融合虛擬仿真與模擬實驗的交通管理與控制實驗教學平臺

文/徐巧妮 牟瑞濤（青島理工大學機械與汽車工程學院）

在“一流學科”建設和“新工科”背景下，設計綜合性、靈活性、融入行業先進技術設備的實驗已成為實驗教學的趨勢[1]。“交通管理與控制”是交通工程專業本科階段的核心專業課之一，課程的知識體系較大，內容更新較快，其實驗教學作為課程教學的一部分，能夠使學生將理論和實踐相結合，從而加深對理論知識的認識和理解，也能讓學生了解使用交通管理和交通控制的常用方法，對于教學具有重要的意義。各高校圍繞“交通管理與控制”課程開展了不同的實驗教學內容[2-3]，主要的實驗手段有：通過仿真軟件進行實驗教學，如德國PTV公司的VISSIM仿真軟件[4]、美國Trafficware公司開發的Synchro仿真軟件[5-7]；通過搭建仿真系統進行實驗教學[8]。雖然這些方法都能一定程度上完成實驗教學，但仍存在實驗內容較為片面，不能將知識更多地覆蓋、更系統地梳理等不足。針對上述問題，本文搭建了一個將虛擬仿真與模擬實驗相結合的實驗平臺，既解決了難以進行實地實驗的困境，也使實驗體系更完善，綜合性更強，同時使實驗注入了很多行業新技術，能提高學生的實驗參與度，較大的激發起學生的實驗熱情。

一、實驗平臺總體結構

實驗平臺由五部分組成，分別是校園交通流監測系統、Synchro虛擬仿真系統、沙盤信號模擬控制系統、電子警察系統和工業信號機實驗系統，系統的體系與作用如圖1所示。

圖1 實驗平臺總體結構

這五大系統既包含交通流實時監測、交通量的調查，又具備虛擬仿真和模擬實驗，也能實現模擬真實控制，實現交通管理與控制的全過程實驗，并且實驗方法和內容與工業方法相近，能讓學生直觀體驗工業中交通管理和控制的常用方法。

二、校園交通流監測系統

作為交通渠化和相位配時的依據，交通流的實地調查、流量的實時統計是交通管理與控制過程中不可或缺的前提準備，但由于存在時間、組織、安全等方面的原因，很難有合適的機會組織學生進行真實監測實驗，校園交通流監測系統則為這類實驗的進行提供了可能。

校園交通流監測系統由布置在校園中的32個攝像頭和總監控平臺構成，能夠實現校園內主要道路和重要交叉口的實時監控，監控平臺具有以下功能：

（1）多路同時監控；

（2）選擇性監控；

（3）不同時段下的車流量統計；

（4）車輛測速；

（5）24小時內監控回放；

（6）監控視頻截取和監控畫面截圖。

系統能夠實時監控校園內的相關交叉口在各時段中行人、機動車、非機動車的通行情況，學生可在實驗室內完成交通狀況的把握和交通量的統計，既可以避免現場進行實驗可能妨礙交通、具有危險性等問題，又能使學生感受到真實的交通情況，從中發現問題，為接下來的交通控制方案提供基礎數據。

實驗過程中，可根據實驗要求確定實驗路口，通過系統監測得到路口的幾何布局，計數不同時段的車流量和人流量，統計通過路口的車輛類型和比例、不同方向車輛排隊長度，計算通過路口汽車的平均車速，得到當前的交通評價，根據上述信息，制訂出交通渠化方案并設計路口的相位方案。

三、Synchro虛擬仿真系統

Synchro是針對城市路網進行信號配時與優化的仿真軟件，可以實現路網設置、路段設置、信號配時、方案協調等功能，相對于Vissim仿真軟件，Synchro添加了延誤時間、道路服務水平、廢氣排放等評價指標，使仿真效果更好[9]。同時，Synchro可以進行控制優化，可以實現交通控制方案的改進，從而得到最優控制方案。

通過校園交通流監測系統對實驗路口進行截圖，導入Synchro中，生成實驗路段，根據通過交通流監測系統統計到的流量信息和制訂的控制方案進行設置，并進行模擬仿真，根據仿真得到評價結果，從而對制訂的交通方案進行調整，直至找到最優控制方案。

四、沙盤信號模擬控制系統

沙盤信號模擬控制系統主要由道路仿真沙盤、循跡模型小車和小車服務軟件、交通信號控制機組成。能夠實現交通信號控制方案的模擬驗證實驗。

（一）道路仿真沙盤

道路仿真沙盤按照真實道路和建筑的尺寸進行比例縮放，得到了如圖2所示的道路和景觀沙盤，沙盤是一個環形車道，共有6個路口，每個路口都設置有東、西、南、北四向的信號燈，用以指揮循跡模擬小車的直行和轉向動作。沙盤中包含的傳感器和作用如表1所示。

圖2 道路仿真沙盤

表1 道路仿真沙盤所含傳感器

其中，線圈、地磁和壓電傳感器埋設在沙盤車道下，雷達、超聲波和紅外傳感器放置在隔段安置的龍門架上，各傳感器能實現既不影響道路交通又能互相配合，得到較為準確的數據，實現對沙盤中運行小車的實時監測。

（二）循跡模擬小車和小車服務軟件

如圖3所示的循跡模擬小車作為模擬系統中的主要被控對象，在道路仿真沙盤中可以執行：沿道路行駛、變道、根據交通信號控制行車、與前車保持適當距離、車輛實時位置信息發布等任務。循跡小車通過WIFI串口通信，與上位機進行數據的實時交換，通過PWM設定值調節車速，控制循跡小車加、減速或停止動作。圖4為循跡模擬小車的結構框圖。

圖3 循跡模擬小車

圖4 循跡模擬小車結構圖

循跡小車搭配有服務軟件，軟件主要作用于實時檢測沙盤上運行的每個小車的狀態，包括行駛數據的記錄和行車狀態的監控等。

（三）交通信號控制機

交通信號控制機如圖5所示，可以實現沙盤中信號燈的控制，是實驗中的主要控制器。控制機可以提供16個信號燈組相位控制，44路信號輸出，能實現多時段控制、固定周期控制、特殊日控制、黃閃控制、手動控制、全紅控制、無電纜聯動控制、感應式控制、綠波協調控制、區域協調等控制方式，其中多時段控制可設置至少16個控制方案，足以滿足實驗教學的需求。

圖5 交通信號控制機

交通信號控制機的上位機軟件ITS也可以完成交通信號燈的簡單控制，ITS軟件除具有相位編輯和信號燈手動控制功能外，還具有電子地圖功能，即顯示選定區域的道路地圖和附近已配置信號機的位置。

實驗中，將在Synchro軟件中優化的交通信號控制方案和渠化方案編輯到交通信號控制機中，根據沙盤道路與實際實驗道路的比例確定小車的速度，將一定數量的實驗小車放入沙盤中運行，以此模擬所設計的信號控制方案對車輛的控制，通過觀察記錄沙盤中小車所形成的交通的狀態和道路的通行情況，評價所設計的交通控制方案對車輛的控制質量。

五、電子警察系統

通過虛擬仿真和模擬實驗對交通控制方案進行優化后，即可將交通控制方案應用到實際控制當中，但在現實的交通控制過程中，除了通過交通信號燈和交通渠化方案對交通流進行控制，也需要對駕駛員的駕駛行為進行執法管理，只有兩者相互配合，才能保障交通秩序，促進道路交通安全暢通。為了讓學生體驗更真實的交通管理與控制過程，本實驗系統包含了一種先進的執法管理系統——電子警察系統。

電子警察系統，如圖6所示，也稱交通違法抓拍系統，是現代交通管理的重要組成部分，能夠有效地提高交通的管理水平。電子警察[10]是指具備多種現代電子技術，具有執法功能的一種執法工具。電子警察主要由路口控制設備、網絡傳輸設備、指揮中心設備構成，可以實現以下幾種功能：

圖6 電子警察系統

（1）闖紅燈抓拍；

（2）卡口管理；

（3）超速抓拍；

（4）變線抓拍；

（5）逆行抓拍；

（6）不按規定車道行駛抓拍。

在實驗過程中，指導學生學習電子警察的操作方法，通過操控小車闖紅燈、逆行等行為，觀察其對道路交通帶來的影響，同時，記錄電子警察的抓拍情況，以加深學生對交通管理過程中電子警察必要性的認識。

六、工業信號機實驗系統

實驗教學環節除了有提升學生動手能力的任務外，還應不斷吸收先進技術，以便與行業接軌。通常情況下，學生很難有機會近距離觀察、使用工業信號機，本實驗的工業信號機實驗系統的主體是一臺真實的工業信號機，如圖7所示。系統為學生提供了一個了解、使用工業信號機的機會，學生可以將前面實驗得到的交通信號控制方案輸入到工業信號機中，通過這種真實模擬實驗掌握工業信號機的構成、使用原理和使用方法。

圖7 工業信號機實驗系統

七、結論

本文介紹了應用于交通管理與控制實驗教學的綜合性實驗平臺。平臺由五大系統構成，融合了虛擬仿真與現實模擬，系統之間環環相扣，可以使實驗教學內容覆蓋交通管理與控制的大部分重點內容，使教學實驗更完整、更全面。實驗所需時間為8課時，通過實驗，極大地增進了學生的學習興趣，也提升了學生對交通管理與控制方法的認知，使學生對交通管理與控制的全過程有了較深入的了解，為今后的課程設計和畢業設計環節打下了基礎。