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智慧高速主动管控虚拟仿真实验包括交通流模型和智慧高速主动管控策略两大模块，包含“高速公路交通流拥堵机理解析”和“高速公路主动管控策略评估”两部分实验内容。学生可选择系统预设或开发个性化交通流模型及管控策略开展实验，实现从仿真基础模型分析到交通现象机理解析、管控策略应用再到仿真模型自主开发的多层次训练，帮助学生实现知识点的融会贯通，引导学生探索学科前沿，提高创新实践能力。

（1）实验原理：

实验系统融合业界主流的交通流模型、计算机仿真模拟和虚拟现实技术等，可再现不同天气环境以及突发事件、事故场景下高速公路“主线+出入口匝道”交通流运行场景。实验系统包括交通流模型和智慧高速主动管控策略两大模块，包含“高速公路交通流拥堵机理解析”和“高速公路主动管控策略评估”两部分实验内容。

在“高速公路交通流拥堵机理解析”实验部分，实验系统提供多个经典跟驰行为模型,如Helly模型、Gipps模型等，以及当前自动驾驶汽车主流跟驰模型（IDM模型）。学生可对主线及匝道流量、车型比例、仿真运行控制参数、以及跟驰模型参数（如反应时间、期望速度、期望间距等）进行连续、组合调参设置，观察三维交通流运行情况，并结合同步输出的交通流运行状态数据、速度-流量曲线和速度时空图分析交通流拥堵演化规律。同时，针对选定的跟驰模型，通过敏感性分析识别关键参数，并对不同跟驰模型的特点和稳定性进行对比分析。

在“高速公路主动管控策略评估”实验部分，实验系统提供包含恶劣天气（雨雾天气）、突发事件（单车抛锚、路面抛撒物）、交通事故（两车相撞）等高速公路典型拥堵场景，学生首先通过设置事件/事故占用车道数及持续时间，生成高速公路拥堵场景；进一步选择动态车道管理、匝道控制、可变速度引导等高速公路主动管控策略，对策略参数进行初步设置，同时结合交通流速度-流量曲线和速度时空图分析交通流拥堵缓解情况，进一步对策略参数进行优化；最后，学生可导出实验系统逐秒记录的交通流运行原始数据（断面速度、流量），计算里程生产量、行程时间、延误等指标，对不同管控策略效果进行定量评价。

此外，实验系统支持学生上传个性化跟驰模型及管控策略，为学生模型和策略的测试验证提供支撑平台。

（2）实验交互步骤：

交互步骤1：点击“认知学习”，回顾交通流基本理论和主动管控策略的基本知识点。

   

图1 知识点预习内容

交互步骤2-7：分别选择IDM跟驰模型、Gipps 跟驰模型、Helly跟驰模型，调整参数设置，观察交通流运行状态：点击“设置”，设置主线和匝道流量参数、大车比例、仿真运行控制（加速比例、预热时长、仿真时长）等参数；观察交通流运行情况；点击“天气”可观察晴天、雨天交通流的不同运行特征；点击“数据”，可观察速度-流量散点图和速度时空图的变化规律，单击散点图中散点可显示车道编号、速度、流量等信息。同时，在每个跟驰模型可调整参数的取值范围内设置多个参数水平，运行后输出流量-速度曲线图，分析曲线图中最大流量的取值变化，识别参数是否是敏感性参数。

    

图2 跟驰模型参数设置及流量-速度曲线、速度时空图输出

交互步骤8：选择IDM模型作为跟驰模型，根据实证数据标定车辆运行特征参数，点击“设置”，调整主线和匝道流量，生成入口匝道瓶颈。瓶颈生成后可在速度-流量散点图中观测到拥挤状态的点，并在速度时空图中显示拥堵演化过程。

  图3 拥堵场景生成         图4 拥堵场景下的流量-速度图与速度时空图

交互步骤9：生成不同类型的高速公路拥堵场景。包括恶劣天气、车辆抛锚、两车事故等，针对不同的场景，设置事件占用车道数及持续时间。

交互步骤10：点击“管控车道设置”，设置CACC专用车道，并进一步设置及CACC车道的跟驰行为参数，如车头时距、期望速度，以及专用道准入车辆数等。

        

                   

图5 管控车道设置及效果

交互步骤11：学生调整网联车辆比例，设定仿真时间。仿真结束后系统自动下载交通流流量、速度参数（.csv），计算不同参数下的里程生产量，并进行CACC车道管控效果评估及适应性分析。

                           

图6 仿真运行可下载的原始数据格式

交互步骤12：在匝道控制界面，设置匝道信号控制配时参数，包括周期时长和绿灯时间。

                      

图7 匝道控制设置及效果

交互步骤13：学生调整信号配时参数，设定仿真时间。仿真结束后系统自动下载交通流流量、速度参数（.csv），计算主线和匝道车辆的平均行程时间，进行匝道控制策略有效性评估。

交互步骤14：在速度引导界面，学生设置不同车道的期望引导速度和引导开始、结束位置和时间。

                           

图8 可变速度引导设置及效果

交互步骤15：学生通过观测速度时空图调整引导速度，确定速度参数后设定仿真时间。仿真结束后系统自动下载交通流流量、速度参数（.csv），计算不同参数下的主线车辆平均行程时间，进行速度引导策略有效性评估。

交互步骤16：学生对比三种策略的效果，并在实验开始界面上传实验报告。教师完成评分后学生可自行下载得分表。

（3）实验结果与结论

实验结果包括：

①交通拥堵前后的流量-速度曲线，速度时空图。

②动态车道管理方案及其效果评估。

③匝道控制方案及其效果评估。

④速度引导方案及其效果评估。

⑤三种主动管控策略效果对比分析及适用性评估。

本实验要求学生自主设计交通拥堵场景，实现“一人一题”。由于拥堵位置和产生时间不同，系统生成的流量-速度曲线，速度时空图会有一定差异。此外，实验系统设有个性化跟驰模型上传接口，学生可上传自己开发的跟驰模型，并利用其控制车辆运行，产生不同的流量-速度曲线及速度时空图。