交通工程“三全协同”虚拟实验教学体系建设

倪颖 孙剑 惠英

[摘 要] 针对交通工程现有虚拟实验主要依托基本交通宏、微观仿真软件工具独立开展，难以支撑交通系统多要素和全过程分析，现有实验场景库匮乏难以支撑学生多层次多样化任务需求，以及现有主干课程体系贯通性不足等问题，构筑了交通工程“三全协同”虚拟实验教学体系，即全过程实验工具链、全场景柔性场景库-全贯通主干课程体系，体系要素紧密关联、协同耦合，在支撑学生多层次实验和创新实践，满足学生多样化任务需求中发挥了重要的作用。

[关键词] 交通工程;虚拟实验教学体系;三全协同

[资助项目] 2019年度同济大学研究生教育研究与改革重点建设项目（ZD19070404）;2019—2020年同济大学教学改革研究与建设项目

[作者简介] 倪 颖（1984—），女，安徽芜湖人，博士，同济大学交通运输工程学院副教授，主要从事交通仿真研究。

[中图分类号] G642   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）36-0005-04    [收稿日期] 2021-02-27

一、引言

现代交通系统是复杂巨系统，人-车-路-环境-信息等系统构成要素相互关联、高度耦合，边界开放，众多问题难以通过现场观测和理论建模进行分析，而仿真则为复杂交通问题的分析和解决提供了有效的工具和手段。近年来，新工业革命给交通学科带来巨大冲击，传统的交通学科受大数据、人工智能、云计算等新技术的影响越来越明显，交通工程进入2.0时代，未来交通系统的发展将具有更大的不确定性，虚拟实验在交通问题研究和交通工程人才培养中核心手段的地位愈加突出。与此同时，我国由“交通大国”迈向“交通强国”建设，标志着交通运输行业发展重点将由大规模基础设施建设转向现代化运行管理与服务，与传统基于土木和力学体系的交通设施建造技术相比，基于信息和系统科学的交通仿真分析技术的作用将越来越重要[1]。“学科交叉、跨界融合”成为目前交通工程学科发展和人才培养的必由之路，而构建完善的虚拟实验教学体系也是培养学生综合能力和创新实践能力的关键途径。

二、交通工程虚拟实验教学存在的问题

根据专业设置与认证的相关要求，国内各高校交通运输类专业一般都开设交通仿真课程，但仍存在诸多不足。任刚等人指出了交通仿真实验课程定位不准、能力培养不强、实践训练不力、教学辅助不足等问题[1]，孙海浩等人认为目前的交通工程实验教学体系缺失，表现在教学课时不足、软硬件平台支撑不力、实验教材缺失和缺少专职实验队伍等方面[2]。近年来，不少高校的学者也在交通工程实验教学体系设计[3，4]、实验项目设计[1，3-5]、实验配套教材与教学队伍建设[2-5]等方面进行了有益的探索和实践。然而，面向交通系统的重大变革和学生创新实践能力的培养，目前的交通工程虚拟实验教学仍存在以下的问题。

（一）实验工具少、实验场景单一

现有的大多数交通工程虚拟实验是单纯的依托宏观交通仿真软件（如VISUM，TRANSCAD，TRANSTAR等）、微观交通流仿真软件（如VISSIM， TESS NG等）进行纯虚拟的交通规划类、交通设计/管控类实验。实验工具少，虚实融合缺，且实验场景单一，难以进行交通工程不同要素组合的受控实验，以及开展面向未来自动驾驶、车路协同场景的虚拟实验。

（二）主干课程实验独立，导致学生知识体系难以贯通

交通工程的主干课程包含交通系统规划、设计、管理、控制，对应交通系统规划设计运行管理的不同层面。研究对象属性和特征不同，相应的分析视角和尺度、分析手段和方法也存在显著差异。然而现有主干课程及其实验相互独立，上下游课程的输入—输出关系不清晰，实验项目碎片化、实验平台缺少集成整合，学生难以建立完整的交通工程知识体系。

（三）学生被动接受，综合能力和创新能力培养不足

目前对于实验课的普遍认识是巩固对专业理论的已有认知，同步实施技能训练。以应用微观仿真软件的仿真实验为例，传统实验项目大多停留在“基础路网构建，仿真要素设置，单一维度评价，模型精度较低”的阶段，学生缺少对微观交通流建模及应用全过程——“基础模型构建—模型标定—多维评价—实验优化”的理解和探索，因此无法切实地理解和掌握在工程实践中“应在什么情况下使用仿真”“如何合理使用仿真”“如何做好仿真”“怎样将仿真与其他手段相结合”等，也就是说，缺乏应用计算机仿真工具解决交通工程实际问题的能力以及创新意识[1]。

三、建设思路

基于上述问题，笔者及所在研究团隊提出了“三全协同”的交通工程虚拟实验教学体系，即构筑“全过程实验工具链—全要素柔性场景库—全贯通主干课程体系”，并通过科学研究、课堂教学、实验实践、创新竞赛等环节相互促进、相互支撑，解决传统教学模式中因实验工具缺乏、实验要素单一、实验场景不连续导致的学生知识体系不贯通、综合能力及创新实践能力不足的问题，如图1所示。

四、建设内容

（一）全过程实验工具链

为弥补目前实验工具的匮乏，通过自主开发及软硬件集成，研发了一系列实验系统和实验工具，为学生提供完全针对中国复杂交通特征，以及面向未来智能网联环境的实验工具，满足交通规划、设计、管理、控制的测试实验需求。

1.“软件在环”虚拟实验系统，包含具有完全自主知识产权、针对中国驾驶者及交通流特征的TESS NG微观交通仿真实验系统;基于国内典型城市多源全方式交通数据和三维地图引擎的城市交通规划虚拟实验系统;以及面向智能网联环境的车路协同虚拟实验系统（VISSIM+NS2）、智能汽车虚拟测试实验系统（VISSIM+PRESCAN， TESS+VTD）等。

2.“硬件在环”仿真实验系统，包含硬件在环信号控制实验系统，信号控制测试仪、诊断仪及优化仪等系列教学设备;智能驾驶汽车场地测试汽车场地测试、虚拟—场地测试平行实验系统等。