交通信号控制虚拟实验实践教学与平台开发

林赐云　龚勃文

摘要：随着城市交通建设重心从基础设施建设向功能提升转变，交通信号控制成为未来交通投资和应用的重点。社会对交通信号控制相关人才的需求日趋迫切，对交通信号控制人才的培养模式和培养方法提出了新的要求。另外，随着交通信号控制向智能化、集成化、网络化、实时性方向快速发展，交通信号控制模式、控制方法、控制策略层出不穷。实验教学设备无法满足交通信号控制技术更新需求。因此，只有通过虚拟实验平台的开发才能解决交通信号控制新技术、新方法实践教学的需要。为了使学生能够全面深刻地认识、掌握交通信号控制理论和方法，本文构建交通信号控制虚拟实验平台，使学生不受时空限制进行实践操作，以此激发学生实验兴趣，调动学生积极性和主动性，从而提高学生的专业认识水平、动手操作能力、创新实践能力。

关键词：教学改革；實践教学：虚拟实验：交通信号控制

一、引言

随着城市交通建设重心从基础设施建设向功能提升转变，交通信号控制作为智能交通系统的重要组成部分，对规范交叉口秩序、保障交通安全、减少交通排放、缓解交通拥挤、提升路网运行效率等具有重要的作用，成为城市交通智能化管理投资建设和应用的重点项目。与此同时，国家及各级政府部门将科技支撑作为加强道路交通安全、畅通、高效、节能减排的原则，出台了一系列政策加以扶持和引导，不断加大交通信号控制系统投资、建设和扶持的力度。

随着城市交通信号控制系统在各级城市的不断普及和广泛使用，智能交通领域对交通信号控制技术及相关学科的人才需求日趋迫切，同时也对高校交通工程专业人才培养方式和方法提出新的挑战。

二、交通信号控制实践教学现状分析

目前，我院交通工程专业设置的与交通信号控制相关的课程主要包括《交通管理与控制》《智能交通系统》《交通信息与控制技术》《交通数据传输与网络》等，分别从管理技术、控制技术、智能技术、电子技术、通信技术等几个方面展开教学工作。然而由于该课程群的学科交叉特点，在教学中对于教学目标的定位、教学内容的设置、教学活动的组织等方面面临着多重挑战。特别是对于实践课程的设置方式和内容，是培养交通工程专业学生实践创新能力和技术创新能力的关键。然而，在上述课程的教学实践内容中，关于交通信号控制实践教学方面，还存在如下问题：

（1）对交通信号控制原理、方法的学习还停留在书本层面。现有教学设备对交通信号控制的教学过多重视理论学习而忽视实际操作。教学成果只停留在让学生会“算”而不会“用”的阶段，这不符合“互联网+”时代对大学生创新创业能力训练和人才培养模式改革的要求。

（2）对交通信号控制设备的学习主要停留在外观感知层面。现有教学设备只注重交通信号控制设备的展示性，而忽视了操作性。导致学生无法真正掌握实际交通信号控制设备的各项功能及运行原理。虽然在现有的实践课程中，学生设计交通控制方案在交通仿真软件中进行模拟，但这类实验，学生不能了解交通信号控制的执行主体，即交通信号控制设备的工作原理及操作过程，无法认识交通信号控制设备的各项功能和参数，学生基本不会操作和使用交通信号控制设备。

（3）理论学习、方案设计、实践效果之间缺乏可视化交互。现有教学设备无法实现交通流、交通信号控制策略、交通信号控制设备之间进行交互，致使学生很难深刻理解交通流、交通信号控制策略、交通信号控制设备运行状态之间的关系，也无法对交通信号控制策略的实施效果进行观察、分析以及对其有效性、准确性进行评价。虽然现有的实验教学课程中，通过搭建交通信号控制软件实现与交通信号控制器的通信，展现交通信号控制器的灯态运行效果以及信号机的简单操作。这种实验系统能够弥补交通仿真软件的不足，但它不能实现交通控制策略与交通流之间的交互，学生无法理解整个交通信号控制系统的工作机能，无法实现对交通信号控制策略的认识和评价。

（4）基础课程与专业课程在学科领域缺少沟通的桥梁。现有教学设备无法让学生认清基础课程与专业课程之间的关系。如我院交通工程专业开设的学科基础课程中有《电工学I》《电工学II》《微机原理与接口技术》《信息通信基础》，这些课程涵盖的模拟电路、数字电路、嵌人式设备、接口技术是动手进行交通信号控制设备信号接人实验、交通信号控制器与信号灯组连接测试实验、交通信号控制设备运行故障排除实验的基础知识。而在教学过程中，经常有学生抱怨学习上述课程“无用”、“偏离专业”等；而在与企业交流过程中，企业管理人员却抱怨学生“没有设备基础常识”、“只会方案，不会实施”、“方案脱离实际”等。究其原因，则是开设的实践教学课程缺少将基础课程知识和专业课程知识连接起来的桥梁和纽带。

因此，亟须通过实践教学，在巩固理论知识和加深理论认识的同时，结合智能交通的前沿应用技术和实际工程需求，培养学生的交通信号控制实践操作能力、实践创新能力和技术创新能力。使学生在专业教师的指导下，能够实际操作交通信号控制设备，了解交通信号控制的运行原理、配时参数、基本功能；了解交通信号控制设备交通数据采集工作原理和输出形式，了解交通信号控制设备的硬件结构和工作流程，通过实践操作，真正掌握交通检测信号接人、信号机与灯组的连接、信号控制相位设计、各种信号控制方案设计、信号配时方案输入交通信号控制设备运行、交通信号控制效果评价、交通信号控制设备运行故障排除等技术和方法，从而显著提升学生对于交通信号控制相关理论与方法的感性认识和实际动手能力，激发学生学习的主动性和积极性，为学生毕业后在相关企事业单位就业提供有力的实践和创新能力支撑。

三、交通信号控制虚拟实验平台设计

随着计算机技术的不断发展以及智能交通新理论、新方法、新技术的不断涌现，交通信号控制向智能化、集成化、网络化、实时性方向快速发展，交通信号控制模式、控制方法、控制策略层出不穷。而现有的交通信号控制实验设备远远不能满足现有交通信号控制复杂、多变、实时性的要求，不断对交通信号控制实验设备进行更新换代也不现实，而虚拟实验能够解决上述问题。

为了使学生能够全面深刻地认识、掌握交通信号控制理论和方法，我们构建了交通信号控制虚拟实验平台，该平台集交通信号控制、交通仿真技术、GIS-T数据库技术、网络技术等于一体，学生不受时空限制，通过智能手机、平板电脑、PC机均可以进行交通信号控制模式、控制策略、故障检测、相位设计、效果评估等虚拟实验，以培养具有实践和创新能力的高素质应用型人才。

交通信号控制虚拟实验平台由软、硬件系统组成，在硬件组成上主要由进行实验操作的学生终端、网络服务器和实驗教学与管理终端三部分组成，其网络拓扑结构如图1所示。

学生可以通过智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机等进行交通信号控制实验操作，不受时间、空间的限制；实验教学与管理终端将学生的交通信号控制实验操作结果在智能终端设备上进行显示，学生通过网络摄像头可以进行远程验证实际效果，教师可以对学生所进行的交通信号控制实践操作进行跟踪、评价。网络服务器构建WEB服务器与Internet连接，构成广域网的交通信号控制虚拟实验平台，供学生通过不同的网络接人方式进行交通信号控制实验操作。

交通信号控制虚拟实验平台的关键在于软件系统，主要由虚拟仿真实验、实验教学管理、实验用户管理、在线帮助与技术论坛等四部分组成，如图2所示。

在虚拟仿真实验中，学生根据相关的实验说明、使用帮助，可以自己在虚拟仿真软件中动手进行交通信号控制方案的仿真、测试、在线调整、信号配时参数（周期、绿信比、相位差）优化、饱和与过饱和交通信号控制、干线协调控制、区域协调控制等仿真实验，并最终提交实验报告，以达到掌握交通信号控制理论和方法；在实验教学管理中，教师可以通过网络进行实验教学，并对学生的实验进行考核与评价，最终进行实验档案管理和分析；在实验用户管理中集成了用户登录管理和用户信息管理，用户可以通过登录系统了解、查询、咨询交通信号控制相关的实践操作和专业知识；在线帮助与技术论坛中，使用基于微信公众服务号，对学生咨询的实践操作问题进行实时解答和指导。同时，构建技术支持论坛，对于交通信号控制虚拟实验平台的使用操作问题、开发建议、常见问题以及交通信号控制基础理论、前沿技术等提供老师之间、学生之间、老师与学生之间的交互平台。

学生可以通过该交通信号控制虚拟实验平台，实现理论与实践相结合，直观、全面、深入地了解交通信号控制设备的运行原理、配时参数、基本功能等；同时可以学习各种控制策略，观察交通信号控制策略对交通流的影响及控制效果；此外，交通信号控制虚拟实验平台可以对学生设计的控制策略实施有效性评估，从多角度给出评价结果，便于学生进行优化控制策略的学习。从而提高学生的专业认识水平、动手操作能力、创新实践能力，激发学生实验兴趣，调动学生积极性和主动性。

四、交通信号控制虚拟实验平台开发

交通信号控制虚拟实验平台基于SOA架构实现，采用B/S及C/S混合应用方式，方便系统部署和维护，个别应用采用C/S应用方式，客户端具有良好的通用性和友好性，操作简单方便。

平台原型系统开发采用EmbarcaderoRADsm.dio10Seattle集成开发环境，开发实现WEB服务应用以及AndroidAPP用户应用终端和iOSAPP用户应用终端，基于DelDhi+VISSIMCOM实现对交通控制策略的评价。

五、结语

随着交通信号控制系统在保障交通安全、减少交通排放、缓解交通拥挤、提升路网运行效率等方面的功能作用不断加强和提升，社会对交通信号控制人才的培养也提出了新的需求。以培养学生实践能力、创新能力和综合素质为目标，将交通信号控制虚拟实验平台作为培养学生实践能力和综合素质的重要平台，将是我院履行从交通工程专业特色出发，以学生就业为导向，以智能交通发展趋势和人才需求为引导，培养上能进行交通信号控制理论研究，下能进行交通信号控制应用操作的高素质综合型人才的主要途径。