基于地理信息系統(tǒng)的《交通規(guī)劃》課程虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

辛飛飛 林航飛 吳嬌蓉 王曉博

摘要：基于地理信息系統(tǒng)平臺，開發(fā)城市《交通規(guī)劃》課程虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。根據(jù)課程需求，充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對于交通數(shù)據(jù)的分析和展示能力，設(shè)計(jì)“城市道路交通運(yùn)行評價(jià)實(shí)驗(yàn)”、“交通產(chǎn)生和吸引量分析實(shí)驗(yàn)”、“車輛行駛特征分析實(shí)驗(yàn)”等三個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有助于提高學(xué)生通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)交通問題和分析問題的能力，同時激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；交通規(guī)劃；虛擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）06-0138-04

一、研究背景

由于交通規(guī)劃學(xué)科面臨的問題復(fù)雜多變，要求學(xué)生具有寬廣的知識面和清晰的思路，對于學(xué)生靈活處理問題和分析問題的能力具有很大的挑戰(zhàn)。在教學(xué)過程中，不僅要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識，更要著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和獨(dú)立思考的能力。由于城市交通系統(tǒng)具有“不可復(fù)制性”，因此為了讓交通規(guī)劃專業(yè)的學(xué)生更加“簡便和直觀”地模擬和分析課程學(xué)習(xí)中的常見問題，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)就顯得非常必要。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)[1-3]，構(gòu)建城市交通虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

交通規(guī)劃虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是按照交通工程專業(yè)課程教學(xué)大綱的要求開設(shè)，圍繞現(xiàn)有典型交通數(shù)據(jù)資源的處理和分析進(jìn)行設(shè)計(jì)，使學(xué)生充分利用高度圖形化、形象化、綜合性的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，培養(yǎng)自己分析問題和解決問題的技能，提高自身知識體系的完整性，進(jìn)而激發(fā)創(chuàng)新能力。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容總體設(shè)計(jì)

為了使學(xué)生更好地掌握交通規(guī)劃的基本理論、方法，以及交通規(guī)劃在實(shí)際工作中的應(yīng)用和必要的軟件操作技能，我們通過虛擬實(shí)驗(yàn)形式，改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段，加強(qiáng)自主實(shí)驗(yàn)和自主分析的訓(xùn)練，發(fā)揮學(xué)生的個性特長，使學(xué)生能在知識、能力、綜合素質(zhì)各方面得到協(xié)調(diào)發(fā)展。通過實(shí)驗(yàn)過程，讓學(xué)生充分認(rèn)識交通數(shù)據(jù)的內(nèi)容以及分析數(shù)據(jù)的方法，進(jìn)而對交通專業(yè)理論知識有更為深刻的理解。

具體而言，城市交通規(guī)劃虛擬實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了以下3個項(xiàng)目。

1.城市道路交通運(yùn)行評價(jià)實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生以出租車GPS數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和集成，計(jì)算道路路段的行程車速等基本指標(biāo)，以及交通指數(shù)等復(fù)合指標(biāo)，分析不同區(qū)域和不同等級道路的交通運(yùn)行狀況。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目標(biāo)是使學(xué)生熟悉數(shù)據(jù)基本處理和操作方法，掌握道路運(yùn)行特征指標(biāo)的計(jì)算方式，以及城市道路運(yùn)行現(xiàn)狀分析評價(jià)方法。

2.交通產(chǎn)生量和吸引量分析實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生基于車輛行駛路徑數(shù)據(jù)，計(jì)算城市不同區(qū)域、不同時段的交通產(chǎn)生量和吸引量，并分析其變化規(guī)律，計(jì)算各區(qū)域之間的交通出行分布，制作OD表并繪制期望線圖。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能使學(xué)生掌握交通產(chǎn)生與吸引的概念，分析出行生成的影響因素，領(lǐng)會交通分布的內(nèi)涵，計(jì)算分布交通量，掌握其基本分析手段。

3.車輛行駛特征分析實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生基于不同車輛的行駛軌跡數(shù)據(jù)，分析車輛行駛特征方面的差異性，包括行駛范圍、行駛距離、行程車速等方面，通過車輛行駛特征進(jìn)一步分析出行行為的差異性。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目標(biāo)是提高學(xué)生分析交通現(xiàn)象的能力，研究交通出行行為的規(guī)律和個體之間的差異性。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于地理信息系統(tǒng)，納入上海市道路交通網(wǎng)絡(luò)圖形及屬性數(shù)據(jù)，以及車輛GPS動態(tài)數(shù)據(jù)等，開發(fā)了城市交通虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以2—3人小組為單位，采取多樣化的形式組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生由淺入深、由簡單到綜合，逐步認(rèn)識、理解和掌握交通規(guī)劃的方法與技能。實(shí)驗(yàn)前統(tǒng)一講授實(shí)驗(yàn)理論，實(shí)驗(yàn)中針對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)采用不同的處理方式，具體問題具體分析、對待，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行總結(jié)討論。

1.城市道路交通運(yùn)行評價(jià)實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通過不同顏色，將路段車速繪制在電子地圖上，反映交通運(yùn)行狀況的變化。在系統(tǒng)中首先應(yīng)確定加載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后通過點(diǎn)擊“路況展示”→“時間段”，彈出時間選擇框，如圖1所示。

單擊時間段前面的復(fù)選框，地圖上將顯示出交通路況顏色，將鼠標(biāo)移動到單個路段上，雙擊鼠標(biāo)左鍵，可彈出路段詳細(xì)信息，如圖2所示。

地圖上顯示出該路段的矢量方向，道路信息中的正向速度即為矢量方向?！帮@示路況”按鈕可以控制路況的顯示與關(guān)閉。在系統(tǒng)中獲取路況信息后，可分析不同區(qū)域、不同等級道路、不同時間段的差異性，理解城市交通狀況的時空變化特征。

2.交通產(chǎn)生和吸引量分析實(shí)驗(yàn)。產(chǎn)生量吸引量是針對單個小區(qū)的分析，首先加載需要分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后繪制需要分析的小區(qū)，最后選擇要分析的小區(qū)。完成上述準(zhǔn)備后，點(diǎn)擊“產(chǎn)生量/吸引量”→“開始分析”，分析結(jié)果將自動彈出，如圖3所示。

雙擊左側(cè)列表中總體結(jié)果，在右側(cè)列表中將顯示每輛車的詳細(xì)結(jié)果，如圖4所示，包含車輛編號、GPS點(diǎn)數(shù)量、是否產(chǎn)生量、是否吸引量。勾選車輛ID前的復(fù)選框，可以在地圖上看到車輛軌跡，可通過“軌跡回放”按鈕觀察軌跡回放情況。

點(diǎn)擊“導(dǎo)出結(jié)果”，可將分析結(jié)果全部導(dǎo)出，便于學(xué)生在線下分析城市不同區(qū)域的交通需求變化特征。

3.車輛行駛特征分析實(shí)驗(yàn)。完成GPS數(shù)據(jù)加載后，可點(diǎn)擊“查看GPS”按鈕，查看加載時間段內(nèi)的所有車輛信息，并彈出車輛列表，如圖5所示。

車輛列表框中顯示的是車輛編號，雙擊其中一個編號，在主界面的“數(shù)據(jù)展示區(qū)”中，可以看到該車軌跡的GPS點(diǎn)列，如圖6所示。車輛軌跡可以幫助學(xué)生分析駕駛員的出行行為特征，包括活動范圍、行駛偏好等。

四、實(shí)驗(yàn)效果

本虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已開設(shè)2個學(xué)期，參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生總計(jì)超過500人次，提交高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告200余份，對城市交通的需求和運(yùn)行特征進(jìn)行了深入分析，并發(fā)現(xiàn)了許多在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中難以覆蓋的具體問題。交通規(guī)劃虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段相比，具有新穎性，能引發(fā)學(xué)生的興趣和注意力，能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。在能力培養(yǎng)方面，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生的思維能力、推理分析能力和綜合應(yīng)用能力等方面的培養(yǎng)效果比較理想?？傮w而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量得到了顯著提升。

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