本实验以公路隧道为背景，软件通过对隧道的宽度、长度、转弯半径等设计参数的随机改变生成隧道模型，利用非线性函数的分析预测设置特定的交通事故现场，学生通过对虚拟仿真实验各个环节的操作，直观地参与涉及公路隧道运营安全的每个方面，掌握交通工程设计、道路交通安全等相关课程的关键知识点。实验设计了隧道运营安全设施检测、隧道交通事故现场处置、隧道交通事故现场勘查3个环节，在实验管理者预设隧道设计、运营、事故等相关参数后，实验者按照实验指南的实验步骤，对所有交通安全设施病害进行检测，分析其类型、严重程度和病害处置方案，对可能发生的交通事故制定合理的疏散处置方案，并完善事故现场类型判断、收取物证、现场摄影、现场丈量等勘验工作。

根据各环节的实验内容，各环节预期可获得多种不同的数据结果，同时考虑对反馈信息进行采集与分析，以提升实验的适应性，并为完善相关课程的教学提供支持。

（1）获取学生对隧道设施管养内容的掌握情况，尤其是各类检测内容和判别标准。若学生在检测过程中，可按照规定的顺序，对所有的内容进行检测并正确分析其严重程度，给出合理的处置方式，即完成环节二。同时，通过学生的操作反馈，可以有助于改善虚拟仿真实验的交互性；

（2）获取学生制定的交通事故现场处置方案的信息，分析其合理性，若合理，则完成相关实验。同时，在虚拟仿真实验的设计中，可根据反馈信息确定合理的处置方案设计形式；

（3）获取受培训者在事故勘查、认定过程中各项信息，分析其勘查内容的完整性、事故认定的准确性。另外，分析受培训者在事故勘查过程中，对各项内容的完成情况，完善实验设计内容。

（1）公路隧道交通安全的复杂性

隧道是山区公路的主要结构物，在山区公路中发挥的作用越来越明显，占有的比例越来越高。同时，由于其道路和交通环境的特殊性，隧道成为交通事故多发路段，严重影响了公路交通运营的安全。近年来，我国关于隧道安全事故的数量呈增长态势，控制隧道交通事故的发生已成为当前我国公路交通安全刻不容缓的工作。

公路隧道与一般道路相比，具有封闭性、不可及性、情况不明性、联络与救援困难等特性，并且在通风、照明、视距、救灾等方面均受到很大限制。同时，公路隧道作为公路中的交通瓶颈，在公路安全管理中，起着至关重要的作用，一旦发生事故，往往易造成交通拥堵，产生次生事故，带来更大的伤亡和损失，甚至危及公路隧道主体的安全。

公路隧道交通的安全与否，取决于人、车、路和环境、管理等各个环节能否持续、协调地工作。因此，对高速公路隧道交通安全的研究，需贯穿设计、运营、管理等一系列工作流程中，才能达到预防和减少公路隧道交通事故的目的。

（2）公路隧道运营安全现场实验的不足

为培养优秀的公路隧道交通安全相关从业者，需要安排其完成有关实验，以对公路隧道的设计、运营、管理、应急救援、事故认定等具体工作具有充分的了解。在以往教学、培训过程中，以现场认知实习为主，即由有经验的从业者带领实习生在现场进行观摩学习。这个过程存在较大不足：

1）危险性：隧道作为公路，尤其是高速公路的重要组成部分，除了特别事件以外，必须保持运营状态，因此现场实验需要首先保障实习生的人身安全；

2）局限性：现场实验开展交通条件受约束，仅能在特定的环境下进行观察或实验；

3）主观性：公路隧道在运营、管理、事故认定等方面受相关从业者的主观因素影响较大，易造成受培训的学生所接受到的信息存在片面性；

4）片面性：现场实验或观摩过程中，仅能对部分问题进行观察、记录与分析，但公路隧道交通安全具有昼夜、季节、气候差异等现象，因此仅靠现场实验难以对所有问题进行描述；

5）弱交互性：在传统现场实验中，为提高教学、培训效率，降低总体成本，往往对实习生进行批量化培训，使得现场实验的交互性整体偏弱，学生往往难以对相关问题有切身体验。

（3）公路隧道运营安全模拟实验的重要性与可行性

公路隧道运营安全虚拟仿真实验是基于虚拟仿真技术对公路隧道进行情景模拟，让参与者可以对相关实验进行交互性操作的过程。与传统现场实验相比，其具有显著的优越性：

1）安全性：学生不需要在现场对相关实验进行操作，避免造成安全隐患；

2）综合性：模拟实验可将所有场景布置在系统中，可根据需求再现各项实验内容的情景；

3）客观性：模拟实验系统中以各类规范为标准设置各项参数，使得学生完成的各类实验内容均完全满足规范要求，具有高标准性；

4）全面性：模拟实验中，可以对实验对象在任何时刻、任何场景下的情况进行研究分析；

5）强交互性：以模拟实验系统为平台，每位参与者可以亲身体验所有实验内容，避免传统现场实验的观摩为主。

同时，公路隧道运营安全虚拟仿真实验具有较强的可行性：

1）理论支撑：虚拟仿真在许多行业中已得到较大推广，但是在交通行业使用较少；

2）教学需求：随着我国公路，尤其是高速公路建设逐步完成，开始进入运营、管理阶段，需要高校培养大批优秀的此类毕业生进入相关岗位，因此该模拟实验会得到教师与学生的认可；

3）产业需求：目前相关企业对从业者进行培训时，主要采用观摩学习、“做中学”的方法，还没有一套完整的模拟实验系统作为基本平台；

4）学科交叉：该模拟实验系统可拓展性较强，对安全、管理、设计、控制、园林等多个相关学科具有支持作用，从系统开发成本角度看，具有较强的经济性。

实验按三大环节设计，不同环节体现不同公路管理人才工作的需求特征，分别对应道路管理工程师、道路养护工程师、道路交通警察等。软件利用非线性函数分析预测隧道交通事故的时间分布、空间分布、事故类型及车辆特征，进而设置特定的交通事故现场，不同环节既相互独立又相互关联，除场景相同外，各环节的上一层应用也会直接影响下一层应用，并相互制约。

图1 实验方案设计思路图

 环节一：隧道运营安全设施检测

（1）学习隧道设施管养的主要内容。

（2）学习隧道不同设施可能存在的问题以及严重程度划分。

（3）学习通过实际踏勘形成巡查报告。

环节二：隧道交通事故现场处置

（1）在给定隧道交通事故虚拟仿真环境的前提下，能够选择合理的事故应急处置策略，使事故危害降低到最低程度。

（2）培养学生的交通事故安全处置意识及实践操作能力。

环节三：隧道交通事故现场勘查

（1）基本掌握隧道交通事故现场勘察的基本内容和勘察方法。

（2）初步掌握典型交通事故的责任认定方法。

（1）通过完成此实验所包含的内容，实验者需完整的了解隧道安全系统的组成内容，并掌握各组成部分的设计过程和设计标准；对隧道设施管养的内容具有深入的了解，依据相关标准规范对隧道内不同安全设施所存在的问题和严重程度进行划分，并给出设施病害的相应处置方案；熟悉疏散节点、逃生路线、应急照明灯和消防设施的布设方法，掌握隧道内疏散的操作规程；掌握隧道交通事故现场勘查的基本内容和勘查方法。最终成绩根据实验报告对应以上内容的完成度进行评判。

（2）要求学生对每个环节的各个功能独立完成，通过运行不同的参数结果进行公路隧道交通安全设施、运营安全检测、应急处置、交通事故勘验定责各实验，并完成实验报告。实验报告包括实验名称、实验内容、实验结果（重要软件界面及数据）以及实验总结。

（3）实验评价分为过程性评价和形成性评价两个部分。过程性评价侧重对实验者在实验完成过程中操作规程、操作步骤、安全性的考察，过程性评价在评价体系中占比20%；形成性评价侧重对实验者实验结果的考察，主要对照实验报告的填写规范性、正确率、处置合理性等标准进行评价，形成性评价在评价体系中占比80%。