郭伟北京警察学院摘 要：随着我国经济的发展，汽车的普及和机动车保有量的快速增长，交通问题成为制约城市可持续发展的关键因素。
交通管理与控制是城市道路交通管理专业的核心课程，为了更好地培养学生的专业知识和实践技能，提高教学水平，文章提出将仿真软件引入到实验教学中，通过分析实验教学内容和设计思路，介绍了用仿真软件进行交通信号控制方案设计和仿真分析的基本流程，最后对教学效果进行了评价。
关键词：仿真软件;交通管理;实验教学;应用分析;作者简介：郭伟（1982—）,男,博士,工程师,研究方向：交通管理科技。
;基金：2022年度北京警察学院教研项目“交通管理与控制综合实验室二期项目建设研究”（2022JYB19）;0 引言随着智能交通系统（ITS）的快速发展，我国已经形成了完善的交通信号控制系统，交通管理部门对交通信号控制专业人才的需求日益迫切。
在我国高等工程教育改革的背景下，部分高校都将交通信号控制课程纳入了本科教育培养计划中。
目前，国内在该课程实验教学中应用比较广泛的有仿真软件和实验平台2种。
仿真软件能较好地模拟实验过程，提高实验效率，降低实验成本。
但是，目前国内仿真软件种类繁多，各具优缺点，使用时需结合学生自身特点合理选择。
该文结合交通管理与控制专业特点和高校人才培养目标，提出了一种基于软件平台的综合性实验教学方案，并在实际教学中得到了有效应用。
1 交通仿真管理及仿真软件1.1 交通仿真随着计算机技术的不断发展，交通仿真软件也应运而生。
在此基础上，该文提出一种基于计算机数值模拟的交通情况分析技术与方法。
这是计算机模拟技术在交通运输当中的一项关键应用，因为它可以很直观地反映道路交通运输网络中的车辆运行状况。
因此，在各类交通道路规划、交通控制管理方案的设计中，交通仿真可以给交通工程研究人员带来更加详细和精确的决策辅助。
1.2 仿真软件简介仿真软件是一种通过计算机对交通系统中的各因素进行模拟仿真，使之符合实际的系统。
其中，交通信号控制系统、道路交叉口的信号控制、道路网络的智能交通管理及各种交通事故仿真软件等都是常用的仿真软件。
交通信号控制系统（Control System in Traffic），是将信号灯作为一个控制单元，对整个路网中的交通流进行调节和控制，使其达到平衡状态。
在该系统中，通过设置不同的信号灯组合，实现不同交通信号控制方案。
而道路交叉口信号控制系统（Road Signal Control System in Range）则是用信号灯来控制交叉口车辆的放行，以达到缓解或改善交叉口拥堵现象，减少交通事故发生的目的。
道路网络智能交通管理与事故仿真软件（Road System-Intelligence）则是在计算机上模拟车辆和道路之间的相互作用，使车辆按照一定规则行驶，从而使交通系统达到最优的运行状态。
2 常用的交通仿真软件交通仿真软件主要包括交通规划软件、宏观交通仿真软件、中观交通仿真软件、微观交通仿真软件以及交通信号的最优控制软件。
当前最普遍使用的交通仿真软件包括：VISSIM是一款由德国PTV企业所开发的微观仿真系统。
VISSIM系统主要包括车辆模拟模块和车辆状况发生模块。
两者可以进行车辆状况的交互处理。
VISSIM系统充分考虑了城市公共汽车的构成和运行特征，将摩托车、自行车和行人作为主要的交通流构成因素。
该系统不仅能够在线生产实时可视化的车流状态，而且还能够在离线情况下统计出行时间和排队长度等相关的信息。
由西班牙TSS公司开发的AIMSUN系统，是国内首个将宏观、中观和微观模型集成到一个单一的软件中的交通仿真系统，这三个模型之间可以得到很好的交互，实现对各个层面之间的再利用。
AIMSUN是以离线的交通工程问题为基础，将交通仿真技术运用到“交通管理与控制”的实验中。
该文简要介绍了交通仿真技术的特征和目前普遍使用的一些模拟软件，并结合十字路口的信号灯配时和模拟流程，将VISSIM运用到实验中，为企业的管理问题提供帮助[1]。
国际上具有代表性的道路交通网络仿真软件，已通过多年的实践检验和改进，技术已经较为成熟和专业，但大多数具有较强的操作接口，仿真道路交通模型的构建步骤较为繁琐，模拟参数的校准也较为困难。
因此，道路交通管理人员和设计人员都需要通过专业的培训和学习才能熟练使用，这个特性制约着国外交通仿真软件在实际交通管理部门中的推广和普及。
Dyna CHINA是一款完全独立开发的道路交通网络流量分析和实时道路状况的预报软件。
该项目的研究内容主要包括：动态交通需求分析，动态交通分配、离散交通选择模型、在线实时交通仿真、在线/离线模型的校准等。
该项目将为ATMS/ATIS在智慧交通领域的应用提供模拟测试、分析、优化和评估的方法，从而为更好地缓解城市交通拥堵，提高城市居民的生活水平和生活品质提供帮助[2]。
3 实验教学内容及方法该实验教学方案将交通信号控制系统的几个关键部分，如交通流预测、交通信号控制方案设计、交通信号优化等融入实际实验中。
学生在充分理解基本理论知识后，利用所学软件进行仿真实验，然后与实际结果对比分析，掌握理论知识应用的同时，培养学生自主分析问题和解决问题的能力。
具体的实验教学内容包括：第一，建立仿真平台，获取交通流数据和道路数据。
第二，设计并实现仿真模型，如排队长度、延误时间等。
第三，对仿真模型进行测试与优化，提高模型精度。
第四，通过调整设计参数使系统达到最优性能。
3.1 基础知识演示层基础知识演示层主要包括基本概念、基本理论和方法。
在基础知识演示层中，学生能够通过课堂讲解和观看视频掌握交通管理与控制的基本理论知识。
学生通过学习相关理论知识，掌握交通流基本特征以及交通流预测的基本方法；了解交叉口信号控制系统的设计思路和控制流程，理解交叉口信号控制系统的设计原则。
此外，在基础知识演示层中还会穿插一些相关知识拓展，如交叉口通行能力计算方法、车辆延误计算方法、信号周期长度的计算方法等。
在基础知识演示层中，为了让学生更好地理解和掌握交通流的基本概念和特征，学生将通过观察视频对交通流的描述方法进行学习。
为了加深学生对交通流特征的理解，将课堂讲解内容和视频内容相结合，在课堂讲解过程中，播放视频并讲解其中重要的知识点；在视频讲解后，通过视频回放让学生进行复习；之后通过实验演示对相关知识进行验证，从而加深学生对交通流特征的理解，提高学生解决实际问题的能力。
3.2 仿真实验层仿真实验层主要包括数据采集、参数设置、算法开发和输出结果4个功能模块。
学生通过课程学习，可以了解交通流基本知识，建立交通流模型。
为了验证模型的有效性，需要将仿真平台中的数据导入到实验平台中。
仿真平台的数据采集功能包含两部分：一是通过GPS设备采集车辆和行人的轨迹数据；二是利用计算机采集交通流数据，包括车辆、行人在各个路口的流量、速度等。
同时，利用VISSIM仿真软件模拟车流量、车速和平均车速等参数，将交通流仿真模型与VISSIM仿真模型进行对比分析。
此外，实验层还提供了一系列算法模块，包括行程时间算法模块、排队长度算法模块、延误与排队长度关系模块以及绿灯时间优化算法模块等。
学生可以通过这些算法模块进行实验研究。
例如，在行程时间算法模块、延误时间算法模块以及延误与排队长度关系模块中，通过改变绿灯时间长度来调整车辆平均排队长度。
4 当前实验教学的现状实验教学是理论教学的重要补充，是培养学生创新能力的重要手段。
长期以来，由于经费、场地等因素的限制，实验教学工作一直受到了不同程度的影响和制约。
目前，“交通管理与控制”实验教学主要采用以理论讲解为主、现场操作为辅的方式进行。
例如，在介绍城市道路交通信号控制方案设计时，需要进行城市道路交通信号控制系统模型搭建、控制方案设计等，以理论讲解为主；在讲解交叉口信号配时设计时，需要进行交叉口信号配时方案设计、交叉口交通冲突分析等，以现场操作为辅。
由于实验内容相对单一，无法满足学生实践创新的需求，因此，为了培养学生的创新能力和实践能力，需要将仿真软件引入实验教学中。
4.1 传统实验教学存在的问题传统的“交通管理与控制”实验教学，由于受实验设备、场地等因素的限制，通常只安排几个简单的实验项目。
由于实验项目太少，学生无法通过实验了解基本的交通组织管理知识，掌握道路交通控制系统的基础知识和基本操作技能，也无法将所学理论知识应用到实际生活中。
同时，传统的“交通管理与控制”实验教学主要是针对几个简单的交叉口进行，没有考虑城市道路路网结构的复杂性以及交叉口与主干道之间的联系，使得学生无法多角度分析道路交通信号控制系统。
此外，传统“交通管理与控制”实验教学中存在着设备维护成本高、使用不方便等问题。
上述诸多问题严重影响了“交通管理与控制”实验教学的效果[3]。
4.2 仿真软件在交通管理与控制实验教学中的应用优势仿真软件具有可视化的界面、真实的交通环境、多种交通模型的实现以及强大的计算和分析功能，能够帮助学生实现对城市道路交通控制系统模型、控制方案设计、冲突点分析等多方面的研究。
对于城市道路交通管理与控制实验教学而言，通过将仿真软件引入实验教学，既可以使学生在课下进行城市道路交通信号控制系统模型搭建和控制方案设计，也可以在课上通过虚拟仿真实验的形式，对交叉口信号配时设计、信号冲突点分析等进行深入探究。
通过这种方式，既可以将理论知识和实践操作进行有机结合，也可以促进学生创新思维和综合素质的提升。
5 交通仿真技术在实验教学中的应用交通管理和控制是交通工程中的一个关键内容，它的目的就是要将交通管理和技术管理、工程技术、交通信号控制等结合起来，以达到安全、有序、畅通和可持续发展的目的。
在实际应用中，由于道路状况变化，其影响程度也会有很大差别。
纯粹的理论课程会让学生感觉枯燥无味，也不利于培养出具有强大的实践能力、能够较快地适应在交通管理实践部门中工作的警务人员。
但是，借助交通仿真软件，可以对这一问题高效地处理解决。
在此过程中，学生可以自己设计出不同的交通管理与控制方案，更好地观察到控制方案对交通运行产生的效果，从而提升学生的学习兴趣、解决实际问题的能力以及创造性的发展能力。
在有条件的地方，教师可以在城区选择一个或几个交叉路口，让学生全面分析和研究，最终实现对单个交叉路口控制、干线协调控制、区域交通面控制系统信号配时方案的设计[4]。
(1）在进行交通运输状况的调研与分析时，主要从收集路口的交通流与基本的设计信息入手，通过对实际交叉路口的流量进行调研，并对其进行观察，从而获得所需要的数据信息。
(2）计划方案。
在此基础上，指导学生根据实际情况进行初步规划，其中，最重要的就是对十字路口的道路进行分区修改，如何设定信号灯配时，设定后会产生什么样的效果，以及对禁止左右转弯的情况进行评估。
(3）模型的校准与验证。
在进行仿真模拟时，需要对模型特征、通行能力等多次进行修正，以确保仿真模拟的结果与真实状况相符。
(4）仿真模拟分析。
引导学生根据不同的设计方案，构建VISSIM仿真路网，以路网的模型为依据，以实测的道路交通或者OD矩阵为基础，通过对每个路口的流量数据进行加载，建立路段和接头，并对其进行交通流的路径选择设置以及交通冲突设置。
之后，对信号控制器以及对信号灯设置信号周期、信号相位、红灯时间、黄灯时间等数据。
在对各个策略进行模拟和比较之后，从评估文档中选取所需的交通时间、延误时间和排队长度等指标。
(5）项目比较与完善。
通过仿真模拟输出的结果，可以发现信号配时中存在的问题，从而不断地对方案进行调整，之后，对路口的信号配时进行重新设计，对每一个方案进行评价，直至找到一个最佳方案。
通过将交通仿真技术运用到交通管理与控制的实验教学中，可以加强对学生创造力和动手能力的培养，还可以增强他们自身的信息素养和环保意识。
在课程结构方面，强调了对学生工作能力和素养的培养，并利用信息技术将课程进行有效集成，从而提升将课堂教学的专业理论与公安交通管理实践相结合的能力，同时充实了对理论和管理实践相结合方面的内容。
在学生学习方式方面，着重强调了学生可以独立自主地探索问题，并将问题的学习模式作为重点。
同时，对学生收集和处理信息的能力、交流与合作的能力进行重点阐述，对学生的学习过程进行重点关注。
6 结语当前，我国对城市道路交通仿真软件进行了较为全面的研究，然而，在城市道路交通的仿真领域，还没有一种方法能够对城市道路的微观情况进行全面模拟。
未来，基于ITS规划评估要求的仿真软件研发以及ITS应用程序研发，将成为城市道路管理未来创新发展的技术需求。
参考文献[1] 吴伟. Synchro在交通管理与控制实验教学中的应用[J].实验技术与管理, 2016(8):137-140+198.[2] 黄兴华.交通仿真技术在“交通管理与控制”实验教学中的应用[J].电子技术与软件工程, 2015(6):80.[3] 吕贞,李成兵. VISSIM仿真软件在“交通管理与控制”实验教学中的应用[J].科技视界, 2013(18):24+70.[4] 翟京,赵韩涛.仿真软件在“交通管理与控制”实验教学中的应用[J].价值工程, 2012(9):143.声明：我们尊重原创，也注重分享。
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