王艷麗， 吳 兵， 李林波

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

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基于VISSIM的“交通管理與控制”實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

王艷麗， 吳 兵， 李林波

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

為加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和應(yīng)用以適應(yīng)復(fù)雜的交通實(shí)際和交通科技，需要進(jìn)行科學(xué)合理的交通管理與控制課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在對(duì)課程內(nèi)容及重難點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，確定平面交叉口的管控作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并提出了基于交通仿真軟件VISSIM的人工設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，給出了具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例包括科學(xué)的實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)； VISSIM仿真； 交叉口信號(hào)控制

0 引 言

“交通管理與控制”課程是交通工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主干專(zhuān)業(yè)課程，為交通人才的培養(yǎng)提供專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)。該課程的目的是探討對(duì)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(lái)提高其交通效益與交通安全。而交通人才培養(yǎng)的一個(gè)重要任務(wù)就是使學(xué)生能夠面向交通實(shí)際[1]，所以加強(qiáng)交通工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、防止理論脫離實(shí)際，是該課程教學(xué)理念的核心內(nèi)容[2]。

為在專(zhuān)業(yè)教學(xué)中進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)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(shí)和理論的基礎(chǔ)上，深化對(duì)所學(xué)知識(shí)和理論的理解，并加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際能力的訓(xùn)練，需要添加實(shí)驗(yàn)課時(shí)甚至開(kāi)始單獨(dú)開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課程[3-4]。根據(jù)交通管理與控制的知識(shí)和理論要點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用狀況，著重于訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和理論去分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所學(xué)知識(shí)和理論或提出新的方案。

1 課程實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮屠砟?/h2>

一方面，隨著我國(guó)城市建設(shè)和機(jī)動(dòng)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(chǎng)直接觀測(cè)，需通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)來(lái)再現(xiàn)交通場(chǎng)景；另一方面，隨著計(jì)算機(jī)及人工智能等技術(shù)的發(fā)展，各種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的交通軟件應(yīng)運(yùn)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(yùn)用這些軟件來(lái)解決復(fù)雜的交通問(wèn)題成為交通從業(yè)人員的必要技能，這對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)課程也越來(lái)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(lèi)實(shí)驗(yàn)課程，不僅可以加強(qiáng)對(duì)理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)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(huì)需求[10]。所以，基于交通科技的“交通管理與控制”課程實(shí)驗(yàn)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(qiáng)對(duì)重要理論知識(shí)的理解和應(yīng)用能力，并訓(xùn)練對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)的掌握和應(yīng)用能力。

2 課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)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(yùn)行管理、交通系統(tǒng)管理、交通信號(hào)控制等多方面內(nèi)容，與實(shí)際緊密相連，是課程的一個(gè)核心內(nèi)容[2]。其中交叉口信號(hào)配時(shí)是非常重要的知識(shí)點(diǎn)，而交叉口改善設(shè)計(jì)更是交通組織優(yōu)化中的重點(diǎn)及難點(diǎn)，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(shí)點(diǎn)。

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

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(shí)驗(yàn)主題。其中，單個(gè)交叉口的管理和控制是基礎(chǔ)，只有在掌握單個(gè)交叉口管理和控制的基礎(chǔ)上才能進(jìn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)定為根據(jù)交通流量調(diào)查對(duì)單個(gè)交叉口進(jìn)行交通渠化改善設(shè)計(jì)，分別采用定時(shí)信號(hào)控制和感應(yīng)信號(hào)控制兩種方式進(jìn)行交通控制，并對(duì)控制效果進(jìn)行比較分析。實(shí)驗(yàn)題目取為“平面交叉口不同信號(hào)控制方法設(shè)計(jì)與比較”。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方法則采用人工設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)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(guó)PTV公司開(kāi)發(fā)的微觀的、基于時(shí)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(chē)道設(shè)置、交通構(gòu)成、交通信號(hào)、公交站點(diǎn)等)，城市交通和公共交通的運(yùn)行狀況，是評(píng)價(jià)交通工程設(shè)計(jì)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(yùn)行狀況，也可以離線輸出各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如：行程時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度等[12]。通過(guò)VISSIM仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)課程，合理運(yùn)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(dú)立完成實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)方法，先由實(shí)驗(yàn)老師進(jìn)行集中指導(dǎo)，通過(guò)講授與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行典型示范，然后由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)獨(dú)立完成。同時(shí)采用“自主設(shè)計(jì)、協(xié)同完成”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[15]，在明確實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目目標(biāo)、內(nèi)容和要求的前提下，將學(xué)生進(jìn)行分組，每組由2～4個(gè)學(xué)生組成，共同設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，注重實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)，提高“設(shè)計(jì)性”含量，教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，給予必要的指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果由實(shí)驗(yàn)小組協(xié)同完成，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以借助于VISSIM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的道路條件、交通流狀況、交通信號(hào)來(lái)系統(tǒng)展示交叉口的實(shí)際情況；并將自行設(shè)計(jì)的改善方案如增加進(jìn)口道、改變交通控制方案等，通過(guò)對(duì)軟件參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)，直觀展示不同管理和控制方案的影響效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可初步掌握仿真實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)一步鞏固所學(xué)基本理論知識(shí)，在對(duì)交叉口管理和控制感性認(rèn)識(shí)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(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力，為將來(lái)實(shí)際參與交通管理與控制工作奠定堅(jiān)實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)[14]。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

“交通管理與控制”課程實(shí)驗(yàn)“平面交叉口不同信號(hào)控制方法設(shè)計(jì)與比較”，宜緊接著第十一章的課堂教學(xué)后進(jìn)行，安排為4～6個(gè)課時(shí)。在實(shí)驗(yàn)前需要制訂實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，除了明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求外，還需指出實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并提出自己的看法。為激發(fā)學(xué)生的進(jìn)一步思考，還可另外附加思考題。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)前需準(zhǔn)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(hào)配時(shí)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(shí)段的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(如表1所示)，可采用學(xué)生進(jìn)行真實(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

表1 交通流數(shù)據(jù) pcu/h

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先簡(jiǎn)要講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和VISSIM仿真軟件的使用，然后重點(diǎn)介紹實(shí)驗(yàn)步驟。主要的實(shí)驗(yàn)步驟如圖1所示。其中評(píng)價(jià)指標(biāo)可以選取行程時(shí)間、延誤、排隊(duì)長(zhǎng)度、停車(chē)次數(shù)等。仿真運(yùn)行效果如圖2所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

讓學(xué)生對(duì)不同信號(hào)控制方案的仿真評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析，可從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：①對(duì)整個(gè)交叉口兩種控制方式下各評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行總體對(duì)比分析，如感應(yīng)信號(hào)控制與定時(shí)信號(hào)控制相比延誤是否減少？各進(jìn)口道的停車(chē)次數(shù)是否較為平均？②針對(duì)單個(gè)進(jìn)口道兩種控制方式下的評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行局部的動(dòng)靜態(tài)比較，例如飽和度較大進(jìn)口道，哪種控制方式延誤較??？或流量變化大的進(jìn)口道宜采用哪種控制方式？③對(duì)單種控制方式下的，交叉口和各進(jìn)口道的延誤、排隊(duì)長(zhǎng)度、排隊(duì)次數(shù)等的變化趨勢(shì)進(jìn)行總體和局部對(duì)比分析，如感應(yīng)信號(hào)控制下，流量增大，延誤和排隊(duì)長(zhǎng)度是否會(huì)增加？定時(shí)信號(hào)控制下，流量大的進(jìn)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(chē)次數(shù)等和實(shí)際觀察是否有出入？

圖2 VISSIM仿真效果圖

通過(guò)對(duì)平面交叉口交通流進(jìn)行定時(shí)和感應(yīng)信號(hào)控制的仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生深入了解兩種不同控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，學(xué)會(huì)使用VISSIM仿真軟件進(jìn)行平面交叉口基本的信號(hào)配時(shí)，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(hào)控制對(duì)改善交叉口交通運(yùn)行的有效作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

10多年的“交通管理與控制”課程教學(xué)實(shí)踐證明，基于交通仿真軟件的實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂理論教學(xué)緊密結(jié)合起來(lái)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)理論教學(xué)的不足，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增進(jìn)了學(xué)生對(duì)交通管理與控制的理解、激發(fā)了解決實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng)新靈感，鍛煉和提高了學(xué)生的實(shí)踐能力與問(wèn)題研究能力，真正體現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)，在實(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將先進(jìn)的交通規(guī)劃軟件作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具，拓展了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)視野，增強(qiáng)了專(zhuān)業(yè)修養(yǎng)，通過(guò)“自主設(shè)計(jì)、協(xié)同完成”的模式，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作能力得到了提高，能夠引領(lǐng)學(xué)生到實(shí)踐中解決具體實(shí)際問(wèn)題，這對(duì)于交通類(lèi)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(jì)大學(xué)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

王艷麗(1985-)，女，山東煙臺(tái)人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榻煌ㄒ?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