王艷麗， 吳 兵， 李林波

(同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

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基于VISSIM的“交通管理與控制”實驗課程設(shè)計

王艷麗， 吳 兵， 李林波

(同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

為加強學(xué)生對理論知識的掌握和應(yīng)用以適應(yīng)復(fù)雜的交通實際和交通科技，需要進行科學(xué)合理的交通管理與控制課程實驗設(shè)計。在對課程內(nèi)容及重難點分析的基礎(chǔ)上，確定平面交叉口的管控作為實驗內(nèi)容，并提出了基于交通仿真軟件VISSIM的人工設(shè)計與計算機仿真相結(jié)合的實驗方法，給出了具體的實驗設(shè)計案例包括科學(xué)的實驗步驟以及實驗結(jié)果分析內(nèi)容，最后展示了多年的教學(xué)的應(yīng)用效果。

交通管理與控制； 實驗設(shè)計； VISSIM仿真； 交叉口信號控制

0 引 言

“交通管理與控制”課程是交通工程專業(yè)的一門主干專業(yè)課程，為交通人才的培養(yǎng)提供專業(yè)基礎(chǔ)。該課程的目的是探討對現(xiàn)有的道路交通設(shè)施，如何科學(xué)地采取交通管理與控制技術(shù)的各種交通治理措施，來提高其交通效益與交通安全。而交通人才培養(yǎng)的一個重要任務(wù)就是使學(xué)生能夠面向交通實際[1]，所以加強交通工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、防止理論脫離實際，是該課程教學(xué)理念的核心內(nèi)容[2]。

為在專業(yè)教學(xué)中進一步培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，配合“交通管理與控制”課程理論教學(xué)要求，使學(xué)生在掌握基本知識和理論的基礎(chǔ)上，深化對所學(xué)知識和理論的理解，并加強理論聯(lián)系實際能力的訓(xùn)練，需要添加實驗課時甚至開始單獨開設(shè)實驗課程[3-4]。根據(jù)交通管理與控制的知識和理論要點以及實際應(yīng)用狀況，著重于訓(xùn)練學(xué)生運用所學(xué)的專業(yè)知識和理論去分析問題和解決問題的能力，對實驗課程進行科學(xué)合理的設(shè)計，通過實驗驗證所學(xué)知識和理論或提出新的方案。

1 課程實驗?zāi)康暮屠砟?/h2>

一方面，隨著我國城市建設(shè)和機動化的迅速發(fā)展，城市交通日趨多樣化和復(fù)雜化，而且很多復(fù)雜的交通現(xiàn)象較難從現(xiàn)場直接觀測，需通過仿真和實驗來再現(xiàn)交通場景；另一方面，隨著計算機及人工智能等技術(shù)的發(fā)展，各種基于計算機技術(shù)的交通軟件應(yīng)運而生，并在各科研院所得到廣泛應(yīng)用且取得良好效益；于是，更好地掌握與運用這些軟件來解決復(fù)雜的交通問題成為交通從業(yè)人員的必要技能，這對交通人才的培養(yǎng)提出了更高的要求[5-6]。

為使學(xué)生能夠面向更復(fù)雜的交通實際，適應(yīng)交通科技的發(fā)展，結(jié)合新的交通科學(xué)技術(shù)的實驗課程也越來越受到重視，并成為交通工程學(xué)科教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分[7-9]。這類實驗課程，不僅可以加強對理論聯(lián)系實際的實踐和應(yīng)用能力的培養(yǎng)，也是適應(yīng)交通人才培養(yǎng)新要求的有效途徑和方法，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，滿足社會需求[10]。所以，基于交通科技的“交通管理與控制”課程實驗的設(shè)置是必不可少的[3-4]，借助于交通仿真軟件等交通技術(shù)，加強對重要理論知識的理解和應(yīng)用能力，并訓(xùn)練對專業(yè)技術(shù)的掌握和應(yīng)用能力。

2 課程實驗內(nèi)容與方法

2.1 實驗內(nèi)容

在“交通管理與控制”課程內(nèi)容中，平面交叉口的交通管理和控制，涵蓋交通秩序管理、交通運行管理、交通系統(tǒng)管理、交通信號控制等多方面內(nèi)容，與實際緊密相連，是課程的一個核心內(nèi)容[2]。其中交叉口信號配時是非常重要的知識點，而交叉口改善設(shè)計更是交通組織優(yōu)化中的重點及難點，而且在傳統(tǒng)的理論課程教學(xué)環(huán)節(jié)中也是學(xué)生較難掌握的知識點。

同時，在實際生活中，交叉口也是城市路網(wǎng)中的交通擁堵的節(jié)點，交叉口處的通行效率決定著整個路網(wǎng)的通行效率，交叉口的改善設(shè)計一直是交通工程領(lǐng)域的重點及難點。

所以，將平面交叉口的交通管理和控制選為“交通管理與控制”課程實驗主題。其中，單個交叉口的管理和控制是基礎(chǔ)，只有在掌握單個交叉口管理和控制的基礎(chǔ)上才能進行更深層次的干線以及區(qū)域群交叉口的管理和控制[11]。于是，實驗內(nèi)容設(shè)定為根據(jù)交通流量調(diào)查對單個交叉口進行交通渠化改善設(shè)計，分別采用定時信號控制和感應(yīng)信號控制兩種方式進行交通控制，并對控制效果進行比較分析。實驗題目取為“平面交叉口不同信號控制方法設(shè)計與比較”。

2.2 實驗方法

實驗方法則采用人工設(shè)計與計算機仿真相結(jié)合的辦法，借助于交通仿真軟件VISSIM 6.0。VISSIM仿真軟件是德國PTV公司開發(fā)的微觀的、基于時間間隔和駕駛行為的交通仿真建模工具，用以建模和分析各種交通條件下(車道設(shè)置、交通構(gòu)成、交通信號、公交站點等)，城市交通和公共交通的運行狀況，是評價交通工程設(shè)計和城市規(guī)劃方案的有效工具。它既可以在線生成可視化的交通運行狀況，也可以離線輸出各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如：行程時間、排隊長度等[12]。通過VISSIM仿真軟件，可以實現(xiàn)對交叉口的管理和控制措施的演示，并直觀展現(xiàn)其效果[13-14]。

基于VISSIM的交通管理與控制實驗課程，合理運用現(xiàn)代信息技術(shù)等手段，以學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)，采用“統(tǒng)一指導(dǎo)、典范引導(dǎo)、獨立完成實驗”的教學(xué)方法，先由實驗老師進行集中指導(dǎo)，通過講授與實驗相結(jié)合的方式進行典型示范，然后由學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書獨立完成。同時采用“自主設(shè)計、協(xié)同完成”的實驗教學(xué)方法[15]，在明確實驗項目目標、內(nèi)容和要求的前提下，將學(xué)生進行分組，每組由2～4個學(xué)生組成，共同設(shè)計實驗方案，注重實驗過程設(shè)計，提高“設(shè)計性”含量，教師在實驗過程中，給予必要的指導(dǎo)，實驗結(jié)果由實驗小組協(xié)同完成，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與積極性，培養(yǎng)學(xué)生對實驗的興趣。

實驗時，學(xué)生可以借助于VISSIM實驗平臺，通過設(shè)置相應(yīng)的道路條件、交通流狀況、交通信號來系統(tǒng)展示交叉口的實際情況；并將自行設(shè)計的改善方案如增加進口道、改變交通控制方案等，通過對軟件參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整來實現(xiàn)，直觀展示不同管理和控制方案的影響效果。通過實驗，學(xué)生可初步掌握仿真實驗方法，進一步鞏固所學(xué)基本理論知識，在對交叉口管理和控制感性認識基礎(chǔ)上，逐步深入了解其中的交通工程學(xué)理論和方法，加強對所學(xué)知識的應(yīng)用能力，為將來實際參與交通管理與控制工作奠定堅實的專業(yè)基礎(chǔ)[14]。

3 實驗設(shè)計案例

3.1 實驗準備

“交通管理與控制”課程實驗“平面交叉口不同信號控制方法設(shè)計與比較”，宜緊接著第十一章的課堂教學(xué)后進行，安排為4～6個課時。在實驗前需要制訂實驗指導(dǎo)書，除了明確實驗?zāi)康?、實驗要求外，還需指出實驗報告的要求，讓學(xué)生對實驗結(jié)果進行分析，并提出自己的看法。為激發(fā)學(xué)生的進一步思考，還可另外附加思考題。同時，實驗前需準備好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括：平面交叉口的幾何數(shù)據(jù)、信號配時數(shù)據(jù)、交通流數(shù)據(jù)等，建議所給的交通流數(shù)據(jù)為分時段的動態(tài)數(shù)據(jù)(如表1所示)，可采用學(xué)生進行真實交叉口交通調(diào)查、獲取所需數(shù)據(jù)的方法。此外，還需要將VISSIM仿真軟件的學(xué)習(xí)資料發(fā)放給學(xué)生，以提前熟悉實驗平臺。

表1 交通流數(shù)據(jù) pcu/h

3.2 實驗過程

實驗時，先簡要講解實驗內(nèi)容和VISSIM仿真軟件的使用，然后重點介紹實驗步驟。主要的實驗步驟如圖1所示。其中評價指標可以選取行程時間、延誤、排隊長度、停車次數(shù)等。仿真運行效果如圖2所示。

3.3 實驗結(jié)果

讓學(xué)生對不同信號控制方案的仿真評價結(jié)果進行分析，可從以下幾個方面展開：①對整個交叉口兩種控制方式下各評價指標值進行總體對比分析，如感應(yīng)信號控制與定時信號控制相比延誤是否減少？各進口道的停車次數(shù)是否較為平均？②針對單個進口道兩種控制方式下的評價指標值進行局部的動靜態(tài)比較，例如飽和度較大進口道，哪種控制方式延誤較?。炕蛄髁孔兓蟮倪M口道宜采用哪種控制方式？③對單種控制方式下的，交叉口和各進口道的延誤、排隊長度、排隊次數(shù)等的變化趨勢進行總體和局部對比分析，如感應(yīng)信號控制下，流量增大，延誤和排隊長度是否會增加？定時信號控制下，流量大的進口道是否延誤較大？④兩種控制方式下的仿真結(jié)果如停車次數(shù)等和實際觀察是否有出入？

圖2 VISSIM仿真效果圖

通過對平面交叉口交通流進行定時和感應(yīng)信號控制的仿真實驗，使學(xué)生深入了解兩種不同控制方法的優(yōu)缺點，學(xué)會使用VISSIM仿真軟件進行平面交叉口基本的信號配時，把握這兩種控制方法各自的適用條件和范圍，加深理解交通信號控制對改善交叉口交通運行的有效作用。

4 結(jié) 語

10多年的“交通管理與控制”課程教學(xué)實踐證明，基于交通仿真軟件的實驗課程的設(shè)置將實驗教學(xué)與課堂理論教學(xué)緊密結(jié)合起來，彌補了傳統(tǒng)理論教學(xué)的不足，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增進了學(xué)生對交通管理與控制的理解、激發(fā)了解決實際問題的創(chuàng)新靈感，鍛煉和提高了學(xué)生的實踐能力與問題研究能力，真正體現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的理論和實踐相結(jié)合的教學(xué)目標，在實際教學(xué)中取得了良好的效果。基于VISSIM的交通管理與控制課程實驗設(shè)計，將先進的交通規(guī)劃軟件作為實驗教學(xué)工具，拓展了學(xué)生的專業(yè)視野，增強了專業(yè)修養(yǎng)，通過“自主設(shè)計、協(xié)同完成”的模式，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、動手能力和團隊合作能力得到了提高，能夠引領(lǐng)學(xué)生到實踐中解決具體實際問題，這對于交通類本科學(xué)生，具有重要意義。

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Design of “Traffic Management and Control” Experiment Course Based on VISSIM

WANGYan-li，WUBing，LILin-bo

(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China)

In order to make students strengthen the mastery and application of theoretical knowledge, and adapt complex traffic situation and traffic technology, it is necessary to carry a scientific and reasonable experimental course design of “Traffic Management and Control”. Based on the analysis of the importance and difficulty of course content, the intersection management and control is chosen as the experimental content, and an experiment method combining artificial design and computer simulation is put forward based on traffic simulation software VISSIM. The experimental design case is given including the steps of the experiment and the analysis of the experiment results; and finally the application effect is shown.

traffic management and control; experimental design; VISSIM simulation; intersection signal control

2015-03-30

同濟大學(xué)精品實驗項目

王艷麗(1985-)，女，山東煙臺人，博士，工程師，主要研究方向為交通規(guī)劃與管理。

Tel.:13501780903;E-mail：wangyanli@#edu.cn

U 491.2; G 642.423； G 424.31

A

1006-7167(2016)03-0210-03