机场陆侧交通智能网联技术应用实验教学平台建设

常 鑫，曹 悦，陈香庆，周 馨，潘 佳，王 超 （中国民航大学，天津 300300）

0 引 言

智能网联车作为全球创新发展的热点，通过借助信息通信技术，将车与车、路、人、云控平台有机结合，能够实现道路交通信息交互，从而提高道路通行能力、减少交通事故和节能减排等。目前我国车联网产业欣欣向荣，正在进入快速发展时期[1]，但车联网技术的应用场景目前还比较单一，车联网技术需要在更多样的场景下进行应用。机场陆侧作为一个包含了航站楼、停车场、交通枢纽、高架桥、交叉口等复杂交通元素的综合交通系统，其与城市道路交通系统既相似又有所区别，是智能网联技术发展的一块优质“试验田”[2]。

“十四五”期间，中国民用航空局提出了以智慧民航建设为核心的民航发展战略[3]。作为民航运输重要的一环，机场陆侧交通服务质量直接影响整个民航运输过程的效率。随着机场客流量的持续增大，陆侧交通运行存在着人车争道、道路通行能力低等问题，传统的交通管理方式不足以有效组织陆侧交通[4]。为提高机场陆侧交通运行效率，机场也需引进新技术，进行“智慧化”改造。机场陆侧交通的“智慧化”，从近期目标来看，需引入新兴技术直接驱动其发展，从长远目标来看，需持续推动科技创新，以培养、输送专业人才为长期目标。要培养出与时俱进的交通工程专业人才，就需引入与时俱进的教学方式。区别于传统的理论教学，虚拟实验教学平台可以让学生身临其境地在实验场景中巩固理论知识，培养实践能力。为满足民航业和交通发展对高素质、创新型人才的需要，提出了一个不仅面向城市道路交通，还面向机场道路交通的机场陆侧交通智能网联技术应用模拟实验教学平台。该平台将智能网联关键技术融入实际交通场景，以车、路、云为教学立足点，能够使学生在实验中学习研究前沿车路协同、自动驾驶等技术，增进对机场陆侧交通调度的了解，对民航交通工程专业学生的实践能力提升具有重要意义。

1 实验平台的建设目的

利用智能网联技术，为如交通流组织、交通管理与控制、陆侧车道边规划设计等交通工程专业人才培养的核心课程建设实验平台。由于这些课程的实验项目从可能性、安全性、实践性各个角度都不适合真实实验演示和现场操作，因此构建了虚拟实验教学平台，将民航特色专业课理论知识融入实验平台设计中。该实验平台可以达到如下目的。

首先是解决相关专业课中缺乏实验教学平台的问题，同时能够满足学生在学习过程中对知识具像化、实地实践的需求，开发学生的创新能力以及提高学生动手实践的能力，以此适应民航业对智能交通领域创新人才的培养要求[5]。其次是解决在疫情的影响下，学生缺乏机会外出实习的问题。该实验平台让学生在不受到各类问题的影响下，完成专业课的学习，有利于提高教学质量和教学效率，同时有助于开展线上、线下的混合式教学，以此减弱疫情对实践课程的影响。

2 实验平台基本架构

机场陆侧交通智能网联技术实验平台可分为沙盘形式的物理模型与智能网联控制系统两部分。两部分通过在沙盘上再现机场陆侧的交通环境与利用智能网联技术对基础设施进行控制，共同实现了运行管理、信号控制、自动驾驶、车路协同等功能[6]。实验平台基本架构图如图1所示。

图1 实验平台基本架构图

该实验平台的物理模型为沙盘形式。在沙盘的设计上：沙盘的建设目标是给智能网联控制系统提供平台、真实反映机场陆侧交通路网等；沙盘的功能是确定实验场景所需要的各种功能的基础设施，如各种机场周边的元素、特殊功能道路等；沙盘中实验场景的应用方式与实用性是用于认知本实验或其他基于该沙盘的交通工程核心课程实验，故该实验场景可以适用于众多课程，也可成为一种实习方式[7]。

在沙盘的建设上采用模块化思想，用模块组成沙盘进行展示以便于拆解、移动与定制。在沙盘上建设陆侧交通路网、道路景观、特殊功能道路作为实验平台的基本架构，其中路面为参照北京首都机场、北京大兴机场建筑及路况的立体化路面。整个沙盘分为航站楼、车道边、机场高架、停车场、信号交叉口等部分。沙盘的建设为实现智能网联控制提供了基础设施与实验场景。

2.1 机场陆侧交通路网

陆侧交通路网由机场周边基本交通元素及陆侧交通道路系统组成，包括标志、标线、路面、交叉口、高架桥、匝道等。在道路的设计上采用独特防滑贴纸铺设路面层的同时，以真实的颜色展现陆侧交通路网的路面，配以参照国标设计的地面标线，明确标注出交通元素；在路面上设置9个交叉口，放置机动车信号灯与行人信号灯，为后续实现城市道路运营管理、信号控制、车路协同等教学平台提供基础设施。

2.2 特殊功能道路

分别在路面上转弯处设置弯道与交叉口、上下客区域建设人行横道，真实地再现机场陆侧交通车道边环境，可借此测试智能网联车辆弯道行驶的稳定性与陆侧交通网络运行管理。

2.3 智能网联控制系统

利用中控、数据库、控制中心完成控制、数据采集、管理任务，组成智能网联控制系统，管理交通信号机、智能车、智能停车场等部分。实现该实验平台的多车动态管理、路径分配、数据分析、速度控制、角色划分、集中调度的功能，即用智能网联技术实现沙盘的数字化。

2.4 信号机

创新性：对传统信号机进行改造升级，将原本仅具有设置信号机状态信息及控制参数（包括相序、配时方案、日时方案）的传统信号机通过网联控制模块的RS232串口接收信号再通过无线网络向外传输，改变为具备将路口的状态信息传送给智能网联车辆的功能的新型信号机，达到车路协同功能。

交互性：与中控软件进行交互可以实现对信号机进行远程读写，控制信号机的配置如利用中控软件生成不同的信号配时方案，直接将控制策略下发到信号机控制的路口，进行相位排列、配时方案、日时方案、校时，达到控制信号机的目的，实现了实验平台使用人员与信号机的交互功能[8]。

2.5 智能车

硬件设计：在控制行驶方面，采用磁导航作为主要感知传感器，控制车辆行驶；在执行机构方面，纵向与横向分别采用直流减速电机+14线编码器方案与大扭力180度9G金属齿轮数字舵机；在通信方面采用具备通信接口的核心控制板进行连接；在传感方面集成多种传感器模块，如磁导航模块、惯性测量单元、红外测距传感器。

软件设计：智能车在硬件设计的基础上通过计算平台、线控技术具备控制模块，通过系统中carThings内部局域网与中控平台进行连接，使之具备通信模块。在各功能模块的支持下开发满足了单车自动驾驶、车辆编队行驶、车路协同的多个功能实验[9]。

3 实验项目与实验流程

3.1 实验项目

借由平台的物理实体以及中控软件，学生可以开展一系列交通实验，帮助学生更好地掌握交通流理论知识，同时为交通领域的研究人员开展机场陆侧交通的研究提供了良好的模拟环境，方便研究人员对科研方案进行模拟实验与运行。平台的具体实验项目如图2所示。

图2 实验教学平台的实验项目

3.2 重要实验流程

3.2.1 认知实验

认知实验就是将学生所学的综合交通理论知识与实际的交通系统实物结合起来，加深学生对交通系统的了解。本平台将机场周边道路移植至实验室中，还原实际机场周边道路。让学生在实验室内即可近距离观察机场周围道路类型，通过与老师交流或者组员之间的互动完成对于机场陆侧交通系统基本结构的认识，进而达到专业认知的目的。认知实验的具体项目如图3所示。

图3 认知实验具体项目

3.2.2 信号交叉口控制实验

在进行单信号交叉口控制实验时，学生需要通过绘制基本的信号相位图，设计信号步伐方案，通过TRRL法计算出相应的信号交叉口参数，利用交通信号机单在实训平台-第8交叉口上配时；在进行多信号交叉口控制实验时，学生需要测量出模型的基础数据，根据实际数据利用中控软件对干线交叉口信号机进行信号配时。便于学生掌握单信号交叉口交通信号控制知识，学会利用交通信号控制机并基于计算得到的配时方案设置对应的交通信号控制方案。单信号交叉口控制实验及多信号交叉口控制实验流程图如图4、图5所示。

图4 单信号交叉口控制实验流程

图5 多信号交叉口控制实验流程

3.2.3 交通数据采集系统实验

基于实验平台中的交通信息与控制实训平台-检测系统，学生通过实验平台提供的电脑，双击中控软件“AitoCarMgr.sln”来开启智能车控制界面，通过学习，学生可以掌握如何使智能车成功联网、如何对智能车车位进行整理。学生需要懂得如何利用中控系统调控智能车的运行路径以及运行速度。通过该实验，可以让学生学会利用线圈检测、收集流量数据，并能够熟练操作中控软件的流量检测模块。实验流程如图6所示。

图6 交通数据采集系统实验流程

3.2.4 车路协同实验

车路系统是ITS技术的核心，相关专业针对这一方向的人才培养方案已经开始[10]。依托实训平台-交叉口和交通信息与控制平台-动态限速标志，利用智能车、中控软件、信号机等设备分别进行车路协同实验中的车与信号机协同、车和动态限速标志协同，让学生通过实际操作智能车与已配好时的信号交叉口互动，观察车辆与信号机的协同过程，理解智能车与信号机协同的意义，明确智能车与信号机之间信息的交互模式；学生在了解了智能车与信号机的协同的基础上，根据不同道路情况推荐速度，进行动态限速设置，使学生了解动态设置限速标志的目的和作用，学会平台智能车与动态限速标志协同实验操作的基本流程。实验流程如图7所示。

图7 车路协同实验流程

4 结 语

民航机场陆侧交通发展要跟上时代的步伐，离不开智能化改造。要想最根本、最长远地实现这一目标，就需要在人才培养上下功夫，引入结合前沿智能网联交通技术的教学实验平台。实验室是进行实践和实验教学的重要依托，可以利用实验室资源让学生进行实践、使学生将交通工程理论运用到实际，为解决交通问题提供基本的学习条件[11]。将“场景-互动-可操性”融为一体的机场陆侧交通智能网联技术应用到教学实验平台，不仅支持最基础的民航机场交通系统认知实验，还配备了中控软件供学生操作，在进行交叉口交通信号控制、智能车与信号机的协同等实验的过程中，增强学生对交通工程理论知识的理解和对智能网联技术的应用能力，开辟了让学生从理论学习走向工程实践的创新发展路径。