文/徐巧妮 牟瑞濤（青島理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院）

在“一流學(xué)科”建設(shè)和“新工科”背景下，設(shè)計綜合性、靈活性、融入行業(yè)先進(jìn)技術(shù)設(shè)備的實驗已成為實驗教學(xué)的趨勢[1]?！敖煌ü芾砼c控制”是交通工程專業(yè)本科階段的核心專業(yè)課之一，課程的知識體系較大，內(nèi)容更新較快，其實驗教學(xué)作為課程教學(xué)的一部分，能夠使學(xué)生將理論和實踐相結(jié)合，從而加深對理論知識的認(rèn)識和理解，也能讓學(xué)生了解使用交通管理和交通控制的常用方法，對于教學(xué)具有重要的意義。各高校圍繞“交通管理與控制”課程開展了不同的實驗教學(xué)內(nèi)容[2-3]，主要的實驗手段有：通過仿真軟件進(jìn)行實驗教學(xué)，如德國PTV公司的VISSIM仿真軟件[4]、美國Trafficware公司開發(fā)的Synchro仿真軟件[5-7]；通過搭建仿真系統(tǒng)進(jìn)行實驗教學(xué)[8]。雖然這些方法都能一定程度上完成實驗教學(xué)，但仍存在實驗內(nèi)容較為片面，不能將知識更多地覆蓋、更系統(tǒng)地梳理等不足。針對上述問題，本文搭建了一個將虛擬仿真與模擬實驗相結(jié)合的實驗平臺，既解決了難以進(jìn)行實地實驗的困境，也使實驗體系更完善，綜合性更強，同時使實驗注入了很多行業(yè)新技術(shù)，能提高學(xué)生的實驗參與度，較大的激發(fā)起學(xué)生的實驗熱情。

一、實驗平臺總體結(jié)構(gòu)

實驗平臺由五部分組成，分別是校園交通流監(jiān)測系統(tǒng)、Synchro虛擬仿真系統(tǒng)、沙盤信號模擬控制系統(tǒng)、電子警察系統(tǒng)和工業(yè)信號機實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)的體系與作用如圖1所示。

圖1 實驗平臺總體結(jié)構(gòu)

這五大系統(tǒng)既包含交通流實時監(jiān)測、交通量的調(diào)查，又具備虛擬仿真和模擬實驗，也能實現(xiàn)模擬真實控制，實現(xiàn)交通管理與控制的全過程實驗，并且實驗方法和內(nèi)容與工業(yè)方法相近，能讓學(xué)生直觀體驗工業(yè)中交通管理和控制的常用方法。

二、校園交通流監(jiān)測系統(tǒng)

作為交通渠化和相位配時的依據(jù)，交通流的實地調(diào)查、流量的實時統(tǒng)計是交通管理與控制過程中不可或缺的前提準(zhǔn)備，但由于存在時間、組織、安全等方面的原因，很難有合適的機會組織學(xué)生進(jìn)行真實監(jiān)測實驗，校園交通流監(jiān)測系統(tǒng)則為這類實驗的進(jìn)行提供了可能。

校園交通流監(jiān)測系統(tǒng)由布置在校園中的32個攝像頭和總監(jiān)控平臺構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)校園內(nèi)主要道路和重要交叉口的實時監(jiān)控，監(jiān)控平臺具有以下功能：

（1）多路同時監(jiān)控；

（2）選擇性監(jiān)控；

（3）不同時段下的車流量統(tǒng)計；

（4）車輛測速；

（5）24小時內(nèi)監(jiān)控回放；

（6）監(jiān)控視頻截取和監(jiān)控畫面截圖。

系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控校園內(nèi)的相關(guān)交叉口在各時段中行人、機動車、非機動車的通行情況，學(xué)生可在實驗室內(nèi)完成交通狀況的把握和交通量的統(tǒng)計，既可以避免現(xiàn)場進(jìn)行實驗可能妨礙交通、具有危險性等問題，又能使學(xué)生感受到真實的交通情況，從中發(fā)現(xiàn)問題，為接下來的交通控制方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

實驗過程中，可根據(jù)實驗要求確定實驗路口，通過系統(tǒng)監(jiān)測得到路口的幾何布局，計數(shù)不同時段的車流量和人流量，統(tǒng)計通過路口的車輛類型和比例、不同方向車輛排隊長度，計算通過路口汽車的平均車速，得到當(dāng)前的交通評價，根據(jù)上述信息，制訂出交通渠化方案并設(shè)計路口的相位方案。

三、Synchro虛擬仿真系統(tǒng)

Synchro是針對城市路網(wǎng)進(jìn)行信號配時與優(yōu)化的仿真軟件，可以實現(xiàn)路網(wǎng)設(shè)置、路段設(shè)置、信號配時、方案協(xié)調(diào)等功能，相對于Vissim仿真軟件，Synchro添加了延誤時間、道路服務(wù)水平、廢氣排放等評價指標(biāo)，使仿真效果更好[9]。同時，Synchro可以進(jìn)行控制優(yōu)化，可以實現(xiàn)交通控制方案的改進(jìn)，從而得到最優(yōu)控制方案。

通過校園交通流監(jiān)測系統(tǒng)對實驗路口進(jìn)行截圖，導(dǎo)入Synchro中，生成實驗路段，根據(jù)通過交通流監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)計到的流量信息和制訂的控制方案進(jìn)行設(shè)置，并進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)仿真得到評價結(jié)果，從而對制訂的交通方案進(jìn)行調(diào)整，直至找到最優(yōu)控制方案。

四、沙盤信號模擬控制系統(tǒng)

沙盤信號模擬控制系統(tǒng)主要由道路仿真沙盤、循跡模型小車和小車服務(wù)軟件、交通信號控制機組成。能夠?qū)崿F(xiàn)交通信號控制方案的模擬驗證實驗。

（一）道路仿真沙盤

道路仿真沙盤按照真實道路和建筑的尺寸進(jìn)行比例縮放，得到了如圖2所示的道路和景觀沙盤，沙盤是一個環(huán)形車道，共有6個路口，每個路口都設(shè)置有東、西、南、北四向的信號燈，用以指揮循跡模擬小車的直行和轉(zhuǎn)向動作。沙盤中包含的傳感器和作用如表1所示。

圖2 道路仿真沙盤

表1 道路仿真沙盤所含傳感器

其中，線圈、地磁和壓電傳感器埋設(shè)在沙盤車道下，雷達(dá)、超聲波和紅外傳感器放置在隔段安置的龍門架上，各傳感器能實現(xiàn)既不影響道路交通又能互相配合，得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對沙盤中運行小車的實時監(jiān)測。

（二）循跡模擬小車和小車服務(wù)軟件

如圖3所示的循跡模擬小車作為模擬系統(tǒng)中的主要被控對象，在道路仿真沙盤中可以執(zhí)行：沿道路行駛、變道、根據(jù)交通信號控制行車、與前車保持適當(dāng)距離、車輛實時位置信息發(fā)布等任務(wù)。循跡小車通過WIFI串口通信，與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時交換，通過PWM設(shè)定值調(diào)節(jié)車速，控制循跡小車加、減速或停止動作。圖4為循跡模擬小車的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 循跡模擬小車

圖4 循跡模擬小車結(jié)構(gòu)圖

循跡小車搭配有服務(wù)軟件，軟件主要作用于實時檢測沙盤上運行的每個小車的狀態(tài)，包括行駛數(shù)據(jù)的記錄和行車狀態(tài)的監(jiān)控等。

（三）交通信號控制機

交通信號控制機如圖5所示，可以實現(xiàn)沙盤中信號燈的控制，是實驗中的主要控制器。控制機可以提供16個信號燈組相位控制，44路信號輸出，能實現(xiàn)多時段控制、固定周期控制、特殊日控制、黃閃控制、手動控制、全紅控制、無電纜聯(lián)動控制、感應(yīng)式控制、綠波協(xié)調(diào)控制、區(qū)域協(xié)調(diào)等控制方式，其中多時段控制可設(shè)置至少16個控制方案，足以滿足實驗教學(xué)的需求。

圖5 交通信號控制機

交通信號控制機的上位機軟件ITS也可以完成交通信號燈的簡單控制，ITS軟件除具有相位編輯和信號燈手動控制功能外，還具有電子地圖功能，即顯示選定區(qū)域的道路地圖和附近已配置信號機的位置。

實驗中，將在Synchro軟件中優(yōu)化的交通信號控制方案和渠化方案編輯到交通信號控制機中，根據(jù)沙盤道路與實際實驗道路的比例確定小車的速度，將一定數(shù)量的實驗小車放入沙盤中運行，以此模擬所設(shè)計的信號控制方案對車輛的控制，通過觀察記錄沙盤中小車所形成的交通的狀態(tài)和道路的通行情況，評價所設(shè)計的交通控制方案對車輛的控制質(zhì)量。

五、電子警察系統(tǒng)

通過虛擬仿真和模擬實驗對交通控制方案進(jìn)行優(yōu)化后，即可將交通控制方案應(yīng)用到實際控制當(dāng)中，但在現(xiàn)實的交通控制過程中，除了通過交通信號燈和交通渠化方案對交通流進(jìn)行控制，也需要對駕駛員的駕駛行為進(jìn)行執(zhí)法管理，只有兩者相互配合，才能保障交通秩序，促進(jìn)道路交通安全暢通。為了讓學(xué)生體驗更真實的交通管理與控制過程，本實驗系統(tǒng)包含了一種先進(jìn)的執(zhí)法管理系統(tǒng)——電子警察系統(tǒng)。

電子警察系統(tǒng)，如圖6所示，也稱交通違法抓拍系統(tǒng)，是現(xiàn)代交通管理的重要組成部分，能夠有效地提高交通的管理水平。電子警察[10]是指具備多種現(xiàn)代電子技術(shù)，具有執(zhí)法功能的一種執(zhí)法工具。電子警察主要由路口控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、指揮中心設(shè)備構(gòu)成，可以實現(xiàn)以下幾種功能：

圖6 電子警察系統(tǒng)

（1）闖紅燈抓拍；

（2）卡口管理；

（3）超速抓拍；

（4）變線抓拍；

（5）逆行抓拍；

（6）不按規(guī)定車道行駛抓拍。

在實驗過程中，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)電子警察的操作方法，通過操控小車闖紅燈、逆行等行為，觀察其對道路交通帶來的影響，同時，記錄電子警察的抓拍情況，以加深學(xué)生對交通管理過程中電子警察必要性的認(rèn)識。

六、工業(yè)信號機實驗系統(tǒng)

實驗教學(xué)環(huán)節(jié)除了有提升學(xué)生動手能力的任務(wù)外，還應(yīng)不斷吸收先進(jìn)技術(shù)，以便與行業(yè)接軌。通常情況下，學(xué)生很難有機會近距離觀察、使用工業(yè)信號機，本實驗的工業(yè)信號機實驗系統(tǒng)的主體是一臺真實的工業(yè)信號機，如圖7所示。系統(tǒng)為學(xué)生提供了一個了解、使用工業(yè)信號機的機會，學(xué)生可以將前面實驗得到的交通信號控制方案輸入到工業(yè)信號機中，通過這種真實模擬實驗掌握工業(yè)信號機的構(gòu)成、使用原理和使用方法。

圖7 工業(yè)信號機實驗系統(tǒng)

七、結(jié)論

本文介紹了應(yīng)用于交通管理與控制實驗教學(xué)的綜合性實驗平臺。平臺由五大系統(tǒng)構(gòu)成，融合了虛擬仿真與現(xiàn)實模擬，系統(tǒng)之間環(huán)環(huán)相扣，可以使實驗教學(xué)內(nèi)容覆蓋交通管理與控制的大部分重點內(nèi)容，使教學(xué)實驗更完整、更全面。實驗所需時間為8課時，通過實驗，極大地增進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提升了學(xué)生對交通管理與控制方法的認(rèn)知，使學(xué)生對交通管理與控制的全過程有了較深入的了解，為今后的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)打下了基礎(chǔ)。