支撐交通工程專業(yè)自主學習的交通信息感知實驗平臺

李海艦　榮建

摘 要 信息技術(shù)對交通工程專業(yè)的支撐和發(fā)展不言而喻，進而延伸出新的研究方向和應用領(lǐng)域，這同樣需要在理論教學和實驗教學進行創(chuàng)新性設(shè)計。通過分析目前交通工程專業(yè)創(chuàng)新性實驗的自主學習需求與環(huán)境，明確交通工程專業(yè)的知識結(jié)構(gòu)與發(fā)展方向，提出了支撐交通工程專業(yè)的交通信息感知實驗平臺并進行功能模塊設(shè)計。該實驗平臺能夠有效融合交通專業(yè)傳統(tǒng)知識體系和信息化應用方向，讓學生所學的知識、所做的實驗更貼合實際需求和工程應用，培養(yǎng)信息技術(shù)下的交通工程專業(yè)人才。

關(guān)鍵詞 交通工程 本科教學 自主學習 交通信息 實驗平臺

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.01.013

Traffic Information Perception Experimental Platform Supporting

Traffic Engineering Autonomous Learning

LI Haijian， RONG Jian

（Beijing University of Technology， College of Metropolitan Transportation， Beijing 100124）

Abstract Information technology for transportation engineering support and development of self-evident， and then extend the new research direction and application areas， which also need theoretical teaching and experimental teaching of innovative design. By analyzing the current autonomous learning needs and environment of innovative experiments in traffic engineering specialty and clarifying the knowledge structure and development direction of traffic engineering major， a traffic information perceptual experiment platform supporting traffic engineering specialty is proposed and the function module is designed. The experimental platform can effectively integrate the traditional knowledge system of traffic specialty and the direction of information application so that the students' knowledge and experiments can be more in line with practical needs and engineering applications and train traffic engineering professionals under information technology.

Keywords traffic engineering； undergraduate teaching； autonomous learning； transportation information； experimental platform

隨著智能交通系統(tǒng)和交通大數(shù)據(jù)的不斷深入研究和應用，現(xiàn)有教學平臺和實驗模式無法適應當前學生對現(xiàn)代信息、網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的可測、可視、可操控性獲取，且尚未形成面向本科教學優(yōu)化及實驗能力提升的學生自主學習模式的理論體系。面向交通運輸工程學科的本科生教學和創(chuàng)新性實驗方面，在基于教學和實驗的交通信息有效轉(zhuǎn)化模式研究方面較為薄弱，無法結(jié)合學生記憶特定和興趣點，形象生動地對相關(guān)知識體系和技術(shù)體系進行有效表示和表達。本文結(jié)合近年來在學生自主學習模式、[1-2]交通信息感知、[3-4]無線傳感器網(wǎng)絡[5-6]等方面的研究，分析了交通工程專業(yè)自主學習需求與環(huán)境作用模式和信息技術(shù)環(huán)境下的交通工程發(fā)展方向，并探討支撐交通工程專業(yè)創(chuàng)新性實驗的交通信息感知實驗設(shè)計方案。

1 交通工程專業(yè)自主學習需求與環(huán)境

提升大學生的自主學習能力已成為目前大學教育的重要方向之一，自主學習能力的培養(yǎng)需要自主學習需求的刺激和自主學習環(huán)境的兩方面相互配合、共同作用才能實現(xiàn)。如圖1所示，首先自主學習的需求越來越明顯，表現(xiàn)為學生自身素質(zhì)的提升與追求、專業(yè)知識的不斷豐富與完善、進入社會工作中的持續(xù)學習要求等，這樣自主學習需求就對自主學習環(huán)境有了相應的刺激。這種刺激要求學生要有很好的自主學習環(huán)境。這種環(huán)境的營造需要學校、教師和專業(yè)設(shè)計等多方面的共同努力，營造了好的自主學習環(huán)境能夠很好地支撐學生自主學習的動力。在大學生本科教育中，理論為主導的本科生教學和實踐為導向的創(chuàng)新性實驗是相輔相成的，兩者互相促進、互相結(jié)合共同促使專業(yè)培養(yǎng)計劃的實現(xiàn)。

2 強化自主學習的交通工程專業(yè)發(fā)展方向

2.1 信息技術(shù)支撐下的交通工程專業(yè)知識體系

交通工程專業(yè)本身的知識特點一方面是“泛而全”，一方面又“專而精”。交通工程專業(yè)涉及到的學科不下10個，涵蓋地理、人文、數(shù)學、物理、計算機、通信、材料等，是個多學科交叉專業(yè)。雖然交通工程的核心知識不多（主要是交通工程學、交通規(guī)劃、交通管理與控制等），學生在兩年時間內(nèi)基本可以掌握，但是，要想深入學習和了解這一學科，要想應用新技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)代化交通管理與控制，要想實現(xiàn)定制化、專業(yè)化、人性化的交通服務，需要極大的擴展相關(guān)知識，學習多學科知識點。這些知識和技能的學生，即涉及基礎(chǔ)知識的記憶、專業(yè)軟件的熟練操作，又涉及人文素質(zhì)的培養(yǎng)、新技術(shù)的移植與擴展等。這就需要結(jié)合學生的自主學習能力，全面提升交通工程專業(yè)的學習效率和針對性。對于“專而精”，正因為交通工程專業(yè)知識點的“泛而全”，在有限的時間和精力下，本科生很難做到所有知識點面面俱到，很難把所有的知識點學精，所以就要求在眾多的知識點和技能方面有所取舍、有所側(cè)重。這樣就需要結(jié)合本科生的自身特點、興趣及未來就業(yè)去向去梳理相關(guān)知識點，有側(cè)重、有針對性發(fā)學習“專”的東西，結(jié)合自身自主學習動力和學校創(chuàng)造的自主學習環(huán)境，把所需要學習的知識和技能學“精”，真正實現(xiàn)國家、學校、教師所設(shè)計的專業(yè)培養(yǎng)計劃。

2.2 新時期下的交通工程專業(yè)發(fā)展方向

隨著電子、信息、控制、計算機技術(shù)的發(fā)展，交通工程專業(yè)也不斷呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢和應用方向。傳統(tǒng)的交通工程專業(yè)方向包括交通設(shè)計、交通規(guī)劃、交通管理、交通控制等，一旦與信息、電子、計算機技術(shù)等新型技術(shù)結(jié)合，交通工程煥發(fā)出信息的活力，與無線通信技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡結(jié)合，形成了“互聯(lián)網(wǎng)+交通”，使交通也進入了共享經(jīng)濟時代，[7]在交通效率、資源分配、應急處理等方面都有了明顯的提升。與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、計算機技術(shù)結(jié)合，形成了“大數(shù)據(jù)+交通”，在交通狀態(tài)感知、交通信息共享、個性化交通誘導、交通事故分析、綠色駕駛等方面創(chuàng)造新的活力。新技術(shù)、新理念在交通工程的應用與發(fā)展，也要求傳統(tǒng)的交通工程專業(yè)培養(yǎng)不能固步自封，一方面不斷發(fā)展自身交通工程基礎(chǔ)理論與方法，一方面利用新型技術(shù)發(fā)展交叉學科，借助相關(guān)學科理論與技術(shù)方法，更好地發(fā)展和完善交通系統(tǒng)，提升交通服務水平，這一關(guān)乎所有人“行”的問題。隨著交通工程學科的不斷交叉，形成了自動駕駛技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、共享交通等信息的交通發(fā)展方向，新的理念也為未來交通的發(fā)展提供了導向與活力。

目前，交通工程專業(yè)的新興發(fā)展方向已經(jīng)逐漸明確。如圖2所示，在新型技術(shù)的刺激下，交通工程專業(yè)逐漸形成了兩個發(fā)展方向，一個是傳統(tǒng)核心方向，主要包括交通安全、交通設(shè)計、交通規(guī)劃、交通管理、交通控制、道路通行能力等方面的研究和工程實踐，解決的是人們基本的交通需求與服務問題，比如基礎(chǔ)路網(wǎng)修建、交通安全提升、城市交通管理與控制等。一個是新興發(fā)展方向，是一個多學科交叉方向，需要結(jié)合信息、控制、計算機等學科知識，主要涉及智能交通系統(tǒng)、綜合交通規(guī)劃、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動駕駛技術(shù)、自動網(wǎng)聯(lián)公路系統(tǒng)（CAVH， Connected and Autonomous Vehicle and Highway System），甚至共享經(jīng)濟理念，解決的是人們定制化、智能化的交通需求與服務問題，在出行效率、便捷性、安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟性等各方面進行提升。交通工程專業(yè)傳統(tǒng)的核心方面代表性成果是美國的道路通行能力手冊（HCM， Highway Capacity Manual），交通流理論（TFT， Traffic Flow Theory）和標準化交通控制設(shè)備指南（MUTCD， Manual on Uniform Traffic Control Devices），里面的很多內(nèi)容也是交通工程本科生要學習的核心知識理論與方法。而新興發(fā)展方向的代表性技術(shù)與成果有智能交通系統(tǒng)（ITS， Intelligent Transport System）、無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)（Wireless Sensor Network）、5G無線通信技術(shù)（5G， Five Generation Mobile Communication Technology）、專用近距離通信技術(shù)（DSRC， Dedicated Short-Range Communications）、自動運輸系統(tǒng)（Automatic Transport System）、電動汽車（Blade Electric Vehicle）、交通大數(shù)據(jù)（Traffic Big Data）、互聯(lián)網(wǎng)（Internet +）、定制化交通信息服務（CTIS， Customized Traffic Information Services）等，這些技術(shù)和理論支撐著交通工程新興發(fā)展方向，也成了交通工程本科生要深入學習的知識點。

交通信息感知實驗是交通工程專業(yè)新興發(fā)展方向的一個重要知識模塊，也是智能交通、自動網(wǎng)聯(lián)公路、綜合交通等技術(shù)應用的基礎(chǔ)，所以為推進交通工程專業(yè)發(fā)展，在本科生教學中融入新興發(fā)展技術(shù)知識，對學生后續(xù)發(fā)展、深造、就業(yè)等都大有裨益，也是更好實現(xiàn)學生專業(yè)培養(yǎng)技術(shù)的條件。交通信息感知實驗平臺不僅從知識結(jié)構(gòu)上服務本科生教學，擴展本科生的知識面，同時能夠有效地提升本科生專業(yè)知識學習興趣，還能應用于多項與實際應用緊密關(guān)聯(lián)的創(chuàng)新性實驗，能夠做到交通工程專業(yè)培養(yǎng)過程中的理論與實踐的有機結(jié)合。

3 交通工程專業(yè)交通信息感知實驗平臺

交通信息感知實驗平臺從信息感知、信息傳輸與交互、信息存儲、信息處理與挖掘、信息服務等交通信息數(shù)據(jù)全生命周期角度實現(xiàn)本科生對交通信息的學習和理解，讓學生從交通工程、信息技術(shù)等基礎(chǔ)理論知識，到行業(yè)需求、信息服務、功能實現(xiàn)等應用實踐進行全方位學習和感知。同時，學生在網(wǎng)絡平臺、功能模塊、應用擴展等方面都能有效擴展自身的學習和研究興趣，為學生提供了良好的自主學習環(huán)境，使他們在此網(wǎng)絡平臺的基礎(chǔ)上能夠?qū)W習和深化新興技術(shù)對傳統(tǒng)交通工程專業(yè)提升與發(fā)展，達成交通工程專業(yè)培養(yǎng)目標。圖3給出了交通信息感知實驗平臺的8大功能模塊及每個功能模塊涉及的知識點。從交通信息的全生命周期來說，8大功能模塊的次序為：（1）信息感知；（2）信息傳輸；（3）信息交互；（4）信息存儲；（5）信息處理；（6）信息發(fā)布；（7）信息服務；（8）信息挖掘（見圖3）。

交通信息感知實驗平臺涉及傳感器技術(shù)、交通檢測技術(shù)、通信、傳感器網(wǎng)絡、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、交通信息處理等多個知識點，可有效支撐多門交通工程專業(yè)課程的本科生教學和多種交通工程創(chuàng)新性實驗。

交通信息感知實驗平臺的邏輯結(jié)構(gòu)包括感知層、通信層和服務層。感知層主要包括各類交通檢測設(shè)備和路網(wǎng)、車輛模型，此外，為了在教學和實驗中更好地實現(xiàn)對感知層模擬，歷史的交通流檢測數(shù)據(jù)及路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也可作為感知層的一部分，可通過這些數(shù)據(jù)在線模擬現(xiàn)場數(shù)據(jù)感知情形。通信層主要實現(xiàn)信息傳輸和信息交互，包括線纜、無線通信模塊、電源模塊等，是適用于交通信息的有線和無線通信技術(shù)和相關(guān)知識點的直接展現(xiàn)。上層是服務層，也是該網(wǎng)絡平臺的信息中心，可模擬實際交通系統(tǒng)的交通信息中心功能，主要包括各類軟硬件設(shè)備和系統(tǒng)，涉及到的數(shù)據(jù)分析、處理、挖掘算法都在該層實現(xiàn)。同時，基于信息發(fā)布和信息服務的需求，該層也具備各類通信、顯示模塊，以模擬實際交通信息的展示、發(fā)布和推送服務。

交通信息感知實驗平臺可以充分挖掘?qū)W生的自主學習能力，通過有效融合交通工程專業(yè)知識和信息化應用，提升學生的學習興趣和實踐能力，使學生所學的知識、所做的實驗更貼合交通工程的實際需求和工程應用，更有助于培養(yǎng)信息技術(shù)下的智能交通方向?qū)I(yè)人才。

基金項目：本文系北京工業(yè)大學教育教學面上課題（ER2015C020505）的研究成果

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