基于虚拟仿真的城市交叉口信号控制实验教学改革
时间：2021-05-13 00:01:23 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：基于虚拟仿真技术构建城市交叉口信号控制实验项目，服务于《交通管理与控制》课程的实验技能培养。通过交通信号控制虚拟仿真实验项目，培养学生掌握城市道路交通控制与管理的基本原理和方法；熟悉并掌握道路交叉口渠化设计、信控方案的综合设计和优化评价方法；使学生基本具备进行道路交通管理控制方案综合设计、工程实践和创新的能力。
关键词：交通工程；交通管理与控制；虚拟仿真；交通信号；实践教学
1 引言
交通工程专业交通管理与控制课程的教学过程中，对于交通信号控制系统的运用与信号方案的优化都需要通过实验实践与案例来展示。传统教学方案依赖于信号机实物认知教学，借助交通信号控制机实物学习信号相位、信号阶段及信号相位方案设计等理论知识，并完成指定信号控制方案的设计、方案输入与运行。具有可重复性差，教学过程单一，学生参与度低等缺点。为解决实验教学过程中形象生动与实体实验复杂性、高成本之间的矛盾[1，2]，提高实践教学的生动性和趣味性，利用虚拟仿真技术，构建虚拟仿真实验教学项目，实现城市交叉口信号控制实验教学的改革。
2 虚拟仿真实验方案设计思路
实验项目围绕“以培养交通管理控制方案综合设计能力培养为主，兼顾交通信号控制初学者能力提升为辅”的设计思路，针对不同知识层次的学生设置了交通信号控制设计性实验和演示性实验。设计性实验又可选择“示例交叉口”或“自选交叉口”进行方案设计。
演示性实验主要面向交通信号控制初学者，帮助其掌握信号阶段、信号相位方案设计以及交叉口信号机配置及使用方法。
设计性实验则采用模块化分步实验的方法，紧密结合了交叉口渠化方案设计、信控方案设计和方案模拟与仿真分析等多个内容，通过可视性强、互动性好的虚拟仿真实验训练学生进行交通控制系统的方案设计、方案控制、仿真分析的综合设计运用能力。此外，设计性实验可选择“示例交叉口”或“自选交叉口”，实验项目提供实际交叉口的几何参数和交通量等基础数据作为示例交叉口，学生也可根据自选交叉口新建实验方案。
3 交通信号控制虚拟仿真实验原理
实验项目针对不同层次学生设置有交通信号控制演示性实验和设计性实验。设计性实验可在方案设计之后导出仿真数据，用于方案仿真分析与工程实证。实验采用模块化分步进行，主要包括：交通调查与分析、交叉口交通管理渠化方案设计、交叉口信号控制方案设计、方案模拟演示、方案仿真分析与应用实证。
1）交通调查与分析：在交通信号控制虚拟仿真实验教学中，通过交通视频监控系统实时查看设计交叉口的交通运行状态视频信息，统计交叉口交通流量、流向等基础信息。也可直接在虚拟仿真实验教学平台下载所需的设计道路交叉口几何信息和交通流量等基础数据。
2）交叉口交通管理渠化方案設计：根据交叉口几何条件及流量数据，在城市道路交通信号控制虚拟仿真实验平台完成交叉口渠化设计。基本原理包括：渠化原则；车道线设计；入口道形式。
3）交叉口信号控制方案设计：根据交叉口渠化方案及流量数据，完成交叉口信号配时设计。基本原理包括：HCM计算分析方法；饱和流量计算；最佳信控周期韦伯斯特计算方法；服务水平分析：交叉口饱和度、延误分析。
4）方案仿真分析与应用实证：根据设计方案生成的Lisp工程文件和TSIS仿真接口文件，运行专业交通仿真软件TSIS，对交通流特征进行分析与评价。根据仿真结果，优化信号控制方案；并将优化方案通过工程中心发送至交警支队信号控制中心进行运营评估。
4 传统教学的延伸与拓展
传统城市道路交通信号控制实验传统教学以实物工作演示为主，侧重于掌握信号机工作流程，对信号控制工作原理、控制参数及运行情况阐述不够深入。
虚拟仿真实验项目通过综合渠化设计方法、饱和流量计算、信号配时计算方法、延误分析方法等知识点，对传统实验涉及理论知识进行了延伸。实验项目通过模块化实验设计，实现了对交通管理与控制理论教学与实验内容的衔接，通过渠化方案设计和信号控制方案设计的综合，实现了对学生进行交通信号控制的综合训练。实验项目可导出交通信号控制方案仿真数据，实现了对交通信号控制仿真分析的综合与拓展。
虚拟仿真实验项目将交通渠化设计方案与AutoCAD进行对接、控制方案与仿真分析软件对接，提升了实验内容的可视性，提高了交叉口信号控制效果，使学生掌握渠化功能优化、信号控制相位方案、配时方案的多方案综合优化能力。
5 结语
城市道路交通信号控制实验是交通管理与控制课程的必修实验项目，重点培养学生进行道路交通管理控制方案综合设计、工程实践和创新的能力。实验项目采用虚拟仿真手段实现了交通管理与控制理论教学与实验内容的衔接和综合，实现了交通渠化设计方案与AutoCAD对接、控制方案与仿真分析软件对接，提高了实验内容的可视性和实验效果。
参考文献
[1] 陈峻， 熊宏齐， 黄晓明，等. 道路交通工程虚拟仿真项目的资源建设方案[J]. 实验室研究与探索， 2017，（36）4：98-102..
[2] 马驷， 彭其渊， 王 琳，等. 交通运输专业实践教学体系改革研究[J]. 西南交通大学学报（社会科学版）， 2008，（9）6：95-99.
基金项目：
教育部产学合作协同育人项目（201702117016）；桂林电子科技大学教育教学改革项目（JGB201843）。
作者简介：
谢练（1989-），男，湖南娄底，助教，研究方向：交通管理与控制，交通设计、交通安全。E-mail： xielian@whut.edu.cn。
