交通工程“三全協同”虛擬實驗教學體系建設

倪穎 孫劍 惠英

[摘 要] 針對交通工程現有虛擬實驗主要依托基本交通宏、微觀仿真軟件工具獨立開展，難以支撐交通系統多要素和全過程分析，現有實驗場景庫匱乏難以支撐學生多層次多樣化任務需求，以及現有主干課程體系貫通性不足等問題，構筑了交通工程“三全協同”虛擬實驗教學體系，即全過程實驗工具鏈、全場景柔性場景庫-全貫通主干課程體系，體系要素緊密關聯、協同耦合，在支撐學生多層次實驗和創新實踐，滿足學生多樣化任務需求中發揮了重要的作用。

[關鍵詞] 交通工程;虛擬實驗教學體系;三全協同

[資助項目] 2019年度同濟大學研究生教育研究與改革重點建設項目（ZD19070404）;2019—2020年同濟大學教學改革研究與建設項目

[作者簡介] 倪 穎（1984—），女，安徽蕪湖人，博士，同濟大學交通運輸工程學院副教授，主要從事交通仿真研究。

[中圖分類號] G642? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）36-0005-04? ? [收稿日期] 2021-02-27

一、引言

現代交通系統是復雜巨系統，人-車-路-環境-信息等系統構成要素相互關聯、高度耦合，邊界開放，眾多問題難以通過現場觀測和理論建模進行分析，而仿真則為復雜交通問題的分析和解決提供了有效的工具和手段。近年來，新工業革命給交通學科帶來巨大沖擊，傳統的交通學科受大數據、人工智能、云計算等新技術的影響越來越明顯，交通工程進入2.0時代，未來交通系統的發展將具有更大的不確定性，虛擬實驗在交通問題研究和交通工程人才培養中核心手段的地位愈加突出。與此同時，我國由“交通大國”邁向“交通強國”建設，標志著交通運輸行業發展重點將由大規模基礎設施建設轉向現代化運行管理與服務，與傳統基于土木和力學體系的交通設施建造技術相比，基于信息和系統科學的交通仿真分析技術的作用將越來越重要[1]。“學科交叉、跨界融合”成為目前交通工程學科發展和人才培養的必由之路，而構建完善的虛擬實驗教學體系也是培養學生綜合能力和創新實踐能力的關鍵途徑。

二、交通工程虛擬實驗教學存在的問題

根據專業設置與認證的相關要求，國內各高校交通運輸類專業一般都開設交通仿真課程，但仍存在諸多不足。任剛等人指出了交通仿真實驗課程定位不準、能力培養不強、實踐訓練不力、教學輔助不足等問題[1]，孫海浩等人認為目前的交通工程實驗教學體系缺失，表現在教學課時不足、軟硬件平臺支撐不力、實驗教材缺失和缺少專職實驗隊伍等方面[2]。近年來，不少高校的學者也在交通工程實驗教學體系設計[3，4]、實驗項目設計[1，3-5]、實驗配套教材與教學隊伍建設[2-5]等方面進行了有益的探索和實踐。然而，面向交通系統的重大變革和學生創新實踐能力的培養，目前的交通工程虛擬實驗教學仍存在以下的問題。

（一）實驗工具少、實驗場景單一

現有的大多數交通工程虛擬實驗是單純的依托宏觀交通仿真軟件（如VISUM，TRANSCAD，TRANSTAR等）、微觀交通流仿真軟件（如VISSIM， TESS NG等）進行純虛擬的交通規劃類、交通設計/管控類實驗。實驗工具少，虛實融合缺，且實驗場景單一，難以進行交通工程不同要素組合的受控實驗，以及開展面向未來自動駕駛、車路協同場景的虛擬實驗。

（二）主干課程實驗獨立，導致學生知識體系難以貫通

交通工程的主干課程包含交通系統規劃、設計、管理、控制，對應交通系統規劃設計運行管理的不同層面。研究對象屬性和特征不同，相應的分析視角和尺度、分析手段和方法也存在顯著差異。然而現有主干課程及其實驗相互獨立，上下游課程的輸入—輸出關系不清晰，實驗項目碎片化、實驗平臺缺少集成整合，學生難以建立完整的交通工程知識體系。

（三）學生被動接受，綜合能力和創新能力培養不足

目前對于實驗課的普遍認識是鞏固對專業理論的已有認知，同步實施技能訓練。以應用微觀仿真軟件的仿真實驗為例，傳統實驗項目大多停留在“基礎路網構建，仿真要素設置，單一維度評價，模型精度較低”的階段，學生缺少對微觀交通流建模及應用全過程——“基礎模型構建—模型標定—多維評價—實驗優化”的理解和探索，因此無法切實地理解和掌握在工程實踐中“應在什么情況下使用仿真”“如何合理使用仿真”“如何做好仿真”“怎樣將仿真與其他手段相結合”等，也就是說，缺乏應用計算機仿真工具解決交通工程實際問題的能力以及創新意識[1]。

三、建設思路

基于上述問題，筆者及所在研究團隊提出了“三全協同”的交通工程虛擬實驗教學體系，即構筑“全過程實驗工具鏈—全要素柔性場景庫—全貫通主干課程體系”，并通過科學研究、課堂教學、實驗實踐、創新競賽等環節相互促進、相互支撐，解決傳統教學模式中因實驗工具缺乏、實驗要素單一、實驗場景不連續導致的學生知識體系不貫通、綜合能力及創新實踐能力不足的問題，如圖1所示。

四、建設內容

（一）全過程實驗工具鏈

為彌補目前實驗工具的匱乏，通過自主開發及軟硬件集成，研發了一系列實驗系統和實驗工具，為學生提供完全針對中國復雜交通特征，以及面向未來智能網聯環境的實驗工具，滿足交通規劃、設計、管理、控制的測試實驗需求。

1.“軟件在環”虛擬實驗系統，包含具有完全自主知識產權、針對中國駕駛者及交通流特征的TESS NG微觀交通仿真實驗系統;基于國內典型城市多源全方式交通數據和三維地圖引擎的城市交通規劃虛擬實驗系統;以及面向智能網聯環境的車路協同虛擬實驗系統（VISSIM+NS2）、智能汽車虛擬測試實驗系統（VISSIM+PRESCAN， TESS+VTD）等。

2.“硬件在環”仿真實驗系統，包含硬件在環信號控制實驗系統，信號控制測試儀、診斷儀及優化儀等系列教學設備;智能駕駛汽車場地測試汽車場地測試、虛擬—場地測試平行實驗系統等。