謝海軍

2013年，教育部印發(fā)《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，由此拉開了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的序幕。從2017年起，教育部又開展了示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作，推動高校積極探索線上線下相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式①賀占魁、黃濤：《虛擬仿真實驗教學項目建設探索》，《實驗技術與管理》2018年第2期。。虛擬仿真技術的教學應用是高等教育信息化的重要舉措?！靶畔⒓夹g與教育教學的深度融合，要從形式的轉變轉向方法的變革，要從技術輔助轉變?yōu)榻豢椊蝗?，要從簡單的物理變化變?yōu)榘l(fā)生反應的化學變化”，②吳巖：《打造一流本科，培養(yǎng)一流人才》，《世界教育信息》2018年第7期。是一場教學思維、教學方法和教學手段的革命。

一、道路交通管理與控制實驗教學的現(xiàn)狀及分析

（一）道路交通管理與控制現(xiàn)狀

道路交通是一個涉及人、車、路和環(huán)境等眾多相互關聯(lián)因素的復雜、動態(tài)和時變的大系統(tǒng)。道路交通控制主要分為設計、規(guī)劃、管控等三個主要步驟，設計與規(guī)劃是首要任務，而管控是重要保證。從我國道路交通管理現(xiàn)有體制來講，設計和規(guī)劃由交通部門負責實施，管理與控制主要由公安交通管理部門負責。隨著公安工作改革的不斷深化，現(xiàn)代交通管理正由粗放型向精細化轉變。①陳峻、熊宏齊、黃曉明：《道路交通工程虛擬仿真教學項目的資源建設方案》，《實驗室研究與探索》2017年第4期。一方面，隨著城市規(guī)模擴大、汽車工業(yè)發(fā)展、物流需求上升，機動車保有量急劇增長，交通擁堵、交通安全、交通污染等問題日益嚴重。另一方面，受土地、財政等多方面限制，原來采用的建立交橋、新修道路等粗放型交通管理模式已越來越不能滿足現(xiàn)實需求。國家統(tǒng)計局資料顯示，2013年我國的城市化率已超過50%，城市的快速發(fā)展迫切要求更為精細化的現(xiàn)代交通管理模式。

（二）道路交通管理人才需求現(xiàn)狀

近幾年來，我國國家、社會生活中的大事多、要事多，公安交通管理部門承擔的任務十分繁重。要實現(xiàn)保暢通、保安全的目標就必須進一步強化對道路交通的管控。公安機關，特別是江蘇公安交通管理部門，對交通管理專業(yè)人才的需求不斷增加，迫切需要大量業(yè)務能力強的交通管理專業(yè)畢業(yè)生充實到基層一線。《關于公安院校公安專業(yè)人才招錄培養(yǎng)制度改革的意見》指出，公安院校是輸送公安專門人才的主渠道。培養(yǎng)素質高、能力強的交通民警是各級公安院校的首要任務。②薛宏偉：《改進公安院校人才培養(yǎng)模式和路徑的思考》，《山東警察學院學報》2016年第3期。同時，日益增多的城市大型活動交通組織與控制任務也對相關專業(yè)學生的理論水平和實踐能力提出了新的要求，并成為交通運輸、公安交通管理工程與控制等專業(yè)的教學、科研工作所面對的一個現(xiàn)實挑戰(zhàn)。

（三）對道路交通管理與控制專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀的分析

交通管理與控制的首要任務是對各種交通數(shù)據進行搜集和分析。傳統(tǒng)的數(shù)據搜集方法耗時耗力，且樣本量不足。在傳統(tǒng)實驗教學中，學生很難完全認清逼真、立體的交通運行環(huán)境，無法深入分析隨機干擾情況下的交通演變機理。在交通管理與控制的教學中，要想把根據專業(yè)知識設計出的不同解決方案進行比選、判斷和優(yōu)化，是無法以真實地付諸實施的方式來實現(xiàn)的。而仿真交通環(huán)境可以提供無成本的驗證機會，并能夠有效加深學生對交通系統(tǒng)的認知。因此，交通管理與控制教學需要借助虛擬仿真技術去呈現(xiàn)各種方案在實際交通系統(tǒng)中的應用效果，使學習者獲得身臨其境的體驗感，從而最大限度地激起他們的自主實驗興趣以及解開世界奧秘的沖動，不斷提高自身解決問題的能力，并由此發(fā)揮出實驗教學所具有的獨特作用。

二、實現(xiàn)教育信息化，打造時代“金課”

2018年6月，教育部在成都召開了本科教育工作會議，隨后又出臺了《關于加快建設高水平本科教育，全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，提出要推進課堂教學革命，以學生發(fā)展為中心，通過教學改革促進學習革命，積極推廣小班化教學、混合式教學和翻轉課堂，大力推進智慧教室建設，構建線上線下相結合的教學模式。江蘇省教育廳在2016年開展了省級實驗教學示范中心（共享平臺）和省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目的建設工作，按專業(yè)門類進行共享平臺和虛擬仿真實驗教學項目建設，實現(xiàn)實驗教學資源管理與信息服務的科學化和系統(tǒng)化，滿足多專業(yè)、多學校和多地區(qū)共同開展虛擬仿真實驗教學的需要。虛擬仿真“金課”通過將信息技術、智能技術與實驗教學深度融合，破解了高等學校實驗、實習、實訓中的“老大難”問題，解決了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問題。③吳巖：《建設中國“金課”》，《中國大學教學》2018年第12期。例如，運動會、演唱會等大型活動的交通管理具有“車流、人流集散強度大，交通運行組織方案影響因素多、方案設計精確度要求高”等特征，需要綜合運用交通管理工程與控制專業(yè)的多種理論和方法。采用現(xiàn)場實驗的方式來檢驗具體的設計方案，顯然難度大、風險高、可實施性弱，因此，虛擬場景再現(xiàn)和過程仿真實驗就具有非常重要的意義，其突破了傳統(tǒng)的實習、實訓必須到基層單位真刀實槍地進行演練的條件限制。由此，打造道路交通管理與控制虛擬仿真實驗教學“金課”就成為提升公安院校教學水平，提高交通管理人才培養(yǎng)質量的不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

三、道路交通管理與控制虛擬仿真實驗教學項目的建設

（一）項目建設內容

下文以江蘇警官學院道路交通管理與控制虛擬仿真實驗教學項目建設為例進行論述。該項目結合江蘇省道路管理實際，所設計的仿真實驗是基于GIS的復雜交通系統(tǒng)建模與優(yōu)化平臺。該平臺以警用GIS系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實和大數(shù)據技術為基礎，通過微觀交通仿真軟件建立虛擬仿真實驗環(huán)境，并以仿真交互機制實現(xiàn)大規(guī)模交通數(shù)據獲取和動態(tài)、協(xié)同的對象控制。引入仿真實驗管理方法可以使師生在仿真環(huán)境中輕松實現(xiàn)交通工程、組織、管理與控制等課程的教學實驗和理論驗證。①施佺、錢源、孫玲：《基于教育數(shù)據挖掘的網絡學習監(jiān)管過程研究》，《現(xiàn)代教育技術》2016年第6期。在教學中，教師可以通過圍繞交通組織、管理和控制的核心問題，結合交叉口信號配時、干線協(xié)調控制等案例，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力；通過各實驗模型的設計，幫助學生了解“高強度車流、人流”環(huán)境下交通組織、管理與控制的基本特性與要求；通過可視化模擬道路網絡的運行狀況，虛擬再現(xiàn)對應不同控制參數(shù)的交通方案的實施效果，從而提升學生綜合實踐能力。②陳峻、王煒：《高水平學科支撐的交通運輸類本科人才專業(yè)知識體系架構與創(chuàng)新能力培養(yǎng)》，《高等教育研究》2014年第2期。同時，該平臺還集成至實訓大樓指揮中心和教學云平臺，利用已有資源完成輔助搭建，能夠通過場景定制和數(shù)據接入逐步擴展實驗功能。

（二）平臺的組成與功能

道路交通管理與控制虛擬仿真實驗教學項目的建設以道路交通管理與控制虛擬仿真實驗平臺為載體，邏輯上包含基礎層、中間層和實驗層三個層次（見圖1）。基礎層指微觀交通仿真，中間層指交通電子沙盤服務，實驗層指交通運行監(jiān)測實驗和交通信號控制實驗。平臺的路網設計模塊根據公安交通管理的實際情況，提供了交通需求、交通渠化、路口控制、干道協(xié)調等基本設計功能，以幫助學生快速生成符合實驗需求的局部對象或路網方案。平臺的實驗控制模塊可以提供實驗過程監(jiān)控、仿真跟蹤、數(shù)據分析和實驗報告等功能，為師生提供了可靠的實時交通運行監(jiān)測、實驗數(shù)據分析和實驗過程管理。平臺的教學管理模塊可以提供課程實驗和遠程開放實驗管理，實現(xiàn)實驗基礎參數(shù)和路網方案的協(xié)調配置，為教師、學生提供了便利的教學實驗管理。

圖1 虛擬仿真實驗平臺邏輯結構

圖2 交通信號控制配時

（三）仿真實驗教學主要內容

1．配時與信號控制實驗。交通信號控制就是通過交通警察的手勢、口令或交通控制設備的聲光信號來指揮車輛和行人的通行。使用由計算機管理的交通信號控制設備對交通流進行限制、調節(jié)、誘導、分流，可以達到降低延誤、疏導交通、保障安全與暢通的目的（見圖2）。配時與信號控制實驗是交通管理與控制課程的基礎性實驗，其包含了渠化設計與信號控制模型，交通信號的點控、線控、面控以及行人過街請求、要客線路設置等內容。實驗中，所有的模型路口都與實驗室中心服務器連接，通過實驗室中心服務器可以完成實時監(jiān)控并調整信號配時方案（見圖3）。

圖3 交通信號配時相位

圖4 城市實時交通

2．綠波與紅波帶控制實驗。在城市交通中，如果交叉路口相距較近，各路口又獨立設置信號控制時，車輛會經常遇到紅燈，時停時開，造成車行不暢，并加重了環(huán)境污染（見圖4）。為了滿足人們“一路綠燈”（見圖5、圖6）的出行需求，可以通過基于數(shù)據分析的智能交通控制來實現(xiàn)一路暢行。當然，有時為了管理的需要，也可設置“紅波帶”（見圖7）。它是讓機動車在行駛到每一個通往中心區(qū)域的路口時都遇到紅燈，從而把集中的交通流合理分散到相應的路段，控制住進入中心區(qū)域的機動車數(shù)量，以減輕中心區(qū)域的交通壓力，同時也可以使離開中心區(qū)域的車輛盡快駛出。

在單點信號交叉路口配時實驗基礎上，通過交通運行監(jiān)測軟件，讓學生深入掌握干道上多個交叉路口的信號協(xié)調控制方法，可以幫助其構建多個知識點延伸貫通的系統(tǒng)思想和智能控制的科學思想。實驗中，模擬城市交通信號控制系統(tǒng)能遠程實時加載控制要求到特定路口，讓滯留車輛快速駛離，避免了因為交叉路口的堵塞而導致整個區(qū)域的交通癱瘓。該實驗在單路口信號控制的基礎上實現(xiàn)了多路口間的信號控制相位差協(xié)調，支持下行綠波、上行綠波和雙向綠波等不同的綠波模式選擇，支持不同的干道協(xié)調速度模式，并可根據實測數(shù)據為不同路段設置不同的協(xié)調速度。①魏強：《交通規(guī)劃中的動態(tài)路網及其模型研究》，《城市建設理論研究》2017年第11期。

圖5 綠波單向協(xié)調控制

圖6 綠波雙向協(xié)調控制

圖7 紅波雙向協(xié)調控制

3．道路網絡構建實驗。在完成配時與信號控制、綠波與紅波帶控制實驗后，可根據案例由系統(tǒng)提供大型活動交通影響區(qū)的初始基礎道路網絡數(shù)據，要求學生參照交通管理與控制課程知識，提出道路網絡的規(guī)劃方案，對道路幾何網絡進行編輯修改（新增道路和交叉口、拓寬道路等），進而可視化表達真實路網，將線段、節(jié)點基礎數(shù)據庫轉換為城市道路網絡（見圖8）。

4．最佳路徑規(guī)劃實驗。包括任意兩個起、終點間最佳路線生成，任意多個起、終點間最佳路線生成，并綜合考慮單路徑和多路徑選擇的安全、通行能力、時間等因素，確定最佳（距離最短、行程最短）路徑方案。讓學生通過多次調試得到不同的模擬結果并進行分析，學會利用這些參數(shù)更好地分配道路的人、車流量，合理使用每條道路，安排車輛的出發(fā)時間，以達到系統(tǒng)最優(yōu)（見圖9）。

5．車隊運行虛擬仿真。包括從某個出發(fā)點到場館的單條線路模擬和從不同的出發(fā)點分別到場館的多條線路模擬。通過改變不同控制參數(shù)，分析單條線路的運行軌跡和運行時間的差異性。學會從整體上判斷是否存在線路運行上的沖突，并通過修改出發(fā)時間或者運行線路避免線路沖突。同時，對每個車隊分別進行車輛運行模擬控制關鍵參數(shù)的選擇，以準確模擬多條線路的實際運行狀態(tài)（見圖10）。

圖8 城市道路網絡

圖9 路線生成示例

圖10 車隊運行虛擬仿真

6．VIP任務綜合控制。在實驗中，學生需要完成干道信號控制協(xié)調方案設計并下發(fā)至仿真路網中，以實時監(jiān)測干道中各路口流量、占有率、排隊長度、平均停車次數(shù)等控制效果參數(shù)；通過軟件自動時距圖功能，快速生成協(xié)調控制方案；通過軟件多網絡節(jié)點協(xié)同控制功能，同時控制同一仿真路網中不同的干道路口，以實現(xiàn)區(qū)域路網的協(xié)調控制。

四、結語

江蘇警官學院道路交通管理與控制虛擬仿真實驗教學項目的建成，實現(xiàn)了虛擬仿真實驗教學時空范圍上的全覆蓋，學生能夠借助不同終端設備在任何時間任何地點在線開展虛擬仿真學習。同時，實驗平臺和校內云平臺對接，實現(xiàn)了校內外實驗教學資源共享。正如教育部吳巖司長在接受中央電視臺采訪時所講的那樣，虛擬仿真實驗實訓課有可能是一種新的教育生產力。就虛擬仿真而言，我們看中的是“互聯(lián)網+教育”之后的“智能+教育”。如果說“互聯(lián)網+教育”深刻地影響了今天，那么“智能+教育”有可能開啟教育的未來。