交通工程“三全協(xié)同”虛擬實驗教學(xué)體系建設(shè)

倪穎 孫劍 惠英

[摘 要] 針對交通工程現(xiàn)有虛擬實驗主要依托基本交通宏、微觀仿真軟件工具獨立開展，難以支撐交通系統(tǒng)多要素和全過程分析，現(xiàn)有實驗場景庫匱乏難以支撐學(xué)生多層次多樣化任務(wù)需求，以及現(xiàn)有主干課程體系貫通性不足等問題，構(gòu)筑了交通工程“三全協(xié)同”虛擬實驗教學(xué)體系，即全過程實驗工具鏈、全場景柔性場景庫-全貫通主干課程體系，體系要素緊密關(guān)聯(lián)、協(xié)同耦合，在支撐學(xué)生多層次實驗和創(chuàng)新實踐，滿足學(xué)生多樣化任務(wù)需求中發(fā)揮了重要的作用。

[關(guān)鍵詞] 交通工程;虛擬實驗教學(xué)體系;三全協(xié)同

[資助項目] 2019年度同濟大學(xué)研究生教育研究與改革重點建設(shè)項目（ZD19070404）;2019—2020年同濟大學(xué)教學(xué)改革研究與建設(shè)項目

[作者簡介] 倪 穎（1984—），女，安徽蕪湖人，博士，同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院副教授，主要從事交通仿真研究。

[中圖分類號] G642? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）36-0005-04? ? [收稿日期] 2021-02-27

一、引言

現(xiàn)代交通系統(tǒng)是復(fù)雜巨系統(tǒng)，人-車-路-環(huán)境-信息等系統(tǒng)構(gòu)成要素相互關(guān)聯(lián)、高度耦合，邊界開放，眾多問題難以通過現(xiàn)場觀測和理論建模進行分析，而仿真則為復(fù)雜交通問題的分析和解決提供了有效的工具和手段。近年來，新工業(yè)革命給交通學(xué)科帶來巨大沖擊，傳統(tǒng)的交通學(xué)科受大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等新技術(shù)的影響越來越明顯，交通工程進入2.0時代，未來交通系統(tǒng)的發(fā)展將具有更大的不確定性，虛擬實驗在交通問題研究和交通工程人才培養(yǎng)中核心手段的地位愈加突出。與此同時，我國由“交通大國”邁向“交通強國”建設(shè)，標志著交通運輸行業(yè)發(fā)展重點將由大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化運行管理與服務(wù)，與傳統(tǒng)基于土木和力學(xué)體系的交通設(shè)施建造技術(shù)相比，基于信息和系統(tǒng)科學(xué)的交通仿真分析技術(shù)的作用將越來越重要[1]?！皩W(xué)科交叉、跨界融合”成為目前交通工程學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)的必由之路，而構(gòu)建完善的虛擬實驗教學(xué)體系也是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新實踐能力的關(guān)鍵途徑。

二、交通工程虛擬實驗教學(xué)存在的問題

根據(jù)專業(yè)設(shè)置與認證的相關(guān)要求，國內(nèi)各高校交通運輸類專業(yè)一般都開設(shè)交通仿真課程，但仍存在諸多不足。任剛等人指出了交通仿真實驗課程定位不準、能力培養(yǎng)不強、實踐訓(xùn)練不力、教學(xué)輔助不足等問題[1]，孫海浩等人認為目前的交通工程實驗教學(xué)體系缺失，表現(xiàn)在教學(xué)課時不足、軟硬件平臺支撐不力、實驗教材缺失和缺少專職實驗隊伍等方面[2]。近年來，不少高校的學(xué)者也在交通工程實驗教學(xué)體系設(shè)計[3，4]、實驗項目設(shè)計[1，3-5]、實驗配套教材與教學(xué)隊伍建設(shè)[2-5]等方面進行了有益的探索和實踐。然而，面向交通系統(tǒng)的重大變革和學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，目前的交通工程虛擬實驗教學(xué)仍存在以下的問題。

（一）實驗工具少、實驗場景單一

現(xiàn)有的大多數(shù)交通工程虛擬實驗是單純的依托宏觀交通仿真軟件（如VISUM，TRANSCAD，TRANSTAR等）、微觀交通流仿真軟件（如VISSIM， TESS NG等）進行純虛擬的交通規(guī)劃類、交通設(shè)計/管控類實驗。實驗工具少，虛實融合缺，且實驗場景單一，難以進行交通工程不同要素組合的受控實驗，以及開展面向未來自動駕駛、車路協(xié)同場景的虛擬實驗。

（二）主干課程實驗獨立，導(dǎo)致學(xué)生知識體系難以貫通

交通工程的主干課程包含交通系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、管理、控制，對應(yīng)交通系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計運行管理的不同層面。研究對象屬性和特征不同，相應(yīng)的分析視角和尺度、分析手段和方法也存在顯著差異。然而現(xiàn)有主干課程及其實驗相互獨立，上下游課程的輸入—輸出關(guān)系不清晰，實驗項目碎片化、實驗平臺缺少集成整合，學(xué)生難以建立完整的交通工程知識體系。

（三）學(xué)生被動接受，綜合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足

目前對于實驗課的普遍認識是鞏固對專業(yè)理論的已有認知，同步實施技能訓(xùn)練。以應(yīng)用微觀仿真軟件的仿真實驗為例，傳統(tǒng)實驗項目大多停留在“基礎(chǔ)路網(wǎng)構(gòu)建，仿真要素設(shè)置，單一維度評價，模型精度較低”的階段，學(xué)生缺少對微觀交通流建模及應(yīng)用全過程——“基礎(chǔ)模型構(gòu)建—模型標定—多維評價—實驗優(yōu)化”的理解和探索，因此無法切實地理解和掌握在工程實踐中“應(yīng)在什么情況下使用仿真”“如何合理使用仿真”“如何做好仿真”“怎樣將仿真與其他手段相結(jié)合”等，也就是說，缺乏應(yīng)用計算機仿真工具解決交通工程實際問題的能力以及創(chuàng)新意識[1]。

三、建設(shè)思路

基于上述問題，筆者及所在研究團隊提出了“三全協(xié)同”的交通工程虛擬實驗教學(xué)體系，即構(gòu)筑“全過程實驗工具鏈—全要素柔性場景庫—全貫通主干課程體系”，并通過科學(xué)研究、課堂教學(xué)、實驗實踐、創(chuàng)新競賽等環(huán)節(jié)相互促進、相互支撐，解決傳統(tǒng)教學(xué)模式中因?qū)嶒灩ぞ呷狈?、實驗要素單一、實驗場景不連續(xù)導(dǎo)致的學(xué)生知識體系不貫通、綜合能力及創(chuàng)新實踐能力不足的問題，如圖1所示。

四、建設(shè)內(nèi)容

（一）全過程實驗工具鏈

為彌補目前實驗工具的匱乏，通過自主開發(fā)及軟硬件集成，研發(fā)了一系列實驗系統(tǒng)和實驗工具，為學(xué)生提供完全針對中國復(fù)雜交通特征，以及面向未來智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境的實驗工具，滿足交通規(guī)劃、設(shè)計、管理、控制的測試實驗需求。

1.“軟件在環(huán)”虛擬實驗系統(tǒng)，包含具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、針對中國駕駛者及交通流特征的TESS NG微觀交通仿真實驗系統(tǒng);基于國內(nèi)典型城市多源全方式交通數(shù)據(jù)和三維地圖引擎的城市交通規(guī)劃虛擬實驗系統(tǒng);以及面向智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境的車路協(xié)同虛擬實驗系統(tǒng)（VISSIM+NS2）、智能汽車虛擬測試實驗系統(tǒng)（VISSIM+PRESCAN， TESS+VTD）等。

2.“硬件在環(huán)”仿真實驗系統(tǒng)，包含硬件在環(huán)信號控制實驗系統(tǒng)，信號控制測試儀、診斷儀及優(yōu)化儀等系列教學(xué)設(shè)備;智能駕駛汽車場地測試汽車場地測試、虛擬—場地測試平行實驗系統(tǒng)等。