基于VISSIM的“交通管理與控制”實驗課程設計

王艷麗， 吳 兵， 李林波

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

?

基于VISSIM的“交通管理與控制”實驗課程設計

王艷麗， 吳 兵， 李林波

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

為加強學生對理論知識的掌握和應用以適應復雜的交通實際和交通科技，需要進行科學合理的交通管理與控制課程實驗設計。在對課程內容及重難點分析的基礎上，確定平面交叉口的管控作為實驗內容，并提出了基于交通仿真軟件VISSIM的人工設計與計算機仿真相結合的實驗方法，給出了具體的實驗設計案例包括科學的實驗步驟以及實驗結果分析內容，最后展示了多年的教學的應用效果。

交通管理與控制； 實驗設計； VISSIM仿真； 交叉口信號控制

0 引 言

“交通管理與控制”課程是交通工程專業的一門主干專業課程，為交通人才的培養提供專業基礎。該課程的目的是探討對現有的道路交通設施，如何科學地采取交通管理與控制技術的各種交通治理措施，來提高其交通效益與交通安全。而交通人才培養的一個重要任務就是使學生能夠面向交通實際[1]，所以加強交通工程實踐能力和創新能力的培養、防止理論脫離實際，是該課程教學理念的核心內容[2]。

為在專業教學中進一步培養學生的實踐能力和創新能力，配合“交通管理與控制”課程理論教學要求，使學生在掌握基本知識和理論的基礎上，深化對所學知識和理論的理解，并加強理論聯系實際能力的訓練，需要添加實驗課時甚至開始單獨開設實驗課程[3-4]。根據交通管理與控制的知識和理論要點以及實際應用狀況，著重于訓練學生運用所學的專業知識和理論去分析問題和解決問題的能力，對實驗課程進行科學合理的設計，通過實驗驗證所學知識和理論或提出新的方案。

1 課程實驗目的和理念

一方面，隨著我國城市建設和機動化的迅速發展，城市交通日趨多樣化和復雜化，而且很多復雜的交通現象較難從現場直接觀測，需通過仿真和實驗來再現交通場景；另一方面，隨著計算機及人工智能等技術的發展，各種基于計算機技術的交通軟件應運而生，并在各科研院所得到廣泛應用且取得良好效益；于是，更好地掌握與運用這些軟件來解決復雜的交通問題成為交通從業人員的必要技能，這對交通人才的培養提出了更高的要求[5-6]。

為使學生能夠面向更復雜的交通實際，適應交通科技的發展，結合新的交通科學技術的實驗課程也越來越受到重視，并成為交通工程學科教學環節的重要組成部分[7-9]。這類實驗課程，不僅可以加強對理論聯系實際的實踐和應用能力的培養，也是適應交通人才培養新要求的有效途徑和方法，以提高人才培養質量，滿足社會需求[10]。所以，基于交通科技的“交通管理與控制”課程實驗的設置是必不可少的[3-4]，借助于交通仿真軟件等交通技術，加強對重要理論知識的理解和應用能力，并訓練對專業技術的掌握和應用能力。

2 課程實驗內容與方法

2.1 實驗內容

在“交通管理與控制”課程內容中，平面交叉口的交通管理和控制，涵蓋交通秩序管理、交通運行管理、交通系統管理、交通信號控制等多方面內容，與實際緊密相連，是課程的一個核心內容[2]。其中交叉口信號配時是非常重要的知識點，而交叉口改善設計更是交通組織優化中的重點及難點，而且在傳統的理論課程教學環節中也是學生較難掌握的知識點。

同時，在實際生活中，交叉口也是城市路網中的交通擁堵的節點，交叉口處的通行效率決定著整個路網的通行效率，交叉口的改善設計一直是交通工程領域的重點及難點。

所以，將平面交叉口的交通管理和控制選為“交通管理與控制”課程實驗主題。其中，單個交叉口的管理和控制是基礎，只有在掌握單個交叉口管理和控制的基礎上才能進行更深層次的干線以及區域群交叉口的管理和控制[11]。于是，實驗內容設定為根據交通流量調查對單個交叉口進行交通渠化改善設計，分別采用定時信號控制和感應信號控制兩種方式進行交通控制，并對控制效果進行比較分析。實驗題目取為“平面交叉口不同信號控制方法設計與比較”。

2.2 實驗方法

實驗方法則采用人工設計與計算機仿真相結合的辦法，借助于交通仿真軟件VISSIM 6.0。VISSIM仿真軟件是德國PTV公司開發的微觀的、基于時間間隔和駕駛行為的交通仿真建模工具，用以建模和分析各種交通條件下(車道設置、交通構成、交通信號、公交站點等)，城市交通和公共交通的運行狀況，是評價交通工程設計和城市規劃方案的有效工具。它既可以在線生成可視化的交通運行狀況，也可以離線輸出各種統計數據，如：行程時間、排隊長度等[12]。通過VISSIM仿真軟件，可以實現對交叉口的管理和控制措施的演示，并直觀展現其效果[13-14]。

基于VISSIM的交通管理與控制實驗課程，合理運用現代信息技術等手段，以學生為中心、教師為主導，采用“統一指導、典范引導、獨立完成實驗”的教學方法，先由實驗老師進行集中指導，通過講授與實驗相結合的方式進行典型示范，然后由學生根據實驗指導書獨立完成。同時采用“自主設計、協同完成”的實驗教學方法[15]，在明確實驗項目目標、內容和要求的前提下，將學生進行分組，每組由2～4個學生組成，共同設計實驗方案，注重實驗過程設計，提高“設計性”含量，教師在實驗過程中，給予必要的指導，實驗結果由實驗小組協同完成，充分調動學生學習的主動性與積極性，培養學生對實驗的興趣。

實驗時，學生可以借助于VISSIM實驗平臺，通過設置相應的道路條件、交通流狀況、交通信號來系統展示交叉口的實際情況；并將自行設計的改善方案如增加進口道、改變交通控制方案等，通過對軟件參數的設置與調整來實現，直觀展示不同管理和控制方案的影響效果。通過實驗，學生可初步掌握仿真實驗方法，進一步鞏固所學基本理論知識，在對交叉口管理和控制感性認識基礎上，逐步深入了解其中的交通工程學理論和方法，加強對所學知識的應用能力，為將來實際參與交通管理與控制工作奠定堅實的專業基礎[14]。

3 實驗設計案例

3.1 實驗準備

“交通管理與控制”課程實驗“平面交叉口不同信號控制方法設計與比較”，宜緊接著第十一章的課堂教學后進行，安排為4～6個課時。在實驗前需要制訂實驗指導書，除了明確實驗目的、實驗要求外，還需指出實驗報告的要求，讓學生對實驗結果進行分析，并提出自己的看法。為激發學生的進一步思考，還可另外附加思考題。同時，實驗前需準備好基礎數據，包括：平面交叉口的幾何數據、信號配時數據、交通流數據等，建議所給的交通流數據為分時段的動態數據(如表1所示)，可采用學生進行真實交叉口交通調查、獲取所需數據的方法。此外，還需要將VISSIM仿真軟件的學習資料發放給學生，以提前熟悉實驗平臺。

表1 交通流數據 pcu/h

3.2 實驗過程

實驗時，先簡要講解實驗內容和VISSIM仿真軟件的使用，然后重點介紹實驗步驟。主要的實驗步驟如圖1所示。其中評價指標可以選取行程時間、延誤、排隊長度、停車次數等。仿真運行效果如圖2所示。

3.3 實驗結果

讓學生對不同信號控制方案的仿真評價結果進行分析，可從以下幾個方面展開：①對整個交叉口兩種控制方式下各評價指標值進行總體對比分析，如感應信號控制與定時信號控制相比延誤是否減少？各進口道的停車次數是否較為平均？②針對單個進口道兩種控制方式下的評價指標值進行局部的動靜態比較，例如飽和度較大進口道，哪種控制方式延誤較小？或流量變化大的進口道宜采用哪種控制方式？③對單種控制方式下的，交叉口和各進口道的延誤、排隊長度、排隊次數等的變化趨勢進行總體和局部對比分析，如感應信號控制下，流量增大，延誤和排隊長度是否會增加？定時信號控制下，流量大的進口道是否延誤較大？④兩種控制方式下的仿真結果如停車次數等和實際觀察是否有出入？

圖2 VISSIM仿真效果圖

通過對平面交叉口交通流進行定時和感應信號控制的仿真實驗，使學生深入了解兩種不同控制方法的優缺點，學會使用VISSIM仿真軟件進行平面交叉口基本的信號配時，把握這兩種控制方法各自的適用條件和范圍，加深理解交通信號控制對改善交叉口交通運行的有效作用。

4 結 語

10多年的“交通管理與控制”課程教學實踐證明，基于交通仿真軟件的實驗課程的設置將實驗教學與課堂理論教學緊密結合起來，彌補了傳統理論教學的不足，調動了學生的學習積極性，增進了學生對交通管理與控制的理解、激發了解決實際問題的創新靈感，鍛煉和提高了學生的實踐能力與問題研究能力，真正體現了學生學習過程中的理論和實踐相結合的教學目標，在實際教學中取得了良好的效果。基于VISSIM的交通管理與控制課程實驗設計，將先進的交通規劃軟件作為實驗教學工具，拓展了學生的專業視野，增強了專業修養，通過“自主設計、協同完成”的模式，學生的學習熱情、動手能力和團隊合作能力得到了提高，能夠引領學生到實踐中解決具體實際問題，這對于交通類本科學生，具有重要意義。

[1] 劉 偉，徐亞輝，胡興麗.后交通時代交通工程人才的培養策略[J].教育教學論壇, 2015(7)：152-154.

[2] 吳 兵，李 曄.交通管理與控制[M].北京：人民交通出版社，2009.

[3] 吳 兵，李林波，李 曄.《交通管理與控制》課程教學改革探索與實踐[J]. 教育教學論壇，2012(31):155-157.

[4] 張 鵬，趙雨旸，楊 兆.交通管理與控制課程實踐教學體系的構建與實踐研究[J].林區教學， 2015(2)：7-8.

[5] 宋永臣， 楊明軍， 劉衛國,等.本科生專業實驗教學研究探討[J]. 實驗室研究與探索, 2014,33(2):161-164.

[6] 王春娥，李玉華.面向多就業渠道的交通工程綜合實驗改革探討[J].高等建筑教育，2014，23(6):125-128.

[7] 孫海浩，吳嬌蓉， 毋妙麗.交通工程學科實驗教學體系研究[J].實驗室研究與探索，2012，31(2)：151-153.

[8] 鄧建華.交通工程專業實驗教學體系研究[J].實驗室研究與探索，2011，30(1)：123-125.

[9] 朱勝雪.地方普通院校交通工程專業人才培養模式探討[J].科教文匯，2014(12)：41-42.

[10] 帥 斌, 楊 飛, 鄭芳芳.交通工程專業實踐和實驗教學探討[J].實驗室研究與探索，2008，27(6):122-125.

[11] 鄒 亮， 龐鈺駒， 潘 洲,等. VISSIM在城市交叉口綠波帶方案優化中的應用——以白石路深大段為例[J].實驗室研究與探索，2014，33(8)：75-78.

[12] PTV Planung Transport Verkehr AG.VISSIM6.0 user manual[R]. PTV Corporation，2013.

[13] 張亞偉，李香紅.交通管理與控制課堂教學方法探討[J].黑龍江教育(高教研究與評估)，2013(9): 44-45.

[14] 陳舉欣，牟振華，李美玲,等.VISSIM在交通工程專業實驗教學中的應用[J].山東建筑大學學報，2013，28(5):494-496.

[15] 宋國利，蓋功琪，蘇冬妹.開放式實驗教學模式的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2010，29(2):91-93.

Design of “Traffic Management and Control” Experiment Course Based on VISSIM

WANGYan-li，WUBing，LILin-bo

(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China)

In order to make students strengthen the mastery and application of theoretical knowledge, and adapt complex traffic situation and traffic technology, it is necessary to carry a scientific and reasonable experimental course design of “Traffic Management and Control”. Based on the analysis of the importance and difficulty of course content, the intersection management and control is chosen as the experimental content, and an experiment method combining artificial design and computer simulation is put forward based on traffic simulation software VISSIM. The experimental design case is given including the steps of the experiment and the analysis of the experiment results; and finally the application effect is shown.

traffic management and control; experimental design; VISSIM simulation; intersection signal control

2015-03-30

同濟大學精品實驗項目

王艷麗(1985-)，女，山東煙臺人，博士，工程師，主要研究方向為交通規劃與管理。

Tel.:13501780903;E-mail：wangyanli@tongji.edu.cn

U 491.2; G 642.423； G 424.31

A

1006-7167(2016)03-0210-03