交通信號控制虛擬實驗實踐教學與平臺開發

林賜云　龔勃文

摘要：隨著城市交通建設重心從基礎設施建設向功能提升轉變，交通信號控制成為未來交通投資和應用的重點。社會對交通信號控制相關人才的需求日趨迫切，對交通信號控制人才的培養模式和培養方法提出了新的要求。另外，隨著交通信號控制向智能化、集成化、網絡化、實時性方向快速發展，交通信號控制模式、控制方法、控制策略層出不窮。實驗教學設備無法滿足交通信號控制技術更新需求。因此，只有通過虛擬實驗平臺的開發才能解決交通信號控制新技術、新方法實踐教學的需要。為了使學生能夠全面深刻地認識、掌握交通信號控制理論和方法，本文構建交通信號控制虛擬實驗平臺，使學生不受時空限制進行實踐操作，以此激發學生實驗興趣，調動學生積極性和主動性，從而提高學生的專業認識水平、動手操作能力、創新實踐能力。

關鍵詞：教學改革；實踐教學：虛擬實驗：交通信號控制

一、引言

隨著城市交通建設重心從基礎設施建設向功能提升轉變，交通信號控制作為智能交通系統的重要組成部分，對規范交叉口秩序、保障交通安全、減少交通排放、緩解交通擁擠、提升路網運行效率等具有重要的作用，成為城市交通智能化管理投資建設和應用的重點項目。與此同時，國家及各級政府部門將科技支撐作為加強道路交通安全、暢通、高效、節能減排的原則，出臺了一系列政策加以扶持和引導，不斷加大交通信號控制系統投資、建設和扶持的力度。

隨著城市交通信號控制系統在各級城市的不斷普及和廣泛使用，智能交通領域對交通信號控制技術及相關學科的人才需求日趨迫切，同時也對高校交通工程專業人才培養方式和方法提出新的挑戰。

二、交通信號控制實踐教學現狀分析

目前，我院交通工程專業設置的與交通信號控制相關的課程主要包括《交通管理與控制》《智能交通系統》《交通信息與控制技術》《交通數據傳輸與網絡》等，分別從管理技術、控制技術、智能技術、電子技術、通信技術等幾個方面展開教學工作。然而由于該課程群的學科交叉特點，在教學中對于教學目標的定位、教學內容的設置、教學活動的組織等方面面臨著多重挑戰。特別是對于實踐課程的設置方式和內容，是培養交通工程專業學生實踐創新能力和技術創新能力的關鍵。然而，在上述課程的教學實踐內容中，關于交通信號控制實踐教學方面，還存在如下問題：

（1）對交通信號控制原理、方法的學習還停留在書本層面?，F有教學設備對交通信號控制的教學過多重視理論學習而忽視實際操作。教學成果只停留在讓學生會“算”而不會“用”的階段，這不符合“互聯網+”時代對大學生創新創業能力訓練和人才培養模式改革的要求。

（2）對交通信號控制設備的學習主要停留在外觀感知層面?，F有教學設備只注重交通信號控制設備的展示性，而忽視了操作性。導致學生無法真正掌握實際交通信號控制設備的各項功能及運行原理。雖然在現有的實踐課程中，學生設計交通控制方案在交通仿真軟件中進行模擬，但這類實驗，學生不能了解交通信號控制的執行主體，即交通信號控制設備的工作原理及操作過程，無法認識交通信號控制設備的各項功能和參數，學生基本不會操作和使用交通信號控制設備。

（3）理論學習、方案設計、實踐效果之間缺乏可視化交互?，F有教學設備無法實現交通流、交通信號控制策略、交通信號控制設備之間進行交互，致使學生很難深刻理解交通流、交通信號控制策略、交通信號控制設備運行狀態之間的關系，也無法對交通信號控制策略的實施效果進行觀察、分析以及對其有效性、準確性進行評價。雖然現有的實驗教學課程中，通過搭建交通信號控制軟件實現與交通信號控制器的通信，展現交通信號控制器的燈態運行效果以及信號機的簡單操作。這種實驗系統能夠彌補交通仿真軟件的不足，但它不能實現交通控制策略與交通流之間的交互，學生無法理解整個交通信號控制系統的工作機能，無法實現對交通信號控制策略的認識和評價。

（4）基礎課程與專業課程在學科領域缺少溝通的橋梁。現有教學設備無法讓學生認清基礎課程與專業課程之間的關系。如我院交通工程專業開設的學科基礎課程中有《電工學I》《電工學II》《微機原理與接口技術》《信息通信基礎》，這些課程涵蓋的模擬電路、數字電路、嵌人式設備、接口技術是動手進行交通信號控制設備信號接人實驗、交通信號控制器與信號燈組連接測試實驗、交通信號控制設備運行故障排除實驗的基礎知識。而在教學過程中，經常有學生抱怨學習上述課程“無用”、“偏離專業”等；而在與企業交流過程中，企業管理人員卻抱怨學生“沒有設備基礎常識”、“只會方案，不會實施”、“方案脫離實際”等。究其原因，則是開設的實踐教學課程缺少將基礎課程知識和專業課程知識連接起來的橋梁和紐帶。

因此，亟須通過實踐教學，在鞏固理論知識和加深理論認識的同時，結合智能交通的前沿應用技術和實際工程需求，培養學生的交通信號控制實踐操作能力、實踐創新能力和技術創新能力。使學生在專業教師的指導下，能夠實際操作交通信號控制設備，了解交通信號控制的運行原理、配時參數、基本功能；了解交通信號控制設備交通數據采集工作原理和輸出形式，了解交通信號控制設備的硬件結構和工作流程，通過實踐操作，真正掌握交通檢測信號接人、信號機與燈組的連接、信號控制相位設計、各種信號控制方案設計、信號配時方案輸入交通信號控制設備運行、交通信號控制效果評價、交通信號控制設備運行故障排除等技術和方法，從而顯著提升學生對于交通信號控制相關理論與方法的感性認識和實際動手能力，激發學生學習的主動性和積極性，為學生畢業后在相關企事業單位就業提供有力的實踐和創新能力支撐。

三、交通信號控制虛擬實驗平臺設計

隨著計算機技術的不斷發展以及智能交通新理論、新方法、新技術的不斷涌現，交通信號控制向智能化、集成化、網絡化、實時性方向快速發展，交通信號控制模式、控制方法、控制策略層出不窮。而現有的交通信號控制實驗設備遠遠不能滿足現有交通信號控制復雜、多變、實時性的要求，不斷對交通信號控制實驗設備進行更新換代也不現實，而虛擬實驗能夠解決上述問題。

為了使學生能夠全面深刻地認識、掌握交通信號控制理論和方法，我們構建了交通信號控制虛擬實驗平臺，該平臺集交通信號控制、交通仿真技術、GIS-T數據庫技術、網絡技術等于一體，學生不受時空限制，通過智能手機、平板電腦、PC機均可以進行交通信號控制模式、控制策略、故障檢測、相位設計、效果評估等虛擬實驗，以培養具有實踐和創新能力的高素質應用型人才。

交通信號控制虛擬實驗平臺由軟、硬件系統組成，在硬件組成上主要由進行實驗操作的學生終端、網絡服務器和實驗教學與管理終端三部分組成，其網絡拓撲結構如圖1所示。

學生可以通過智能手機、平板電腦、筆記本電腦、臺式計算機等進行交通信號控制實驗操作，不受時間、空間的限制；實驗教學與管理終端將學生的交通信號控制實驗操作結果在智能終端設備上進行顯示，學生通過網絡攝像頭可以進行遠程驗證實際效果，教師可以對學生所進行的交通信號控制實踐操作進行跟蹤、評價。網絡服務器構建WEB服務器與Internet連接，構成廣域網的交通信號控制虛擬實驗平臺，供學生通過不同的網絡接人方式進行交通信號控制實驗操作。

交通信號控制虛擬實驗平臺的關鍵在于軟件系統，主要由虛擬仿真實驗、實驗教學管理、實驗用戶管理、在線幫助與技術論壇等四部分組成，如圖2所示。

在虛擬仿真實驗中，學生根據相關的實驗說明、使用幫助，可以自己在虛擬仿真軟件中動手進行交通信號控制方案的仿真、測試、在線調整、信號配時參數（周期、綠信比、相位差）優化、飽和與過飽和交通信號控制、干線協調控制、區域協調控制等仿真實驗，并最終提交實驗報告，以達到掌握交通信號控制理論和方法；在實驗教學管理中，教師可以通過網絡進行實驗教學，并對學生的實驗進行考核與評價，最終進行實驗檔案管理和分析；在實驗用戶管理中集成了用戶登錄管理和用戶信息管理，用戶可以通過登錄系統了解、查詢、咨詢交通信號控制相關的實踐操作和專業知識；在線幫助與技術論壇中，使用基于微信公眾服務號，對學生咨詢的實踐操作問題進行實時解答和指導。同時，構建技術支持論壇，對于交通信號控制虛擬實驗平臺的使用操作問題、開發建議、常見問題以及交通信號控制基礎理論、前沿技術等提供老師之間、學生之間、老師與學生之間的交互平臺。

學生可以通過該交通信號控制虛擬實驗平臺，實現理論與實踐相結合，直觀、全面、深入地了解交通信號控制設備的運行原理、配時參數、基本功能等；同時可以學習各種控制策略，觀察交通信號控制策略對交通流的影響及控制效果；此外，交通信號控制虛擬實驗平臺可以對學生設計的控制策略實施有效性評估，從多角度給出評價結果，便于學生進行優化控制策略的學習。從而提高學生的專業認識水平、動手操作能力、創新實踐能力，激發學生實驗興趣，調動學生積極性和主動性。

四、交通信號控制虛擬實驗平臺開發

交通信號控制虛擬實驗平臺基于SOA架構實現，采用B/S及C/S混合應用方式，方便系統部署和維護，個別應用采用C/S應用方式，客戶端具有良好的通用性和友好性，操作簡單方便。

平臺原型系統開發采用EmbarcaderoRADsm.dio10Seattle集成開發環境，開發實現WEB服務應用以及AndroidAPP用戶應用終端和iOSAPP用戶應用終端，基于DelDhi+VISSIMCOM實現對交通控制策略的評價。

五、結語

隨著交通信號控制系統在保障交通安全、減少交通排放、緩解交通擁擠、提升路網運行效率等方面的功能作用不斷加強和提升，社會對交通信號控制人才的培養也提出了新的需求。以培養學生實踐能力、創新能力和綜合素質為目標，將交通信號控制虛擬實驗平臺作為培養學生實踐能力和綜合素質的重要平臺，將是我院履行從交通工程專業特色出發，以學生就業為導向，以智能交通發展趨勢和人才需求為引導，培養上能進行交通信號控制理論研究，下能進行交通信號控制應用操作的高素質綜合型人才的主要途徑。