實驗簡介：

智能網(wǎng)聯(lián)交通是交通強(qiáng)國建設(shè)的重要內(nèi)容，其推廣應(yīng)用將大幅提升信號交叉口控制的實時性、主動性、協(xié)調(diào)性和精細(xì)化程度。平面交叉口作為城市路網(wǎng)的主要聯(lián)通節(jié)點，是交通擁堵誘發(fā)點和交通沖突常發(fā)點，其控制問題一直都是交通領(lǐng)域的研究熱點。

本實驗將智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交通管理控制的前沿科研成果反哺于實驗教學(xué)，立足新時代交通強(qiáng)國建設(shè)背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求，以交叉口信號控制原理和理論方法為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，使學(xué)生能夠同時從個體和全局的視角理解信號交叉口協(xié)同優(yōu)化設(shè)計原理，沉浸式地開展單點交叉口信號控制設(shè)計、干線交叉口綠波控制設(shè)計、區(qū)域交叉口協(xié)同控制設(shè)計、智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口信號協(xié)同控制設(shè)計等實驗，引導(dǎo)學(xué)生對智能網(wǎng)聯(lián)交通前沿技術(shù)進(jìn)行自主探索與積極實踐，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)自豪感和投身交通強(qiáng)國建設(shè)的使命感。

實驗背景：

“智能網(wǎng)聯(lián)場景下信號交叉口協(xié)同控制虛擬仿真實驗”聚焦于“智能網(wǎng)聯(lián)”和“信號交叉口協(xié)同控制”兩個焦點，其必要性體現(xiàn)在：

（1）智能網(wǎng)聯(lián)交通是交通強(qiáng)國建設(shè)的重要內(nèi)容，其推廣應(yīng)用將大幅提升信號交叉口控制的實時性、主動性、協(xié)調(diào)性，本項目將核心技術(shù)轉(zhuǎn)化為實驗內(nèi)容，體現(xiàn)了實驗的挑戰(zhàn)度和高階性。

交通是興國之要、強(qiáng)國之基。我國正由“交通大國”邁向“交通強(qiáng)國”建設(shè)，標(biāo)志著交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展重點將由大規(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)。智慧交通是交通運(yùn)輸現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，是交通強(qiáng)國建設(shè)的重要內(nèi)容。智能網(wǎng)聯(lián)交通技術(shù)是當(dāng)前交通領(lǐng)域革命性的創(chuàng)見和行業(yè)科技發(fā)展前沿。我國政府對此高度重視，相繼出臺了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》、《交通強(qiáng)國》、《開展智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施與智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同發(fā)展試點工作》等一系列政策，推動智慧交通應(yīng)用，加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化、車城一體化協(xié)同發(fā)展。平面交叉口作為城市路網(wǎng)的主要聯(lián)通節(jié)點，是交通擁堵誘發(fā)點和交通沖突常發(fā)點，其控制問題一直都是交通領(lǐng)域的研究熱點。本實驗將智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口管理控制的前沿科研成果反哺于實驗教學(xué)，立足新時代交通強(qiáng)國建設(shè)背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求，以交叉口信號控制原理和理論方法為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，有效解決交通工程實際問題，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)自豪感和投身交通強(qiáng)國建設(shè)的使命感。

（2）實驗面臨“智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境難以實物化”、“交叉口信號配時過程難以可視化”、“交叉口協(xié)同控制效果難以形象化”的難題，必須通過虛擬仿真實驗將現(xiàn)實中含安全風(fēng)險、強(qiáng)抽象操作的信號交叉口協(xié)同控制變得可重復(fù)、可分析、可探索，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、科學(xué)素養(yǎng)和工匠精神。

交叉口是城市道路網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其交通沖突集中、交通行為復(fù)雜，設(shè)計方案影響因素眾多，且各交叉口之間交通流關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，需根據(jù)路網(wǎng)交通流實際分布情況，識別關(guān)鍵路徑，進(jìn)行信號交叉口協(xié)同管控設(shè)計。與此同時，智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的推廣與應(yīng)用對交通行業(yè)帶來革命性的影響。在智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下，車輛與車輛、車輛與道路間能夠進(jìn)行實時信息交互，車輛與車輛、車輛與道路間耦合關(guān)系發(fā)生本質(zhì)變化，交通流運(yùn)行較傳統(tǒng)交通環(huán)境存在明細(xì)差異，對城市交叉口信號協(xié)同優(yōu)化設(shè)計提出了新挑戰(zhàn)。但僅僅依靠理論教學(xué)難以達(dá)到讓學(xué)生深入理解和靈活運(yùn)用基本原理的效果，因而開展相關(guān)實驗很有必要。常規(guī)實驗方法包括城市路網(wǎng)沙盤演示與基于微觀仿真軟件的仿真實驗，前者僅具有展示效果，功能性較弱，后者雖然功能性較強(qiáng)，易于普及，但是學(xué)生參與感非常低，同時已有交通微觀仿真技術(shù)都建立在傳統(tǒng)交通流模型的基礎(chǔ)上，對智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交通流的適應(yīng)性和有效性仍有待驗證。因此，利用虛擬仿真技術(shù)開展智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下信號交叉口協(xié)同優(yōu)化設(shè)計的實驗教學(xué)十分必要，對虛擬智能網(wǎng)聯(lián)場景生成和網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交通運(yùn)行的仿真具有非常重要的意義。

（3）學(xué)生在智能網(wǎng)聯(lián)虛擬現(xiàn)實中進(jìn)行交叉口協(xié)同控制實驗，增強(qiáng)了學(xué)生對交通工程專業(yè)課程的理解和應(yīng)用能力，引導(dǎo)學(xué)生對智能網(wǎng)聯(lián)交通前沿技術(shù)進(jìn)行自主探索與積極實踐。

智能網(wǎng)聯(lián)場景下信號交叉口協(xié)同控制實驗，涉及交通工程專業(yè)的核心主干課程《交通工程綜合設(shè)計》、《交通管理與控制》，同時將團(tuán)隊成員將所掌握的國際領(lǐng)先的交通管理與控制技術(shù)知識與自主研發(fā)的最新科研成果轉(zhuǎn)化為多樣化虛擬教學(xué)資源。通過對城市路網(wǎng)交叉口場景、智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境數(shù)據(jù)交互、交通流仿真模擬、多自由度駕駛模擬平臺等方面的高度仿真，使學(xué)生能夠同時從個體和全局的視角理解信號交叉口協(xié)同優(yōu)化設(shè)計原理，沉浸式地開展交叉口信號協(xié)同優(yōu)化設(shè)計、智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口信號控制策略設(shè)計等實驗，引導(dǎo)學(xué)生對智能網(wǎng)聯(lián)交通前沿技術(shù)進(jìn)行自主探索與積極實踐。實驗完成后，就不同設(shè)計方案從緩解交通擁堵、提升交通安全、減少碳排放等不同方面進(jìn)行對比評價，從而達(dá)到深刻理解設(shè)計原理，提高科研素養(yǎng)的目的。

設(shè)計原則：

“智能網(wǎng)聯(lián)場景下信號交叉口協(xié)同控制虛擬仿真實驗”以三維虛擬現(xiàn)實為基礎(chǔ)，結(jié)合實際路網(wǎng)交通流量數(shù)據(jù)，開展虛擬實際操作，其先進(jìn)性主要包括：

（1）項目以實際道路網(wǎng)絡(luò)為藍(lán)本開展實驗，并拓展到智能網(wǎng)聯(lián)交通場景，體現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)和實驗場景的先進(jìn)性。依托東南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)科優(yōu)勢（雙一流建設(shè)、第四輪評估A+），結(jié)合項目負(fù)責(zé)人主持完成的國家重點研發(fā)計劃項目“面向動態(tài)網(wǎng)絡(luò)均衡的城市交通誘導(dǎo)與信號控制協(xié)同技術(shù)”（2018YFE0120100），積累了真實、豐富的路網(wǎng)交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，而且對智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口協(xié)同優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵難點及解決方案具有深刻認(rèn)識。將這些成果轉(zhuǎn)化為本項目的功能設(shè)計和實驗步驟開發(fā)，保障了實驗項目真實性和理論方法的先進(jìn)性。

（2）智能網(wǎng)聯(lián)交通是加快建設(shè)交通強(qiáng)國、科技強(qiáng)國、數(shù)字中國的重要創(chuàng)新引擎，體現(xiàn)了實驗對象和實驗元素的先進(jìn)性。本實驗從傳統(tǒng)單點交叉口信號控制延伸到智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口群協(xié)同優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)路網(wǎng)交通流的精準(zhǔn)管控與協(xié)同服務(wù)，符合《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》中智慧交通戰(zhàn)略要求?；谠贫斯蚕硖摂M仿真平臺，模擬不同信號控制設(shè)計方案對應(yīng)的交通運(yùn)行狀態(tài)，并實時輸出平均車速、排隊長度、碳排放等評價指標(biāo)，進(jìn)而不斷優(yōu)化設(shè)計方案，凸顯了智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計的新思路。

（3）項目基于Webgl版本開發(fā)應(yīng)用環(huán)境，3D可視化效果強(qiáng)，用戶使用便捷，體現(xiàn)了軟件開發(fā)技術(shù)的先進(jìn)性。本實驗系統(tǒng)包含多個層級，涉及多種原理與方法，層層遞進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣。系統(tǒng)畫面設(shè)計簡潔美觀，具有科技感，整體邏輯經(jīng)過反復(fù)修改論證。實驗配設(shè)了“新手引導(dǎo)”“步驟引導(dǎo)”和“知識提示”等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生可以快速理解實驗?zāi)康呐c流程。實驗中智能網(wǎng)聯(lián)場景、交叉口交通流運(yùn)行狀況、路網(wǎng)交通流分布等相關(guān)工況場景利用3D技術(shù)高度還原現(xiàn)實場景，用戶可以進(jìn)行深度情景體驗，類似游戲操作的實驗方式增加了學(xué)生的實驗熱情。

此外，此虛擬仿真系統(tǒng)采用C#開發(fā)語言，基于Unity開發(fā)引擎發(fā)布的webgl版本的應(yīng)用，采用主要websocket協(xié)議實現(xiàn)與服務(wù)器的通信和數(shù)據(jù)傳輸，3DMAX和Maya實現(xiàn)3D圖形可視化。系統(tǒng)運(yùn)行平臺：windows 8\windows 10，火狐瀏覽器、谷歌瀏覽器（64位）。用戶使用輕便化，無需下載安裝應(yīng)用，直接打開網(wǎng)頁即可運(yùn)行該虛擬仿真系統(tǒng)。

實驗?zāi)繕?biāo)：

本項目實驗內(nèi)容源于工程實際和科研前沿，經(jīng)過進(jìn)行設(shè)計，構(gòu)建出“理論方法教學(xué)+虛擬交通仿真+真實路網(wǎng)實踐”實驗架構(gòu)，設(shè)計了“操作性考核+測試性考核+嘗試性考核+創(chuàng)新性考核”實驗?zāi)繕?biāo)達(dá)成度多維評價方法，全面提升學(xué)生理論理解、操作實踐和創(chuàng)新能力。目的是讓學(xué)生通過“理論方法教學(xué)”夯實交叉口信號控制理論知識，通過“虛擬交通仿真”加強(qiáng)控制系統(tǒng)感知和知識理解，最終在虛擬環(huán)境下進(jìn)行“真實路網(wǎng)交叉口信號控制設(shè)計實踐”。項目針對實驗中既包含對學(xué)生操作性、測試性等常規(guī)要求，也包含嘗試性、創(chuàng)新性的高階要求，設(shè)計了“操作性考核+測試性考核+嘗試性考核+創(chuàng)新性考核”多維評價方法，實現(xiàn)了對學(xué)生實驗的知識評價、過程評價、能力評價。目標(biāo)是提升操作技能和培養(yǎng)創(chuàng)新能力，并且培養(yǎng)學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問題-分析問題-解決問題”的高階學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

知識目標(biāo)：

（1）熟練掌握“單點交叉口信號控制”、“干線綠波信號控制”和“區(qū)域交叉口協(xié)同控制”基本原理和設(shè)計方法；

（2）掌握智能網(wǎng)聯(lián)條件下，車隊行駛速度、交叉口信號配時、交叉口之間的綠燈時差等多變量協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法；

（3）深刻理解交通事故場景下“事故自動感知、信息實時交互、信號智能優(yōu)化、誘導(dǎo)精準(zhǔn)有效”的全流程智慧管控策略。

能力目標(biāo)：

（1）提高學(xué)生對基礎(chǔ)專業(yè)知識的理解能力及在智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下的應(yīng)用能力；

（2）引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行規(guī)律探究、自主設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生高階學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力；

（3）培養(yǎng)學(xué)生解決多變量協(xié)同優(yōu)化復(fù)雜問題的綜合設(shè)計能力和高級思維。 

素養(yǎng)目標(biāo)：

（1）遵循科學(xué)思維方式，探索交叉口協(xié)同控制問題的本質(zhì)和規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、細(xì)致的觀察力、耐心的精神和創(chuàng)新的意識；

（2）多次嘗試不同組合尋找最優(yōu)方案，增強(qiáng)學(xué)生經(jīng)過刻苦探究收獲能力和素質(zhì)提高的成就感。

思政目標(biāo)：

（1）深刻領(lǐng)悟我國《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》中的智慧交通戰(zhàn)略要求，培養(yǎng)學(xué)生大國工匠精神和卓越工程師意識；

（2）激發(fā)學(xué)生的專業(yè)自豪感、社會責(zé)任感和投身交通強(qiáng)國建設(shè)使命感。

實驗要求：

 1、專業(yè)與年級要求

本實驗適用于交通運(yùn)輸類中的交通工程專業(yè)、交通運(yùn)輸專業(yè)學(xué)生。相關(guān)實驗步驟可拓展至地理信息科學(xué)、道路橋梁與渡河工程等專業(yè)交通類方向課程的輔助學(xué)習(xí)。

實驗對應(yīng)的核心知識點與《交通工程綜合設(shè)計》、《交通管理與控制》課程直接關(guān)聯(lián)，也適用于《交通規(guī)劃》、《交通設(shè)計》等課程的相關(guān)知識、能力要求的培養(yǎng)。適合本科3、4年級學(xué)習(xí)，部分實驗步驟還可應(yīng)用于學(xué)生畢業(yè)設(shè)計和課外研學(xué)過程中的創(chuàng)新實驗。

2、基本知識和能力要求

進(jìn)行本實驗學(xué)習(xí)的學(xué)生，應(yīng)對《交通管理與控制》、《交通設(shè)計》中的交叉口渠化設(shè)計、信號控制方案設(shè)計有基本的了解，對多因素、多目標(biāo)要求的交通控制方案設(shè)計有綜合必選和應(yīng)用能力。