計(jì)算機(jī)信息與智慧交通復(fù)合型研究生的培養(yǎng)

徐 凱, 楊飛鳳, 何周陽, 吳仕勛

(重慶交通大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400074)

0 引 言

當(dāng)今，科學(xué)技術(shù)不斷革新以及信息化程度不斷提高，人類社會(huì)正由數(shù)字時(shí)代走向智慧時(shí)代[1]。智慧時(shí)代具有4個(gè)特征：物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)極具潛力的產(chǎn)業(yè)，需要大量的高素質(zhì)人才[2]，目前國內(nèi)一些高校對(duì)物聯(lián)網(wǎng)碩士生培養(yǎng)模式大多是計(jì)算機(jī)與通信等方面的復(fù)合人才，離物聯(lián)網(wǎng)人才的培養(yǎng)要求還有一定距離；在當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代，大數(shù)據(jù)平臺(tái)開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)安全等專業(yè)人才的供需矛盾十分突出。據(jù)國內(nèi)大數(shù)據(jù)權(quán)威專家估算，未來5年我國大數(shù)據(jù)人才缺口將高達(dá)130萬左右，云計(jì)算人才的缺口則更大；人工智能技術(shù)人員是“少而精”的人群，國內(nèi)該專業(yè)人才明顯不足，尤其是深度學(xué)習(xí)的高端人才嚴(yán)重供不應(yīng)求，制約了我國人工智能行業(yè)的發(fā)展。

在當(dāng)前智慧時(shí)代下，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能的高層次人才十分匱乏。

1 現(xiàn)狀與背景分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，信息技術(shù)與與交通運(yùn)輸深度融合的趨勢(shì)日益明顯。在交通運(yùn)輸部印發(fā)的2017-2020年推進(jìn)智慧交通發(fā)展的計(jì)劃中，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了“基礎(chǔ)設(shè)施智能化、運(yùn)輸服務(wù)智能化、決策監(jiān)管智能化”等內(nèi)容。這些內(nèi)容包含了加快大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)的集成創(chuàng)新與應(yīng)用，利用各類大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)和平臺(tái)，提高綜合交通出行信息服務(wù)水平；依托行業(yè)數(shù)據(jù)資源交換共享，構(gòu)建綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高綜合交通運(yùn)輸智能決策能力。

然而在當(dāng)前智慧時(shí)代下，上述交通信息類人才則更為緊缺，其主要原因有：

(1) 在交通行業(yè)中，當(dāng)前高層次信息技術(shù)人才的儲(chǔ)備量不足，難以滿足智慧時(shí)代下交通信息技術(shù)迅猛發(fā)展的需求。智慧時(shí)代下信息知識(shí)更新快，新技術(shù)使用多，對(duì)交通從業(yè)者的專業(yè)素質(zhì)要求很高。比如，單純負(fù)責(zé)交通物聯(lián)網(wǎng)軟、硬件的基礎(chǔ)工程師，要求相對(duì)要低一些，對(duì)信息類的本科生進(jìn)行相應(yīng)培訓(xùn)即可完成。而對(duì)負(fù)責(zé)交通主網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的終極工程師，其層次要求就比較嚴(yán)格了。又如，高層次的云端工程師除了掌握基本的計(jì)算機(jī)知識(shí)外，還需熟懂云架構(gòu)、云API、DDos攻擊等針對(duì)性技能，需要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)、全面的培養(yǎng)。而現(xiàn)有從事交通信息研究人員的知識(shí)水平和經(jīng)驗(yàn)都亟待提高和更新。

(2) 由前述分析可知，社會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能的高層次人才匱乏尚且如此，則在交通行業(yè)中，對(duì)既懂前沿信息技術(shù)，又懂交通的復(fù)合型高層次人才就更為稀缺[3]。

(3) 智慧時(shí)代下交通信息類高層次的人才培養(yǎng)應(yīng)該是一套系統(tǒng)化的解決方案。雖然國內(nèi)一些交通行業(yè)高校在研究生培養(yǎng)過程中開設(shè)了與上述相關(guān)的專業(yè)，但不少高校卻面臨著缺乏相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，無法獲取交通行業(yè)大數(shù)據(jù)、無法模擬云實(shí)操環(huán)節(jié)，缺乏場(chǎng)景化和實(shí)戰(zhàn)化，對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)主要以理論為主，從而導(dǎo)致與產(chǎn)業(yè)的結(jié)合度不夠。

我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科碩士點(diǎn)成立于2007年，歸屬于信息科學(xué)與工程學(xué)院。在智慧交通大發(fā)展時(shí)期，對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科研究生培養(yǎng)存在的問題和面臨的困境日益突出。在面臨的諸多問題中，需要重點(diǎn)解決以下兩個(gè)問題：

(1) 在有限的資源條件下，如何構(gòu)建并實(shí)施與智慧時(shí)代相吻合的課程、實(shí)踐和能力培養(yǎng)體系？

(2) 如何及時(shí)跟蹤最前沿信息技術(shù)，培養(yǎng)出具有“智慧交通特色”+“創(chuàng)新能力”的碩士研究生？

綜上分析，在智慧交通迅速發(fā)展的形式下，信息技術(shù)人才出現(xiàn)緊缺的現(xiàn)象在所難免。而我校作為重慶市在交通行業(yè)的高校，對(duì)智慧交通方向上的研究生培養(yǎng)卻沒有一套系統(tǒng)完善的課程、實(shí)踐和能力培養(yǎng)體系。因此，以計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)碩士點(diǎn)為切入，探討并實(shí)施如何盡快地培養(yǎng)出一支符合社會(huì)需求、具有智慧交通特色、專業(yè)素質(zhì)高且能力強(qiáng)的專業(yè)人才團(tuán)隊(duì)，已成為新形勢(shì)下學(xué)校所面臨的一項(xiàng)緊迫課題。

2 總體解決思路

我校的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科是與交通行業(yè)相關(guān)的土木工程、水利工程和交通運(yùn)輸，這是學(xué)校的根基和優(yōu)勢(shì)所在。在當(dāng)前智慧交通大發(fā)展的形勢(shì)下，學(xué)校在戰(zhàn)略發(fā)展中，將傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科與新增長點(diǎn)學(xué)科相結(jié)合，把智慧交通定位為新興發(fā)展方向之一。

從本質(zhì)上講，智慧交通是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到一定程度，向交通建設(shè)蔓延和深入的結(jié)果。作為交通與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的智慧交通建設(shè)，分析互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的基本原理，這對(duì)于如何建設(shè)智慧交通具有重要的啟示。圖1所示為基于互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的智慧交通。

圖1 基于互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的智慧交通

由圖1可見，智慧交通建設(shè)體系就是互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的縮小版。智慧交通具有自己的交通感覺神經(jīng)系統(tǒng)(物聯(lián)網(wǎng)建設(shè))，交通中樞神經(jīng)系統(tǒng)(云計(jì)算建設(shè))，交通智慧產(chǎn)生與應(yīng)用(大數(shù)據(jù)與人工智能建設(shè))。交通物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)突出傳感器感知的概念，具備網(wǎng)絡(luò)線路傳輸，信息存儲(chǔ)和處理等功能；大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)的特征與云計(jì)算定義非常吻合，它將互聯(lián)網(wǎng)的核心硬件層、軟件層和信息層統(tǒng)一起來，為互聯(lián)網(wǎng)各虛擬神經(jīng)系統(tǒng)提供支持和服務(wù)；利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器每時(shí)每刻感應(yīng)的實(shí)時(shí)信息[4]，從網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)中挖掘出其所蘊(yùn)含的信息、知識(shí)甚至是智慧，最終達(dá)到利用大數(shù)據(jù)的目的； 深度學(xué)習(xí)算法的出現(xiàn)，對(duì)大數(shù)據(jù)訓(xùn)練可以有效提高人工智能水平[5]。因此，上述過程可描述為，通過交通物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生、收集海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于云平臺(tái)，再通過大數(shù)據(jù)分析，甚至更高形式的人工智能為人類的生產(chǎn)和生活提供更好的服務(wù)。

基于互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的智慧交通是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，其關(guān)鍵核心是交通神經(jīng)元和交通神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。人、車輛，公路，橋梁和鐵路等都以交通神經(jīng)元的方式加入到智慧交通網(wǎng)絡(luò)中。通過這些交通神經(jīng)元的互動(dòng)、聚合和鏈接，交通物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)與人工智能建設(shè)才能真正運(yùn)轉(zhuǎn)起來。借此，可以聯(lián)想到在計(jì)算機(jī)學(xué)科的研究生培養(yǎng)中，倘若從技術(shù)上將智慧交通建設(shè)涉及到的物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能知識(shí)融入到對(duì)計(jì)算機(jī)研究生培養(yǎng)的教學(xué)改革中。并從宏觀、微觀和不同階段上，把握住對(duì)研究生培養(yǎng)的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，這將是研究生教學(xué)改革中一次有意義的舉措和創(chuàng)新。

通過上述分析并從中得到啟示，確定教學(xué)改革的總體解決思路：重構(gòu)基于互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的分層遞進(jìn)式智慧交通課程體系，搭建計(jì)算機(jī)學(xué)科研究生“三大創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)”，即交通物聯(lián)網(wǎng)與智能信息處理、交通大數(shù)據(jù)與云計(jì)算、軌道交通智能控制創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。優(yōu)化課程鏈、實(shí)踐鏈和能力鏈，形成“三鏈融合”的交通復(fù)合型人才培養(yǎng)綜合實(shí)踐體系，依托智慧交通發(fā)展大好形勢(shì)，圍繞“特色”做文章，同時(shí)解決好研究生基礎(chǔ)理論的錘煉與行業(yè)背景的強(qiáng)化二者之間的協(xié)調(diào)問題。

3 “分層遞進(jìn)、三鏈融合”實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)施

3.1 重構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的“3+X”分層遞進(jìn)式智慧交通課程體系

此前，缺乏一套能夠適應(yīng)智慧交通時(shí)代發(fā)展需求的課程體系。具體表現(xiàn)在：課程設(shè)置適時(shí)性差、課程結(jié)構(gòu)比例不均衡，課程體系缺乏多維化、立體化和個(gè)性化[6]。過多強(qiáng)調(diào)學(xué)科自身知識(shí)體系和課程內(nèi)容完整性，沒有突出學(xué)科與交通行業(yè)背景之間的聯(lián)系，對(duì)學(xué)生智慧交通素養(yǎng)的培養(yǎng)重視不夠。

研究生課程體系是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，擺脫固有線性思維羈絆，借鑒和應(yīng)用復(fù)雜性研究思維模式對(duì)其展開研究[7]。因此，新確立的指導(dǎo)思想是：在課程設(shè)置上突出智慧交通特色，豐富選修課程，為學(xué)生提供滿足其個(gè)性需求的新型學(xué)習(xí)方式[8]。圖2所示是重構(gòu)的基于互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的“3+X”分層遞進(jìn)式智慧交通課程體系。

圖2 >基于互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)“3+X”分層遞進(jìn)式智慧

交通課程體系設(shè)置

圖2中“3+X”的“3”，是指結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)，凝練出3個(gè)符合當(dāng)前智慧交通發(fā)展研究方向：交通物聯(lián)網(wǎng)與智能信息處理、交通大數(shù)據(jù)與云計(jì)算和軌道交通智能控制；所謂的“X”，是以3個(gè)智慧交通研究方向?yàn)闋恳?，將X門信息與交通應(yīng)用課程作為學(xué)生自修選用。以形成計(jì)算機(jī)在交通中應(yīng)用特色化、學(xué)生培養(yǎng)個(gè)性化的網(wǎng)狀知識(shí)結(jié)構(gòu)[9]。

同時(shí)，突出課程結(jié)構(gòu)的整體性、開放性、前瞻性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)[10]，注重層次，采用低、中、高分層遞進(jìn)方式，形成與交通行業(yè)契合度高的課程體系。

(1) 底層“厚基礎(chǔ)”。 奠定自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)等寬厚基礎(chǔ)課程，每門課學(xué)時(shí)按原有的研究生培養(yǎng)方案執(zhí)行。

(2) 中層“重優(yōu)化”。優(yōu)選專業(yè)公共基礎(chǔ)信息與交通課程，每門課均為36學(xué)時(shí)，2學(xué)分，將其作為今后3個(gè)方向的必修課程。同時(shí)3個(gè)不同方向的信息基礎(chǔ)課程讓學(xué)生自修，形成“必修+自修”的基礎(chǔ)鋪墊。

(3) 高層“強(qiáng)牽引”。以3個(gè)智慧交通研究方向?yàn)闋恳?個(gè)方向獨(dú)立，以3門信息核心課程和2門交通應(yīng)用課程為主，形成“自修為主，選修為輔”格局，構(gòu)建在有限課時(shí)條件下結(jié)構(gòu)合理、動(dòng)態(tài)靈活的課程體系[11]。

3.2 搭建基于智慧交通的計(jì)算機(jī)學(xué)科“三大創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)”

研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是研究生教育的靈魂。在綜合考慮交通行業(yè)需求、各專業(yè)方向研究特點(diǎn)，以及學(xué)科帶頭人專長等諸多因素基礎(chǔ)上，搭建了基于智慧交通的計(jì)算機(jī)學(xué)科研究生“三大創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)”，讓學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)從改進(jìn)方案到提出新方法的過渡[12]。平臺(tái)的體系架構(gòu)見圖3。

圖3 >計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)研究生“三大實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)”體系架構(gòu)圖

平臺(tái)圍繞交通信息發(fā)展前沿技術(shù)，不斷整合、優(yōu)化和凝練，確定出3個(gè)與計(jì)算機(jī)學(xué)科內(nèi)涵密切相關(guān)的“計(jì)算機(jī)信息+智慧交通”的研究方向：交通物聯(lián)網(wǎng)與智能信息處理、交通大數(shù)據(jù)與云計(jì)算和軌道交通智能控制創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。創(chuàng)新平臺(tái)采用教授負(fù)責(zé)制，其研究內(nèi)容分別如下：

(1) 交通物聯(lián)網(wǎng)與智能信息處理創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。圍繞橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施，開展智能感知、自組織傳感網(wǎng)絡(luò)、智能化時(shí)間序列處理、多源異構(gòu)海量信息融合及智能決策等方面的技術(shù)研究，在智能傳感技術(shù)與裝置、海量數(shù)據(jù)智能分析理論、遠(yuǎn)程集群化監(jiān)測(cè)平臺(tái)方面形成突出的特色和優(yōu)勢(shì)。

(2) 交通大數(shù)據(jù)與云計(jì)算創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。開展大數(shù)據(jù)環(huán)境下的高速鐵路和城市軌道交通客運(yùn)的多源信息大數(shù)據(jù)采集與集成、客流智能分析與預(yù)測(cè)、客運(yùn)大數(shù)據(jù)輔助決策支撐技術(shù)。采用虛擬化的云計(jì)算技術(shù)，整合服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等硬件資源，達(dá)到對(duì)海量交通信息處理、分析和挖掘目的，實(shí)現(xiàn)智能交通公共信息服務(wù)平臺(tái)、出行地理信息智能導(dǎo)航的服務(wù)。

(3) 軌道交通智能控制創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。圍繞軌道交通信息與自動(dòng)化領(lǐng)域，開展城市軌道交通列車運(yùn)行仿生智能控制、列車多目標(biāo)優(yōu)化控制、列車控制與行車調(diào)度一體化節(jié)能控制理論與方法等方面的技術(shù)研究。深入研究模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化理論和群集智能算法在列車運(yùn)行控制中應(yīng)用。

三大創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：① 以智慧交通信息為結(jié)合點(diǎn)，創(chuàng)新平臺(tái)之間相互合作，采用“網(wǎng)狀模式”實(shí)現(xiàn)學(xué)生之間、學(xué)生與導(dǎo)師之間思維的融合與創(chuàng)新[13]。② 將“固定式”硬件和“可移動(dòng)式”軟件相結(jié)合。將研究重點(diǎn)集中在智慧交通大數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)等深層次的軟件上。發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)造靈感，讓實(shí)踐教學(xué)不再局限于有形的實(shí)驗(yàn)室，無形擴(kuò)展了教學(xué)活動(dòng)的時(shí)間和空間，成為“可移動(dòng)式”創(chuàng)新平臺(tái)。③ 將校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地及校外企業(yè)實(shí)踐的“基礎(chǔ)培養(yǎng)”與科研創(chuàng)新平臺(tái)在“點(diǎn)上提高”有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

3.3 “三鏈融合”交通復(fù)合型人才培養(yǎng)實(shí)踐體系的實(shí)施

重構(gòu)的課程、實(shí)踐和能力“三鏈融合”人才培養(yǎng)綜合實(shí)踐體系見圖4，對(duì)研究生培養(yǎng)進(jìn)一步凸顯出“計(jì)算機(jī)信息+智慧交通”特色。

圖4 >課程、實(shí)踐和能力鏈“三鏈融合”的交通復(fù)合型人才培養(yǎng)綜合實(shí)踐體系架構(gòu)

課程鏈、實(shí)踐鏈與能力鏈“三鏈融合”，是指構(gòu)建新的智慧交通課程與實(shí)踐體系，利用工程、創(chuàng)新實(shí)踐提高學(xué)生多種能力的互動(dòng)機(jī)制。該人才培養(yǎng)綜合實(shí)踐體系通過每一學(xué)期循序漸進(jìn)方式實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

首先將課程體系前移，第1學(xué)期完成自然科學(xué)、信息與交通專業(yè)公共基礎(chǔ)課程，培養(yǎng)學(xué)生人文素質(zhì)、理工基礎(chǔ)、自學(xué)能力；第2學(xué)期完成3個(gè)方向信息基礎(chǔ)與核心課的選修或自修，同時(shí)將校內(nèi)基地實(shí)訓(xùn)貫穿于該學(xué)期；第3學(xué)期自修3個(gè)方向交通應(yīng)用課程，同時(shí)參與校外企業(yè)實(shí)踐，利用高校與企業(yè)雙方共贏方式保證其長效穩(wěn)定運(yùn)行。在第2、3學(xué)期實(shí)現(xiàn)學(xué)生動(dòng)手與工程能力培養(yǎng)；第4、5學(xué)期利用“三大實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)”，通過項(xiàng)目研究實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，即Sternberg實(shí)踐理論中“塑造環(huán)境的能力”培養(yǎng)[14]。

上述“三鏈融合”交通復(fù)合型人才培養(yǎng)綜合體系具有動(dòng)態(tài)性、層次性和深度融合性，課程鏈、實(shí)踐鏈既規(guī)范又時(shí)常動(dòng)態(tài)更新，保證其“血液新鮮”；能力鏈實(shí)現(xiàn)從自學(xué)能力、動(dòng)手能力、工程應(yīng)用能力到最高層創(chuàng)新能力的分層遞進(jìn)[15]；“三鏈”中的底、中、高各層之間相互對(duì)應(yīng)并匹配。

4 結(jié) 語

通過多年努力，該人才培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐體系獲得顯著成效：① 以三大創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)為支撐，學(xué)院獲得“重慶市公共交通運(yùn)營大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心”授牌，并擁有“大型結(jié)構(gòu)安全壽命監(jiān)測(cè)技術(shù)”市級(jí)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。② 平臺(tái)帶頭人主持了“大數(shù)據(jù)環(huán)境下城市路網(wǎng)交通多模式擁堵預(yù)測(cè)及容錯(cuò)控制研究”等國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、交通部西部建設(shè)和省部級(jí)項(xiàng)目17余項(xiàng)。獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科研成果獎(jiǎng)8項(xiàng)。“以能力為驅(qū)動(dòng)的地方高校計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新與實(shí)踐”獲得省部級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。③計(jì)算機(jī)學(xué)科培養(yǎng)了獲國家級(jí)獎(jiǎng)學(xué)金的優(yōu)秀研究生8人次，在“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品中獲重慶賽區(qū)特等獎(jiǎng)，立項(xiàng)國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目5項(xiàng)。