仿真軟件在“ 交通管理與控制” 實驗教學中的應用

摘要 隨著我國經濟的發展，汽車的普及和機動車保有量的快速增長，交通問題成為制約城市可持續發展的關鍵因素。交通管理與控制是城市道路交通管理專業的核心課程，為了更好地培養學生的專業知識和實踐技能，提高教學水平，文章提出將仿真軟件引入到實驗教學中，通過分析實驗教學內容和設計思路，介紹了用仿真軟件進行交通信號控制方案設計和仿真分析的基本流程，最后對教學效果進行了評價。

關鍵詞 仿真軟件；交通管理；實驗教學；應用分析

中圖分類號 TP391.9 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）15-0177-03

0 引言

隨著智能交通系統（ITS）的快速發展，我國已經形成了完善的交通信號控制系統，交通管理部門對交通信號控制專業人才的需求日益迫切。在我國高等工程教育改革的背景下，部分高校都將交通信號控制課程納入了本科教育培養計劃中。目前，國內在該課程實驗教學中應用比較廣泛的有仿真軟件和實驗平臺2 種。仿真軟件能較好地模擬實驗過程，提高實驗效率，降低實驗成本。但是，目前國內仿真軟件種類繁多，各具優缺點，使用時需結合學生自身特點合理選擇。該文結合交通管理與控制專業特點和高校人才培養目標，提出了一種基于軟件平臺的綜合性實驗教學方案，并在實際教學中得到了有效應用。

1 交通仿真管理及仿真軟件

1.1 交通仿真

隨著計算機技術的不斷發展，交通仿真軟件也應運而生。在此基礎上，該文提出一種基于計算機數值模擬的交通情況分析技術與方法。這是計算機模擬技術在交通運輸當中的一項關鍵應用，因為它可以很直觀地反映道路交通運輸網絡中的車輛運行狀況。因此，在各類交通道路規劃、交通控制管理方案的設計中，交通仿真可以給交通工程研究人員帶來更加詳細和精確的決策輔助。

1.2 仿真軟件簡介

仿真軟件是一種通過計算機對交通系統中的各因素進行模擬仿真，使之符合實際的系統。其中，交通信號控制系統、道路交叉口的信號控制、道路網絡的智能交通管理及各種交通事故仿真軟件等都是常用的仿真軟件。交通信號控制系統（Control System in Traffic），是將信號燈作為一個控制單元，對整個路網中的交通流進行調節和控制，使其達到平衡狀態。在該系統中，通過設置不同的信號燈組合，實現不同交通信號控制方案。而道路交叉口信號控制系統（Road Signal Control Systemin Range）則是用信號燈來控制交叉口車輛的放行，以達到緩解或改善交叉口擁堵現象，減少交通事故發生的目的。道路網絡智能交通管理與事故仿真軟件（RoadSystem-Intelligence）則是在計算機上模擬車輛和道路之間的相互作用，使車輛按照一定規則行駛，從而使交通系統達到最優的運行狀態。

2 常用的交通仿真軟件

交通仿真軟件主要包括交通規劃軟件、宏觀交通仿真軟件、中觀交通仿真軟件、微觀交通仿真軟件以及交通信號的最優控制軟件。當前最普遍使用的交通仿真軟件包括：

VISSIM 是一款由德國PTV 企業所開發的微觀仿真系統。VISSIM 系統主要包括車輛模擬模塊和車輛狀況發生模塊。兩者可以進行車輛狀況的交互處理。VISSIM 系統充分考慮了城市公共汽車的構成和運行特征，將摩托車、自行車和行人作為主要的交通流構成因素。該系統不僅能夠在線生產實時可視化的車流狀態，而且還能夠在離線情況下統計出行時間和排隊長度等相關的信息。由西班牙TSS 公司開發的AIMSUN 系統，是國內首個將宏觀、中觀和微觀模型集成到一個單一的軟件中的交通仿真系統，這三個模型之間可以得到很好的交互，實現對各個層面之間的再利用。AIMSUN 是以離線的交通工程問題為基礎，將交通仿真技術運用到“ 交通管理與控制” 的實驗中。該文簡要介紹了交通仿真技術的特征和目前普遍使用的一些模擬軟件，并結合十字路口的信號燈配時和模擬流程，將VISSIM 運用到實驗中，為企業的管理問題提供幫助[1]。

國際上具有代表性的道路交通網絡仿真軟件，已通過多年的實踐檢驗和改進，技術已經較為成熟和專業，但大多數具有較強的操作接口，仿真道路交通模型的構建步驟較為繁瑣，模擬參數的校準也較為困難。因此，道路交通管理人員和設計人員都需要通過專業的培訓和學習才能熟練使用，這個特性制約著國外交通仿真軟件在實際交通管理部門中的推廣和普及。DynaCHINA 是一款完全獨立開發的道路交通網絡流量分析和實時道路狀況的預報軟件。該項目的研究內容主要包括：動態交通需求分析，動態交通分配、離散交通選擇模型、在線實時交通仿真、在線/ 離線模型的校準等。該項目將為ATMS/ATIS 在智慧交通領域的應用提供模擬測試、分析、優化和評估的方法，從而為更好地緩解城市交通擁堵，提高城市居民的生活水平和生活品質提供幫助[2]。

3 實驗教學內容及方法

該實驗教學方案將交通信號控制系統的幾個關鍵部分，如交通流預測、交通信號控制方案設計、交通信號優化等融入實際實驗中。學生在充分理解基本理論知識后，利用所學軟件進行仿真實驗，然后與實際結果對比分析，掌握理論知識應用的同時，培養學生自主分析問題和解決問題的能力。具體的實驗教學內容包括：第一，建立仿真平臺，獲取交通流數據和道路數據。第二，設計并實現仿真模型，如排隊長度、延誤時間等。第三，對仿真模型進行測試與優化，提高模型精度。第四，通過調整設計參數使系統達到最優性能。

3.1 基礎知識演示層

基礎知識演示層主要包括基本概念、基本理論和方法。在基礎知識演示層中，學生能夠通過課堂講解和觀看視頻掌握交通管理與控制的基本理論知識。學生通過學習相關理論知識，掌握交通流基本特征以及交通流預測的基本方法；了解交叉口信號控制系統的設計思路和控制流程，理解交叉口信號控制系統的設計原則。此外，在基礎知識演示層中還會穿插一些相關知識拓展，如交叉口通行能力計算方法、車輛延誤計算方法、信號周期長度的計算方法等。

在基礎知識演示層中，為了讓學生更好地理解和掌握交通流的基本概念和特征，學生將通過觀察視頻對交通流的描述方法進行學習。為了加深學生對交通流特征的理解，將課堂講解內容和視頻內容相結合，在課堂講解過程中，播放視頻并講解其中重要的知識點；在視頻講解后，通過視頻回放讓學生進行復習；之后通過實驗演示對相關知識進行驗證，從而加深學生對交通流特征的理解，提高學生解決實際問題的能力。

3.2 仿真實驗層

仿真實驗層主要包括數據采集、參數設置、算法開發和輸出結果4 個功能模塊。學生通過課程學習，可以了解交通流基本知識，建立交通流模型。為了驗證模型的有效性，需要將仿真平臺中的數據導入到實驗平臺中。仿真平臺的數據采集功能包含兩部分：一是通過GPS 設備采集車輛和行人的軌跡數據；二是利用計算機采集交通流數據，包括車輛、行人在各個路口的流量、速度等。同時，利用VISSIM 仿真軟件模擬車流量、車速和平均車速等參數，將交通流仿真模型與VISSIM 仿真模型進行對比分析。

此外，實驗層還提供了一系列算法模塊，包括行程時間算法模塊、排隊長度算法模塊、延誤與排隊長度關系模塊以及綠燈時間優化算法模塊等。學生可以通過這些算法模塊進行實驗研究。例如，在行程時間算法模塊、延誤時間算法模塊以及延誤與排隊長度關系模塊中，通過改變綠燈時間長度來調整車輛平均排隊長度。

4 當前實驗教學的現狀

實驗教學是理論教學的重要補充，是培養學生創新能力的重要手段。長期以來，由于經費、場地等因素的限制，實驗教學工作一直受到了不同程度的影響和制約。目前，“ 交通管理與控制” 實驗教學主要采用以理論講解為主、現場操作為輔的方式進行。例如，在介紹城市道路交通信號控制方案設計時，需要進行城市道路交通信號控制系統模型搭建、控制方案設計等，以理論講解為主；在講解交叉口信號配時設計時，需要進行交叉口信號配時方案設計、交叉口交通沖突分析等，以現場操作為輔。由于實驗內容相對單一，無法滿足學生實踐創新的需求，因此，為了培養學生的創新能力和實踐能力，需要將仿真軟件引入實驗教學中。

4.1 傳統實驗教學存在的問題

傳統的“ 交通管理與控制” 實驗教學，由于受實驗設備、場地等因素的限制，通常只安排幾個簡單的實驗項目。由于實驗項目太少，學生無法通過實驗了解基本的交通組織管理知識，掌握道路交通控制系統的基礎知識和基本操作技能，也無法將所學理論知識應用到實際生活中。同時，傳統的“ 交通管理與控制” 實驗教學主要是針對幾個簡單的交叉口進行，沒有考慮城市道路路網結構的復雜性以及交叉口與主干道之間的聯系，使得學生無法多角度分析道路交通信號控制系統。此外，傳統“ 交通管理與控制” 實驗教學中存在著設備維護成本高、使用不方便等問題。上述諸多問題嚴重影響了“ 交通管理與控制” 實驗教學的效果[3]。

4.2 仿真軟件在交通管理與控制實驗教學中的應用優勢

仿真軟件具有可視化的界面、真實的交通環境、多種交通模型的實現以及強大的計算和分析功能，能夠幫助學生實現對城市道路交通控制系統模型、控制方案設計、沖突點分析等多方面的研究。對于城市道路交通管理與控制實驗教學而言，通過將仿真軟件引入實驗教學，既可以使學生在課下進行城市道路交通信號控制系統模型搭建和控制方案設計，也可以在課上通過虛擬仿真實驗的形式，對交叉口信號配時設計、信號沖突點分析等進行深入探究。通過這種方式，既可以將理論知識和實踐操作進行有機結合，也可以促進學生創新思維和綜合素質的提升。

5 交通仿真技術在實驗教學中的應用

交通管理和控制是交通工程中的一個關鍵內容，它的目的就是要將交通管理和技術管理、工程技術、交通信號控制等結合起來，以達到安全、有序、暢通和可持續發展的目的。在實際應用中，由于道路狀況變化，其影響程度也會有很大差別。純粹的理論課程會讓學生感覺枯燥無味，也不利于培養出具有強大的實踐能力、能夠較快地適應在交通管理實踐部門中工作的警務人員。但是，借助交通仿真軟件，可以對這一問題高效地處理解決。在此過程中，學生可以自己設計出不同的交通管理與控制方案，更好地觀察到控制方案對交通運行產生的效果，從而提升學生的學習興趣、解決實際問題的能力以及創造性的發展能力。在有條件的地方，教師可以在城區選擇一個或幾個交叉路口，讓學生全面分析和研究，最終實現對單個交叉路口控制、干線協調控制、區域交通面控制系統信號配時方案的設計[4]。

（1）在進行交通運輸狀況的調研與分析時，主要從收集路口的交通流與基本的設計信息入手，通過對實際交叉路口的流量進行調研，并對其進行觀察，從而獲得所需要的數據信息。

（2）計劃方案。在此基礎上，指導學生根據實際情況進行初步規劃，其中，最重要的就是對十字路口的道路進行分區修改，如何設定信號燈配時，設定后會產生什么樣的效果，以及對禁止左右轉彎的情況進行評估。

（3）模型的校準與驗證。在進行仿真模擬時，需要對模型特征、通行能力等多次進行修正，以確保仿真模擬的結果與真實狀況相符。

（4）仿真模擬分析。引導學生根據不同的設計方案，構建VISSIM 仿真路網，以路網的模型為依據，以實測的道路交通或者OD 矩陣為基礎，通過對每個路口的流量數據進行加載，建立路段和接頭，并對其進行交通流的路徑選擇設置以及交通沖突設置。之后，對信號控制器以及對信號燈設置信號周期、信號相位、紅燈時間、黃燈時間等數據。在對各個策略進行模擬和比較之后，從評估文檔中選取所需的交通時間、延誤時間和排隊長度等指標。

（5）項目比較與完善。通過仿真模擬輸出的結果，可以發現信號配時中存在的問題，從而不斷地對方案進行調整，之后，對路口的信號配時進行重新設計，對每一個方案進行評價，直至找到一個最佳方案。通過將交通仿真技術運用到交通管理與控制的實驗教學中，可以加強對學生創造力和動手能力的培養，還可以增強他們自身的信息素養和環保意識。在課程結構方面，強調了對學生工作能力和素養的培養，并利用信息技術將課程進行有效集成，從而提升將課堂教學的專業理論與公安交通管理實踐相結合的能力，同時充實了對理論和管理實踐相結合方面的內容。在學生學習方式方面，著重強調了學生可以獨立自主地探索問題，并將問題的學習模式作為重點。同時，對學生收集和處理信息的能力、交流與合作的能力進行重點闡述，對學生的學習過程進行重點關注。

6 結語

當前，我國對城市道路交通仿真軟件進行了較為全面的研究，然而，在城市道路交通的仿真領域，還沒有一種方法能夠對城市道路的微觀情況進行全面模擬。未來，基于ITS 規劃評估要求的仿真軟件研發以及ITS 應用程序研發，將成為城市道路管理未來創新發展的技術需求。

參考文獻

[1] 吳偉. Synchro 在交通管理與控制實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理， 2016（8）： 137-140+198.

[2] 黃興華. 交通仿真技術在“ 交通管理與控制” 實驗教學中的應用[J]. 電子技術與軟件工程， 2015（6）： 80.

[3] 呂貞， 李成兵. VISSIM 仿真軟件在“ 交通管理與控制”實驗教學中的應用[J]. 科技視界， 2013（18）： 24+70.

[4] 翟京， 趙韓濤. 仿真軟件在“ 交通管理與控制” 實驗教學中的應用[J]. 價值工程， 2012（9）： 143.