機場陸側交通智能網聯技術應用實驗教學平臺建設

常 鑫，曹 悅，陳香慶，周 馨，潘 佳，王 超 （中國民航大學，天津 300300）

0 引 言

智能網聯車作為全球創新發展的熱點，通過借助信息通信技術，將車與車、路、人、云控平臺有機結合，能夠實現道路交通信息交互，從而提高道路通行能力、減少交通事故和節能減排等。目前我國車聯網產業欣欣向榮，正在進入快速發展時期[1]，但車聯網技術的應用場景目前還比較單一，車聯網技術需要在更多樣的場景下進行應用。機場陸側作為一個包含了航站樓、停車場、交通樞紐、高架橋、交叉口等復雜交通元素的綜合交通系統，其與城市道路交通系統既相似又有所區別，是智能網聯技術發展的一塊優質“試驗田”[2]。

“十四五”期間，中國民用航空局提出了以智慧民航建設為核心的民航發展戰略[3]。作為民航運輸重要的一環，機場陸側交通服務質量直接影響整個民航運輸過程的效率。隨著機場客流量的持續增大，陸側交通運行存在著人車爭道、道路通行能力低等問題，傳統的交通管理方式不足以有效組織陸側交通[4]。為提高機場陸側交通運行效率，機場也需引進新技術，進行“智慧化”改造。機場陸側交通的“智慧化”，從近期目標來看，需引入新興技術直接驅動其發展，從長遠目標來看，需持續推動科技創新，以培養、輸送專業人才為長期目標。要培養出與時俱進的交通工程專業人才，就需引入與時俱進的教學方式。區別于傳統的理論教學，虛擬實驗教學平臺可以讓學生身臨其境地在實驗場景中鞏固理論知識，培養實踐能力。為滿足民航業和交通發展對高素質、創新型人才的需要，提出了一個不僅面向城市道路交通，還面向機場道路交通的機場陸側交通智能網聯技術應用模擬實驗教學平臺。該平臺將智能網聯關鍵技術融入實際交通場景，以車、路、云為教學立足點，能夠使學生在實驗中學習研究前沿車路協同、自動駕駛等技術，增進對機場陸側交通調度的了解，對民航交通工程專業學生的實踐能力提升具有重要意義。

1 實驗平臺的建設目的

利用智能網聯技術，為如交通流組織、交通管理與控制、陸側車道邊規劃設計等交通工程專業人才培養的核心課程建設實驗平臺。由于這些課程的實驗項目從可能性、安全性、實踐性各個角度都不適合真實實驗演示和現場操作，因此構建了虛擬實驗教學平臺，將民航特色專業課理論知識融入實驗平臺設計中。該實驗平臺可以達到如下目的。

首先是解決相關專業課中缺乏實驗教學平臺的問題，同時能夠滿足學生在學習過程中對知識具像化、實地實踐的需求，開發學生的創新能力以及提高學生動手實踐的能力，以此適應民航業對智能交通領域創新人才的培養要求[5]。其次是解決在疫情的影響下，學生缺乏機會外出實習的問題。該實驗平臺讓學生在不受到各類問題的影響下，完成專業課的學習，有利于提高教學質量和教學效率，同時有助于開展線上、線下的混合式教學，以此減弱疫情對實踐課程的影響。

2 實驗平臺基本架構

機場陸側交通智能網聯技術實驗平臺可分為沙盤形式的物理模型與智能網聯控制系統兩部分。兩部分通過在沙盤上再現機場陸側的交通環境與利用智能網聯技術對基礎設施進行控制，共同實現了運行管理、信號控制、自動駕駛、車路協同等功能[6]。實驗平臺基本架構圖如圖1所示。

圖1 實驗平臺基本架構圖

該實驗平臺的物理模型為沙盤形式。在沙盤的設計上：沙盤的建設目標是給智能網聯控制系統提供平臺、真實反映機場陸側交通路網等；沙盤的功能是確定實驗場景所需要的各種功能的基礎設施，如各種機場周邊的元素、特殊功能道路等；沙盤中實驗場景的應用方式與實用性是用于認知本實驗或其他基于該沙盤的交通工程核心課程實驗，故該實驗場景可以適用于眾多課程，也可成為一種實習方式[7]。

在沙盤的建設上采用模塊化思想，用模塊組成沙盤進行展示以便于拆解、移動與定制。在沙盤上建設陸側交通路網、道路景觀、特殊功能道路作為實驗平臺的基本架構，其中路面為參照北京首都機場、北京大興機場建筑及路況的立體化路面。整個沙盤分為航站樓、車道邊、機場高架、停車場、信號交叉口等部分。沙盤的建設為實現智能網聯控制提供了基礎設施與實驗場景。

2.1 機場陸側交通路網

陸側交通路網由機場周邊基本交通元素及陸側交通道路系統組成，包括標志、標線、路面、交叉口、高架橋、匝道等。在道路的設計上采用獨特防滑貼紙鋪設路面層的同時，以真實的顏色展現陸側交通路網的路面，配以參照國標設計的地面標線，明確標注出交通元素；在路面上設置9個交叉口，放置機動車信號燈與行人信號燈，為后續實現城市道路運營管理、信號控制、車路協同等教學平臺提供基礎設施。

2.2 特殊功能道路

分別在路面上轉彎處設置彎道與交叉口、上下客區域建設人行橫道，真實地再現機場陸側交通車道邊環境，可借此測試智能網聯車輛彎道行駛的穩定性與陸側交通網絡運行管理。

2.3 智能網聯控制系統

利用中控、數據庫、控制中心完成控制、數據采集、管理任務，組成智能網聯控制系統，管理交通信號機、智能車、智能停車場等部分。實現該實驗平臺的多車動態管理、路徑分配、數據分析、速度控制、角色劃分、集中調度的功能，即用智能網聯技術實現沙盤的數字化。

2.4 信號機

創新性：對傳統信號機進行改造升級，將原本僅具有設置信號機狀態信息及控制參數（包括相序、配時方案、日時方案）的傳統信號機通過網聯控制模塊的RS232串口接收信號再通過無線網絡向外傳輸，改變為具備將路口的狀態信息傳送給智能網聯車輛的功能的新型信號機，達到車路協同功能。

交互性：與中控軟件進行交互可以實現對信號機進行遠程讀寫，控制信號機的配置如利用中控軟件生成不同的信號配時方案，直接將控制策略下發到信號機控制的路口，進行相位排列、配時方案、日時方案、校時，達到控制信號機的目的，實現了實驗平臺使用人員與信號機的交互功能[8]。

2.5 智能車

硬件設計：在控制行駛方面，采用磁導航作為主要感知傳感器，控制車輛行駛；在執行機構方面，縱向與橫向分別采用直流減速電機+14線編碼器方案與大扭力180度9G金屬齒輪數字舵機；在通信方面采用具備通信接口的核心控制板進行連接；在傳感方面集成多種傳感器模塊，如磁導航模塊、慣性測量單元、紅外測距傳感器。

軟件設計：智能車在硬件設計的基礎上通過計算平臺、線控技術具備控制模塊，通過系統中carThings內部局域網與中控平臺進行連接，使之具備通信模塊。在各功能模塊的支持下開發滿足了單車自動駕駛、車輛編隊行駛、車路協同的多個功能實驗[9]。

3 實驗項目與實驗流程

3.1 實驗項目

借由平臺的物理實體以及中控軟件，學生可以開展一系列交通實驗，幫助學生更好地掌握交通流理論知識，同時為交通領域的研究人員開展機場陸側交通的研究提供了良好的模擬環境，方便研究人員對科研方案進行模擬實驗與運行。平臺的具體實驗項目如圖2所示。

圖2 實驗教學平臺的實驗項目

3.2 重要實驗流程

3.2.1 認知實驗

認知實驗就是將學生所學的綜合交通理論知識與實際的交通系統實物結合起來，加深學生對交通系統的了解。本平臺將機場周邊道路移植至實驗室中，還原實際機場周邊道路。讓學生在實驗室內即可近距離觀察機場周圍道路類型，通過與老師交流或者組員之間的互動完成對于機場陸側交通系統基本結構的認識，進而達到專業認知的目的。認知實驗的具體項目如圖3所示。

圖3 認知實驗具體項目

3.2.2 信號交叉口控制實驗

在進行單信號交叉口控制實驗時，學生需要通過繪制基本的信號相位圖，設計信號步伐方案，通過TRRL法計算出相應的信號交叉口參數，利用交通信號機單在實訓平臺-第8交叉口上配時；在進行多信號交叉口控制實驗時，學生需要測量出模型的基礎數據，根據實際數據利用中控軟件對干線交叉口信號機進行信號配時。便于學生掌握單信號交叉口交通信號控制知識，學會利用交通信號控制機并基于計算得到的配時方案設置對應的交通信號控制方案。單信號交叉口控制實驗及多信號交叉口控制實驗流程圖如圖4、圖5所示。

圖4 單信號交叉口控制實驗流程

圖5 多信號交叉口控制實驗流程

3.2.3 交通數據采集系統實驗

基于實驗平臺中的交通信息與控制實訓平臺-檢測系統，學生通過實驗平臺提供的電腦，雙擊中控軟件“AitoCarMgr.sln”來開啟智能車控制界面，通過學習，學生可以掌握如何使智能車成功聯網、如何對智能車車位進行整理。學生需要懂得如何利用中控系統調控智能車的運行路徑以及運行速度。通過該實驗，可以讓學生學會利用線圈檢測、收集流量數據，并能夠熟練操作中控軟件的流量檢測模塊。實驗流程如圖6所示。

圖6 交通數據采集系統實驗流程

3.2.4 車路協同實驗

車路系統是ITS技術的核心，相關專業針對這一方向的人才培養方案已經開始[10]。依托實訓平臺-交叉口和交通信息與控制平臺-動態限速標志，利用智能車、中控軟件、信號機等設備分別進行車路協同實驗中的車與信號機協同、車和動態限速標志協同，讓學生通過實際操作智能車與已配好時的信號交叉口互動，觀察車輛與信號機的協同過程，理解智能車與信號機協同的意義，明確智能車與信號機之間信息的交互模式；學生在了解了智能車與信號機的協同的基礎上，根據不同道路情況推薦速度，進行動態限速設置，使學生了解動態設置限速標志的目的和作用，學會平臺智能車與動態限速標志協同實驗操作的基本流程。實驗流程如圖7所示。

圖7 車路協同實驗流程

4 結 語

民航機場陸側交通發展要跟上時代的步伐，離不開智能化改造。要想最根本、最長遠地實現這一目標，就需要在人才培養上下功夫，引入結合前沿智能網聯交通技術的教學實驗平臺。實驗室是進行實踐和實驗教學的重要依托，可以利用實驗室資源讓學生進行實踐、使學生將交通工程理論運用到實際，為解決交通問題提供基本的學習條件[11]。將“場景-互動-可操性”融為一體的機場陸側交通智能網聯技術應用到教學實驗平臺，不僅支持最基礎的民航機場交通系統認知實驗，還配備了中控軟件供學生操作，在進行交叉口交通信號控制、智能車與信號機的協同等實驗的過程中，增強學生對交通工程理論知識的理解和對智能網聯技術的應用能力，開辟了讓學生從理論學習走向工程實踐的創新發展路徑。