閆茂德， 朱禮亞， 樓靜梅， 汪貴平

(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院， 陜西 西安 710064)

交通信息與控制虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)

閆茂德， 朱禮亞， 樓靜梅， 汪貴平

(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院， 陜西 西安 710064)

本文以我校交通信息與控制虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)為例，按照統(tǒng)籌規(guī)劃和優(yōu)勢提升的思路，構(gòu)筑了專業(yè)基礎(chǔ)課程、行業(yè)特色項目、前沿技術(shù)專題三個層次的虛擬仿真實驗教學(xué)資源，形成了“先虛后實、以虛輔實、虛實結(jié)合”的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)實驗教學(xué)體系，從而提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量，提升了專業(yè)水平。

交通信息與控制；虛擬仿真；實驗教學(xué)體系

0 引言

2013年8月，為貫徹落實《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》和《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》的精神，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，持續(xù)推進實驗教學(xué)信息化建設(shè)和實驗教學(xué)資源開放共享，推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新[1]。

我校是一所公路交通特色鮮明的多科性大學(xué)，交通信息和控制類專業(yè)的實驗教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)具有一定的特殊性：一是實驗載體如城市交通環(huán)境、高速公路環(huán)境、公路隧道等從成本和安全性角度考慮具有一定的不可達性；二是某些實體實驗項目或過程具有不可逆性和不可重復(fù)性的特征。這些特點給開展實驗教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)帶來了很大的困難[2]。2012年，我校對學(xué)科專業(yè)進行整體規(guī)劃，在4個省級實驗教學(xué)示范中心和1個省級工程技術(shù)研究中心分別設(shè)立虛擬仿真教學(xué)實驗室。通過統(tǒng)籌規(guī)劃和分批建設(shè)，我校組建了交通信息與控制虛擬仿真實驗教學(xué)中心，從而為培養(yǎng)新型高素質(zhì)的交通信息與控制類人才提供了條件保障。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)中心

我校交通信息與控制虛擬仿真實驗教學(xué)中心以交通信息工程及控制國家級重點學(xué)科為龍頭，以智能交通與信息處理實驗教學(xué)中心、自動化與交通控制工程實驗教學(xué)中心、計算機實驗教學(xué)中心和電工電子實驗教學(xué)中心4個省級實驗教學(xué)示范中心和道路交通智能檢測與裝備陜西省工程技術(shù)研究中心為基礎(chǔ)，以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源為重點，以培養(yǎng)新型高素質(zhì)的交通信息與控制類人才為目標(biāo)而組建。該實驗教學(xué)中心構(gòu)筑了專業(yè)基礎(chǔ)課程、行業(yè)特色項目、前沿技術(shù)專題三個層次的信息化和網(wǎng)絡(luò)化虛擬仿真實驗教學(xué)資源。實驗信息化管理與資源共享平臺是虛擬仿真實驗教學(xué)資源共享的基礎(chǔ)，由實驗中心網(wǎng)站、下轄的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺、實驗室管理平臺、虛擬仿真工具軟件平臺、半實物仿真實驗平臺和遠(yuǎn)程虛擬仿真實驗平臺五個子平臺構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)成

實驗信息化管理與資源共享平臺以國家級“交通信息與控制虛擬仿真實驗教學(xué)中心”網(wǎng)站作為網(wǎng)絡(luò)載體，既能實現(xiàn)教學(xué)資源的共享，又可大幅度增加教師和學(xué)生互動交流的機會，為學(xué)生創(chuàng)建個性化實驗環(huán)境，培養(yǎng)良好的信息化素養(yǎng)提供幫助，其所屬各子平臺的具體功能如下：

(1)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺提供了查詢實驗課程實施情況、下載相關(guān)實驗文檔等功能，學(xué)生可在線預(yù)約開放實驗、提交實驗報告、查詢實驗成績并對實驗教學(xué)效果進行評價等。教師可利用網(wǎng)絡(luò)平臺與學(xué)生互動、輔導(dǎo)答疑，也可參與討論。

(2)實驗室管理平臺作為信息化管理服務(wù)部分，提供實驗教學(xué)、實驗場地和實驗設(shè)備等管理功能。實驗教學(xué)管理包括安排教學(xué)任務(wù)和編制開課計劃；實驗設(shè)備管理包括將設(shè)備進行分類整理并建立電子檔案，記錄使用情況、故障信息及維修記錄；實驗場地管理包括對各實驗室的使用情況進行登記，并根據(jù)教學(xué)計劃和預(yù)約記錄合理安排實驗場所。

(3)虛擬仿真工具軟件主要包括交通信息與控制方面的工具軟件，包括Multisim, Altera Quartus II, Labview、TransCAD、TransModeler、Multigen Creator、SuperMap GIS等。這些軟件均是利用我校的影響力與軟件公司的“大學(xué)計劃”項目進行合作，購入的功能完備的正版網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件，從而獲得價廉質(zhì)優(yōu)的教學(xué)資源。

(4)半實物仿真實驗平臺將交通構(gòu)造物的實體模型引入仿真回路，按照“虛實結(jié)合、能實不虛”的原則，通過仿真計算機和接口設(shè)備完成實時仿真處理。平臺現(xiàn)有道路交通物聯(lián)網(wǎng)實驗、列車自動運行控制實驗、隧道智能化檢測與安全運營實驗和汽車模擬駕駛實驗等4大類實驗項目。

(5)遠(yuǎn)程虛擬仿真平臺為師生提供一個開放、互動、共享的虛擬實驗教學(xué)環(huán)境。學(xué)生在校園網(wǎng)內(nèi)的任一電腦上均可訪問。用戶通過在本地電腦上安裝客戶端就可利用共享的實驗參數(shù)，進行本地/遠(yuǎn)程代碼編寫，通過網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)器上進行相關(guān)實驗驗證，可實時獲取實驗成績。中心現(xiàn)有專業(yè)基礎(chǔ)課程、行業(yè)特色課程、高速公路綜合監(jiān)控與應(yīng)急處置等7個虛擬仿真子平臺。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)體系的建設(shè)

交通信息與控制虛擬仿真實驗教學(xué)中心通過購置、自主研發(fā)和科研成果轉(zhuǎn)化等途徑，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)體系，如圖2所示。

3個層次是指虛擬仿真實驗項目可分為專業(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。

2.1 專業(yè)基礎(chǔ)課程虛擬仿真實驗

專業(yè)基礎(chǔ)課程虛擬仿真實驗面向電子技術(shù)基礎(chǔ)、計算機應(yīng)用、運動控制系統(tǒng)三大系列課程，建設(shè)了11門專業(yè)基礎(chǔ)課程的虛擬仿真實驗項目。

(1)電子技術(shù)基礎(chǔ)虛擬仿真實驗通過網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺搭建虛擬仿真實驗環(huán)境，實現(xiàn)了從簡單電路的虛擬仿真到復(fù)雜系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計驗證的實現(xiàn)能力[7]。在實驗過程中，不但可以進行虛擬仿真，同時可以進行實物實驗和虛擬仿真的對比驗證，真正做到虛實結(jié)合，形成一套循序漸進的“理論-仿真-實踐”的教學(xué)體系。它可以滿足“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“EDA技術(shù)”等電子技術(shù)課程虛擬仿真實驗教學(xué)需求。

(2)計算機應(yīng)用虛擬仿真實驗依托我校計算機省級實驗教學(xué)中心開展，以現(xiàn)有實驗設(shè)施為基礎(chǔ)，自主研發(fā)遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺，結(jié)合Wireshark、PacketTracer、VC++等軟件，涵蓋了“操作系統(tǒng)”、“計算機網(wǎng)絡(luò)”、“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計及VC++”等計算機應(yīng)用課程的實驗內(nèi)容。

圖2 交通信息與控制虛擬仿真實驗教學(xué)體系

(3)運動控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗是集計算機遠(yuǎn)程控制、控制系統(tǒng)仿真、運動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和自動控制算法為一體，虛擬仿真與實物實驗驗證相結(jié)合的實驗項目。利用Matlab、LabView、Cadence、Win CC、組態(tài)王等軟件，自主研發(fā)網(wǎng)絡(luò)化實驗教學(xué)平臺搭建虛擬仿真實驗環(huán)境，可滿足“自動控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”、“計算機控制技術(shù)”、“控制系統(tǒng)仿真”、“電機及拖動基礎(chǔ)”和“運動控制系統(tǒng)”等信息與控制類專業(yè)的綜合性實驗教學(xué)需求，為控制系統(tǒng)設(shè)計、故障診斷、控制算法研究以及測控系統(tǒng)軟件開發(fā)等實驗教學(xué)提供了良好的平臺。

2.2 行業(yè)特色項目虛擬仿真實驗

行業(yè)特色項目虛擬仿真實驗包括行業(yè)特色課程虛擬仿真和行業(yè)特色工程實踐虛擬仿真兩部分，主要用以解決實驗室里實物實驗難以實現(xiàn)、過程不可逆的課程實驗和工程實踐環(huán)節(jié)。

(1)行業(yè)特色課程虛擬仿真實驗以交通行業(yè)特色課程的教學(xué)大綱及學(xué)習(xí)范圍為依據(jù)，針對城市和高速公路的交通控制與管理需求，自主研發(fā)了“高速公路隧道測控與仿真系統(tǒng)研究開發(fā)平臺”、“交通系統(tǒng)仿真研究開發(fā)平臺”、“路網(wǎng)交通模型與智能控制仿真平臺”、“智能汽車創(chuàng)新實驗平臺”等實驗平臺，學(xué)生利用這些平臺可開展在任意交通環(huán)境條件下的不同試驗場景的虛擬仿真實驗。通過配置、連接、調(diào)節(jié)后的高速公路隧道控制交通控制仿真實驗結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 高速公路隧道群突發(fā)事件仿真

圖4 高速公路隧道半實物模型

(2)行業(yè)特色工程實踐虛擬仿真實驗與課程教學(xué)相配套，從工程實踐項目實際需求出發(fā)進行方案設(shè)計和虛擬仿真驗證。該平臺提供行業(yè)特色工程實踐的典型案例，如：隧道機電系統(tǒng)半實物仿真實驗、高速公路全程監(jiān)控虛擬仿真實驗、交通事件應(yīng)急處置虛擬仿真實驗等，學(xué)生也可自行選題。

2.3 前沿技術(shù)專題虛擬仿真實驗

前沿技術(shù)專題虛擬仿真實驗包括高速公路網(wǎng)綜合監(jiān)控與應(yīng)急處置實驗專題、汽車模擬駕駛實驗專題、面向虛擬城市的交通流仿真實驗專題、道路交通物聯(lián)網(wǎng)實驗專題、列車自動運行控制實驗專題、隧道交通控制與三維視景模擬實驗專題、隧道智能化監(jiān)測與安全運營實驗專題等。下面以其中的兩個專題為例進行介紹。

(1)高速公路網(wǎng)綜合監(jiān)控與應(yīng)急處置實驗專題是一個針對高速公路網(wǎng)交通信息化管理與引導(dǎo)的虛擬仿真教學(xué)實驗平臺，包括：高速公路網(wǎng)運行環(huán)境仿真系統(tǒng)、交通氣象環(huán)境仿真系統(tǒng)、交通信息采集與發(fā)布系統(tǒng)、高速公路網(wǎng)交通流運行仿真系統(tǒng)、高速公路網(wǎng)交通控制系統(tǒng)、交通事件管理系統(tǒng)、高速公路網(wǎng)應(yīng)急處置系統(tǒng)、高速公路網(wǎng)交通數(shù)據(jù)挖掘仿真系統(tǒng)等八個子系統(tǒng)，可實現(xiàn)高速公路網(wǎng)綜合監(jiān)控虛擬仿真和異常情況下的高速公路網(wǎng)綜合監(jiān)控與應(yīng)急處置虛擬仿真實驗。該專題的虛擬仿真實驗如圖5所示。

(2)汽車模擬駕駛實驗專題是利用數(shù)據(jù)采集、虛擬現(xiàn)實多感知信息融合、復(fù)雜虛擬場景建模、三通道顯示等技術(shù)自行開發(fā)且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專題實驗平臺，如圖6所示。在該平臺上可以開展模擬駕駛操作虛擬仿真實驗、三通道虛擬仿真實驗、駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)能力評估實驗、實時參數(shù)和數(shù)據(jù)曲線的信息采集處理實驗、前后車距、左右車道車輛行車狀況等的數(shù)據(jù)分析；交通環(huán)境內(nèi)自身車速和加速度變化的統(tǒng)計等實驗。該專題實驗?zāi)軓浹a實際駕駛操作危險性大、交通場景復(fù)雜、實驗條件難以控制以及無法開展實際道路實驗等不足，為駕駛行為與交通的關(guān)系模型評估與研究提供了有力的技術(shù)支持與設(shè)備保障。

(3)針對行業(yè)特色項目和前沿技術(shù)專題兩個層次的虛擬仿真實驗項目存在技術(shù)相對復(fù)雜和實數(shù)量少的問題，組織有項目開發(fā)經(jīng)驗的教師指導(dǎo)學(xué)生分批次完成實驗項目。同時，利用長安大學(xué)與中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司共建的國家級實踐教育中心和10余個校外實踐基地，每年定期派出5-10名左右教師到相關(guān)企業(yè)進修和培訓(xùn)，同時邀請15名左右企業(yè)教師到中心授課或講座，實現(xiàn)了校內(nèi)人才培養(yǎng)與企業(yè)需求的無縫對接，形成了“走出去+引進來”的實驗實踐隊伍建設(shè)機制，也讓學(xué)生在中心完成的虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)節(jié)后，到企業(yè)完成交通信息與控制工程有關(guān)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的充分接軌。另外，中心與國內(nèi)一流的交通企業(yè)建立了穩(wěn)定的合作機制，與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)交通信息與控制類虛擬仿真實驗項目，校內(nèi)平臺開展的虛擬仿真實驗實踐教學(xué)內(nèi)容與真實的信息通信行業(yè)工程技術(shù)發(fā)展同步更新，豐富教學(xué)內(nèi)容，降低成本和風(fēng)險，開展綠色實驗教學(xué)，為學(xué)生提供實踐創(chuàng)新良好平臺。

圖5 交通信息采集與發(fā)布仿真實驗

圖6 汽車模擬駕駛虛擬仿真平臺及三通道柱面投影顯示

3 實驗教學(xué)應(yīng)用情況及特色

我校交通信息與控制虛擬仿真實驗教學(xué)中心承擔(dān)著交通工程、自動化、計算機科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、電氣工程及其自動化等12個本科專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)的虛擬優(yōu)化設(shè)計、數(shù)值仿真計算、智慧公路、交通綜合監(jiān)控、虛擬安全工程訓(xùn)練等實驗項目。每年有超過1000名學(xué)生到中心完成課程實驗和實踐環(huán)節(jié)。經(jīng)過近兩年的建設(shè)與實踐，形成如下特色：

(1)形成了以公路交通為特色，以專業(yè)基礎(chǔ)層、專業(yè)應(yīng)用層和綜合設(shè)計層為架構(gòu)的三層次仿真實驗教學(xué)體系，表現(xiàn)出了學(xué)科優(yōu)勢集中、專業(yè)特色明顯和實驗資源完備的特點；

(2)努力將交通信息化建設(shè)典型案例和科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗教學(xué)資源，拓展了實驗教學(xué)范圍，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容；

(3)加強與交通行業(yè)大型企業(yè)、世界知名企業(yè)合作，企業(yè)提供典型工程項目案例和運行數(shù)據(jù)，我們將其轉(zhuǎn)換成虛擬仿真實驗教學(xué)資源；

(4)以學(xué)生教學(xué)和科研實驗需求為主導(dǎo)，探索出一條創(chuàng)新人才培養(yǎng)多元化、多樣化的實驗教學(xué)改革模式；

(5)建立了“學(xué)生個人終端、虛擬實驗室、實驗教學(xué)中心平臺”三位一體的實驗教學(xué)系統(tǒng)，提高了學(xué)生在信息化條件下的自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)的能力，而且豐富了教學(xué)內(nèi)容，拓展了實踐領(lǐng)域，降低了實驗成本和風(fēng)險。

4 未來建設(shè)思考與建議

我校虛擬仿真實驗教學(xué)中心將堅持“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，吸收國內(nèi)兄弟院校虛擬仿真實驗教學(xué)中心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的建設(shè)經(jīng)驗，完成下一步建設(shè)內(nèi)容[3-5]。下一步建設(shè)的內(nèi)容如下：

(1)完善交通信息與控制虛擬仿真的實驗教學(xué)資源，重點放在實物實驗環(huán)境所無法開展的半實物仿真教學(xué)資源和大型綜合性實訓(xùn)專題上；

(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)以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，加強教師隊伍的教學(xué)和科研能力建設(shè)，鼓勵教師和實驗人員從事科學(xué)研究工作，提高隊伍教學(xué)水平及學(xué)術(shù)水平。

5 結(jié)語

我校交通信息與控制虛擬仿真實驗教學(xué)中心自成立以來，共開設(shè)了22門課程的86項虛擬仿真實驗和7個專題的虛擬仿真實驗，主要為交通信息與控制學(xué)科群12個專業(yè)的本科生、部分研究生開設(shè)實驗教學(xué)課程，并對校外相關(guān)專業(yè)學(xué)生開放，同時對交通行業(yè)企業(yè)員工進行培訓(xùn)。中心建設(shè)繼續(xù)堅持信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，以高標(biāo)準(zhǔn)、求一流為發(fā)展目標(biāo)，將先進的實驗教學(xué)理念、創(chuàng)新的實驗教學(xué)方法、豐碩的實驗教學(xué)改革成果、優(yōu)質(zhì)的實驗教學(xué)資源輻射全國，使更多的教師和學(xué)生受益。

[1] 李平, 毛昌杰, 徐進. 開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)提高高校實驗教學(xué)信息化水平[J]. 北京: 實驗室研究與探索, 2013, 32(11): 5-8

[2] 吳兵, 李曄, 楊佩昆, 等. 交通管理與控制(第4版)[M]. 北京:人民交通出版社, 2009

[3] 周洪, 劉超, 何珊. 電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實踐[J]. 北京: 實驗室技術(shù)與管理, 2014, 31(8): 1-5

[4] 沈建華, 李飛, 程崇虎, 等. 通信與信息網(wǎng)絡(luò)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實踐[J]. 北京: 實驗室研究與探索, 2015, 34(1): 161-164

[5] 馮峰, 孫聰, 曲先強. 船海虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)與發(fā)展[J]. 北京: 實驗室技術(shù)與管理, 2014, 31(1): 11-14

Construction of Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Traffic Information and Control

YAN Mao-de，ZHU Li-ya，LOU Jing-mei，WANG Gui-ping

(SchoolofElectricalandControlEngineering,Chang'anUniversity，Xi'an710064，China)

The construction of virtual simulation experimental teaching center for traffic information and control in our university is introduced in this paper. According to the thoughts of overall planning and advantage promotion, the three levels of virtual simulation experiment teaching resources including the professional foundation courses, industrial characteristic project and cutting-edge technology subject are integrated and constructed for the needs of experiment teaching. The experimental teaching system which can be summarized as “virtualization first and reality second, virtualization being auxiliary to reality, and virtualization combined with reality” is formed for the cultivation of innovative talents. It improves the quality of personnel training and professional level with distinctive characteristics.

traffic information and control; virtual simulation; experimental teaching system

2016-04-29;

2016-07- 18

2015年度陜西公辦本科高等教育教學(xué)改革研究項目(15BY23)和2016年中央高校教育教學(xué)改革專項——研究生卓越人才培養(yǎng)計劃項目(Jgy16018).

閆茂德(1974-)，男，博士，教授. 主要從事交通管理與控制和網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)等方面的教學(xué)與研究工作，E-mail: mdyan@chd.edu.cn

U491.4; G482

A

1008-0686(2017)02-0131-05