交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心的建设

闫茂德， 朱礼亚， 楼静梅， 汪贵平

(长安大学 电子与控制工程学院， 陕西 西安 710064)

交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心的建设

闫茂德， 朱礼亚， 楼静梅， 汪贵平

(长安大学 电子与控制工程学院， 陕西 西安 710064)

本文以我校交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心的建设为例，按照统筹规划和优势提升的思路，构筑了专业基础课程、行业特色项目、前沿技术专题三个层次的虚拟仿真实验教学资源，形成了“先虚后实、以虚辅实、虚实结合”的创新型人才培养实验教学体系，从而提高了人才培养质量，提升了专业水平。

交通信息与控制；虚拟仿真；实验教学体系

0 引言

2013年8月，为贯彻落实《教育信息化十年发展规划(2011-2020)》和《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》的精神，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，持续推进实验教学信息化建设和实验教学资源开放共享，推动高等学校实验教学改革与创新[1]。

我校是一所公路交通特色鲜明的多科性大学，交通信息和控制类专业的实验教学和实践环节具有一定的特殊性：一是实验载体如城市交通环境、高速公路环境、公路隧道等从成本和安全性角度考虑具有一定的不可达性；二是某些实体实验项目或过程具有不可逆性和不可重复性的特征。这些特点给开展实验教学和实践环节带来了很大的困难[2]。2012年，我校对学科专业进行整体规划，在4个省级实验教学示范中心和1个省级工程技术研究中心分别设立虚拟仿真教学实验室。通过统筹规划和分批建设，我校组建了交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心，从而为培养新型高素质的交通信息与控制类人才提供了条件保障。

1 虚拟仿真实验教学中心

我校交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心以交通信息工程及控制国家级重点学科为龙头，以智能交通与信息处理实验教学中心、自动化与交通控制工程实验教学中心、计算机实验教学中心和电工电子实验教学中心4个省级实验教学示范中心和道路交通智能检测与装备陕西省工程技术研究中心为基础，以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，以培养新型高素质的交通信息与控制类人才为目标而组建。该实验教学中心构筑了专业基础课程、行业特色项目、前沿技术专题三个层次的信息化和网络化虚拟仿真实验教学资源。实验信息化管理与资源共享平台是虚拟仿真实验教学资源共享的基础，由实验中心网站、下辖的网络教学综合平台、实验室管理平台、虚拟仿真工具软件平台、半实物仿真实验平台和远程虚拟仿真实验平台五个子平台构成，如图1所示。

图1 虚拟仿真实验教学平台构成

实验信息化管理与资源共享平台以国家级“交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心”网站作为网络载体，既能实现教学资源的共享，又可大幅度增加教师和学生互动交流的机会，为学生创建个性化实验环境，培养良好的信息化素养提供帮助，其所属各子平台的具体功能如下：

(1)网络教学综合平台提供了查询实验课程实施情况、下载相关实验文档等功能，学生可在线预约开放实验、提交实验报告、查询实验成绩并对实验教学效果进行评价等。教师可利用网络平台与学生互动、辅导答疑，也可参与讨论。

(2)实验室管理平台作为信息化管理服务部分，提供实验教学、实验场地和实验设备等管理功能。实验教学管理包括安排教学任务和编制开课计划；实验设备管理包括将设备进行分类整理并建立电子档案，记录使用情况、故障信息及维修记录；实验场地管理包括对各实验室的使用情况进行登记，并根据教学计划和预约记录合理安排实验场所。

(3)虚拟仿真工具软件主要包括交通信息与控制方面的工具软件，包括Multisim, Altera Quartus II, Labview、TransCAD、TransModeler、Multigen Creator、SuperMap GIS等。这些软件均是利用我校的影响力与软件公司的“大学计划”项目进行合作，购入的功能完备的正版网络教学软件，从而获得价廉质优的教学资源。

(4)半实物仿真实验平台将交通构造物的实体模型引入仿真回路，按照“虚实结合、能实不虚”的原则，通过仿真计算机和接口设备完成实时仿真处理。平台现有道路交通物联网实验、列车自动运行控制实验、隧道智能化检测与安全运营实验和汽车模拟驾驶实验等4大类实验项目。

(5)远程虚拟仿真平台为师生提供一个开放、互动、共享的虚拟实验教学环境。学生在校园网内的任一电脑上均可访问。用户通过在本地电脑上安装客户端就可利用共享的实验参数，进行本地/远程代码编写，通过网络在服务器上进行相关实验验证，可实时获取实验成绩。中心现有专业基础课程、行业特色课程、高速公路综合监控与应急处置等7个虚拟仿真子平台。

2 虚拟仿真实验教学体系的建设

交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心通过购置、自主研发和科研成果转化等途径，建成了涵盖3个层次、22门课程和7个专题的虚拟仿真实验教学体系，如图2所示。

3个层次是指虚拟仿真实验项目可分为专业基础课程、行业特色项目和前沿技术专题3大层次，按照工程项目的贯通式递进主线，使学生“由浅入深、循序渐进”地掌握交通信息与控制虚拟仿真的实验方法和技能，从而满足学生在不同培养阶段的需要。

2.1 专业基础课程虚拟仿真实验

专业基础课程虚拟仿真实验面向电子技术基础、计算机应用、运动控制系统三大系列课程，建设了11门专业基础课程的虚拟仿真实验项目。

(1)电子技术基础虚拟仿真实验通过网络化远程虚拟实验平台搭建虚拟仿真实验环境，实现了从简单电路的虚拟仿真到复杂系统的软硬件设计验证的实现能力[7]。在实验过程中，不但可以进行虚拟仿真，同时可以进行实物实验和虚拟仿真的对比验证，真正做到虚实结合，形成一套循序渐进的“理论-仿真-实践”的教学体系。它可以满足“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“EDA技术”等电子技术课程虚拟仿真实验教学需求。

(2)计算机应用虚拟仿真实验依托我校计算机省级实验教学中心开展，以现有实验设施为基础，自主研发远程虚拟实验平台，结合Wireshark、PacketTracer、VC++等软件，涵盖了“操作系统”、“计算机网络”、“面向对象程序设计及VC++”等计算机应用课程的实验内容。

图2 交通信息与控制虚拟仿真实验教学体系

(3)运动控制系统虚拟仿真实验是集计算机远程控制、控制系统仿真、运动控制系统、数据采集和自动控制算法为一体，虚拟仿真与实物实验验证相结合的实验项目。利用Matlab、LabView、Cadence、Win CC、组态王等软件，自主研发网络化实验教学平台搭建虚拟仿真实验环境，可满足“自动控制原理”、“现代控制理论”、“计算机控制技术”、“控制系统仿真”、“电机及拖动基础”和“运动控制系统”等信息与控制类专业的综合性实验教学需求，为控制系统设计、故障诊断、控制算法研究以及测控系统软件开发等实验教学提供了良好的平台。

2.2 行业特色项目虚拟仿真实验

行业特色项目虚拟仿真实验包括行业特色课程虚拟仿真和行业特色工程实践虚拟仿真两部分，主要用以解决实验室里实物实验难以实现、过程不可逆的课程实验和工程实践环节。

(1)行业特色课程虚拟仿真实验以交通行业特色课程的教学大纲及学习范围为依据，针对城市和高速公路的交通控制与管理需求，自主研发了“高速公路隧道测控与仿真系统研究开发平台”、“交通系统仿真研究开发平台”、“路网交通模型与智能控制仿真平台”、“智能汽车创新实验平台”等实验平台，学生利用这些平台可开展在任意交通环境条件下的不同试验场景的虚拟仿真实验。通过配置、连接、调节后的高速公路隧道控制交通控制仿真实验结果如图3和图4所示。

图3 高速公路隧道群突发事件仿真

图4 高速公路隧道半实物模型

(2)行业特色工程实践虚拟仿真实验与课程教学相配套，从工程实践项目实际需求出发进行方案设计和虚拟仿真验证。该平台提供行业特色工程实践的典型案例，如：隧道机电系统半实物仿真实验、高速公路全程监控虚拟仿真实验、交通事件应急处置虚拟仿真实验等，学生也可自行选题。

2.3 前沿技术专题虚拟仿真实验

前沿技术专题虚拟仿真实验包括高速公路网综合监控与应急处置实验专题、汽车模拟驾驶实验专题、面向虚拟城市的交通流仿真实验专题、道路交通物联网实验专题、列车自动运行控制实验专题、隧道交通控制与三维视景模拟实验专题、隧道智能化监测与安全运营实验专题等。下面以其中的两个专题为例进行介绍。

(1)高速公路网综合监控与应急处置实验专题是一个针对高速公路网交通信息化管理与引导的虚拟仿真教学实验平台，包括：高速公路网运行环境仿真系统、交通气象环境仿真系统、交通信息采集与发布系统、高速公路网交通流运行仿真系统、高速公路网交通控制系统、交通事件管理系统、高速公路网应急处置系统、高速公路网交通数据挖掘仿真系统等八个子系统，可实现高速公路网综合监控虚拟仿真和异常情况下的高速公路网综合监控与应急处置虚拟仿真实验。该专题的虚拟仿真实验如图5所示。

(2)汽车模拟驾驶实验专题是利用数据采集、虚拟现实多感知信息融合、复杂虚拟场景建模、三通道显示等技术自行开发且具有自主知识产权的专题实验平台，如图6所示。在该平台上可以开展模拟驾驶操作虚拟仿真实验、三通道虚拟仿真实验、驾驶人应激反应能力评估实验、实时参数和数据曲线的信息采集处理实验、前后车距、左右车道车辆行车状况等的数据分析；交通环境内自身车速和加速度变化的统计等实验。该专题实验能弥补实际驾驶操作危险性大、交通场景复杂、实验条件难以控制以及无法开展实际道路实验等不足，为驾驶行为与交通的关系模型评估与研究提供了有力的技术支持与设备保障。

(3)针对行业特色项目和前沿技术专题两个层次的虚拟仿真实验项目存在技术相对复杂和实数量少的问题，组织有项目开发经验的教师指导学生分批次完成实验项目。同时，利用长安大学与中交第一公路勘察设计研究院有限公司共建的国家级实践教育中心和10余个校外实践基地，每年定期派出5-10名左右教师到相关企业进修和培训，同时邀请15名左右企业教师到中心授课或讲座，实现了校内人才培养与企业需求的无缝对接，形成了“走出去+引进来”的实验实践队伍建设机制，也让学生在中心完成的虚拟仿真实验教学环节后，到企业完成交通信息与控制工程有关实践教学环节的充分接轨。另外，中心与国内一流的交通企业建立了稳定的合作机制，与企业联合开发交通信息与控制类虚拟仿真实验项目，校内平台开展的虚拟仿真实验实践教学内容与真实的信息通信行业工程技术发展同步更新，丰富教学内容，降低成本和风险，开展绿色实验教学，为学生提供实践创新良好平台。

图5 交通信息采集与发布仿真实验

图6 汽车模拟驾驶虚拟仿真平台及三通道柱面投影显示

3 实验教学应用情况及特色

我校交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心承担着交通工程、自动化、计算机科学与技术、电子信息工程、电气工程及其自动化等12个本科专业及其他相关专业的虚拟优化设计、数值仿真计算、智慧公路、交通综合监控、虚拟安全工程训练等实验项目。每年有超过1000名学生到中心完成课程实验和实践环节。经过近两年的建设与实践，形成如下特色：

(1)形成了以公路交通为特色，以专业基础层、专业应用层和综合设计层为架构的三层次仿真实验教学体系，表现出了学科优势集中、专业特色明显和实验资源完备的特点；

(2)努力将交通信息化建设典型案例和科研成果转化为虚拟仿真实验教学资源，拓展了实验教学范围，丰富了实验教学内容；

(3)加强与交通行业大型企业、世界知名企业合作，企业提供典型工程项目案例和运行数据，我们将其转换成虚拟仿真实验教学资源；

(4)以学生教学和科研实验需求为主导，探索出一条创新人才培养多元化、多样化的实验教学改革模式；

(5)建立了“学生个人终端、虚拟实验室、实验教学中心平台”三位一体的实验教学系统，提高了学生在信息化条件下的自主学习、探究学习、协作学习的能力，而且丰富了教学内容，拓展了实践领域，降低了实验成本和风险。

4 未来建设思考与建议

我校虚拟仿真实验教学中心将坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，吸收国内兄弟院校虚拟仿真实验教学中心在虚拟仿真实验教学资源、实验教学队伍、学校信息平台和管理体制等方面的建设经验，完成下一步建设内容[3-5]。下一步建设的内容如下：

(1)完善交通信息与控制虚拟仿真的实验教学资源，重点放在实物实验环境所无法开展的半实物仿真教学资源和大型综合性实训专题上；

(2)将交通信息化建设典型工程案例、运行数据和科研成果转化为虚拟仿真实验教学资源，拓展实验教学范围，丰富实验教学内容；

(3)以培养学生综合设计和创新能力为出发点，加强教师队伍的教学和科研能力建设，鼓励教师和实验人员从事科学研究工作，提高队伍教学水平及学术水平。

5 结语

我校交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心自成立以来，共开设了22门课程的86项虚拟仿真实验和7个专题的虚拟仿真实验，主要为交通信息与控制学科群12个专业的本科生、部分研究生开设实验教学课程，并对校外相关专业学生开放，同时对交通行业企业员工进行培训。中心建设继续坚持信息技术与教育教学的深度融合，以高标准、求一流为发展目标，将先进的实验教学理念、创新的实验教学方法、丰硕的实验教学改革成果、优质的实验教学资源辐射全国，使更多的教师和学生受益。

[1] 李平, 毛昌杰, 徐进. 开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J]. 北京: 实验室研究与探索, 2013, 32(11): 5-8

[2] 吴兵, 李晔, 杨佩昆, 等. 交通管理与控制(第4版)[M]. 北京:人民交通出版社, 2009

[3] 周洪, 刘超, 何珊. 电力生产过程虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J]. 北京: 实验室技术与管理, 2014, 31(8): 1-5

[4] 沈建华, 李飞, 程崇虎, 等. 通信与信息网络国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J]. 北京: 实验室研究与探索, 2015, 34(1): 161-164

[5] 冯峰, 孙聪, 曲先强. 船海虚拟仿真实验教学中心的建设与发展[J]. 北京: 实验室技术与管理, 2014, 31(1): 11-14

Construction of Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Traffic Information and Control

YAN Mao-de，ZHU Li-ya，LOU Jing-mei，WANG Gui-ping

(SchoolofElectricalandControlEngineering,Chang'anUniversity，Xi'an710064，China)

The construction of virtual simulation experimental teaching center for traffic information and control in our university is introduced in this paper. According to the thoughts of overall planning and advantage promotion, the three levels of virtual simulation experiment teaching resources including the professional foundation courses, industrial characteristic project and cutting-edge technology subject are integrated and constructed for the needs of experiment teaching. The experimental teaching system which can be summarized as “virtualization first and reality second, virtualization being auxiliary to reality, and virtualization combined with reality” is formed for the cultivation of innovative talents. It improves the quality of personnel training and professional level with distinctive characteristics.

traffic information and control; virtual simulation; experimental teaching system

2016-04-29;

2016-07- 18

2015年度陕西公办本科高等教育教学改革研究项目(15BY23)和2016年中央高校教育教学改革专项——研究生卓越人才培养计划项目(Jgy16018).

闫茂德(1974-)，男，博士，教授. 主要从事交通管理与控制和网络化控制系统等方面的教学与研究工作，E-mail: mdyan@chd.edu.cn

U491.4; G482

A

1008-0686(2017)02-0131-05