围绕交通组织、管理和控制的核心问题，结合交叉口信号配时、干线协调控制等案例，培养学生解决实际问题的能力；通过各实验模型的设计，帮助学生了解“高强度车流、人流”环境下交通组织、管理与控制的基本特性与要求；通过可视化模拟道路网络的运行状况，虚拟再现对应不同控制参数的交通方案的实施效果，从而提升学生综合实践能力。②陈峻、王炜：《高水平学科支撑的交通运输类本科人才专业知识体系架构与创新能力培养》，《高等教育研究》2014年第2期。同时，该平台还集成至实训大楼指挥中心和教学云平台，利用已有资源完成辅助搭建，能够通过场景定制和数据接入逐步扩展实验功能。

（二）平台的组成与功能

道路交通管理与控制虚拟仿真实验教学项目的建设以道路交通管理与控制虚拟仿真实验平台为载体，逻辑上包含基础层、中间层和实验层三个层次（见图1）。基础层指微观交通仿真，中间层指交通电子沙盘服务，实验层指交通运行监测实验和交通信号控制实验。平台的路网设计模块根据公安交通管理的实际情况，提供了交通需求、交通渠化、路口控制、干道协调等基本设计功能，以帮助学生快速生成符合实验需求的局部对象或路网方案。平台的实验控制模块可以提供实验过程监控、仿真跟踪、数据分析和实验报告等功能，为师生提供了可靠的实时交通运行监测、实验数据分析和实验过程管理。平台的教学管理模块可以提供课程实验和远程开放实验管理，实现实验基础参数和路网方案的协调配置，为教师、学生提供了便利的教学实验管理。

图1 虚拟仿真实验平台逻辑结构

图2 交通信号控制配时

（三）仿真实验教学主要内容

1．配时与信号控制实验。交通信号控制就是通过交通警察的手势、口令或交通控制设备的声光信号来指挥车辆和行人的通行。使用由计算机管理的交通信号控制设备对交通流进行限制、调节、诱导、分流，可以达到降低延误、疏导交通、保障安全与畅通的目的（见图2）。配时与信号控制实验是交通管理与控制课程的基础性实验，其包含了渠化设计与信号控制模型，交通信号的点控、线控、面控以及行人过街请求、要客线路设置等内容。实验中，所有的模型路口都与实验室中心服务器连接，通过实验室中心服务器可以完成实时监控并调整信号配时方案（见图3）。

图3 交通信号配时相位

图4 城市实时交通

2．绿波与红波带控制实验。在城市交通中，如果交叉路口相距较近，各路口又独立设置信号控制时，车辆会经常遇到红灯，时停时开，造成车行不畅，并加重了环境污染（见图4）。为了满足人们“一路绿灯”（见图5、图6）的出行需求，可以通过基于数据分析的智能交通控制来实现一路畅行。当然，有时为了管理的需要，也可设置“红波带”（见图7）。它是让机动车在行驶到每一个通往中心区域的路口时都遇到红灯，从而把集中的交通流合理分散到相应的路段，控制住进入中心区域的机动车数量，以减轻中心区域的交通压力，同时也可以使离开中心区域的车辆尽快驶出。

在单点信号交叉路口配时实验基础上，通过交通运行监测软件，让学生深入掌握干道上多个交叉路口的信号协调控制方法，可以帮助其构建多个知识点延伸贯通的系统思想和智能控制的科学思想。实验中，模拟城市交通信号控制系统能远程实时加载控制要求到特定路口，让滞留车辆快速驶离，避免了因为交叉路口的堵塞而导致整个区域的交通瘫痪。该实验在单路口信号控制的基础上实现了多路口间的信号控制相位差协调，支持下行绿波、上行绿波和双向绿波等不同的绿波模式选择，支持不同的干道协调速度模式，并可根据实测数据为不同路段设置不同的协调速度。①魏强：《交通规划中的动态路网及其模型研究》，《城市建设理论研究》2017年第11期。

图5 绿波单向协调控制

图6 绿波双向协调控制

图7 红波双向协调控制

3．道路网络构建实验。在完成配时与信号控制、绿波与红波带控制实验后，可根据案例由系统提供大型活动交通影响区的初始基础道路网络数据，要求学生参照交通管理与控制课程知识，提出道路网络的规划方案，对道路几何网络进行编辑修改（新增道路和交叉口、拓宽道路等），进而可视化表达真实路网，将线段、节点基础数据库转换为城市道路网络（见图8）。

4．最佳路径规划实验。包括任意两个起、终点间最佳路线生成，任意多个起、终点间最佳路线生成，并综合考虑单路径和多路径选择的安全、通行能力、时间等因素，确定最佳（距离最短、行程最短）路径方案。让学生通过多次调试得到不同的模拟结果并进行分析，学会利用这些参数更好地分配道路的人、车流量，合理使用每条道路，安排车辆的出发时间，以达到系统最优（见图9）。

5．车队运行虚拟仿真。包括从某个出发点到场馆的单条线路模拟和从不同的出发点分别到场馆的多条线路模拟。通过改变不同控制参数，分析单条线路的运行轨迹和运行时间的差异性。学会从整体上判断是否存在线路运行上的冲突，并通过修改出发时间或者运行线路避免线路冲突。同时，对每个车队分别进行车辆运行模拟控制关键参数的选择，以准确模拟多条线路的实际运行状态（见图10）。

图8 城市道路网络

图9 路线生成示例

图10 车队运行虚拟仿真

6．VIP任务综合控制。在实验中，学生需要完成干道信号控制协调方案设计并下发至仿真路网中，以实时监测干道中各路口流量、占有率、排队长度、平均停车次数等控制效果参数；通过软件自动时距图功能，快速生成协调控制方案；通过软件多网络节点协同控制功能，同时控制同一仿真路网中不同的干道路口，以实现区域路网的协调控制。

四、结语

江苏警官学院道路交通管理与控制虚拟仿真实验教学项目的建成，实现了虚拟仿真实验教学时空范围上的全覆盖，学生能够借助不同终端设备在任何时间任何地点在线开展虚拟仿真学习。同时，实验平台和校内云平台对接，实现了校内外实验教学资源共享。正如教育部吴岩司长在接受中央电视台采访时所讲的那样，虚拟仿真实验实训课有可能是一种新的教育生产力。就虚拟仿真而言，我们看中的是“互联网+教育”之后的“智能+教育”。如果说“互联网+教育”深刻地影响了今天，那么“智能+教育”有可能开启教育的未来。