项目背景：平面交叉口智能信号控制实验为《交通工程学》的主要实验，涉及交叉口信号控制原理、道路通行能力、交通流理论、交叉口渠化设计与交通安全等相关知识。本实验按照虚实结合的原则，线下实体实验（交叉口交通调查及数据处理分析）4个学时，线上虚拟实验（平面交叉口智能信号控制虚拟仿真实验）2个学时。

平面交叉口智能信号控制虚拟仿真实验的开发成功极大地丰富了《交通工程学》的课程内容，从2019年开发的《平面交叉口信号控制虚拟仿真实验》以来，该实验上传国家级车辆与交通虚拟仿真实验中心，实现开放共享，截止2023年年底，共服务校内外学生600余人次。学生通过参加具有开发性、发散性的设计过程，提高对平面交叉口信号灯的设计能力、创新开发能力及独立解决问题能力。因此，该实验对培养具有低碳交通设计理念的现代智能信号控制复合型创新人才发挥了积极作用。

另外传统的《平面交叉口信号控制》实验教学存在实验原理、实验过程不可视、实验操作不可逆等限制。虚拟仿真实验是虚拟现实技术与学科专业深度融合的产物，为学生提供具有良好沉浸感和获得感的虚拟仿真实验环境，激发学生学习兴趣，促进学生多学科、多专业知识点融会贯通的能力。虚拟仿真实验有效弥补了传统教学无法在课程实践环节实现多方案反复更改、比较与建设的短板，不仅提升教学效果，而且对于工程实践有重要的运用价值。

（1）实验的必要性

一是虚拟仿真实验教学中心建设是新时代下高校本科人才培养的必然趋势。教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函[2013]94号文件），拉开了虚拟仿真实验教学中心建设的序幕，2015年教育部遴选出100个国家级虚拟仿真实验教学中心入选单位。从实验教学发展趋势来看，开展虚拟仿真实验教学中心建设是新时代下高校本科人才培养中的一个重要任务，也是未来实验教学发展的必然趋势。

二是用虚拟仿真技术，突破难以在交叉口信号控制实际环境中完成实体实验的困境。交叉口是城市路网的瓶颈，也是交通矛盾集中的焦点。交通量在交叉口的空间、时间范围通行权的优化设置会导致不同的通行效率和安全水平。然而现实的交叉口不允许“试错”式的管理优化模式；另外，在真实条件下开展实验将涉及到特定区域内多条道路和交叉口的综合管控，影响到路网环境中诸多社会车辆的正常通行，运行成本高、消耗大且不可逆，在面向实践教学过程中直接运用真实道路交叉口开展实验非常困难。

为了解决真实实验条件下实际运行困难的问题，帮助学生加深和巩固对理论知识的掌握， 平面交叉口智能信号控制虚拟仿真实验借助先进的信息技术，采用虚拟的手段模拟真实设备和实验场景，可以提高学生在实践当中发现问题，分析问题以及解决问题的能力。

综上所述，利用虚拟仿真技术开展交叉口智能信号控制的实验教学十分必要。

（2）实验的实用性

① 实验解决了现实问题，有效支撑了高质量人才培养

现实中的交叉口信号控制实验教学存在实验原理、实验过程不可视、实验操作不可逆等限制，不利于实地开展相关实践教学，本项目利用虚拟仿真手段，构建了还原真实场景的交叉口环境，并科学还原了交叉口信号协调控制的全过程，为学生或用户提供了“沉浸式”学习环境，解决了现实中难以实现的问题，弥补了交叉口信号协调控制领域虚拟仿真实验系统的空白。

此外，实验系统还具有较好的个性化学习空间，并具备可探究创新价值，能够培养学生的高阶学习与创新实践能力，可为高质量人才的培养提供有力支撑。

② 实验评价体系健全，能提供科学合理的成绩评定

本实验针对各环节知识点和考核点建立了多层次、多元化的综合评分标准。实验结束后，系统分别针对学生在实验环节中的实际操作及完成情况进行自动评分，按100分计算，便于教师了解学生各环节的掌握情况，开展针对性指导。

在面向高校和社会免费开放过程中，教师可根据教学对象的专业要求、课程需求、能力层次等实际情况，“自助式”地在2个实验环节中选择性地开展实验，调整所选环节的评分计算权重；还可以结合实验报告、课堂表现、考试成绩等对学生的学习情况进行综合评定，从而公平客观地评价学生对基础知识的掌握程度及其所展现的创新实践能力。

③ 系统可为实践教学、创新创业、工程应用提供支撑

实验系统的设计既层次清晰又循序渐进，符合学习规律，利于学生的实践操作与学习。但同时，系统中的信号配时及协调控制环节还具有高阶性和可探究性，实验结果并不是一成不变，而是随着实验影响要素的变化而不同，有利于激发学生的创新思维，提升实践创新能力，系统中涉及成本控制问题，能引导学生考虑实际成本，培养创新创业素养。此外，实验系统依托城市交叉口实际交通量设计，所有信号配时及协调控制参数均可调，可为实际交叉口协调控制问题建模仿真，提供协调控制方案选择参考，因此具备重要的工程应用价值。

由此可见，本实验系统不仅仅能满足实践教学，还能为学生的创新创业能力培养和实际工程应用提供重要支撑。

（3）教学设计的合理性

实验采用“理论教学+虚拟仿真+实践操作”相结合的实验教学理念，包括了“基础设计、综合设计、成果模拟”三个递进的知识层次。基础设计部分包括道路的搭建、交叉口的组建、信号设施建模、车辆建模；综合设计部分包括相位的确定、交通量的加载、配时参数的计算；成果模拟部分包括信号模拟、计算延误和停车率、实验报告评分。实验可以循序渐进、逐步深入地引导学生完成整个参数化模拟信号配时设计过程，不仅帮助学生学习拟信号配时方案设计，而且融合相关理论知识的学习，将理论与实践有机统一。

本实验秉承以学生为中心、以产出为导向的教学理念，采取任务驱动式、交互体验式、容错探究式教学方法，采用以学生自主探究为主、教师实时在线指导为辅的教学方式，引导学生在高度仿真场景下开展交叉口信号智能控制虚拟仿真实验教学体系。

（4）实验系统的先进性

本实验按金课建设的要求，以计算机技术、系统工程与交通工程领域的基本理论和专业技术为基础，用MR（Mixed Reality）技术，将真实道路交叉口和虚拟环境进行融合，产生新的可视化环境，采用3D仿真模型模拟城市交叉口交通系统的运行状态，逼真地、直观地在计算机上全过程仿真出特定交通管控方案下任意交叉口的交通运行情况，展现交通流时空演化过程及交通拥堵、延误等各种交通现象，从而为信号控制方案的设计、评估和优化提供科学支撑。

实验嵌入了交通管理与控制及交通工程学的理论基础、基本方法，包含交叉口渠化设计、交叉口信号控制原理、交叉口信号配时计算、协调控制设计等环节，涵盖了交叉口设计及交通渠化、交通安全设施设计、交通信号灯系统设计、信号配时原理、协调控制原理、车辆跟驰理论、道路通行能力、交通流理论等知识点。

本实验分为实验简介、城市道路搭建、交叉口组建、信号配时模拟和实验报告等五个模块，其中信号配时模拟为核心模块。在信号配时模拟模块中设计了三个既独立又依次承接的实验环节，三个实验环节涉及12个交互步骤。

①信号相位的设计

信号相位设计是信号控制方案设计的第一步，它直接影响交叉口交通流的安全性，以及交叉口的各种运行效益。信号相位设计通常是指交叉口各相位依次出现的顺序以及各相位中通行的交通流向。根据交叉口交通量的大小及交通渠化设计采取合适的相位。

②交通量的加载

交叉口进口道的交通量来自于进口道各车道的交通量总和，如图3所示。各车道的交通量是3种车型（小汽车、出租车和公交车）的当量小汽车之和，且各车道的交通量不能超过其通行能力。

③各进口车道不同流向的饱和流量

饱和流量是指在一个连续的绿灯时间内，一条进口车道连续通过停止线的最大流量。

④计算各进口道不同流向的流量比

⑤信号周期时长⑥各相位信号配时绿灯时间

⑦延误计算

根据交通工程学课程实验要求，学生根据实验教学大纲及实验指导书登录网页进行虚拟仿真实验。本实验分为实验简介、城市道路搭建、交叉口组建、信号配时模拟和实验报告等五个模块，其中信号配时模拟为核心模块。在信号配时模拟模块中设计了三个既独立又依次承接的实验环节，10个交互实验步骤。

一、实验简介模块：学生进入实验系统，掌握实验目的和实验原理，对实验相关知识预习自测。

二、城市道路搭建模块：学生完成主干路和次干路建模，要求学生掌握针对主干路/次干路，主干路/主干路，次干路/次干路组成的交叉口,要有相对应的交通控制与工程设计思维。

三、交叉口组建模块：学生依次完成交叉口类型、交叉口渠化设计以及其它附属设施的选择。要求学生掌握交叉口渠化设计原理。

四、信号配时模拟模块：学生依次完成信号控制流程认知、信号控制参数设计以及信号控制协调优化等实验环节。要求学生掌握信号控制理论及配时方案。

五、实验报告模块：实验结束后，系统将自动生成一份实验报告，根据学生的实验交互步骤计分。