面向研究生教學的交通系統(tǒng)仿真案例庫建設

吐爾遜·買買提，謝海巍，劉尊青，李 鑫

（新疆農(nóng)業(yè)大學交通與物流工程學院 新疆 烏魯木齊 830052）

2015 年以來，教育部等各級教育管理部門通過出臺多種舉措積極推動了基于VR的虛擬仿真教學中心的建設工作，并積極推進基于仿真技術的課堂和實踐教學。通過立項的方式組織領域的相關專家建設多源異構及海量的可以用于虛擬仿真的資源交換平臺以及全時域、半實物、全過程及虛擬現(xiàn)實的鐵路交通仿真一體化實驗教學中心，并提供了案例庫資源；西南交通大學在研究生教學層面上采用基于J2EE 的分布式技術實現(xiàn)開放與共享的在線教學環(huán)境及案例庫；中山大學通過交通工程虛擬仿真實驗教學中心的教學案例及資源平臺建設了服務于本科生的交通工程教學案例庫。部分院校基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的思想，將隧道控制理論與虛擬仿真實驗技術相結合，提出隧道虛擬仿真實驗教學的建設思路及方案。

為適應專業(yè)學位碩士研究生教學的客觀需求、推動研究生培養(yǎng)模式的改革、提高研究生培養(yǎng)質量，2013 年5 月，國務院學位辦和教育部成立了中國專業(yè)學位案例中心。案例中心根據(jù)中國專業(yè)學位案例教學現(xiàn)狀，確定了“統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施，整合資源、共建共享”的建設原則，以期通過多方共同努力，將案例中心建設成為我國專業(yè)類別最全、案例數(shù)量最多、特色明顯、獲得廣泛認可的國家級案例中心，從而有效支撐我國相關專業(yè)學位課程案例庫教學，促進專業(yè)學位案例教學水平的提高，推動專業(yè)學位研究生培養(yǎng)模式改革與創(chuàng)新。

根據(jù)交通運輸碩士專業(yè)學位研究生的培養(yǎng)方案，面向交通基礎設施工程、綜合運輸與物流工程和交通安全與環(huán)境等專業(yè)方向建立課堂教學案例庫，在建設碩士研究生教學資源庫、促進碩士研究生教育教學改革、提高人才培養(yǎng)水平等方面具有重要意義。

1 概述

“交通系統(tǒng)仿真”課是交通與物流工程學院專業(yè)學位碩士研究生專業(yè)方向課，是交通工程學、計算機仿真技術以及實驗交通工程學相互交叉的一門跨學科課程。“交通系統(tǒng)仿真”依靠計算機建模仿真技術，對人、車、路、環(huán)境因素組成的交通系統(tǒng)進行大尺度、全方位的模擬，從而為科學地評價交通運輸體系的綜合效益以及分析重大交通建設項目對復雜系統(tǒng)產(chǎn)生的影響提供方法和手段。

在交通類專業(yè)課堂教學和實踐教學中，由于實地實驗的高成本、高消耗、存在不安全因素等，因而在實驗教學中難以進行實地課程教學實驗。基于交通仿真的虛擬仿真技術開發(fā)與實地交通系統(tǒng)相一致的交通類專業(yè)案例庫，為解決交通專業(yè)研究生教育課堂和實踐教學中的問題提供了有效的途徑。

2 交通系統(tǒng)仿真案例庫建設現(xiàn)狀

近年來交通與物流工程學院在制訂培養(yǎng)方案和執(zhí)行碩士研究生教學任務過程中，在學校的大力支持下更加重視并積極推動案例教學并取得了良好的效果。

2.1 仿真平臺建設基礎

在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及智能交通的新形勢下，為了更好地適應領域發(fā)展趨勢，使得學院教學和科研工作更上一個臺階，學院領導非常重視學院信息化建設，投入資金購買IBM 服務器、惠普工作站等設備，并建設了2 間由102臺臺式機組成的交通信息技術實驗室。目前學院實驗中心擁有Nano sense vehicle classifier system（車輛分類系統(tǒng)）、車輛信號采集系統(tǒng)等交通數(shù)據(jù)采集和分析硬件平臺，為今后項目的順利實施提供硬件支持。

近年來，學院先后投入60 多萬購買了交通規(guī)劃軟件Trans Cad，交通仿真軟件TransModeler、微觀交通仿真軟件PTV Vissim、宏觀交通仿真軟件PTV Visum，并先后應用于教學科研當中，這些軟件可以為交通系統(tǒng)仿真教學案例庫建設提供平臺支撐。目前，學院交通信息技術實驗配備的PTV Vissim交通仿真軟件由于其功能全面，開設交通類專業(yè)的高校大多使用該軟件進行本科及碩士研究生的交通仿真課堂及實踐教學。課題組成員承擔碩士研究生課程任務過程中充分利用學院軟硬件平臺，發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，在交通仿真技術課程教學中已經(jīng)建立了初步的課程習題庫、作業(yè)庫、課堂教學課件和在線課程的基本框架。結合課堂和實驗教學的需要建立了PTV Vissim實驗教學手冊、案例教學手冊、基本數(shù)據(jù)資源，為建立專業(yè)學位研究生教學案例庫提供基礎資源。

2.2 交通系統(tǒng)仿真案例庫建設內容

本項目以“交通系統(tǒng)仿真技術”課程專業(yè)學位碩士研究生課堂教學和實踐教學需求為導向、以案例庫建設及案例教學為終極目標，依托高素質的教學團隊，基于PTV Vissim仿真平臺，將交通運輸領域各方向的專業(yè)知識以及交通系統(tǒng)仿真技術充分融入案例庫建設，建立“交通系統(tǒng)仿真”案例教學資源，從而為專業(yè)學位研究生課程教學提供開放、靈活并適合于多層面的教學資源平臺。

2.2.1 信號控制交叉口交通效率仿真分析教學案例建設

交通效率分析是交通工程學學科的重要研究領域，也是提高交通管理水平，提高道路交通安全系數(shù)的重要手段。

教師在教學時可以運用PTV Vissim 軟件建立交通效率分析仿真案例。在案例中結合信號交叉口，根據(jù)交叉口上下班高峰期交通流量數(shù)據(jù)，建立仿真模型。通過優(yōu)化左轉讓直行車輛的規(guī)則，改變信號燈配時方案，改變不同類型駕駛員比例等方法，對信號交叉口的通行效率進行仿真，得到實際交叉口交通效率運行的對比仿真結果。案例中對調整該類型交叉口左轉讓直行的規(guī)則對交通效率的影響進行分析；同時對優(yōu)化交叉口信號配時后的交通效率進行定量和定性分析。增加交叉口激進型駕駛員的比例，減少保守型駕駛員的比例，對交通效率的影響進行仿真分析。

通過此案例學生能更充分地掌握交通仿真技術在交通效率分析中的應用。

2.2.2 基于Vissim 交通仿真平臺的交通事故影響分析交通仿真案例建設

對道路交通事故進行仿真，并提供對其進行分析的手段和平臺是交通仿真技術的重要領域。高速公路發(fā)生交通事故時，由于事故車輛占用車道，造成事故路段形成交通瓶頸，影響路段的實際通行能力，導致事發(fā)路段的車輛延誤和排隊長度的增加。教師通過Vissim 仿真平臺，建立高速公路基本路段仿真和路段上的交通事故仿真分析案例，分析不同交通量以及車型比例下，事故路段的行車延誤和平均排隊長度變化規(guī)律；基于案例對高速公路在事故情況下的有效通行能力進行仿真。對高速公路基本路段交通流中車輛組成對交通事故的影響、通行能力參數(shù)進行仿真分析。

通過該案例，學生可以掌握基于Vissim的交通事故仿真方法和步驟，并結合仿真案例分析為今后基于仿真技術分析交通流奠定基礎。

2.2.3 仿真分析及評價道路交通排放案例庫資源建設

Ptv Vissim 仿真軟件作為功能強大的主流產(chǎn)品，在交通環(huán)境影響分析方面提供了較完善的功能。面向交通安全與環(huán)境方向專業(yè)學位碩士研究生的課堂教學需求建立基于Vissim 的交通排放測算模型和案例庫。案例中通過模擬車輛行駛數(shù)據(jù)和Vissim仿真數(shù)據(jù)，分析比功率（vehicle specific power VSP）變化，并對基于仿真的車輛排放分析方法進行進一步的分析。

通過道路交通排放評價分析仿真案例教學，學生可以掌握基于Vissim 測算VSP 以及分析交通排放的方法，進而為今后從事基于仿真技術分析機動車污染物排放的相關研究奠定基礎。

2.2.4 基于仿真技術的瀝青路面養(yǎng)護效率評價案例庫建設

針對交通基礎設施工程方向的專業(yè)學位人才培養(yǎng)、課堂教學及實踐教學需要，建立基于Vissim 仿真的瀝青路面養(yǎng)護效率評價案例庫。教學案例中為了定量分析瀝青路面不同養(yǎng)護措施的養(yǎng)護效率，采用Vissim 交通仿真的方法建立不同的養(yǎng)護方案模型，對交通量、工作區(qū)長度及時間的不同變量水平進行交通仿真，得出行程延誤、排隊長度等指標并進行分析。案例中仿真分析采用新型養(yǎng)護技術，對工作區(qū)長度、封閉車道時間、車輛延誤、排隊長度的影響。該案例為學生在路基路面養(yǎng)護作業(yè)分析中引入仿真技術提供思路、方法和案例資源。

2.2.5 仿真分析及優(yōu)化物流園區(qū)貨運大道信號燈控制措施教學案例建設

根據(jù)綜合運輸與物流工程方向人才培養(yǎng)方案需要，建立面向貨運大道信號燈控制及交通狀況改善的Vissim仿真案例。

案例中根據(jù)現(xiàn)場調研和模擬的數(shù)據(jù)及相應算法，在Vissim 仿真軟件基礎上，對物流園區(qū)貨車出入口信號控制配時方案進行仿真分析。為貨運大道信號配時的合理化和優(yōu)化提供仿真分析的步驟和方法。

在交通系統(tǒng)仿真技術課堂和實驗教學中，將交通仿真技術與綜合運輸和物流工程領域的物流園區(qū)出入口信號控制優(yōu)化相互結合，進而為學生提供物流園區(qū)區(qū)域交通管理和控制仿真方面的思路和方法。

2.3 建設目標

根據(jù)課程教學大綱、課程內容體系、學院目前具備的軟硬件條件、國內相關案例建設現(xiàn)狀以及建設內容制訂以下建設目標。

面向交通安全與環(huán)境方向專業(yè)學位碩士研究生的課堂教學需求，建設包含案例教學實施方案、案例所需的交通流數(shù)據(jù)和完整的PTV Vissim 模型在內的信號控制交叉口交通效率分析、交通事故影響分析及道路交通排放評價分析仿真案例庫資源。

針對交通基礎設施工程方向的專業(yè)學位人才培養(yǎng)、課堂教學及實驗教學需要，建立基于Vissim 仿真的瀝青路面養(yǎng)護效率評價案例庫（含案例教學實施方案、基礎數(shù)據(jù)及Vissim 模型）。

根據(jù)綜合運輸與物流工程方向人才培養(yǎng)方案需要，教師運用Vissim平臺建立貨運大道信號燈控制及交通狀況改善實踐教學案例（含案例教學實施方案、基礎數(shù)據(jù)及Vissim模型）。

在超星慕課平臺(mooc.chaoxing.com)的基礎上提供涵蓋課程課件、教學案例庫、習題庫、作業(yè)庫的“交通系統(tǒng)仿真技術”在線課程。

3 建設成果及分析

由于篇幅所限，本文主要介紹信控交叉口仿真案例。在城市道路交通中左轉車流是影響交叉口通行能力的重要因素。合理優(yōu)化左轉車流路徑可以有效提高通行效率、減少延誤和交通事故。本文在建立信控交叉口交通效率分析案例時，從優(yōu)化配時方案和引入新的引導左轉交通流的方法入手建立了案例庫。

3.1 路網(wǎng)建設

本例以阿勒泰路與哈密路交叉口為例介紹仿真模型構建方法（見表1）。

表1 阿勒泰路與哈密路路口設施幾何設計參數(shù)

3.2 交通管理規(guī)則

阿勒泰路與哈密路十字路口在實際運行當中采用信號控制方法進行管理。本例在Vissim 平臺中創(chuàng)建阿勒泰路與哈密路信控交叉口仿真模型。

3.3 交通狀況

該交叉口的機動車主要由兩種車輛組成和兩種車輛的期望速度近似服從均勻分布。小汽車的期望速度為50―60 km/h，貨車的期望速度分布區(qū)間為48―56km/h。

3.4 創(chuàng)建路網(wǎng)

根據(jù)表1 參數(shù)，創(chuàng)建路網(wǎng)。如圖1 所示。

圖1

3.5 交通管理仿真

交通管理規(guī)定了車輛在路段和交叉口運行時必須遵守的基本規(guī)則，對交通流的運行產(chǎn)生重要的影響。在Vissim仿真系統(tǒng)中，通過運用“沖突區(qū)域”交通管理對車輛之間讓行關系。因為本例中的交叉口為信控交叉口，因此，交叉口對向車流中，需要為直行和左轉車輛制定讓行規(guī)則，其余車流應用信號控制方法，即無須做任何變動。

3.6 交通信號控制仿真

根據(jù)阿勒泰路與哈密路口交叉口交通控制方案，其信號控制仿真模型，可以按照下述步驟進行構建。

①新建信號控制機（信號控制/信號控制機），將其命名為阿勒泰與哈密路交叉口信號控制機，類型設置為“定周期”。

③添加信號燈頭。操作方法：單擊用戶界面左側“路網(wǎng)對象”欄中的“信號燈頭”按鈕，在各入口路段離交叉口大約1m―3m 處單擊右鍵，選擇“添加信號燈頭”。圖2 為信號配時方案。

圖2 信號配時方案

3.7 仿真評估

教師通過對道路設施、交通管理、車輛和行人的仿真，建立阿勒泰路與哈密路十字路口完整的仿真模型，可以運行該模型，并觀察仿真模型運行狀況。模型運行結果表明，交叉各進口道的交通運行出現(xiàn)長排隊情況。

為了更加客觀準確地評估交叉口服務水平，還需要采集有關車輛運行狀況的數(shù)據(jù)。鑒于該交叉口采取了信號控制方案，因此，評估該交叉口服務水平需要采集車輛在停車線前方的排隊延誤，可以通過設置數(shù)據(jù)采集設施予以實現(xiàn)（見圖3）。

圖3 左轉車輛數(shù)據(jù)采集截面

4 結語

交通系統(tǒng)仿真技術發(fā)展至今，經(jīng)歷了各種階段，從微觀的單一車輛路徑分析到宏觀交通運輸系統(tǒng)規(guī)劃建設。其利用計算機的數(shù)學模型，對現(xiàn)實交通數(shù)據(jù)信息進行研究分析，將復雜的交通問題明確地展示出來，在交通規(guī)劃發(fā)展、道路設計勘測、交通運行規(guī)則方面有著重要意義，大數(shù)據(jù)的加持和智能云端、AI 技術實現(xiàn)，智慧交通系統(tǒng)為交通系統(tǒng)仿真技術帶來了新的機遇，仿真技術為智慧交通的發(fā)展提供了十分重要的技術支持。本文案例庫為提高專業(yè)學位碩士研究生的教學質量、優(yōu)化和豐富教學案例資源方面提供了借鑒。