機場陸側(cè)交通智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)應(yīng)用實驗教學(xué)平臺建設(shè)

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

0 引 言

智能網(wǎng)聯(lián)車作為全球創(chuàng)新發(fā)展的熱點，通過借助信息通信技術(shù)，將車與車、路、人、云控平臺有機結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)能減排等。目前我國車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)欣欣向榮，正在進入快速發(fā)展時期[1]，但車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用場景目前還比較單一，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需要在更多樣的場景下進行應(yīng)用。機場陸側(cè)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(fù)雜交通元素的綜合交通系統(tǒng)，其與城市道路交通系統(tǒng)既相似又有所區(qū)別，是智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)發(fā)展的一塊優(yōu)質(zhì)“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(shè)為核心的民航發(fā)展戰(zhàn)略[3]。作為民航運輸重要的一環(huán)，機場陸側(cè)交通服務(wù)質(zhì)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(xù)增大，陸側(cè)交通運行存在著人車爭道、道路通行能力低等問題，傳統(tǒng)的交通管理方式不足以有效組織陸側(cè)交通[4]。為提高機場陸側(cè)交通運行效率，機場也需引進新技術(shù)，進行“智慧化”改造。機場陸側(cè)交通的“智慧化”，從近期目標(biāo)來看，需引入新興技術(shù)直接驅(qū)動其發(fā)展，從長遠目標(biāo)來看，需持續(xù)推動科技創(chuàng)新，以培養(yǎng)、輸送專業(yè)人才為長期目標(biāo)。要培養(yǎng)出與時俱進的交通工程專業(yè)人才，就需引入與時俱進的教學(xué)方式。區(qū)別于傳統(tǒng)的理論教學(xué)，虛擬實驗教學(xué)平臺可以讓學(xué)生身臨其境地在實驗場景中鞏固理論知識，培養(yǎng)實踐能力。為滿足民航業(yè)和交通發(fā)展對高素質(zhì)、創(chuàng)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(cè)交通智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)應(yīng)用模擬實驗教學(xué)平臺。該平臺將智能網(wǎng)聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)融入實際交通場景，以車、路、云為教學(xué)立足點，能夠使學(xué)生在實驗中學(xué)習(xí)研究前沿車路協(xié)同、自動駕駛等技術(shù)，增進對機場陸側(cè)交通調(diào)度的了解，對民航交通工程專業(yè)學(xué)生的實踐能力提升具有重要意義。

1 實驗平臺的建設(shè)目的

利用智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)，為如交通流組織、交通管理與控制、陸側(cè)車道邊規(guī)劃設(shè)計等交通工程專業(yè)人才培養(yǎng)的核心課程建設(shè)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(xiàn)場操作，因此構(gòu)建了虛擬實驗教學(xué)平臺，將民航特色專業(yè)課理論知識融入實驗平臺設(shè)計中。該實驗平臺可以達到如下目的。

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

2 實驗平臺基本架構(gòu)

機場陸側(cè)交通智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)實驗平臺可分為沙盤形式的物理模型與智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)兩部分。兩部分通過在沙盤上再現(xiàn)機場陸側(cè)的交通環(huán)境與利用智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)對基礎(chǔ)設(shè)施進行控制，共同實現(xiàn)了運行管理、信號控制、自動駕駛、車路協(xié)同等功能[6]。實驗平臺基本架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 實驗平臺基本架構(gòu)圖

該實驗平臺的物理模型為沙盤形式。在沙盤的設(shè)計上：沙盤的建設(shè)目標(biāo)是給智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)提供平臺、真實反映機場陸側(cè)交通路網(wǎng)等；沙盤的功能是確定實驗場景所需要的各種功能的基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用方式與實用性是用于認(rèn)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(xí)方式[7]。

在沙盤的建設(shè)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(shè)陸側(cè)交通路網(wǎng)、道路景觀、特殊功能道路作為實驗平臺的基本架構(gòu)，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(shè)為實現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)控制提供了基礎(chǔ)設(shè)施與實驗場景。

2.1 機場陸側(cè)交通路網(wǎng)

陸側(cè)交通路網(wǎng)由機場周邊基本交通元素及陸側(cè)交通道路系統(tǒng)組成，包括標(biāo)志、標(biāo)線、路面、交叉口、高架橋、匝道等。在道路的設(shè)計上采用獨特防滑貼紙鋪設(shè)路面層的同時，以真實的顏色展現(xiàn)陸側(cè)交通路網(wǎng)的路面，配以參照國標(biāo)設(shè)計的地面標(biāo)線，明確標(biāo)注出交通元素；在路面上設(shè)置9個交叉口，放置機動車信號燈與行人信號燈，為后續(xù)實現(xiàn)城市道路運營管理、信號控制、車路協(xié)同等教學(xué)平臺提供基礎(chǔ)設(shè)施。

2.2 特殊功能道路

分別在路面上轉(zhuǎn)彎處設(shè)置彎道與交叉口、上下客區(qū)域建設(shè)人行橫道，真實地再現(xiàn)機場陸側(cè)交通車道邊環(huán)境，可借此測試智能網(wǎng)聯(lián)車輛彎道行駛的穩(wěn)定性與陸側(cè)交通網(wǎng)絡(luò)運行管理。

2.3 智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)

利用中控、數(shù)據(jù)庫、控制中心完成控制、數(shù)據(jù)采集、管理任務(wù)，組成智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)，管理交通信號機、智能車、智能停車場等部分。實現(xiàn)該實驗平臺的多車動態(tài)管理、路徑分配、數(shù)據(jù)分析、速度控制、角色劃分、集中調(diào)度的功能，即用智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)沙盤的數(shù)字化。

2.4 信號機

創(chuàng)新性：對傳統(tǒng)信號機進行改造升級，將原本僅具有設(shè)置信號機狀態(tài)信息及控制參數(shù)（包括相序、配時方案、日時方案）的傳統(tǒng)信號機通過網(wǎng)聯(lián)控制模塊的RS232串口接收信號再通過無線網(wǎng)絡(luò)向外傳輸，改變?yōu)榫邆鋵⒙房诘臓顟B(tài)信息傳送給智能網(wǎng)聯(lián)車輛的功能的新型信號機，達到車路協(xié)同功能。

交互性：與中控軟件進行交互可以實現(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(shè)計：在控制行駛方面，采用磁導(dǎo)航作為主要感知傳感器，控制車輛行駛；在執(zhí)行機構(gòu)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(shù)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(dǎo)航模塊、慣性測量單元、紅外測距傳感器。

軟件設(shè)計：智能車在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上通過計算平臺、線控技術(shù)具備控制模塊，通過系統(tǒng)中carThings內(nèi)部局域網(wǎng)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(fā)滿足了單車自動駕駛、車輛編隊行駛、車路協(xié)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(xué)生可以開展一系列交通實驗，幫助學(xué)生更好地掌握交通流理論知識，同時為交通領(lǐng)域的研究人員開展機場陸側(cè)交通的研究提供了良好的模擬環(huán)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(xué)平臺的實驗項目

3.2 重要實驗流程

3.2.1 認(rèn)知實驗

認(rèn)知實驗就是將學(xué)生所學(xué)的綜合交通理論知識與實際的交通系統(tǒng)實物結(jié)合起來，加深學(xué)生對交通系統(tǒng)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(xué)生在實驗室內(nèi)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(cè)交通系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，進而達到專業(yè)認(rèn)知的目的。認(rèn)知實驗的具體項目如圖3所示。

圖3 認(rèn)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(xué)生需要通過繪制基本的信號相位圖，設(shè)計信號步伐方案，通過TRRL法計算出相應(yīng)的信號交叉口參數(shù)，利用交通信號機單在實訓(xùn)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(xué)生需要測量出模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)實際數(shù)據(jù)利用中控軟件對干線交叉口信號機進行信號配時。便于學(xué)生掌握單信號交叉口交通信號控制知識，學(xué)會利用交通信號控制機并基于計算得到的配時方案設(shè)置對應(yīng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗

基于實驗平臺中的交通信息與控制實訓(xùn)平臺-檢測系統(tǒng)，學(xué)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(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握如何使智能車成功聯(lián)網(wǎng)、如何對智能車車位進行整理。學(xué)生需要懂得如何利用中控系統(tǒng)調(diào)控智能車的運行路徑以及運行速度。通過該實驗，可以讓學(xué)生學(xué)會利用線圈檢測、收集流量數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗流程

3.2.4 車路協(xié)同實驗

車路系統(tǒng)是ITS技術(shù)的核心，相關(guān)專業(yè)針對這一方向的人才培養(yǎng)方案已經(jīng)開始[10]。依托實訓(xùn)平臺-交叉口和交通信息與控制平臺-動態(tài)限速標(biāo)志，利用智能車、中控軟件、信號機等設(shè)備分別進行車路協(xié)同實驗中的車與信號機協(xié)同、車和動態(tài)限速標(biāo)志協(xié)同，讓學(xué)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(xié)同過程，理解智能車與信號機協(xié)同的意義，明確智能車與信號機之間信息的交互模式；學(xué)生在了解了智能車與信號機的協(xié)同的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同道路情況推薦速度，進行動態(tài)限速設(shè)置，使學(xué)生了解動態(tài)設(shè)置限速標(biāo)志的目的和作用，學(xué)會平臺智能車與動態(tài)限速標(biāo)志協(xié)同實驗操作的基本流程。實驗流程如圖7所示。

圖7 車路協(xié)同實驗流程

4 結(jié) 語

民航機場陸側(cè)交通發(fā)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(xiàn)這一目標(biāo)，就需要在人才培養(yǎng)上下功夫，引入結(jié)合前沿智能網(wǎng)聯(lián)交通技術(shù)的教學(xué)實驗平臺。實驗室是進行實踐和實驗教學(xué)的重要依托，可以利用實驗室資源讓學(xué)生進行實踐、使學(xué)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(xué)習(xí)條件[11]。將“場景-互動-可操性”融為一體的機場陸側(cè)交通智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)實驗平臺，不僅支持最基礎(chǔ)的民航機場交通系統(tǒng)認(rèn)知實驗，還配備了中控軟件供學(xué)生操作，在進行交叉口交通信號控制、智能車與信號機的協(xié)同等實驗的過程中，增強學(xué)生對交通工程理論知識的理解和對智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用能力，開辟了讓學(xué)生從理論學(xué)習(xí)走向工程實踐的創(chuàng)新發(fā)展路徑。