基于虛擬仿真的城市交叉口信號控制實驗教學改革

摘 要：基于虛擬仿真技術構建城市交叉口信號控制實驗項目，服務于《交通管理與控制》課程的實驗技能培養。通過交通信號控制虛擬仿真實驗項目，培養學生掌握城市道路交通控制與管理的基本原理和方法；熟悉并掌握道路交叉口渠化設計、信控方案的綜合設計和優化評價方法；使學生基本具備進行道路交通管理控制方案綜合設計、工程實踐和創新的能力。

關鍵詞：交通工程；交通管理與控制；虛擬仿真；交通信號；實踐教學

1 引言

交通工程專業交通管理與控制課程的教學過程中，對于交通信號控制系統的運用與信號方案的優化都需要通過實驗實踐與案例來展示。傳統教學方案依賴于信號機實物認知教學，借助交通信號控制機實物學習信號相位、信號階段及信號相位方案設計等理論知識，并完成指定信號控制方案的設計、方案輸入與運行。具有可重復性差，教學過程單一，學生參與度低等缺點。為解決實驗教學過程中形象生動與實體實驗復雜性、高成本之間的矛盾[1，2]，提高實踐教學的生動性和趣味性，利用虛擬仿真技術，構建虛擬仿真實驗教學項目，實現城市交叉口信號控制實驗教學的改革。

2 虛擬仿真實驗方案設計思路

實驗項目圍繞“以培養交通管理控制方案綜合設計能力培養為主，兼顧交通信號控制初學者能力提升為輔”的設計思路，針對不同知識層次的學生設置了交通信號控制設計性實驗和演示性實驗。設計性實驗又可選擇“示例交叉口”或“自選交叉口”進行方案設計。

演示性實驗主要面向交通信號控制初學者，幫助其掌握信號階段、信號相位方案設計以及交叉口信號機配置及使用方法。

設計性實驗則采用模塊化分步實驗的方法，緊密結合了交叉口渠化方案設計、信控方案設計和方案模擬與仿真分析等多個內容，通過可視性強、互動性好的虛擬仿真實驗訓練學生進行交通控制系統的方案設計、方案控制、仿真分析的綜合設計運用能力。此外，設計性實驗可選擇“示例交叉口”或“自選交叉口”，實驗項目提供實際交叉口的幾何參數和交通量等基礎數據作為示例交叉口，學生也可根據自選交叉口新建實驗方案。

3 交通信號控制虛擬仿真實驗原理

實驗項目針對不同層次學生設置有交通信號控制演示性實驗和設計性實驗。設計性實驗可在方案設計之后導出仿真數據，用于方案仿真分析與工程實證。實驗采用模塊化分步進行，主要包括：交通調查與分析、交叉口交通管理渠化方案設計、交叉口信號控制方案設計、方案模擬演示、方案仿真分析與應用實證。

1）交通調查與分析：在交通信號控制虛擬仿真實驗教學中，通過交通視頻監控系統實時查看設計交叉口的交通運行狀態視頻信息，統計交叉口交通流量、流向等基礎信息。也可直接在虛擬仿真實驗教學平臺下載所需的設計道路交叉口幾何信息和交通流量等基礎數據。

2）交叉口交通管理渠化方案設計：根據交叉口幾何條件及流量數據，在城市道路交通信號控制虛擬仿真實驗平臺完成交叉口渠化設計。基本原理包括：渠化原則；車道線設計；入口道形式。

3）交叉口信號控制方案設計：根據交叉口渠化方案及流量數據，完成交叉口信號配時設計。基本原理包括：HCM計算分析方法；飽和流量計算；最佳信控周期韋伯斯特計算方法；服務水平分析：交叉口飽和度、延誤分析。

4）方案仿真分析與應用實證：根據設計方案生成的Lisp工程文件和TSIS仿真接口文件，運行專業交通仿真軟件TSIS，對交通流特征進行分析與評價。根據仿真結果，優化信號控制方案；并將優化方案通過工程中心發送至交警支隊信號控制中心進行運營評估。

4 傳統教學的延伸與拓展

傳統城市道路交通信號控制實驗傳統教學以實物工作演示為主，側重于掌握信號機工作流程，對信號控制工作原理、控制參數及運行情況闡述不夠深入。

虛擬仿真實驗項目通過綜合渠化設計方法、飽和流量計算、信號配時計算方法、延誤分析方法等知識點，對傳統實驗涉及理論知識進行了延伸。實驗項目通過模塊化實驗設計，實現了對交通管理與控制理論教學與實驗內容的銜接，通過渠化方案設計和信號控制方案設計的綜合，實現了對學生進行交通信號控制的綜合訓練。實驗項目可導出交通信號控制方案仿真數據，實現了對交通信號控制仿真分析的綜合與拓展。

虛擬仿真實驗項目將交通渠化設計方案與AutoCAD進行對接、控制方案與仿真分析軟件對接，提升了實驗內容的可視性，提高了交叉口信號控制效果，使學生掌握渠化功能優化、信號控制相位方案、配時方案的多方案綜合優化能力。

5 結語

城市道路交通信號控制實驗是交通管理與控制課程的必修實驗項目，重點培養學生進行道路交通管理控制方案綜合設計、工程實踐和創新的能力。實驗項目采用虛擬仿真手段實現了交通管理與控制理論教學與實驗內容的銜接和綜合，實現了交通渠化設計方案與AutoCAD對接、控制方案與仿真分析軟件對接，提高了實驗內容的可視性和實驗效果。

參考文獻

[1] 陳峻， 熊宏齊， 黃曉明，等. 道路交通工程虛擬仿真項目的資源建設方案[J]. 實驗室研究與探索， 2017，（36）4：98-102..

[2] 馬駟， 彭其淵， 王 琳，等. 交通運輸專業實踐教學體系改革研究[J]. 西南交通大學學報（社會科學版）， 2008，（9）6：95-99.

基金項目：

教育部產學合作協同育人項目（201702117016）；桂林電子科技大學教育教學改革項目（JGB201843）。

作者簡介：

謝練（1989-），男，湖南婁底，助教，研究方向：交通管理與控制，交通設計、交通安全。E-mail： xielian@whut.edu.cn。