基于虛擬仿真技術(shù)的道路交通管理與控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)

謝海軍

2013年，教育部印發(fā)《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，由此拉開(kāi)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的序幕。從2017年起，教育部又開(kāi)展了示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作，推動(dòng)高校積極探索線上線下相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式①賀占魁、黃濤：《虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)探索》，《實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理》2018年第2期。。虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用是高等教育信息化的重要舉措。“信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，要從形式的轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)向方法的變革，要從技術(shù)輔助轉(zhuǎn)變?yōu)榻豢椊蝗?，要從?jiǎn)單的物理變化變?yōu)榘l(fā)生反應(yīng)的化學(xué)變化”，②吳巖：《打造一流本科，培養(yǎng)一流人才》，《世界教育信息》2018年第7期。是一場(chǎng)教學(xué)思維、教學(xué)方法和教學(xué)手段的革命。

一、道路交通管理與控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及分析

（一）道路交通管理與控制現(xiàn)狀

道路交通是一個(gè)涉及人、車、路和環(huán)境等眾多相互關(guān)聯(lián)因素的復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和時(shí)變的大系統(tǒng)。道路交通控制主要分為設(shè)計(jì)、規(guī)劃、管控等三個(gè)主要步驟，設(shè)計(jì)與規(guī)劃是首要任務(wù)，而管控是重要保證。從我國(guó)道路交通管理現(xiàn)有體制來(lái)講，設(shè)計(jì)和規(guī)劃由交通部門(mén)負(fù)責(zé)實(shí)施，管理與控制主要由公安交通管理部門(mén)負(fù)責(zé)。隨著公安工作改革的不斷深化，現(xiàn)代交通管理正由粗放型向精細(xì)化轉(zhuǎn)變。①陳峻、熊宏齊、黃曉明：《道路交通工程虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的資源建設(shè)方案》，《實(shí)驗(yàn)室研究與探索》2017年第4期。一方面，隨著城市規(guī)模擴(kuò)大、汽車工業(yè)發(fā)展、物流需求上升，機(jī)動(dòng)車保有量急劇增長(zhǎng)，交通擁堵、交通安全、交通污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重。另一方面，受土地、財(cái)政等多方面限制，原來(lái)采用的建立交橋、新修道路等粗放型交通管理模式已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)實(shí)需求。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局資料顯示，2013年我國(guó)的城市化率已超過(guò)50%，城市的快速發(fā)展迫切要求更為精細(xì)化的現(xiàn)代交通管理模式。

（二）道路交通管理人才需求現(xiàn)狀

近幾年來(lái)，我國(guó)國(guó)家、社會(huì)生活中的大事多、要事多，公安交通管理部門(mén)承擔(dān)的任務(wù)十分繁重。要實(shí)現(xiàn)保暢通、保安全的目標(biāo)就必須進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)道路交通的管控。公安機(jī)關(guān)，特別是江蘇公安交通管理部門(mén)，對(duì)交通管理專業(yè)人才的需求不斷增加，迫切需要大量業(yè)務(wù)能力強(qiáng)的交通管理專業(yè)畢業(yè)生充實(shí)到基層一線?！蛾P(guān)于公安院校公安專業(yè)人才招錄培養(yǎng)制度改革的意見(jiàn)》指出，公安院校是輸送公安專門(mén)人才的主渠道。培養(yǎng)素質(zhì)高、能力強(qiáng)的交通民警是各級(jí)公安院校的首要任務(wù)。②薛宏偉：《改進(jìn)公安院校人才培養(yǎng)模式和路徑的思考》，《山東警察學(xué)院學(xué)報(bào)》2016年第3期。同時(shí)，日益增多的城市大型活動(dòng)交通組織與控制任務(wù)也對(duì)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的理論水平和實(shí)踐能力提出了新的要求，并成為交通運(yùn)輸、公安交通管理工程與控制等專業(yè)的教學(xué)、科研工作所面對(duì)的一個(gè)現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。

（三）對(duì)道路交通管理與控制專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的分析

交通管理與控制的首要任務(wù)是對(duì)各種交通數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集和分析。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)搜集方法耗時(shí)耗力，且樣本量不足。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生很難完全認(rèn)清逼真、立體的交通運(yùn)行環(huán)境，無(wú)法深入分析隨機(jī)干擾情況下的交通演變機(jī)理。在交通管理與控制的教學(xué)中，要想把根據(jù)專業(yè)知識(shí)設(shè)計(jì)出的不同解決方案進(jìn)行比選、判斷和優(yōu)化，是無(wú)法以真實(shí)地付諸實(shí)施的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而仿真交通環(huán)境可以提供無(wú)成本的驗(yàn)證機(jī)會(huì)，并能夠有效加深學(xué)生對(duì)交通系統(tǒng)的認(rèn)知。因此，交通管理與控制教學(xué)需要借助虛擬仿真技術(shù)去呈現(xiàn)各種方案在實(shí)際交通系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，使學(xué)習(xí)者獲得身臨其境的體驗(yàn)感，從而最大限度地激起他們的自主實(shí)驗(yàn)興趣以及解開(kāi)世界奧秘的沖動(dòng)，不斷提高自身解決問(wèn)題的能力，并由此發(fā)揮出實(shí)驗(yàn)教學(xué)所具有的獨(dú)特作用。

二、實(shí)現(xiàn)教育信息化，打造時(shí)代“金課”

2018年6月，教育部在成都召開(kāi)了本科教育工作會(huì)議，隨后又出臺(tái)了《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育，全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》，提出要推進(jìn)課堂教學(xué)革命，以學(xué)生發(fā)展為中心，通過(guò)教學(xué)改革促進(jìn)學(xué)習(xí)革命，積極推廣小班化教學(xué)、混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂，大力推進(jìn)智慧教室建設(shè)，構(gòu)建線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式。江蘇省教育廳在2016年開(kāi)展了省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（共享平臺(tái)）和省級(jí)在線開(kāi)放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作，按專業(yè)門(mén)類進(jìn)行共享平臺(tái)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源管理與信息服務(wù)的科學(xué)化和系統(tǒng)化，滿足多專業(yè)、多學(xué)校和多地區(qū)共同開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。虛擬仿真“金課”通過(guò)將信息技術(shù)、智能技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合，破解了高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)中的“老大難”問(wèn)題，解決了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問(wèn)題。③吳巖：《建設(shè)中國(guó)“金課”》，《中國(guó)大學(xué)教學(xué)》2018年第12期。例如，運(yùn)動(dòng)會(huì)、演唱會(huì)等大型活動(dòng)的交通管理具有“車流、人流集散強(qiáng)度大，交通運(yùn)行組織方案影響因素多、方案設(shè)計(jì)精確度要求高”等特征，需要綜合運(yùn)用交通管理工程與控制專業(yè)的多種理論和方法。采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)檢驗(yàn)具體的設(shè)計(jì)方案，顯然難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、可實(shí)施性弱，因此，虛擬場(chǎng)景再現(xiàn)和過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)就具有非常重要的意義，其突破了傳統(tǒng)的實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)必須到基層單位真刀實(shí)槍地進(jìn)行演練的條件限制。由此，打造道路交通管理與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)“金課”就成為提升公安院校教學(xué)水平，提高交通管理人才培養(yǎng)質(zhì)量的不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

三、道路交通管理與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)

（一）項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容

下文以江蘇警官學(xué)院道路交通管理與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)為例進(jìn)行論述。該項(xiàng)目結(jié)合江蘇省道路管理實(shí)際，所設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)是基于GIS的復(fù)雜交通系統(tǒng)建模與優(yōu)化平臺(tái)。該平臺(tái)以警用GIS系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)和大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)微觀交通仿真軟件建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并以仿真交互機(jī)制實(shí)現(xiàn)大規(guī)模交通數(shù)據(jù)獲取和動(dòng)態(tài)、協(xié)同的對(duì)象控制。引入仿真實(shí)驗(yàn)管理方法可以使師生在仿真環(huán)境中輕松實(shí)現(xiàn)交通工程、組織、管理與控制等課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論驗(yàn)證。①施佺、錢(qián)源、孫玲：《基于教育數(shù)據(jù)挖掘的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)監(jiān)管過(guò)程研究》，《現(xiàn)代教育技術(shù)》2016年第6期。在教學(xué)中，教師可以通過(guò)圍繞交通組織、管理和控制的核心問(wèn)題，結(jié)合交叉口信號(hào)配時(shí)、干線協(xié)調(diào)控制等案例，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力；通過(guò)各實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)，幫助學(xué)生了解“高強(qiáng)度車流、人流”環(huán)境下交通組織、管理與控制的基本特性與要求；通過(guò)可視化模擬道路網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況，虛擬再現(xiàn)對(duì)應(yīng)不同控制參數(shù)的交通方案的實(shí)施效果，從而提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力。②陳峻、王煒：《高水平學(xué)科支撐的交通運(yùn)輸類本科人才專業(yè)知識(shí)體系架構(gòu)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)》，《高等教育研究》2014年第2期。同時(shí)，該平臺(tái)還集成至實(shí)訓(xùn)大樓指揮中心和教學(xué)云平臺(tái)，利用已有資源完成輔助搭建，能夠通過(guò)場(chǎng)景定制和數(shù)據(jù)接入逐步擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)功能。

（二）平臺(tái)的組成與功能

道路交通管理與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)以道路交通管理與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為載體，邏輯上包含基礎(chǔ)層、中間層和實(shí)驗(yàn)層三個(gè)層次（見(jiàn)圖1）?；A(chǔ)層指微觀交通仿真，中間層指交通電子沙盤(pán)服務(wù)，實(shí)驗(yàn)層指交通運(yùn)行監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)和交通信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)。平臺(tái)的路網(wǎng)設(shè)計(jì)模塊根據(jù)公安交通管理的實(shí)際情況，提供了交通需求、交通渠化、路口控制、干道協(xié)調(diào)等基本設(shè)計(jì)功能，以幫助學(xué)生快速生成符合實(shí)驗(yàn)需求的局部對(duì)象或路網(wǎng)方案。平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)控制模塊可以提供實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控、仿真跟蹤、數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等功能，為師生提供了可靠的實(shí)時(shí)交通運(yùn)行監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理。平臺(tái)的教學(xué)管理模塊可以提供課程實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程開(kāi)放實(shí)驗(yàn)管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)參數(shù)和路網(wǎng)方案的協(xié)調(diào)配置，為教師、學(xué)生提供了便利的教學(xué)實(shí)驗(yàn)管理。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)邏輯結(jié)構(gòu)

圖2 交通信號(hào)控制配時(shí)

（三）仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要內(nèi)容

1．配時(shí)與信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)。交通信號(hào)控制就是通過(guò)交通警察的手勢(shì)、口令或交通控制設(shè)備的聲光信號(hào)來(lái)指揮車輛和行人的通行。使用由計(jì)算機(jī)管理的交通信號(hào)控制設(shè)備對(duì)交通流進(jìn)行限制、調(diào)節(jié)、誘導(dǎo)、分流，可以達(dá)到降低延誤、疏導(dǎo)交通、保障安全與暢通的目的（見(jiàn)圖2）。配時(shí)與信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)是交通管理與控制課程的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，其包含了渠化設(shè)計(jì)與信號(hào)控制模型，交通信號(hào)的點(diǎn)控、線控、面控以及行人過(guò)街請(qǐng)求、要客線路設(shè)置等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)中，所有的模型路口都與實(shí)驗(yàn)室中心服務(wù)器連接，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室中心服務(wù)器可以完成實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)整信號(hào)配時(shí)方案（見(jiàn)圖3）。

圖3 交通信號(hào)配時(shí)相位

圖4 城市實(shí)時(shí)交通

2．綠波與紅波帶控制實(shí)驗(yàn)。在城市交通中，如果交叉路口相距較近，各路口又獨(dú)立設(shè)置信號(hào)控制時(shí)，車輛會(huì)經(jīng)常遇到紅燈，時(shí)停時(shí)開(kāi)，造成車行不暢，并加重了環(huán)境污染（見(jiàn)圖4）。為了滿足人們“一路綠燈”（見(jiàn)圖5、圖6）的出行需求，可以通過(guò)基于數(shù)據(jù)分析的智能交通控制來(lái)實(shí)現(xiàn)一路暢行。當(dāng)然，有時(shí)為了管理的需要，也可設(shè)置“紅波帶”（見(jiàn)圖7）。它是讓機(jī)動(dòng)車在行駛到每一個(gè)通往中心區(qū)域的路口時(shí)都遇到紅燈，從而把集中的交通流合理分散到相應(yīng)的路段，控制住進(jìn)入中心區(qū)域的機(jī)動(dòng)車數(shù)量，以減輕中心區(qū)域的交通壓力，同時(shí)也可以使離開(kāi)中心區(qū)域的車輛盡快駛出。

在單點(diǎn)信號(hào)交叉路口配時(shí)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)交通運(yùn)行監(jiān)測(cè)軟件，讓學(xué)生深入掌握干道上多個(gè)交叉路口的信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法，可以幫助其構(gòu)建多個(gè)知識(shí)點(diǎn)延伸貫通的系統(tǒng)思想和智能控制的科學(xué)思想。實(shí)驗(yàn)中，模擬城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)加載控制要求到特定路口，讓滯留車輛快速駛離，避免了因?yàn)榻徊媛房诘亩氯鴮?dǎo)致整個(gè)區(qū)域的交通癱瘓。該實(shí)驗(yàn)在單路口信號(hào)控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了多路口間的信號(hào)控制相位差協(xié)調(diào)，支持下行綠波、上行綠波和雙向綠波等不同的綠波模式選擇，支持不同的干道協(xié)調(diào)速度模式，并可根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為不同路段設(shè)置不同的協(xié)調(diào)速度。①魏強(qiáng)：《交通規(guī)劃中的動(dòng)態(tài)路網(wǎng)及其模型研究》，《城市建設(shè)理論研究》2017年第11期。

圖5 綠波單向協(xié)調(diào)控制

圖6 綠波雙向協(xié)調(diào)控制

圖7 紅波雙向協(xié)調(diào)控制

3．道路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)。在完成配時(shí)與信號(hào)控制、綠波與紅波帶控制實(shí)驗(yàn)后，可根據(jù)案例由系統(tǒng)提供大型活動(dòng)交通影響區(qū)的初始基礎(chǔ)道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，要求學(xué)生參照交通管理與控制課程知識(shí)，提出道路網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃方案，對(duì)道路幾何網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編輯修改（新增道路和交叉口、拓寬道路等），進(jìn)而可視化表達(dá)真實(shí)路網(wǎng)，將線段、節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換為城市道路網(wǎng)絡(luò)（見(jiàn)圖8）。

4．最佳路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)。包括任意兩個(gè)起、終點(diǎn)間最佳路線生成，任意多個(gè)起、終點(diǎn)間最佳路線生成，并綜合考慮單路徑和多路徑選擇的安全、通行能力、時(shí)間等因素，確定最佳（距離最短、行程最短）路徑方案。讓學(xué)生通過(guò)多次調(diào)試得到不同的模擬結(jié)果并進(jìn)行分析，學(xué)會(huì)利用這些參數(shù)更好地分配道路的人、車流量，合理使用每條道路，安排車輛的出發(fā)時(shí)間，以達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)（見(jiàn)圖9）。

5．車隊(duì)運(yùn)行虛擬仿真。包括從某個(gè)出發(fā)點(diǎn)到場(chǎng)館的單條線路模擬和從不同的出發(fā)點(diǎn)分別到場(chǎng)館的多條線路模擬。通過(guò)改變不同控制參數(shù)，分析單條線路的運(yùn)行軌跡和運(yùn)行時(shí)間的差異性。學(xué)會(huì)從整體上判斷是否存在線路運(yùn)行上的沖突，并通過(guò)修改出發(fā)時(shí)間或者運(yùn)行線路避免線路沖突。同時(shí)，對(duì)每個(gè)車隊(duì)分別進(jìn)行車輛運(yùn)行模擬控制關(guān)鍵參數(shù)的選擇，以準(zhǔn)確模擬多條線路的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)（見(jiàn)圖10）。

圖8 城市道路網(wǎng)絡(luò)

圖9 路線生成示例

圖10 車隊(duì)運(yùn)行虛擬仿真

6．VIP任務(wù)綜合控制。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要完成干道信號(hào)控制協(xié)調(diào)方案設(shè)計(jì)并下發(fā)至仿真路網(wǎng)中，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干道中各路口流量、占有率、排隊(duì)長(zhǎng)度、平均停車次數(shù)等控制效果參數(shù)；通過(guò)軟件自動(dòng)時(shí)距圖功能，快速生成協(xié)調(diào)控制方案；通過(guò)軟件多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)同控制功能，同時(shí)控制同一仿真路網(wǎng)中不同的干道路口，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域路網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。

四、結(jié)語(yǔ)

江蘇警官學(xué)院道路交通管理與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建成，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)空范圍上的全覆蓋，學(xué)生能夠借助不同終端設(shè)備在任何時(shí)間任何地點(diǎn)在線開(kāi)展虛擬仿真學(xué)習(xí)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和校內(nèi)云平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了校內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享。正如教育部吳巖司長(zhǎng)在接受中央電視臺(tái)采訪時(shí)所講的那樣，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課有可能是一種新的教育生產(chǎn)力。就虛擬仿真而言，我們看中的是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”之后的“智能+教育”。如果說(shuō)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”深刻地影響了今天，那么“智能+教育”有可能開(kāi)啟教育的未來(lái)。