互联网+隧道交通环境管控虚拟仿真实验项目建设

雷 旭, 李海珍, 汪贵平, 黄 鹤

(1. 长安大学 电子与控制工程学院, 陕西 西安 710064; 2. 长安大学 交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心, 陕西 西安 710064)

交通机电系统是交通信息类专业的特色专业课程,而实验教学又是教学中必不可少的实践性环节,对培养学生的动手能力、工程实践能力和创新精神具有十分重要的作用[1-2]。在传统的交通信息类专业教学体系中,因存在实际环境复杂、影响因素多变，且社会、经济成本高等多方面因素,公路机电系统实践教学只能参观实习,不利于培养学生的实践能力[3-5]。

现代信息技术的发展为解决实践教学问题提供了技术条件[6]。首先,虚拟仿真技术具有沉浸性、交互性、虚幻性和逼真性,能够解决真实实验项目条件不具备、实际运行困难、涉及高危或极端环境,以及高成本、高消耗、不可逆操作、不易进行大型综合训练等问题。其次,“互联网+”技术具备跨界融合、创新驱动、重塑结构、尊重人性、开放生态、连接一切的六大特征,通过网络平台,可以实现教学资源与教师、学生的零距离接触[7]。

基于“互联网+”开放共享和创新驱动的优势,开发了“互联网+”虚拟仿真技术实验项目。该项目依托长安大学交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心,以交通控制典型场景——隧道环境管控为实验对象,建设了隧道运行环境管控虚拟仿真实验项目。学生可以在该实验项目中完成隧道环境检测和隧道控制系统的仿真实验,直观地了解隧道环境参数的检测方法以及控制系统。根据隧道综合管控设计方案和策略,学生可以深入地学习隧道运行环境管控系统的控制原理、控制过程和运行效果,提高交通控制方案的综合设计能力[8]。

1 实验项目建设方案

互联网+隧道运行环境管控虚拟仿真实验项目的建设分为实验内容建设、教学环节建设、隧道环境模型研究、虚拟仿真实验教学平台建设、互联网+业务管理系统和实验结果评价构成(见图1)。

图1 实验项目框架

实验项目建设的目的是综合应用现代教育技术和传统教学手段,促进理论教学和实践教学相结合,使学生通过虚拟仿真完成实际难以实现的隧道环境管控实验,进而深入理解所学的理论知识[9-10]。虚拟仿真实验教学管理平台[11-12]是实现教学辅助与管理功能的主要平台；隧道控制仿真实验平台是项目组成员基于多年科研项目和工程实践成果,在实际工程应用的隧道交通控制与管理软件基础上，经过适当精简而建立的教学实验虚拟仿真平台。

2 实验项目建设实践

隧道交通环境管控系统仿真实验方法包括理想化法和模型法。由于隧道实际物理环境复杂,难以完全实现仿真。因此,采用理想化法对隧道物理环境进行简化,对影响交通效率与安全的CO浓度、可见度、亮度、风速等重要变量进行仿真。另外,根据典型长大隧道环境管控工程案例,抽象各种运行参数,在长大隧道环境管控仿真模型的基础上建立仿真软件系统。

2.1 实验内容建设

由于隧道的物理环境特殊,学生难以在真实系统中进行交通控制与管理实验。因此,本实验项目从3个层面仿真隧道交通环境变量的动态变化。

(1) 宏观上,应用隧道交通环境模型仿真环境变化对隧道通行状态的影响；(2)通过系统仿真软件,完成对长大隧道或隧道群的环境管控设备各控制子系统的监控与设置；(3)微观上,应用理论课程所掌握的交通控制基本原理和方法,设计隧道环境状态变量管控预案,在仿真实验系统上完成仿真验证,生成方案评价报告,进而对设计的方案和控制策略进行效果评估。

本实验项目强调理论与实践的结合,重视在实践教学中培养学生的实践技能和创新能力,灵活运用多种先进教学方法,充分调动学生的学习积极性,激发学生的潜能。

2.2 实验教学环节建设

实验项目包括预习环节、仿真实验环节和考核评价环节,其基本功能如图2所示。

图2 实验教学基本功能图

在预习环节,学生通过影像资料、教学视频和实物模型等多方面认知和了解隧道交通环境和隧道机电系统的基本概况,通过复习课本知识掌握隧道交通环境参数及其对隧道交通和安全的影响。

仿真实验练习环节,通过各子系统实验掌握隧道交通环境的特点和系统参数,进而设计组控方案和策略,最后完成对控制方案和策略的仿真运行。

考核评价是综合预习情况考核、仿真实验结果的评价及实验报告3个重要环节,最终形成实验项目的综合评价。

2.3 隧道交通运行环境模型

隧道交通环境是实验项目仿真对象,其动态变化特征需要建立理论模型予以描述。根据本校综合中心团队近年来在隧道交通领域的科研成果,将隧道环境模型分为空气动力学模型、污染物模型、交通模型和控制模型[13]4部分,如图3所示。

图3 隧道环境模型

2.3.1 空气动力学模型

空气动力学模型用于计算不同条件下隧道内的空气流速,以反映风机设备群仿真运行的效果。假设忽略空气的压缩性,根据牛顿第二定律计算空气流动加速度,得到以下空气动力学模型：

(1)

Ft=Fp+Fv+Fj+Fw+Ff

(2)

其中,Ft代表作用于空气表面的力之和,Fp代表交通流带来的力,Fv代表通风设备影响力,Fj代表送风口动力的影响力,Fw代表自然风所引起的外部压力差异,Ff代表隧道壁面磨损力。

2.3.2 污染物模型

污染物模型反映仿真车流在隧道内产生的烟尘和CO、NO等有害气体在动态时间和空间内的分布状态,根据对每个单元交通模型的车辆密度,仿真计算车辆运动产生的污染物。污染物模型表示为

(3)

其中,c代表污染物浓度分布,Vr代表隧道内风速,D为隧道内污染物扩散系数,与隧道内风速以及隧道断面尺寸有关,q为污染物产生量,其随时间与位置变化。

2.3.3 交通模型

交通模型分为微观模型、中观模型和宏观模型3种。其中微观模型以单个车辆为基本单元,考虑每辆汽车的动力学与汽车间的关系。仿真对象关注动态车流对隧道交通环境的影响,因此采用微观模型。

交通模型以交通流量、车流速度和交通密度3个基本参数来描述。车流速度和交通密度反映交通流从路上获得的服务质量；流量可以反映车流的数量和对交通设施的需求情况。3个参数的基本关系表示为

Q=V·K

(4)

其中,Q为平均流量,V为空间车流平均速度,K为平均密度。

2.3.4 控制模型

控制模型是隧道交通运行模型的核心部分。学生实验设计的控制策略经仿真平台输入控制模型,控制模型将控制策略转换为分别作用于其他3个模型的影响变量,并将其变化过程分别输出到空气动力模型、污染物模型和交通模型,进而实现隧道交通环境对机电设备组合控制策略响应的动态仿真。

2.4 虚拟仿真实验教学平台建设

开放式虚拟仿真实验教学管理平台基于OpenGL技术建设,采用面向服务的软件架构开发,具有良好的自主性、交互性和可扩展性。平台分为机电设备的仿真控制和隧道交通环境整体控制策略2部分。

机电设备的仿真控制可以从隧道机电设备库提取机电设备子元件。根据设计方案选择检测设备,完成检测子系统仿真调试和数据提取,其检测的CO浓度和能见度数据显示于屏幕。

在单个设备仿真的基础上,再根据设计方案选择控制设备,通过子系统设置界面设置仿真时间、环境模型等参数,完成控制子系统仿真调试和效果模拟。最后,根据各子系统控制方案,组合设定隧道整体环境管控的组控方案,完成对选定模拟的特定隧道进行环境管控仿真运行,得到仿真结果如图4所示。

图4 仿真运行界面

2.5 互联网+业务管理系统

实验业务管理平台面向“互联网+”,为实验项目在线开放提供业务管理服务,与虚拟仿真实验教学平台实现数据的无缝对接。实验业务管理平台用以完成实验项目的预约登记、预习考核、实验报告上传、教师评价。

实验前,学生需在虚拟仿真实验管理平台上完成实验预习,由教师登录系统对预习情况进行考核,学生通过考核后才能进入实验预约系统。

实验预约系统完成虚拟仿真实验的预约登记,在管理员授权的时间内登录仿真实验系统进行仿真实验。

仿真实验结束后,学生须在线提交实验报告,并可以对实验结果进行核对。实验报告包括实验评价数据、实验结果分析报告和实验方案改进措施等内容。教师完成在线答疑、报告批改、实验结果审核和实验统计管理等工作。

2.6 实验结果评价

仿真实验结束后,系统将生成仿真实验评价报告,依据评价阈值表(见表1和表2)对学生仿真实验数据进行评级,评价学生设计的管控策略方案的运行效果。指导教师批阅后,给出仿真实验项目成绩,学生可登录检索查看自己的成绩。

表1 实验结果评价指标及阈值

表2 仿真结果数据评级表

实验考核内容及各项考核内容满分设置如下：

(1) 预习环节：理论知识是否达到预习要求(10分)；预习报告是否提交并填写完整(10分)

(2) 实验操作：检测子系统是否完成仿真调试与数据提取(10分)；控制子系统是否完成仿真调试与控制设置(10分)；控制策略与应急处置方案是否合理有效(20分)；

(3) 实验结果：仿真结果数据是否合理(10分)；

(4) 实验报告：实验报告完整,目的、原理、内容、步骤完善(10分)；能够对实验结果进行有效数据分析(10分)；能够对实验内容进行进一步思考和改进措施(10分)。

3 实验项目建设效果

虚拟仿真实验项目面向长安大学自动化(交通控制)、计算机科学与技术(交通信息工程)、交通工程等专业三年级、四年级本科生和研究生在线开放。根据用户端登录和实验结果统计数据,2017年参加并完成本项实验的学生共有2 237人,实验考核结果如表3所示。

表3 2017年实验成绩分布(人)

实验考核验证了实验项目建设的合理性和实验平台的可行性。实验项目利用专业最新技术成果,面向实际教学问题,解决了隧道交通控制领域长期以来实验项目由于存在高成本、高消耗和不可逆操作而无法开出实际运行条件下的大型系统综合实验项目的难题。但由于2017年是实验项目开设的第一年,部分学生对平台操作不熟悉、实验方案尚不尽合理,所以考核成绩主要集中在“良”“中”“及格”3个等级。今后,通过在教学实践中对实验在线开放和虚拟仿真模式的不断推广,并对仿真平台和在线业务管理平台的不断完善,仿真实验单项成绩分布会进一步趋向合理。

4 结语

基于虚拟仿真理念,融合“互联网+”思维,面向隧道环境管控问题,建设了互联网+隧道交通环境管控虚拟仿真实验项目。在选取实际隧道现场场景基础上,通过对环境检测子系统的仿真实验,学生可以更好地掌握隧道CO浓度、能见度、风速、车流量等环境参数的检测方式,分析各参数对隧道环境的影响；通过对隧道控制子系统的仿真,可以提高对照明、通风、消防、诱导信息等控制系统的系统认知；通过综合设计隧道管控方案和策略,提高对隧道管控系统的综合设计能力。