摘要 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，汽車的普及和機動車保有量的快速增長，交通問題成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。交通管理與控制是城市道路交通管理專業(yè)的核心課程，為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)知識和實踐技能，提高教學(xué)水平，文章提出將仿真軟件引入到實驗教學(xué)中，通過分析實驗教學(xué)內(nèi)容和設(shè)計思路，介紹了用仿真軟件進行交通信號控制方案設(shè)計和仿真分析的基本流程，最后對教學(xué)效果進行了評價。

關(guān)鍵詞 仿真軟件；交通管理；實驗教學(xué)；應(yīng)用分析

中圖分類號 TP391.9 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）15-0177-03

0 引言

隨著智能交通系統(tǒng)（ITS）的快速發(fā)展，我國已經(jīng)形成了完善的交通信號控制系統(tǒng)，交通管理部門對交通信號控制專業(yè)人才的需求日益迫切。在我國高等工程教育改革的背景下，部分高校都將交通信號控制課程納入了本科教育培養(yǎng)計劃中。目前，國內(nèi)在該課程實驗教學(xué)中應(yīng)用比較廣泛的有仿真軟件和實驗平臺2 種。仿真軟件能較好地模擬實驗過程，提高實驗效率，降低實驗成本。但是，目前國內(nèi)仿真軟件種類繁多，各具優(yōu)缺點，使用時需結(jié)合學(xué)生自身特點合理選擇。該文結(jié)合交通管理與控制專業(yè)特點和高校人才培養(yǎng)目標(biāo)，提出了一種基于軟件平臺的綜合性實驗教學(xué)方案，并在實際教學(xué)中得到了有效應(yīng)用。

1 交通仿真管理及仿真軟件

1.1 交通仿真

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，交通仿真軟件也應(yīng)運而生。在此基礎(chǔ)上，該文提出一種基于計算機數(shù)值模擬的交通情況分析技術(shù)與方法。這是計算機模擬技術(shù)在交通運輸當(dāng)中的一項關(guān)鍵應(yīng)用，因為它可以很直觀地反映道路交通運輸網(wǎng)絡(luò)中的車輛運行狀況。因此，在各類交通道路規(guī)劃、交通控制管理方案的設(shè)計中，交通仿真可以給交通工程研究人員帶來更加詳細和精確的決策輔助。

1.2 仿真軟件簡介

仿真軟件是一種通過計算機對交通系統(tǒng)中的各因素進行模擬仿真，使之符合實際的系統(tǒng)。其中，交通信號控制系統(tǒng)、道路交叉口的信號控制、道路網(wǎng)絡(luò)的智能交通管理及各種交通事故仿真軟件等都是常用的仿真軟件。交通信號控制系統(tǒng)（Control System in Traffic），是將信號燈作為一個控制單元，對整個路網(wǎng)中的交通流進行調(diào)節(jié)和控制，使其達到平衡狀態(tài)。在該系統(tǒng)中，通過設(shè)置不同的信號燈組合，實現(xiàn)不同交通信號控制方案。而道路交叉口信號控制系統(tǒng)（Road Signal Control Systemin Range）則是用信號燈來控制交叉口車輛的放行，以達到緩解或改善交叉口擁堵現(xiàn)象，減少交通事故發(fā)生的目的。道路網(wǎng)絡(luò)智能交通管理與事故仿真軟件（RoadSystem-Intelligence）則是在計算機上模擬車輛和道路之間的相互作用，使車輛按照一定規(guī)則行駛，從而使交通系統(tǒng)達到最優(yōu)的運行狀態(tài)。

2 常用的交通仿真軟件

交通仿真軟件主要包括交通規(guī)劃軟件、宏觀交通仿真軟件、中觀交通仿真軟件、微觀交通仿真軟件以及交通信號的最優(yōu)控制軟件。當(dāng)前最普遍使用的交通仿真軟件包括：

VISSIM 是一款由德國PTV 企業(yè)所開發(fā)的微觀仿真系統(tǒng)。VISSIM 系統(tǒng)主要包括車輛模擬模塊和車輛狀況發(fā)生模塊。兩者可以進行車輛狀況的交互處理。VISSIM 系統(tǒng)充分考慮了城市公共汽車的構(gòu)成和運行特征，將摩托車、自行車和行人作為主要的交通流構(gòu)成因素。該系統(tǒng)不僅能夠在線生產(chǎn)實時可視化的車流狀態(tài)，而且還能夠在離線情況下統(tǒng)計出行時間和排隊長度等相關(guān)的信息。由西班牙TSS 公司開發(fā)的AIMSUN 系統(tǒng)，是國內(nèi)首個將宏觀、中觀和微觀模型集成到一個單一的軟件中的交通仿真系統(tǒng)，這三個模型之間可以得到很好的交互，實現(xiàn)對各個層面之間的再利用。AIMSUN 是以離線的交通工程問題為基礎(chǔ)，將交通仿真技術(shù)運用到“ 交通管理與控制” 的實驗中。該文簡要介紹了交通仿真技術(shù)的特征和目前普遍使用的一些模擬軟件，并結(jié)合十字路口的信號燈配時和模擬流程，將VISSIM 運用到實驗中，為企業(yè)的管理問題提供幫助[1]。

國際上具有代表性的道路交通網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，已通過多年的實踐檢驗和改進，技術(shù)已經(jīng)較為成熟和專業(yè)，但大多數(shù)具有較強的操作接口，仿真道路交通模型的構(gòu)建步驟較為繁瑣，模擬參數(shù)的校準(zhǔn)也較為困難。因此，道路交通管理人員和設(shè)計人員都需要通過專業(yè)的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)才能熟練使用，這個特性制約著國外交通仿真軟件在實際交通管理部門中的推廣和普及。DynaCHINA 是一款完全獨立開發(fā)的道路交通網(wǎng)絡(luò)流量分析和實時道路狀況的預(yù)報軟件。該項目的研究內(nèi)容主要包括：動態(tài)交通需求分析，動態(tài)交通分配、離散交通選擇模型、在線實時交通仿真、在線/ 離線模型的校準(zhǔn)等。該項目將為ATMS/ATIS 在智慧交通領(lǐng)域的應(yīng)用提供模擬測試、分析、優(yōu)化和評估的方法，從而為更好地緩解城市交通擁堵，提高城市居民的生活水平和生活品質(zhì)提供幫助[2]。

3 實驗教學(xué)內(nèi)容及方法

該實驗教學(xué)方案將交通信號控制系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵部分，如交通流預(yù)測、交通信號控制方案設(shè)計、交通信號優(yōu)化等融入實際實驗中。學(xué)生在充分理解基本理論知識后，利用所學(xué)軟件進行仿真實驗，然后與實際結(jié)果對比分析，掌握理論知識應(yīng)用的同時，培養(yǎng)學(xué)生自主分析問題和解決問題的能力。具體的實驗教學(xué)內(nèi)容包括：第一，建立仿真平臺，獲取交通流數(shù)據(jù)和道路數(shù)據(jù)。第二，設(shè)計并實現(xiàn)仿真模型，如排隊長度、延誤時間等。第三，對仿真模型進行測試與優(yōu)化，提高模型精度。第四，通過調(diào)整設(shè)計參數(shù)使系統(tǒng)達到最優(yōu)性能。

3.1 基礎(chǔ)知識演示層

基礎(chǔ)知識演示層主要包括基本概念、基本理論和方法。在基礎(chǔ)知識演示層中，學(xué)生能夠通過課堂講解和觀看視頻掌握交通管理與控制的基本理論知識。學(xué)生通過學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識，掌握交通流基本特征以及交通流預(yù)測的基本方法；了解交叉口信號控制系統(tǒng)的設(shè)計思路和控制流程，理解交叉口信號控制系統(tǒng)的設(shè)計原則。此外，在基礎(chǔ)知識演示層中還會穿插一些相關(guān)知識拓展，如交叉口通行能力計算方法、車輛延誤計算方法、信號周期長度的計算方法等。

在基礎(chǔ)知識演示層中，為了讓學(xué)生更好地理解和掌握交通流的基本概念和特征，學(xué)生將通過觀察視頻對交通流的描述方法進行學(xué)習(xí)。為了加深學(xué)生對交通流特征的理解，將課堂講解內(nèi)容和視頻內(nèi)容相結(jié)合，在課堂講解過程中，播放視頻并講解其中重要的知識點；在視頻講解后，通過視頻回放讓學(xué)生進行復(fù)習(xí)；之后通過實驗演示對相關(guān)知識進行驗證，從而加深學(xué)生對交通流特征的理解，提高學(xué)生解決實際問題的能力。

3.2 仿真實驗層

仿真實驗層主要包括數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、算法開發(fā)和輸出結(jié)果4 個功能模塊。學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，可以了解交通流基本知識，建立交通流模型。為了驗證模型的有效性，需要將仿真平臺中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到實驗平臺中。仿真平臺的數(shù)據(jù)采集功能包含兩部分：一是通過GPS 設(shè)備采集車輛和行人的軌跡數(shù)據(jù)；二是利用計算機采集交通流數(shù)據(jù)，包括車輛、行人在各個路口的流量、速度等。同時，利用VISSIM 仿真軟件模擬車流量、車速和平均車速等參數(shù)，將交通流仿真模型與VISSIM 仿真模型進行對比分析。

此外，實驗層還提供了一系列算法模塊，包括行程時間算法模塊、排隊長度算法模塊、延誤與排隊長度關(guān)系模塊以及綠燈時間優(yōu)化算法模塊等。學(xué)生可以通過這些算法模塊進行實驗研究。例如，在行程時間算法模塊、延誤時間算法模塊以及延誤與排隊長度關(guān)系模塊中，通過改變綠燈時間長度來調(diào)整車輛平均排隊長度。

4 當(dāng)前實驗教學(xué)的現(xiàn)狀

實驗教學(xué)是理論教學(xué)的重要補充，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段。長期以來，由于經(jīng)費、場地等因素的限制，實驗教學(xué)工作一直受到了不同程度的影響和制約。目前，“ 交通管理與控制” 實驗教學(xué)主要采用以理論講解為主、現(xiàn)場操作為輔的方式進行。例如，在介紹城市道路交通信號控制方案設(shè)計時，需要進行城市道路交通信號控制系統(tǒng)模型搭建、控制方案設(shè)計等，以理論講解為主；在講解交叉口信號配時設(shè)計時，需要進行交叉口信號配時方案設(shè)計、交叉口交通沖突分析等，以現(xiàn)場操作為輔。由于實驗內(nèi)容相對單一，無法滿足學(xué)生實踐創(chuàng)新的需求，因此，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力，需要將仿真軟件引入實驗教學(xué)中。

4.1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題

傳統(tǒng)的“ 交通管理與控制” 實驗教學(xué)，由于受實驗設(shè)備、場地等因素的限制，通常只安排幾個簡單的實驗項目。由于實驗項目太少，學(xué)生無法通過實驗了解基本的交通組織管理知識，掌握道路交通控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識和基本操作技能，也無法將所學(xué)理論知識應(yīng)用到實際生活中。同時，傳統(tǒng)的“ 交通管理與控制” 實驗教學(xué)主要是針對幾個簡單的交叉口進行，沒有考慮城市道路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及交叉口與主干道之間的聯(lián)系，使得學(xué)生無法多角度分析道路交通信號控制系統(tǒng)。此外，傳統(tǒng)“ 交通管理與控制” 實驗教學(xué)中存在著設(shè)備維護成本高、使用不方便等問題。上述諸多問題嚴(yán)重影響了“ 交通管理與控制” 實驗教學(xué)的效果[3]。

4.2 仿真軟件在交通管理與控制實驗教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

仿真軟件具有可視化的界面、真實的交通環(huán)境、多種交通模型的實現(xiàn)以及強大的計算和分析功能，能夠幫助學(xué)生實現(xiàn)對城市道路交通控制系統(tǒng)模型、控制方案設(shè)計、沖突點分析等多方面的研究。對于城市道路交通管理與控制實驗教學(xué)而言，通過將仿真軟件引入實驗教學(xué)，既可以使學(xué)生在課下進行城市道路交通信號控制系統(tǒng)模型搭建和控制方案設(shè)計，也可以在課上通過虛擬仿真實驗的形式，對交叉口信號配時設(shè)計、信號沖突點分析等進行深入探究。通過這種方式，既可以將理論知識和實踐操作進行有機結(jié)合，也可以促進學(xué)生創(chuàng)新思維和綜合素質(zhì)的提升。

5 交通仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

交通管理和控制是交通工程中的一個關(guān)鍵內(nèi)容，它的目的就是要將交通管理和技術(shù)管理、工程技術(shù)、交通信號控制等結(jié)合起來，以達到安全、有序、暢通和可持續(xù)發(fā)展的目的。在實際應(yīng)用中，由于道路狀況變化，其影響程度也會有很大差別。純粹的理論課程會讓學(xué)生感覺枯燥無味，也不利于培養(yǎng)出具有強大的實踐能力、能夠較快地適應(yīng)在交通管理實踐部門中工作的警務(wù)人員。但是，借助交通仿真軟件，可以對這一問題高效地處理解決。在此過程中，學(xué)生可以自己設(shè)計出不同的交通管理與控制方案，更好地觀察到控制方案對交通運行產(chǎn)生的效果，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、解決實際問題的能力以及創(chuàng)造性的發(fā)展能力。在有條件的地方，教師可以在城區(qū)選擇一個或幾個交叉路口，讓學(xué)生全面分析和研究，最終實現(xiàn)對單個交叉路口控制、干線協(xié)調(diào)控制、區(qū)域交通面控制系統(tǒng)信號配時方案的設(shè)計[4]。

（1）在進行交通運輸狀況的調(diào)研與分析時，主要從收集路口的交通流與基本的設(shè)計信息入手，通過對實際交叉路口的流量進行調(diào)研，并對其進行觀察，從而獲得所需要的數(shù)據(jù)信息。

（2）計劃方案。在此基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實際情況進行初步規(guī)劃，其中，最重要的就是對十字路口的道路進行分區(qū)修改，如何設(shè)定信號燈配時，設(shè)定后會產(chǎn)生什么樣的效果，以及對禁止左右轉(zhuǎn)彎的情況進行評估。

（3）模型的校準(zhǔn)與驗證。在進行仿真模擬時，需要對模型特征、通行能力等多次進行修正，以確保仿真模擬的結(jié)果與真實狀況相符。

（4）仿真模擬分析。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)不同的設(shè)計方案，構(gòu)建VISSIM 仿真路網(wǎng)，以路網(wǎng)的模型為依據(jù)，以實測的道路交通或者OD 矩陣為基礎(chǔ)，通過對每個路口的流量數(shù)據(jù)進行加載，建立路段和接頭，并對其進行交通流的路徑選擇設(shè)置以及交通沖突設(shè)置。之后，對信號控制器以及對信號燈設(shè)置信號周期、信號相位、紅燈時間、黃燈時間等數(shù)據(jù)。在對各個策略進行模擬和比較之后，從評估文檔中選取所需的交通時間、延誤時間和排隊長度等指標(biāo)。

（5）項目比較與完善。通過仿真模擬輸出的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)信號配時中存在的問題，從而不斷地對方案進行調(diào)整，之后，對路口的信號配時進行重新設(shè)計，對每一個方案進行評價，直至找到一個最佳方案。通過將交通仿真技術(shù)運用到交通管理與控制的實驗教學(xué)中，可以加強對學(xué)生創(chuàng)造力和動手能力的培養(yǎng)，還可以增強他們自身的信息素養(yǎng)和環(huán)保意識。在課程結(jié)構(gòu)方面，強調(diào)了對學(xué)生工作能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)，并利用信息技術(shù)將課程進行有效集成，從而提升將課堂教學(xué)的專業(yè)理論與公安交通管理實踐相結(jié)合的能力，同時充實了對理論和管理實踐相結(jié)合方面的內(nèi)容。在學(xué)生學(xué)習(xí)方式方面，著重強調(diào)了學(xué)生可以獨立自主地探索問題，并將問題的學(xué)習(xí)模式作為重點。同時，對學(xué)生收集和處理信息的能力、交流與合作的能力進行重點闡述，對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進行重點關(guān)注。

6 結(jié)語

當(dāng)前，我國對城市道路交通仿真軟件進行了較為全面的研究，然而，在城市道路交通的仿真領(lǐng)域，還沒有一種方法能夠?qū)Τ鞘械缆返奈⒂^情況進行全面模擬。未來，基于ITS 規(guī)劃評估要求的仿真軟件研發(fā)以及ITS 應(yīng)用程序研發(fā)，將成為城市道路管理未來創(chuàng)新發(fā)展的技術(shù)需求。

參考文獻

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