《交通信號控制》實驗教學的改革與創新

摘要：論文在總結現有實驗教學存在問題的基礎上，闡述了教學實驗系統的設計構架、功能及關鍵組件。創新性地將“硬件在環仿真技術”應用于實現實驗系統，實現了仿真軟件和硬件信號機之間的信息交互，體現了真實信號機的實際應用效果。《交通信號控制》實驗系統分為三個實驗內容：①信號機認知學習實驗；②信號機控制策略有效性評價實驗；③信號機控制策略優化實驗。利用該實驗系統，學生能夠對信號控制機的基本原理、控制方式和操作方法有深入全面的了解，加深對控制策略運行和邏輯過程的認識。

關鍵詞：交通信號控制；實驗教學系統；信號機；VISSIM仿真軟件

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）35-0023-02

一、《交通信號控制》實驗教學的現狀與分析

隨著交通信號控制系統的廣泛應用，交通領域對于交通信號控制技術及相關學科人才需求日趨迫切，這也對高校交通工程專業人才培養方式及方法提出了新的挑戰。目前，北京工業大學交通工程設置的與交通信號控制相關的課程主要包括交通電子技術、交通信號控制技術基礎、交通管理與控制、智能交通系統，分別從電子技術、控制技術、管理與控制及控制系統等幾個方面開展教學工作。由于該課程群的學科交叉特點，在教學中對于教學目標的定位、教學內容的設置、教學活動的組織等方面面臨著多重挑戰。特別是對于實踐課程的設置方式和內容，更是教學實踐的關鍵。目前，現有的交通信號控制實驗教學系統主要分為兩大類：第一類，是利用仿真軟件，針對學生設計的控制策略進行仿真模擬以及評價。但此類實驗系統，學生不能了解信號控制的執行主體——信號機的工作原理及操作過程，無法認識信號機的各項功能和參數，學生基本不會操作和使用信號機。第二類，通過搭建上位機控制軟件實現與信號機的通訊，展現信號機的燈態運行效果以及信號機的簡單操作。這種實驗系統能夠彌補前者的不足，但它不能實現控制策略與交通流的交互，學生無法理解整個信號控制系統的工作機能，無法實現對信號控制策略的認識和評價。目前，交通信號控制實驗教學存在如下問題：

1.對于信號機的學習主要集中在理論層面。現有教學設備只注重信號機的展示性，而忽視了操作性。導致學生無法真正掌握實際信號機的各項功能及運行原理。

2.對于信號機控制策略的學習缺少交互。現有教學設備無法實現交通流與信號機中的控制策略進行交互，致使學生很難深刻理解交通量與控制策略的關系，也無法對控制策略的實施效果進行觀察、分析以及對其有效性、準確性進行評價。

3.對于控制策略的學習停留在書本層面。現有教學設備對控制策略的教學過多重視理論學習而忽略實際操作。教學成果只停留在讓學生會“算”而不會“用”的階段。由此，亟須開發一套信號控制教學系統，使學生能夠操作實際信號機，直觀、全面、深入地了解信號機的運行原理、配時參數、基本功能等；同時可以學習各種控制策略，觀察信號控制策略對交通流的影響及控制效果；此外系統可以對學生設計的控制策略實施有效性評估，從多角度給出評價結果，便于學生進行優化控制策略的學習。

二、《交通信號控制》教學實驗系統的構建

《交通信號控制》教學實驗系統的設計主要采用硬件在環技術實現，整個系統由三個實驗模塊構成：（1）信號機認知實習實驗；（2）信號機控制策略有效性評價實驗；（3）信號機控制策略優化實驗。在系統設計層面包括3個子系統：（1）信號機控制策略在環仿真評價子系統；（2）信號機控制交互子系統；（3）開放式配時方案輔助優化子系統；各子系統又通過上位機控制軟件協調和交互。其結構如圖1所示。

實驗系統的實現需要以下組件：上位機操控軟件；VISSIM仿真軟件；實際信號機；自行研發的車輛檢測器仿真設備。通過四個組件之間的交互和協調，實現圖1所示的3個子系統，并由3個子系統搭建整個實驗系統。滿足信號機相關工作的需求；同時，實現信號機的輸出可以控制仿真軟件中的信號燈設備。

三、《交通信號控制》實驗系統的實施效果

為了使學生能夠全面深刻地認識交通信號控制系統，我們設計了基礎實驗——信號機認識學習實驗；綜合實驗——信號機控制策略有效性評價實驗；創新實驗——信號控制策略優化實驗。

1.信號機認知學習實驗。信號機認知學習實驗能夠完全模擬信號機內有關控制策略的全部功能，通過上位機軟件或信號機操作界面實現對相序編寫、固定和感應配時以及日配時方案的設置和查詢功能；為了使學生能夠更直觀地觀察信號機的運行狀態以及路口燈態運行效果，上位機軟件設計了狀態監控功能。同時為了能夠展現感應配時的控制效果，實驗系統特地設置了模擬車輛到達的功能，產生車輛觸發檢測器的現象，從而驅使信號機執行感應配時。通過該實驗學生能夠學會操作真實信號機，了解其內部能夠完成的功能和各項參數的含義；更加直觀地認識配時方案的燈態運行效果；深刻地理解感應配時的運行原理。

2.信號機控制策略有效性評價實驗。學生通過該實驗能夠搭建不同的交通環境，輸入各時段車流量信息，設置車輛類型組成情況。學生針對特定的交通環境，可查詢和設置信號機要執行的相序、固定和感應配時、日配時方案。所有參數設置完畢，系統將基于學生搭建的交通環境對選定的信號機內的控制策略進行同步仿真。VISSIM仿真軟件的燈態將完全跟隨信號機燈態的變化；同時VISSIM將產生的檢測器信息通過車輛檢測器仿真設備傳送給信號機，影響其執行感應配時。仿真結束后，系統將從多個角度以圖形的形式直觀的展現對控制策略的評價結果。該實驗能夠實現控制策略與交通流的交互，學生能夠直觀地觀察到信號控制對交通流的控制效果；深刻理解各種控制策略的運行原理和效果。學生通過構建交通仿真環境、設置交通流、選擇信號機內控制策略的全過程，能深刻認識到不同交通環境、交通流與控制策略之間的互動關系。

3.信號控制策略優化實驗。在學生能夠完全操作信號機，了解信號機功能、參數以及控制策略的運行原理的基礎上，系統設計了創新型實驗——信號控制策略優化實驗。實驗過程中學生不僅能設計交通環境和設置交通流，還可將自行設計配時方案輸入到系統中，實現其效果的評價和優化。另外，系統能夠實現對SYNCHRO配時優化軟件的優化結果進行調取。特別值得一提的是對于感應配時的教學過程，教學系統將感應配時的輸入方式設計為邏輯過程，動態輸入感應控制過程的中間變量，通過實驗系統控制感應過程的實驗流程，學生可以依托邏輯過程實現感應控制。同時，系統支持快速仿真方式，可以根據輸出評價結果優化設計控制策略。通過該實驗的學習，學生能夠利用虛擬交通流來檢驗自己設計的控制策略的優缺點，可從交通信號配時工程師的角度，學習、理解信號控制策略的設計和優化的過程。

交通信號控制教學實驗系統是對現有交通信號控制系統的實驗教學的改革和創新。實現了學生與信號機、控制策略以及交通流之間的交互。從多角度、多層次使學生全面了解和認識交通信號控制系統。通過該實驗系統，可使學生學會操作信號機，認識其各項功能和參數；深刻理解各種控制方式的運行和邏輯原理。對于交通信號控制的實踐教學，真正實現了理論與實踐相結合的效果。

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