互聯網+隧道交通環境管控虛擬仿真實驗項目建設

雷 旭, 李海珍, 汪貴平, 黃 鶴

(1. 長安大學 電子與控制工程學院, 陜西 西安 710064; 2. 長安大學 交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心, 陜西 西安 710064)

交通機電系統是交通信息類專業的特色專業課程,而實驗教學又是教學中必不可少的實踐性環節,對培養學生的動手能力、工程實踐能力和創新精神具有十分重要的作用[1-2]。在傳統的交通信息類專業教學體系中,因存在實際環境復雜、影響因素多變，且社會、經濟成本高等多方面因素,公路機電系統實踐教學只能參觀實習,不利于培養學生的實踐能力[3-5]。

現代信息技術的發展為解決實踐教學問題提供了技術條件[6]。首先,虛擬仿真技術具有沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性,能夠解決真實實驗項目條件不具備、實際運行困難、涉及高?；驑O端環境,以及高成本、高消耗、不可逆操作、不易進行大型綜合訓練等問題。其次,“互聯網+”技術具備跨界融合、創新驅動、重塑結構、尊重人性、開放生態、連接一切的六大特征,通過網絡平臺,可以實現教學資源與教師、學生的零距離接觸[7]。

基于“互聯網+”開放共享和創新驅動的優勢,開發了“互聯網+”虛擬仿真技術實驗項目。該項目依托長安大學交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心,以交通控制典型場景——隧道環境管控為實驗對象,建設了隧道運行環境管控虛擬仿真實驗項目。學生可以在該實驗項目中完成隧道環境檢測和隧道控制系統的仿真實驗,直觀地了解隧道環境參數的檢測方法以及控制系統。根據隧道綜合管控設計方案和策略,學生可以深入地學習隧道運行環境管控系統的控制原理、控制過程和運行效果,提高交通控制方案的綜合設計能力[8]。

1 實驗項目建設方案

互聯網+隧道運行環境管控虛擬仿真實驗項目的建設分為實驗內容建設、教學環節建設、隧道環境模型研究、虛擬仿真實驗教學平臺建設、互聯網+業務管理系統和實驗結果評價構成(見圖1)。

圖1 實驗項目框架

實驗項目建設的目的是綜合應用現代教育技術和傳統教學手段,促進理論教學和實踐教學相結合,使學生通過虛擬仿真完成實際難以實現的隧道環境管控實驗,進而深入理解所學的理論知識[9-10]。虛擬仿真實驗教學管理平臺[11-12]是實現教學輔助與管理功能的主要平臺；隧道控制仿真實驗平臺是項目組成員基于多年科研項目和工程實踐成果,在實際工程應用的隧道交通控制與管理軟件基礎上，經過適當精簡而建立的教學實驗虛擬仿真平臺。

2 實驗項目建設實踐

隧道交通環境管控系統仿真實驗方法包括理想化法和模型法。由于隧道實際物理環境復雜,難以完全實現仿真。因此,采用理想化法對隧道物理環境進行簡化,對影響交通效率與安全的CO濃度、可見度、亮度、風速等重要變量進行仿真。另外,根據典型長大隧道環境管控工程案例,抽象各種運行參數,在長大隧道環境管控仿真模型的基礎上建立仿真軟件系統。

2.1 實驗內容建設

由于隧道的物理環境特殊,學生難以在真實系統中進行交通控制與管理實驗。因此,本實驗項目從3個層面仿真隧道交通環境變量的動態變化。

(1) 宏觀上,應用隧道交通環境模型仿真環境變化對隧道通行狀態的影響；(2)通過系統仿真軟件,完成對長大隧道或隧道群的環境管控設備各控制子系統的監控與設置；(3)微觀上,應用理論課程所掌握的交通控制基本原理和方法,設計隧道環境狀態變量管控預案,在仿真實驗系統上完成仿真驗證,生成方案評價報告,進而對設計的方案和控制策略進行效果評估。

本實驗項目強調理論與實踐的結合,重視在實踐教學中培養學生的實踐技能和創新能力,靈活運用多種先進教學方法,充分調動學生的學習積極性,激發學生的潛能。

2.2 實驗教學環節建設

實驗項目包括預習環節、仿真實驗環節和考核評價環節,其基本功能如圖2所示。

圖2 實驗教學基本功能圖

在預習環節,學生通過影像資料、教學視頻和實物模型等多方面認知和了解隧道交通環境和隧道機電系統的基本概況,通過復習課本知識掌握隧道交通環境參數及其對隧道交通和安全的影響。

仿真實驗練習環節,通過各子系統實驗掌握隧道交通環境的特點和系統參數,進而設計組控方案和策略,最后完成對控制方案和策略的仿真運行。

考核評價是綜合預習情況考核、仿真實驗結果的評價及實驗報告3個重要環節,最終形成實驗項目的綜合評價。

2.3 隧道交通運行環境模型

隧道交通環境是實驗項目仿真對象,其動態變化特征需要建立理論模型予以描述。根據本校綜合中心團隊近年來在隧道交通領域的科研成果,將隧道環境模型分為空氣動力學模型、污染物模型、交通模型和控制模型[13]4部分,如圖3所示。

圖3 隧道環境模型

2.3.1 空氣動力學模型

空氣動力學模型用于計算不同條件下隧道內的空氣流速,以反映風機設備群仿真運行的效果。假設忽略空氣的壓縮性,根據牛頓第二定律計算空氣流動加速度,得到以下空氣動力學模型：

(1)

Ft=Fp+Fv+Fj+Fw+Ff

(2)

其中,Ft代表作用于空氣表面的力之和,Fp代表交通流帶來的力,Fv代表通風設備影響力,Fj代表送風口動力的影響力,Fw代表自然風所引起的外部壓力差異,Ff代表隧道壁面磨損力。

2.3.2 污染物模型

污染物模型反映仿真車流在隧道內產生的煙塵和CO、NO等有害氣體在動態時間和空間內的分布狀態,根據對每個單元交通模型的車輛密度,仿真計算車輛運動產生的污染物。污染物模型表示為

(3)

其中,c代表污染物濃度分布,Vr代表隧道內風速,D為隧道內污染物擴散系數,與隧道內風速以及隧道斷面尺寸有關,q為污染物產生量,其隨時間與位置變化。

2.3.3 交通模型

交通模型分為微觀模型、中觀模型和宏觀模型3種。其中微觀模型以單個車輛為基本單元,考慮每輛汽車的動力學與汽車間的關系。仿真對象關注動態車流對隧道交通環境的影響,因此采用微觀模型。

交通模型以交通流量、車流速度和交通密度3個基本參數來描述。車流速度和交通密度反映交通流從路上獲得的服務質量；流量可以反映車流的數量和對交通設施的需求情況。3個參數的基本關系表示為

Q=V·K

(4)

其中,Q為平均流量,V為空間車流平均速度,K為平均密度。

2.3.4 控制模型

控制模型是隧道交通運行模型的核心部分。學生實驗設計的控制策略經仿真平臺輸入控制模型,控制模型將控制策略轉換為分別作用于其他3個模型的影響變量,并將其變化過程分別輸出到空氣動力模型、污染物模型和交通模型,進而實現隧道交通環境對機電設備組合控制策略響應的動態仿真。

2.4 虛擬仿真實驗教學平臺建設

開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺基于OpenGL技術建設,采用面向服務的軟件架構開發,具有良好的自主性、交互性和可擴展性。平臺分為機電設備的仿真控制和隧道交通環境整體控制策略2部分。

機電設備的仿真控制可以從隧道機電設備庫提取機電設備子元件。根據設計方案選擇檢測設備,完成檢測子系統仿真調試和數據提取,其檢測的CO濃度和能見度數據顯示于屏幕。

在單個設備仿真的基礎上,再根據設計方案選擇控制設備,通過子系統設置界面設置仿真時間、環境模型等參數,完成控制子系統仿真調試和效果模擬。最后,根據各子系統控制方案,組合設定隧道整體環境管控的組控方案,完成對選定模擬的特定隧道進行環境管控仿真運行,得到仿真結果如圖4所示。

圖4 仿真運行界面

2.5 互聯網+業務管理系統

實驗業務管理平臺面向“互聯網+”,為實驗項目在線開放提供業務管理服務,與虛擬仿真實驗教學平臺實現數據的無縫對接。實驗業務管理平臺用以完成實驗項目的預約登記、預習考核、實驗報告上傳、教師評價。

實驗前,學生需在虛擬仿真實驗管理平臺上完成實驗預習,由教師登錄系統對預習情況進行考核,學生通過考核后才能進入實驗預約系統。

實驗預約系統完成虛擬仿真實驗的預約登記,在管理員授權的時間內登錄仿真實驗系統進行仿真實驗。

仿真實驗結束后,學生須在線提交實驗報告,并可以對實驗結果進行核對。實驗報告包括實驗評價數據、實驗結果分析報告和實驗方案改進措施等內容。教師完成在線答疑、報告批改、實驗結果審核和實驗統計管理等工作。

2.6 實驗結果評價

仿真實驗結束后,系統將生成仿真實驗評價報告,依據評價閾值表(見表1和表2)對學生仿真實驗數據進行評級,評價學生設計的管控策略方案的運行效果。指導教師批閱后,給出仿真實驗項目成績,學生可登錄檢索查看自己的成績。

表1 實驗結果評價指標及閾值

表2 仿真結果數據評級表

實驗考核內容及各項考核內容滿分設置如下：

(1) 預習環節：理論知識是否達到預習要求(10分)；預習報告是否提交并填寫完整(10分)

(2) 實驗操作：檢測子系統是否完成仿真調試與數據提取(10分)；控制子系統是否完成仿真調試與控制設置(10分)；控制策略與應急處置方案是否合理有效(20分)；

(3) 實驗結果：仿真結果數據是否合理(10分)；

(4) 實驗報告：實驗報告完整,目的、原理、內容、步驟完善(10分)；能夠對實驗結果進行有效數據分析(10分)；能夠對實驗內容進行進一步思考和改進措施(10分)。

3 實驗項目建設效果

虛擬仿真實驗項目面向長安大學自動化(交通控制)、計算機科學與技術(交通信息工程)、交通工程等專業三年級、四年級本科生和研究生在線開放。根據用戶端登錄和實驗結果統計數據,2017年參加并完成本項實驗的學生共有2 237人,實驗考核結果如表3所示。

表3 2017年實驗成績分布(人)

實驗考核驗證了實驗項目建設的合理性和實驗平臺的可行性。實驗項目利用專業最新技術成果,面向實際教學問題,解決了隧道交通控制領域長期以來實驗項目由于存在高成本、高消耗和不可逆操作而無法開出實際運行條件下的大型系統綜合實驗項目的難題。但由于2017年是實驗項目開設的第一年,部分學生對平臺操作不熟悉、實驗方案尚不盡合理,所以考核成績主要集中在“良”“中”“及格”3個等級。今后,通過在教學實踐中對實驗在線開放和虛擬仿真模式的不斷推廣,并對仿真平臺和在線業務管理平臺的不斷完善,仿真實驗單項成績分布會進一步趨向合理。

4 結語

基于虛擬仿真理念,融合“互聯網+”思維,面向隧道環境管控問題,建設了互聯網+隧道交通環境管控虛擬仿真實驗項目。在選取實際隧道現場場景基礎上,通過對環境檢測子系統的仿真實驗,學生可以更好地掌握隧道CO濃度、能見度、風速、車流量等環境參數的檢測方式,分析各參數對隧道環境的影響；通過對隧道控制子系統的仿真,可以提高對照明、通風、消防、誘導信息等控制系統的系統認知；通過綜合設計隧道管控方案和策略,提高對隧道管控系統的綜合設計能力。