倪穎 孫劍 惠英

[摘 要] 針對(duì)交通工程現(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)主要依托基本交通宏、微觀仿真軟件工具獨(dú)立開(kāi)展，難以支撐交通系統(tǒng)多要素和全過(guò)程分析，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景庫(kù)匱乏難以支撐學(xué)生多層次多樣化任務(wù)需求，以及現(xiàn)有主干課程體系貫通性不足等問(wèn)題，構(gòu)筑了交通工程“三全協(xié)同”虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，即全過(guò)程實(shí)驗(yàn)工具鏈、全場(chǎng)景柔性場(chǎng)景庫(kù)-全貫通主干課程體系，體系要素緊密關(guān)聯(lián)、協(xié)同耦合，在支撐學(xué)生多層次實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐，滿(mǎn)足學(xué)生多樣化任務(wù)需求中發(fā)揮了重要的作用。

[關(guān)鍵詞] 交通工程;虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系;三全協(xié)同

[資助項(xiàng)目] 2019年度同濟(jì)大學(xué)研究生教育研究與改革重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目（ZD19070404）;2019—2020年同濟(jì)大學(xué)教學(xué)改革研究與建設(shè)項(xiàng)目

[作者簡(jiǎn)介] 倪 穎（1984—），女，安徽蕪湖人，博士，同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院副教授，主要從事交通仿真研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）36-0005-04? ? [收稿日期] 2021-02-27

一、引言

現(xiàn)代交通系統(tǒng)是復(fù)雜巨系統(tǒng)，人-車(chē)-路-環(huán)境-信息等系統(tǒng)構(gòu)成要素相互關(guān)聯(lián)、高度耦合，邊界開(kāi)放，眾多問(wèn)題難以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和理論建模進(jìn)行分析，而仿真則為復(fù)雜交通問(wèn)題的分析和解決提供了有效的工具和手段。近年來(lái)，新工業(yè)革命給交通學(xué)科帶來(lái)巨大沖擊，傳統(tǒng)的交通學(xué)科受大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等新技術(shù)的影響越來(lái)越明顯，交通工程進(jìn)入2.0時(shí)代，未來(lái)交通系統(tǒng)的發(fā)展將具有更大的不確定性，虛擬實(shí)驗(yàn)在交通問(wèn)題研究和交通工程人才培養(yǎng)中核心手段的地位愈加突出。與此同時(shí)，我國(guó)由“交通大國(guó)”邁向“交通強(qiáng)國(guó)”建設(shè)，標(biāo)志著交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展重點(diǎn)將由大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化運(yùn)行管理與服務(wù)，與傳統(tǒng)基于土木和力學(xué)體系的交通設(shè)施建造技術(shù)相比，基于信息和系統(tǒng)科學(xué)的交通仿真分析技術(shù)的作用將越來(lái)越重要[1]。“學(xué)科交叉、跨界融合”成為目前交通工程學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)的必由之路，而構(gòu)建完善的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系也是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的關(guān)鍵途徑。

二、交通工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

根據(jù)專(zhuān)業(yè)設(shè)置與認(rèn)證的相關(guān)要求，國(guó)內(nèi)各高校交通運(yùn)輸類(lèi)專(zhuān)業(yè)一般都開(kāi)設(shè)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(shí)驗(yàn)課程定位不準(zhǔn)、能力培養(yǎng)不強(qiáng)、實(shí)踐訓(xùn)練不力、教學(xué)輔助不足等問(wèn)題[1]，孫海浩等人認(rèn)為目前的交通工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系缺失，表現(xiàn)在教學(xué)課時(shí)不足、軟硬件平臺(tái)支撐不力、實(shí)驗(yàn)教材缺失和缺少專(zhuān)職實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍等方面[2]。近年來(lái)，不少高校的學(xué)者也在交通工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)[3，4]、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)[1，3-5]、實(shí)驗(yàn)配套教材與教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)[2-5]等方面進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐。然而，面向交通系統(tǒng)的重大變革和學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，目前的交通工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在以下的問(wèn)題。

（一）實(shí)驗(yàn)工具少、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景單一

現(xiàn)有的大多數(shù)交通工程虛擬實(shí)驗(yàn)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(jìn)行純虛擬的交通規(guī)劃類(lèi)、交通設(shè)計(jì)/管控類(lèi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工具少，虛實(shí)融合缺，且實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景單一，難以進(jìn)行交通工程不同要素組合的受控實(shí)驗(yàn)，以及開(kāi)展面向未來(lái)自動(dòng)駕駛、車(chē)路協(xié)同場(chǎng)景的虛擬實(shí)驗(yàn)。

（二）主干課程實(shí)驗(yàn)獨(dú)立，導(dǎo)致學(xué)生知識(shí)體系難以貫通

交通工程的主干課程包含交通系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理、控制，對(duì)應(yīng)交通系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)運(yùn)行管理的不同層面。研究對(duì)象屬性和特征不同，相應(yīng)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(xiàn)有主干課程及其實(shí)驗(yàn)相互獨(dú)立，上下游課程的輸入—輸出關(guān)系不清晰，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目碎片化、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)缺少集成整合，學(xué)生難以建立完整的交通工程知識(shí)體系。

（三）學(xué)生被動(dòng)接受，綜合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足

目前對(duì)于實(shí)驗(yàn)課的普遍認(rèn)識(shí)是鞏固對(duì)專(zhuān)業(yè)理論的已有認(rèn)知，同步實(shí)施技能訓(xùn)練。以應(yīng)用微觀仿真軟件的仿真實(shí)驗(yàn)為例，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多停留在“基礎(chǔ)路網(wǎng)構(gòu)建，仿真要素設(shè)置，單一維度評(píng)價(jià)，模型精度較低”的階段，學(xué)生缺少對(duì)微觀交通流建模及應(yīng)用全過(guò)程——“基礎(chǔ)模型構(gòu)建—模型標(biāo)定—多維評(píng)價(jià)—實(shí)驗(yàn)優(yōu)化”的理解和探索，因此無(wú)法切實(shí)地理解和掌握在工程實(shí)踐中“應(yīng)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(jié)合”等，也就是說(shuō)，缺乏應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真工具解決交通工程實(shí)際問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新意識(shí)[1]。

三、建設(shè)思路

基于上述問(wèn)題，筆者及所在研究團(tuán)隊(duì)提出了“三全協(xié)同”的交通工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，即構(gòu)筑“全過(guò)程實(shí)驗(yàn)工具鏈—全要素柔性場(chǎng)景庫(kù)—全貫通主干課程體系”，并通過(guò)科學(xué)研究、課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、創(chuàng)新競(jìng)賽等環(huán)節(jié)相互促進(jìn)、相互支撐，解決傳統(tǒng)教學(xué)模式中因?qū)嶒?yàn)工具缺乏、實(shí)驗(yàn)要素單一、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景不連續(xù)導(dǎo)致的學(xué)生知識(shí)體系不貫通、綜合能力及創(chuàng)新實(shí)踐能力不足的問(wèn)題，如圖1所示。

四、建設(shè)內(nèi)容

（一）全過(guò)程實(shí)驗(yàn)工具鏈

為彌補(bǔ)目前實(shí)驗(yàn)工具的匱乏，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)及軟硬件集成，研發(fā)了一系列實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)工具，為學(xué)生提供完全針對(duì)中國(guó)復(fù)雜交通特征，以及面向未來(lái)智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)工具，滿(mǎn)足交通規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理、控制的測(cè)試實(shí)驗(yàn)需求。

1.“軟件在環(huán)”虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包含具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、針對(duì)中國(guó)駕駛者及交通流特征的TESS NG微觀交通仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);基于國(guó)內(nèi)典型城市多源全方式交通數(shù)據(jù)和三維地圖引擎的城市交通規(guī)劃虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);以及面向智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境的車(chē)路協(xié)同虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（VISSIM+NS2）、智能汽車(chē)虛擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（VISSIM+PRESCAN， TESS+VTD）等。

2.“硬件在環(huán)”仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包含硬件在環(huán)信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，信號(hào)控制測(cè)試儀、診斷儀及優(yōu)化儀等系列教學(xué)設(shè)備;智能駕駛汽車(chē)場(chǎng)地測(cè)試汽車(chē)場(chǎng)地測(cè)試、虛擬—場(chǎng)地測(cè)試平行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等。