溫立民， 閆茂德， 朱禮亞, 王會峰

(長安大學(xué) a.電子與控制工程學(xué)院，b.虛擬仿真實驗教學(xué)中心，西安 710064)

交通信息與控制類虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實踐

溫立民a,b， 閆茂德a， 朱禮亞a,b, 王會峰a,b

(長安大學(xué) a.電子與控制工程學(xué)院，b.虛擬仿真實驗教學(xué)中心，西安 710064)

為順應(yīng)國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)的指示精神，長安大學(xué)在現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上，加大虛擬實驗室建設(shè)投資力度，建設(shè)有交通信息與控制工程背景的虛擬實驗教學(xué)平臺。闡述了交通信息及控制虛擬實驗建設(shè)的內(nèi)涵和要求，平臺建設(shè)的整體框架及實施方法。實驗室建成后經(jīng)1年多測試, 虛擬實驗平臺運行良好，傳統(tǒng)實物實驗不能開設(shè)學(xué)時總學(xué)時89.1%，受到廣大師生好評，有力促進了實驗教學(xué)改革。

交通信息; 虛擬實驗； 實驗教學(xué)中心

0 引 言

隨著社會進步和經(jīng)濟快速發(fā)展，城市化率的提高推動了城市數(shù)量和規(guī)模的不斷擴大，也導(dǎo)致城市人口和機動車保有量的激增，進而造成交通擁堵問題日益突出，隨之而產(chǎn)生的環(huán)境污染、交通安全等問題也引起了社會各界的廣泛關(guān)注[1-3]。以智能交通系統(tǒng)為代表的信息化與智能化控制技術(shù)可以極大提升交通運行的安全運營能力和綜合服務(wù)水平，其研究意義日益重要[4-6]。但是，對于科學(xué)研究和專業(yè)教學(xué)而言，交通信息與控制技術(shù)的實踐教學(xué)有些與實物條件相關(guān)的環(huán)節(jié)卻很難直接實現(xiàn)，嚴重阻礙交通信息與控制類實驗教學(xué)的進行，因此虛擬仿真實驗教學(xué)是行之有效的解決方案[7-9]：①交通信息與控制類實驗平臺建設(shè)成本高。交通信息與控制的實驗場所與對象，如城市交通環(huán)境、公路隧道等實驗條件有其特殊性，高成本、高消耗且實驗安全隱患大[10-12]。學(xué)生在專業(yè)實驗教學(xué)中所涉及的路網(wǎng)監(jiān)控、安全運營、車輛避碰、車路協(xié)同、交通誘導(dǎo)和綜合管控等實驗項目難以完成；開展多班次、大批量的交通控制類本科實驗教學(xué)也極為不便。而實體教學(xué)實驗平臺的搭建成本巨大。因此，綜合性、系統(tǒng)化的交通信息與控制類虛擬仿真平臺亟待建設(shè)，迫切需要為學(xué)生提供更為有效和便利的實踐途徑。②交通信息與控制實體實驗的可逆操作過程難以完成。交通信息與控制實驗中涉及到的各類決策數(shù)據(jù)信息量巨大, 難以實時獲?。徊⑶疑婕敖煌ōh(huán)境等的實驗過程難以可逆操作和反復(fù)進行。因此，無論對于學(xué)生的實驗教學(xué)，還是對于科學(xué)項目研究，交通信息與控制虛擬仿真平臺都帶來了極大的便利，其建設(shè)的必要性和意義不言而喻。③在現(xiàn)代信息技術(shù)條件下，交通信息與控制的虛擬仿真實驗效果可以更為有效實現(xiàn)。如前所述，交通控制的實驗載體具有不可及和不可逆的典型特征。然而，在現(xiàn)代計算機、數(shù)據(jù)庫、信息技術(shù)和半實物等的條件下，利用虛擬仿真技術(shù)，交通信息與控制對象的數(shù)學(xué)模型、信息采集、控制反饋和算法執(zhí)行等可以更為有效地實現(xiàn)，有助于多快好省求解和驗算重大的交通控制問題。④交通信息與控制虛擬仿真的教學(xué)資源在使用方式上，易于實現(xiàn)云計算、網(wǎng)絡(luò)化、分布式和并行運作。在信息化設(shè)備的軟硬件平臺支持下，交通信息與控制虛擬仿真的各個實驗項目可以充分利用個人計算機終端、實驗室機房和項目平臺完成信息的集成處理和虛擬仿真過程，不僅僅體現(xiàn)出很高的性價比，而且有效解決了傳統(tǒng)實驗的時間和場地限制，使得教學(xué)資源的使用更為靈活、便利，更好地激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新精神。

因此，在國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下，為響應(yīng)教育部加強國家級實驗教學(xué)示范中心，努力建設(shè)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的意見[13]，學(xué)校整合現(xiàn)有資源，成立交通信息與控制類虛擬仿真實驗教學(xué)中心，為師生提供一個傳統(tǒng)實驗替代的虛擬實驗教學(xué)平臺。

1 虛擬實驗教學(xué)管理平臺整體框架設(shè)計

參照傳統(tǒng)交通信息與控制課程實驗教學(xué)過程，按照模塊化軟件設(shè)計的原則，設(shè)計交通信息與控制虛擬實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理平臺的系統(tǒng)框架，該平臺主要由管理員模塊、教師管理與評價模塊、學(xué)生學(xué)習(xí)與實驗準備模塊和游客模塊組成如圖1所示。

(1) 管理員模塊。管理員模塊是具有最高權(quán)限的模塊,主要由管理員操作，在教學(xué)中心一般由實驗室主任副主任負責管理，它的主要功能是對虛擬實驗平臺的賬號管理，教師增、刪、查、改，新聞列表及交流中心的管理如圖2所示。

圖1 交通信息與控制虛擬仿真實驗中心整體框圖

圖2 管理員模塊框圖

(2) 教師管理與評價模塊。教師管理與評價模塊主要由經(jīng)過授權(quán)的專兼職教師管理，教師必須經(jīng)管理員授權(quán)后，才有權(quán)登錄虛擬實驗平臺實現(xiàn)對學(xué)生的實驗進行輔導(dǎo)和管理。登錄后，系統(tǒng)首先需要對教師進行身份驗證，通過驗證后教師即可進入相應(yīng)的教師模塊并對本模塊進行管理，實驗教師具有實驗?zāi)K管理的權(quán)利。該模塊主要具有以下功能，管理學(xué)生的賬號，在線交流、實驗及報告、軟件管理，其中實驗管理包括課程設(shè)置、實驗項目的維護及視頻演示管理，實驗報告管理包括成績發(fā)布及實驗報告的測評發(fā)布見圖3。

圖3 教師模塊框圖

(3) 學(xué)生管理模塊。學(xué)生管理模塊(如圖4)包括軟件學(xué)習(xí)及下載、器件介紹、學(xué)生資料管理和虛擬實驗。交通信息與控制虛擬仿真實驗工具軟件包括Multisim, Alera Quartus II, Labview、TransCAD、TransModeler、Multigen Creator、SuperMap GIS等，學(xué)生可以在虛擬平臺上學(xué)習(xí)使用各種虛擬軟件，也可從平臺上下載使用；器件介紹包括儀器設(shè)備和耗材，虛擬設(shè)備和現(xiàn)實設(shè)備，虛擬設(shè)備設(shè)計到虛擬示波器、虛擬信號源等?，F(xiàn)實設(shè)備是實驗教師事先將真的實驗設(shè)備的檔案資料(操作手冊、性能資料)上傳到虛擬平臺上供學(xué)生學(xué)習(xí)、使用和下載。平臺按課程設(shè)置實驗?zāi)K，每個實驗?zāi)K按大綱要求設(shè)置相應(yīng)的實驗科目，包括基礎(chǔ)和綜合實驗，實驗的數(shù)目一般多余大綱要求的數(shù)目，師生可根據(jù)需要取舍實驗項目。每個實驗有預(yù)習(xí)視頻，學(xué)生可根據(jù)視頻內(nèi)容對本實驗進行預(yù)習(xí)。

圖4 學(xué)生模塊框圖

2 交通信息與控制虛擬實驗平臺實施與測試

平臺通過購置、自主研發(fā)和科研成果轉(zhuǎn)化，建成了涵蓋3個層次、22門課程和7個專題的虛擬仿真實驗教學(xué)資源，如圖5所示。根據(jù)實驗項目的特點和實驗?zāi)康?，可進一步將虛擬仿真實驗項目分為專業(yè)基礎(chǔ)課程、行業(yè)特色項目和前沿技術(shù)專題3大層次，按照工程項目的貫通式遞進主線，使學(xué)生“由淺入深、循序漸進”地掌握交通信息與控制虛擬仿真的實驗方法和技能，從而滿足學(xué)生在不同培養(yǎng)階段的需要。

圖5 交通信息與控制虛擬仿真實驗教學(xué)資源

2.1 虛擬平臺建設(shè)實施

實驗教學(xué)中心將以“服務(wù)教學(xué)，促進科研”為主線，在虛擬仿真實驗教學(xué)資源、實驗教學(xué)隊伍、學(xué)校信息平臺和管理體制等方面積極進取、開拓創(chuàng)新，重點建設(shè)以下幾方面的內(nèi)容：①將虛擬實驗課程劃分為專業(yè)基礎(chǔ)課程、行業(yè)特色項目和前沿技術(shù)專題3個層次，虛擬實驗課程需求配置虛擬仿真實驗教學(xué)資源，重點建設(shè)真實實驗環(huán)境無法開展的半實物仿真教學(xué)資源和大型綜合性實訓(xùn)專題。②將交通信息化建設(shè)典型工程案例、運行數(shù)據(jù)和科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗教學(xué)資源，拓展實驗教學(xué)范圍，豐富實驗教學(xué)內(nèi)容。③組建以提高教學(xué)能力、拓展實踐領(lǐng)域、豐富教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目的專任教師隊伍和實驗教學(xué)平臺。④圍繞卓越工程師教育計劃和專業(yè)綜合改革試點，瞄準“培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高質(zhì)量工程應(yīng)用型人才和選拔科學(xué)研究型人才”目標，鼓勵教師加強虛擬仿真實驗平臺的升級和完善，撰寫實驗講義和教材，將其落實到交通信息與控制類專業(yè)教學(xué)體系框架結(jié)構(gòu)中。⑤對虛擬仿真教學(xué)成果進行反復(fù)試點，一方面聘請校內(nèi)外專家進行教學(xué)審核，同時不斷收集教師和學(xué)生的反饋意見，形成了一套完整、標準的應(yīng)用評估體系，以更好規(guī)范和加強虛擬仿真實驗。

2.2 虛擬實驗平臺測試

虛擬實驗平臺登錄界面如圖6所示。實驗平臺建成后，向全校交通控制類專業(yè)和電子類專業(yè)師生開放，目前開設(shè)實驗教學(xué)課程21門，其中傳統(tǒng)實物實驗教學(xué)不能開設(shè)的課程為17門，占85.7%；開設(shè)的計劃實驗為343學(xué)時，其中傳統(tǒng)實物實驗教學(xué)不能開設(shè)的為306學(xué)時，占總學(xué)時89.1%。經(jīng)1年多的測試，虛擬實驗平臺整體運行良好，受到廣大師生好評。

圖6 虛擬實驗平臺界面

3 結(jié) 語

為深化實驗教育體系改革，學(xué)校構(gòu)建了面向國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的多模運行機制，該虛擬中心的建立，緩解了實驗資源與實驗教學(xué)需求的矛盾，為交通信息類專業(yè)學(xué)生提供虛擬實驗平臺，增強了教學(xué)效果，鍛煉了學(xué)生的動手能力，節(jié)約了實驗經(jīng)費。虛擬實驗平臺具有較強的系統(tǒng)性、科學(xué)性、指導(dǎo)性和可操作性；對同類專業(yè)乃至其他專業(yè)進行虛擬和實際工程創(chuàng)新訓(xùn)練改革，提高工科大學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)具有較大的參考價值。

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[11] 中華人民共和國教育部.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z].2013.

[12] 中華人民共和國教育部。教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)[Z]. 2012.

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Practice and Construction of Virtual Simulation Laboratory for Traffic Information and Control

WENLimina,b,YANMaodea,ZHULiyaa,b,WANGHuifenga,b

(a. School of Electronic & Control Engineering， b. Experimental teaching center of Virtual Simulation Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In order to follow up the indicative spirit of developing state-level virtual simulation experimental platform under the outline of the national medium and long term educational reform and development, Chang’an University increased the investment for virtual experiments on the basis of current material foundation, and constructed virtual experimental platform with the background of traffic information and control. This paper states intension and requirement of the virtual experiment, framework and implementation method. Test for more than one year showed that the platform has run well with the ratio of 89.1 percent of virtual experiments to traditional experiments, and has been acclaimed by students and teachers.

traffic information; virtual experiment; experimental teaching center

2016-07-25

陜西高等教育教學(xué)改革研究項目(15BY23)；西安市科技基金(CXY1512(9))

溫立民(1976-)，男，黑龍江佳木斯人，博士，講師，主要從事交通控制實驗等方面的教學(xué)和科研工作。

Tel.:15129006427； E-mail:lmwen@chd.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)05-0118-04