面向研究生教学的交通系统仿真案例库建设

吐尔逊·买买提，谢海巍，刘尊青，李 鑫

（新疆农业大学交通与物流工程学院 新疆 乌鲁木齐 830052）

2015 年以来，教育部等各级教育管理部门通过出台多种举措积极推动了基于VR的虚拟仿真教学中心的建设工作，并积极推进基于仿真技术的课堂和实践教学。通过立项的方式组织领域的相关专家建设多源异构及海量的可以用于虚拟仿真的资源交换平台以及全时域、半实物、全过程及虚拟现实的铁路交通仿真一体化实验教学中心，并提供了案例库资源；西南交通大学在研究生教学层面上采用基于J2EE 的分布式技术实现开放与共享的在线教学环境及案例库；中山大学通过交通工程虚拟仿真实验教学中心的教学案例及资源平台建设了服务于本科生的交通工程教学案例库。部分院校基于“互联网+”的思想，将隧道控制理论与虚拟仿真实验技术相结合，提出隧道虚拟仿真实验教学的建设思路及方案。

为适应专业学位硕士研究生教学的客观需求、推动研究生培养模式的改革、提高研究生培养质量，2013 年5 月，国务院学位办和教育部成立了中国专业学位案例中心。案例中心根据中国专业学位案例教学现状，确定了“统筹规划、分步实施，整合资源、共建共享”的建设原则，以期通过多方共同努力，将案例中心建设成为我国专业类别最全、案例数量最多、特色明显、获得广泛认可的国家级案例中心，从而有效支撑我国相关专业学位课程案例库教学，促进专业学位案例教学水平的提高，推动专业学位研究生培养模式改革与创新。

根据交通运输硕士专业学位研究生的培养方案，面向交通基础设施工程、综合运输与物流工程和交通安全与环境等专业方向建立课堂教学案例库，在建设硕士研究生教学资源库、促进硕士研究生教育教学改革、提高人才培养水平等方面具有重要意义。

1 概述

“交通系统仿真”课是交通与物流工程学院专业学位硕士研究生专业方向课，是交通工程学、计算机仿真技术以及实验交通工程学相互交叉的一门跨学科课程。“交通系统仿真”依靠计算机建模仿真技术，对人、车、路、环境因素组成的交通系统进行大尺度、全方位的模拟，从而为科学地评价交通运输体系的综合效益以及分析重大交通建设项目对复杂系统产生的影响提供方法和手段。

在交通类专业课堂教学和实践教学中，由于实地实验的高成本、高消耗、存在不安全因素等，因而在实验教学中难以进行实地课程教学实验。基于交通仿真的虚拟仿真技术开发与实地交通系统相一致的交通类专业案例库，为解决交通专业研究生教育课堂和实践教学中的问题提供了有效的途径。

2 交通系统仿真案例库建设现状

近年来交通与物流工程学院在制订培养方案和执行硕士研究生教学任务过程中，在学校的大力支持下更加重视并积极推动案例教学并取得了良好的效果。

2.1 仿真平台建设基础

在互联网、大数据以及智能交通的新形势下，为了更好地适应领域发展趋势，使得学院教学和科研工作更上一个台阶，学院领导非常重视学院信息化建设，投入资金购买IBM 服务器、惠普工作站等设备，并建设了2 间由102台台式机组成的交通信息技术实验室。目前学院实验中心拥有Nano sense vehicle classifier system（车辆分类系统）、车辆信号采集系统等交通数据采集和分析硬件平台，为今后项目的顺利实施提供硬件支持。

近年来，学院先后投入60 多万购买了交通规划软件Trans Cad，交通仿真软件TransModeler、微观交通仿真软件PTV Vissim、宏观交通仿真软件PTV Visum，并先后应用于教学科研当中，这些软件可以为交通系统仿真教学案例库建设提供平台支撑。目前，学院交通信息技术实验配备的PTV Vissim交通仿真软件由于其功能全面，开设交通类专业的高校大多使用该软件进行本科及硕士研究生的交通仿真课堂及实践教学。课题组成员承担硕士研究生课程任务过程中充分利用学院软硬件平台，发挥专业优势，在交通仿真技术课程教学中已经建立了初步的课程习题库、作业库、课堂教学课件和在线课程的基本框架。结合课堂和实验教学的需要建立了PTV Vissim实验教学手册、案例教学手册、基本数据资源，为建立专业学位研究生教学案例库提供基础资源。

2.2 交通系统仿真案例库建设内容

本项目以“交通系统仿真技术”课程专业学位硕士研究生课堂教学和实践教学需求为导向、以案例库建设及案例教学为终极目标，依托高素质的教学团队，基于PTV Vissim仿真平台，将交通运输领域各方向的专业知识以及交通系统仿真技术充分融入案例库建设，建立“交通系统仿真”案例教学资源，从而为专业学位研究生课程教学提供开放、灵活并适合于多层面的教学资源平台。

2.2.1 信号控制交叉口交通效率仿真分析教学案例建设

交通效率分析是交通工程学学科的重要研究领域，也是提高交通管理水平，提高道路交通安全系数的重要手段。

教师在教学时可以运用PTV Vissim 软件建立交通效率分析仿真案例。在案例中结合信号交叉口，根据交叉口上下班高峰期交通流量数据，建立仿真模型。通过优化左转让直行车辆的规则，改变信号灯配时方案，改变不同类型驾驶员比例等方法，对信号交叉口的通行效率进行仿真，得到实际交叉口交通效率运行的对比仿真结果。案例中对调整该类型交叉口左转让直行的规则对交通效率的影响进行分析；同时对优化交叉口信号配时后的交通效率进行定量和定性分析。增加交叉口激进型驾驶员的比例，减少保守型驾驶员的比例，对交通效率的影响进行仿真分析。

通过此案例学生能更充分地掌握交通仿真技术在交通效率分析中的应用。

2.2.2 基于Vissim 交通仿真平台的交通事故影响分析交通仿真案例建设

对道路交通事故进行仿真，并提供对其进行分析的手段和平台是交通仿真技术的重要领域。高速公路发生交通事故时，由于事故车辆占用车道，造成事故路段形成交通瓶颈，影响路段的实际通行能力，导致事发路段的车辆延误和排队长度的增加。教师通过Vissim 仿真平台，建立高速公路基本路段仿真和路段上的交通事故仿真分析案例，分析不同交通量以及车型比例下，事故路段的行车延误和平均排队长度变化规律；基于案例对高速公路在事故情况下的有效通行能力进行仿真。对高速公路基本路段交通流中车辆组成对交通事故的影响、通行能力参数进行仿真分析。

通过该案例，学生可以掌握基于Vissim的交通事故仿真方法和步骤，并结合仿真案例分析为今后基于仿真技术分析交通流奠定基础。

2.2.3 仿真分析及评价道路交通排放案例库资源建设

Ptv Vissim 仿真软件作为功能强大的主流产品，在交通环境影响分析方面提供了较完善的功能。面向交通安全与环境方向专业学位硕士研究生的课堂教学需求建立基于Vissim 的交通排放测算模型和案例库。案例中通过模拟车辆行驶数据和Vissim仿真数据，分析比功率（vehicle specific power VSP）变化，并对基于仿真的车辆排放分析方法进行进一步的分析。

通过道路交通排放评价分析仿真案例教学，学生可以掌握基于Vissim 测算VSP 以及分析交通排放的方法，进而为今后从事基于仿真技术分析机动车污染物排放的相关研究奠定基础。

2.2.4 基于仿真技术的沥青路面养护效率评价案例库建设

针对交通基础设施工程方向的专业学位人才培养、课堂教学及实践教学需要，建立基于Vissim 仿真的沥青路面养护效率评价案例库。教学案例中为了定量分析沥青路面不同养护措施的养护效率，采用Vissim 交通仿真的方法建立不同的养护方案模型，对交通量、工作区长度及时间的不同变量水平进行交通仿真，得出行程延误、排队长度等指标并进行分析。案例中仿真分析采用新型养护技术，对工作区长度、封闭车道时间、车辆延误、排队长度的影响。该案例为学生在路基路面养护作业分析中引入仿真技术提供思路、方法和案例资源。

2.2.5 仿真分析及优化物流园区货运大道信号灯控制措施教学案例建设

根据综合运输与物流工程方向人才培养方案需要，建立面向货运大道信号灯控制及交通状况改善的Vissim仿真案例。

案例中根据现场调研和模拟的数据及相应算法，在Vissim 仿真软件基础上，对物流园区货车出入口信号控制配时方案进行仿真分析。为货运大道信号配时的合理化和优化提供仿真分析的步骤和方法。

在交通系统仿真技术课堂和实验教学中，将交通仿真技术与综合运输和物流工程领域的物流园区出入口信号控制优化相互结合，进而为学生提供物流园区区域交通管理和控制仿真方面的思路和方法。

2.3 建设目标

根据课程教学大纲、课程内容体系、学院目前具备的软硬件条件、国内相关案例建设现状以及建设内容制订以下建设目标。

面向交通安全与环境方向专业学位硕士研究生的课堂教学需求，建设包含案例教学实施方案、案例所需的交通流数据和完整的PTV Vissim 模型在内的信号控制交叉口交通效率分析、交通事故影响分析及道路交通排放评价分析仿真案例库资源。

针对交通基础设施工程方向的专业学位人才培养、课堂教学及实验教学需要，建立基于Vissim 仿真的沥青路面养护效率评价案例库（含案例教学实施方案、基础数据及Vissim 模型）。

根据综合运输与物流工程方向人才培养方案需要，教师运用Vissim平台建立货运大道信号灯控制及交通状况改善实践教学案例（含案例教学实施方案、基础数据及Vissim模型）。

在超星慕课平台(mooc.chaoxing.com)的基础上提供涵盖课程课件、教学案例库、习题库、作业库的“交通系统仿真技术”在线课程。

3 建设成果及分析

由于篇幅所限，本文主要介绍信控交叉口仿真案例。在城市道路交通中左转车流是影响交叉口通行能力的重要因素。合理优化左转车流路径可以有效提高通行效率、减少延误和交通事故。本文在建立信控交叉口交通效率分析案例时，从优化配时方案和引入新的引导左转交通流的方法入手建立了案例库。

3.1 路网建设

本例以阿勒泰路与哈密路交叉口为例介绍仿真模型构建方法（见表1）。

表1 阿勒泰路与哈密路路口设施几何设计参数

3.2 交通管理规则

阿勒泰路与哈密路十字路口在实际运行当中采用信号控制方法进行管理。本例在Vissim 平台中创建阿勒泰路与哈密路信控交叉口仿真模型。

3.3 交通状况

该交叉口的机动车主要由两种车辆组成和两种车辆的期望速度近似服从均匀分布。小汽车的期望速度为50―60 km/h，货车的期望速度分布区间为48―56km/h。

3.4 创建路网

根据表1 参数，创建路网。如图1 所示。

图1

3.5 交通管理仿真

交通管理规定了车辆在路段和交叉口运行时必须遵守的基本规则，对交通流的运行产生重要的影响。在Vissim仿真系统中，通过运用“冲突区域”交通管理对车辆之间让行关系。因为本例中的交叉口为信控交叉口，因此，交叉口对向车流中，需要为直行和左转车辆制定让行规则，其余车流应用信号控制方法，即无须做任何变动。

3.6 交通信号控制仿真

根据阿勒泰路与哈密路口交叉口交通控制方案，其信号控制仿真模型，可以按照下述步骤进行构建。

①新建信号控制机（信号控制/信号控制机），将其命名为阿勒泰与哈密路交叉口信号控制机，类型设置为“定周期”。

③添加信号灯头。操作方法：单击用户界面左侧“路网对象”栏中的“信号灯头”按钮，在各入口路段离交叉口大约1m―3m 处单击右键，选择“添加信号灯头”。图2 为信号配时方案。

图2 信号配时方案

3.7 仿真评估

教师通过对道路设施、交通管理、车辆和行人的仿真，建立阿勒泰路与哈密路十字路口完整的仿真模型，可以运行该模型，并观察仿真模型运行状况。模型运行结果表明，交叉各进口道的交通运行出现长排队情况。

为了更加客观准确地评估交叉口服务水平，还需要采集有关车辆运行状况的数据。鉴于该交叉口采取了信号控制方案，因此，评估该交叉口服务水平需要采集车辆在停车线前方的排队延误，可以通过设置数据采集设施予以实现（见图3）。

图3 左转车辆数据采集截面

4 结语

交通系统仿真技术发展至今，经历了各种阶段，从微观的单一车辆路径分析到宏观交通运输系统规划建设。其利用计算机的数学模型，对现实交通数据信息进行研究分析，将复杂的交通问题明确地展示出来，在交通规划发展、道路设计勘测、交通运行规则方面有着重要意义，大数据的加持和智能云端、AI 技术实现，智慧交通系统为交通系统仿真技术带来了新的机遇，仿真技术为智慧交通的发展提供了十分重要的技术支持。本文案例库为提高专业学位硕士研究生的教学质量、优化和丰富教学案例资源方面提供了借鉴。