新工科背景下地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐類競(jìng)賽案例設(shè)計(jì)

孫 勇譚文安鄒自雅管 月

(1.滁州學(xué)院 實(shí)景地理安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,滁州239000;2.上海第二工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,上海201209;3.南京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,南京211106)

0 引言

新一輪人工智能技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革正在加速推進(jìn),地理信息行業(yè)作為國(guó)家戰(zhàn)略性生產(chǎn)型服務(wù)業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),其科技手段和應(yīng)用與日俱進(jìn)[1],因此,面向地理信息科學(xué)專業(yè)的工程教育的改革創(chuàng)新勢(shì)在必行。與傳統(tǒng)學(xué)科相比,近年來(lái),地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)生天翻地覆的變化,更加緊密地融合了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等高新前沿技術(shù)[1]。為了更好地適應(yīng)以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特征的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展,必須重新定位地理信息科學(xué)專業(yè)教學(xué)內(nèi)容,提高實(shí)踐教學(xué)效能,延伸拓展地理信息教學(xué)科研領(lǐng)域,培養(yǎng)面向新工科需求的人工智能與地理大數(shù)據(jù)計(jì)算思維創(chuàng)新型人才[3-8]。

新工科是通過(guò)繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享的途徑,培養(yǎng)未來(lái)多元化、復(fù)合型、綜合性的創(chuàng)新型優(yōu)秀工程人才[2]。新工科人才應(yīng)具備整合能力、全球視野、領(lǐng)導(dǎo)能力、實(shí)踐能力,可將新技術(shù)和新經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、管理進(jìn)行有機(jī)融合,在新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)中起到引領(lǐng)作用[9]。新工科背景下的大學(xué)教育模式應(yīng)適應(yīng)新時(shí)代的工業(yè)與科技發(fā)展[2],特別需要實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的相結(jié)合,培養(yǎng)在實(shí)踐過(guò)程中學(xué)習(xí)理論知識(shí)的能力,提高在實(shí)踐過(guò)程中應(yīng)用理論知識(shí)的能力,達(dá)到利用現(xiàn)有理論知識(shí)體系發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的目的[10]。為解決傳統(tǒng)人才能力不足的問(wèn)題以及適應(yīng)社會(huì)實(shí)際發(fā)展的需要,高校承擔(dān)著培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型科技人才的重任。大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽作為學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要抓手,在新工科背景下得到前所未有的迅猛發(fā)展[11-12]。

1 新工科地理信息科學(xué)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系

為實(shí)現(xiàn)面向新工科的高水平地理信息科學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng),本文研究了基于學(xué)科競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)的新工科地理信息科學(xué)實(shí)踐教學(xué)體系。學(xué)科競(jìng)賽是一種創(chuàng)新活動(dòng),在獲取專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)或技術(shù)解決實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題,它是提高大學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的重要平臺(tái)[12]。在培養(yǎng)具備整合能力、全球視野、領(lǐng)導(dǎo)能力、實(shí)踐能力的復(fù)合型、綜合性人才的過(guò)程中,結(jié)合地理信息系統(tǒng)專業(yè)相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽,將學(xué)科競(jìng)賽融入到學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)體系中,基于應(yīng)用性與創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)原則[12],提高地理信息科學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例,強(qiáng)化學(xué)科競(jìng)賽,提升學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐創(chuàng)新能力。將學(xué)科競(jìng)賽內(nèi)容合理融入到教學(xué)環(huán)節(jié)中,以豐富教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容,培養(yǎng)大學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力,激發(fā)大學(xué)生對(duì)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣。因此,應(yīng)將學(xué)科競(jìng)賽納入到實(shí)踐教學(xué)體系,從而形成面向地理信息科學(xué)專業(yè)新工科實(shí)踐的教學(xué)體系,如圖1所示。

(1)理論教學(xué)。為培育面向地理信息科學(xué)專業(yè)的新工科開(kāi)發(fā)應(yīng)用人才,第一步需要夯實(shí)基礎(chǔ)。地理信息科學(xué)專業(yè)是一門融合信息地理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)以及測(cè)繪科學(xué)等的新型交叉學(xué)科。新工科教育對(duì)地理信息科學(xué)專業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求,即體現(xiàn)出新工科建設(shè)的新結(jié)構(gòu)、新概念、新質(zhì)量、新體系、新模式[12],從而為新工科代表的最新地理信息產(chǎn)業(yè)與行業(yè)發(fā)展提供有力支撐。

與地理信息科學(xué)專業(yè)程序開(kāi)發(fā)類競(jìng)賽密切相關(guān)的基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)課程主要包括《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)》《GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》課程,如圖2所示。其中《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》與《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)》兩門課程作為競(jìng)賽開(kāi)發(fā)類課程的基礎(chǔ)課程,內(nèi)容較為枯燥,教師應(yīng)在課程教學(xué)過(guò)程中將《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程》的排序與查找部分內(nèi)容引入《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》課程中,并設(shè)計(jì)案例教學(xué),增加趣味性,同時(shí)可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。為了更好地理解地理信息系統(tǒng)的核心算法設(shè)計(jì),學(xué)生必須掌握線性表、棧、隊(duì)列、二叉樹(shù)、圖、查找、排序等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與GIS算法基礎(chǔ)內(nèi)容,因此,《GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》課程在地理信息系統(tǒng)競(jìng)賽開(kāi)發(fā)類課程中尤為重要。但課程內(nèi)容中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊比較抽象,算法理解困難,針對(duì)該問(wèn)題,教師可在教學(xué)過(guò)程中采取圖解法講解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與GIS算法,正所謂“一圖勝千言”,通過(guò)多圖逐步分解關(guān)鍵算法的思想,進(jìn)而降低關(guān)鍵算法理解的難度。同時(shí),區(qū)別于重理論思想而忽視代碼分析的傳統(tǒng)教學(xué)方式,在教學(xué)過(guò)程中,教師可結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與GIS算法的思想,詳細(xì)分析算法代碼,可以幫助學(xué)生更快更清晰地吸收掌握地理信息開(kāi)發(fā)類系統(tǒng)的核心算法。在拓展學(xué)習(xí)過(guò)程中,教師可組織開(kāi)發(fā)方向的興趣小組學(xué)習(xí)選修數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)和重點(diǎn)算法內(nèi)容。例如:二分圖匹配與KNN算法的學(xué)習(xí),這兩個(gè)算法內(nèi)容與本文探討的競(jìng)賽案例直接相關(guān)。另外,在課余時(shí)間,教師可為競(jìng)賽興趣小組提供相關(guān)的算法講解視頻,讓學(xué)生們組會(huì)討論難以理解的部分。而且,教師可進(jìn)一步要求競(jìng)賽興趣小組定期自學(xué)相關(guān)算法,通過(guò)制作PPT為組內(nèi)成員講解,學(xué)生們可結(jié)合算法思想,詳細(xì)分析代碼的實(shí)現(xiàn),在該過(guò)程中真正理解核心算法思想和設(shè)計(jì)方法,進(jìn)而為地理信息科學(xué)開(kāi)發(fā)類競(jìng)賽項(xiàng)目打下良好的算法與程序開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。

如圖2所示,在新工科教學(xué)體系中,《地理信息系統(tǒng)原理》《現(xiàn)代地圖學(xué)》《計(jì)算機(jī)地圖制圖》和《專題地圖編繪》等課程為學(xué)生的地圖制圖打下基礎(chǔ);《空間分析原理與方法》與《空間數(shù)據(jù)庫(kù)工程應(yīng)用》課程主要討論地理信息數(shù)據(jù)分析方法及原理,有利于學(xué)生在開(kāi)發(fā)競(jìng)賽系統(tǒng)過(guò)程中有效地進(jìn)行空間信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析與檢索;《Web程序設(shè)計(jì)》與《WebGIS開(kāi)發(fā)》等課程對(duì)學(xué)生參加GIS技能應(yīng)用開(kāi)發(fā)大賽與中國(guó)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽的Web系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與Web前后端程序設(shè)計(jì)有著直接的幫助。同時(shí),地理信息系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)應(yīng)引入地理大數(shù)據(jù)與人工智能等前沿理論與應(yīng)用,結(jié)合學(xué)科競(jìng)賽,建立起創(chuàng)新型課程體系,將地理信息系統(tǒng)學(xué)科的前沿知識(shí)分層次融入到空間信息技術(shù)前沿課程中,使學(xué)生們更加深刻地了解當(dāng)前這些新技術(shù)與地理信息融合、基于人工智能與空間分析融合的應(yīng)用前沿,引發(fā)學(xué)生思考更多可能的應(yīng)用場(chǎng)景和新技術(shù)對(duì)人類的生活、社會(huì)帶來(lái)的變革,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和用智慧思維解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

(2)實(shí)踐教學(xué)。實(shí)踐教學(xué)主要分為基礎(chǔ)實(shí)踐、提高實(shí)踐、拓展學(xué)習(xí)等3個(gè)環(huán)節(jié)?；A(chǔ)實(shí)踐環(huán)節(jié)主要包括相關(guān)課程的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)采集、自然地理野外實(shí)習(xí)以及GIS實(shí)踐小學(xué)期,通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)操作,強(qiáng)化學(xué)生對(duì)地理信息系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)點(diǎn)的記憶,使學(xué)生初步具備使用地理信息技術(shù)解決問(wèn)題的能力?；A(chǔ)實(shí)踐環(huán)節(jié)包括開(kāi)發(fā)類重點(diǎn)課程:《Web程序設(shè)計(jì)》與《WebGIS開(kāi)發(fā)》,采用基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)模式,要求兩門課程結(jié)束后,提交Web程序和WebGIS程序的簡(jiǎn)單項(xiàng)目,為競(jìng)賽項(xiàng)目打下程序展示與可視化設(shè)計(jì)的程序開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)[10]。提高實(shí)踐環(huán)節(jié)包含了畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)、職業(yè)技能鑒定以及職業(yè)資格(能力)考試,借助基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的模塊化實(shí)驗(yàn)案例,以應(yīng)用為導(dǎo)向,向?qū)W生介紹地理信息系統(tǒng)相關(guān)技術(shù),讓學(xué)生根據(jù)自己的特點(diǎn)找到學(xué)習(xí)與研究的方向,從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐動(dòng)手能力以及科研能力。拓展學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)把前沿技術(shù)與應(yīng)用實(shí)踐結(jié)合,轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)案例作為創(chuàng)新實(shí)訓(xùn),通過(guò)學(xué)術(shù)講座、社會(huì)實(shí)踐、前沿專題學(xué)習(xí)等研討活動(dòng)以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練與實(shí)踐,使學(xué)生全程置身于濃厚的創(chuàng)新氛圍,增強(qiáng)其學(xué)習(xí)主動(dòng)性,開(kāi)拓思維。

(3)競(jìng)賽輔導(dǎo)。未來(lái)的地理信息產(chǎn)業(yè)將會(huì)更加緊密地融合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等高新前沿技術(shù)[1-2],面向新工科地理信息科學(xué)專業(yè)的教學(xué)改革創(chuàng)新勢(shì)在必行。本文引入基于學(xué)科競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)的新工科地理信息科學(xué)實(shí)踐教學(xué)方法,根據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn),開(kāi)展學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng),實(shí)施相關(guān)實(shí)踐。在競(jìng)賽輔導(dǎo)過(guò)程中,教師應(yīng)從以下幾個(gè)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo):①鞏固學(xué)生的程序開(kāi)發(fā)與數(shù)學(xué)基礎(chǔ),培養(yǎng)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用能力。學(xué)生只有掌握了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)才能具備人工智能等前沿技術(shù)的學(xué)習(xí)能力,因?yàn)槿斯ぶ悄艿拇蟛糠謨?nèi)容都涉及到數(shù)學(xué)內(nèi)容,并通過(guò)專題大作業(yè)將程序開(kāi)發(fā)與數(shù)學(xué)二者有機(jī)結(jié)合;②引導(dǎo)學(xué)生為相關(guān)競(jìng)賽合理選題,選題是非常重要的,教師可根據(jù)競(jìng)賽項(xiàng)目的具體內(nèi)容以及學(xué)生的研究方向,向?qū)W生講解最新技術(shù),通過(guò)介紹前沿的地理信息系統(tǒng)技術(shù),積極開(kāi)展競(jìng)賽所需新技術(shù)知識(shí)的講授,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行人工智能類的專題學(xué)習(xí),從而幫助學(xué)生確定有一定創(chuàng)新性和難度的競(jìng)賽題目;③引入項(xiàng)目案例驅(qū)動(dòng)的競(jìng)賽教學(xué)模式,教師可設(shè)計(jì)一個(gè)合理的項(xiàng)目教學(xué)案例,并將該項(xiàng)目案例有效地分解成不同實(shí)驗(yàn)大作業(yè),讓學(xué)生們分別完成,碰到難點(diǎn)問(wèn)題可讓學(xué)生分組討論,如果仍存在困難,教師可根據(jù)問(wèn)題進(jìn)行講解。然后,讓學(xué)生將多次實(shí)驗(yàn)大作業(yè)進(jìn)行組合,進(jìn)而完成整個(gè)案例項(xiàng)目,以提升學(xué)生的綜合應(yīng)用、開(kāi)發(fā)、創(chuàng)新、探索能力;④激發(fā)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)與集體榮譽(yù)感,地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐類競(jìng)賽一般是3個(gè)人及以上的學(xué)生共同完成。作為一個(gè)合作團(tuán)隊(duì),成員之間必須齊心合力,根據(jù)每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員的特長(zhǎng),合理分工,明確各自的研究重點(diǎn),在開(kāi)發(fā)競(jìng)賽過(guò)程中,肯定會(huì)碰到各種難題,教師需要善于激發(fā)學(xué)生的集體榮譽(yù)感和責(zé)任感,使學(xué)生不怕挫折,勇往直前。

2 地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐類競(jìng)賽案例設(shè)計(jì)

地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐類競(jìng)賽一般應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、國(guó)防等領(lǐng)域。近幾年,隨著共享經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐類競(jìng)賽開(kāi)始涉及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+空間群智感知新技術(shù)領(lǐng)域,因此實(shí)踐類競(jìng)賽案例設(shè)計(jì)也將圍繞移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+空間群智感知,著重培養(yǎng)該領(lǐng)域的新工科人才。本文以面向?qū)崟r(shí)共享出行的網(wǎng)約車智能調(diào)度系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行競(jìng)賽案例分析。

2.1 地理信息專業(yè)案例設(shè)計(jì)原則

在新工科背景下,為滿足地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐類專業(yè)人才的社會(huì)需求,必須注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。實(shí)踐類競(jìng)賽案例設(shè)計(jì)應(yīng)具有前沿性、系統(tǒng)性,以科學(xué)性、系統(tǒng)性、規(guī)范性、主體性、發(fā)展性為重要原則,符合地理信息學(xué)科的發(fā)展規(guī)律,兼顧系統(tǒng)性、多學(xué)科交叉的有效融合,結(jié)合發(fā)展應(yīng)用在地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐類的前沿技術(shù),順應(yīng)社會(huì)需求,以學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo),鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考,并不斷在實(shí)踐中進(jìn)行創(chuàng)新探索。同時(shí)為了保證競(jìng)賽實(shí)踐過(guò)程數(shù)據(jù)、結(jié)果展示與評(píng)價(jià)合理規(guī)范,在實(shí)踐類競(jìng)賽的設(shè)計(jì)過(guò)程中注重規(guī)范,做到痕跡可追溯。

2.2 地理信息系統(tǒng)競(jìng)賽案例設(shè)計(jì)

地理信息系統(tǒng)正在改變?nèi)藗兎治龊徒鉀Q問(wèn)題的方式,地理信息系統(tǒng)案例設(shè)計(jì)從啟發(fā)式教學(xué)開(kāi)始,精選地理信息系統(tǒng)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+空間群智感知中的應(yīng)用案例。通過(guò)師生之間多次互動(dòng)交流和探究性討論,大家意識(shí)到地理信息系統(tǒng)不僅僅是指在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下,對(duì)整個(gè)或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng),更是一種思維方式,能夠更深層次地讓學(xué)生領(lǐng)悟到地理信息系統(tǒng)在不同領(lǐng)域中針對(duì)具體問(wèn)題的解決思路。

教師可啟發(fā)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,以基于空間群智感知的共享出行應(yīng)用為例,因其具有更加方便、快捷、舒適的特征被廣泛應(yīng)用,乘客僅通過(guò)手機(jī)操作便可以享受到足不出戶的周到服務(wù)。然而,作為一種新興的出行方式,其出行調(diào)度會(huì)存在時(shí)間成本高、行車路線不確定性、服務(wù)質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。因此,需要引導(dǎo)學(xué)生思考如何提高運(yùn)營(yíng)效率并盡可能滿足乘客出行需求。通過(guò)教學(xué)啟發(fā)式講授,與學(xué)生互動(dòng)交流,引導(dǎo)學(xué)生挖掘、探究現(xiàn)實(shí)生活中的“痛點(diǎn)”,形成探究式討論,漸進(jìn)式引導(dǎo)學(xué)生用空間群智感知的算法來(lái)解決這些痛點(diǎn)。指導(dǎo)學(xué)生把自己的關(guān)注點(diǎn)、發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,經(jīng)過(guò)討論形成方案設(shè)計(jì),并通過(guò)團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作最終實(shí)現(xiàn)方案。在方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,激發(fā)學(xué)生利用學(xué)到的知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的好奇心,培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力。

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+空間群智感知模式成為共享經(jīng)濟(jì)的一種新型通用計(jì)算范式?；诳臻g群智感知的共享出行是根據(jù)大規(guī)模用戶行程需求整合線下閑置汽車資源提供高效服務(wù)的一種新興交通方式。時(shí)空任務(wù)分配問(wèn)題更是共享經(jīng)濟(jì)的核心問(wèn)題之一。經(jīng)過(guò)多次討論和深入研究后,學(xué)生們提出了基于Top-K最近鄰搜索的大規(guī)模共享出行實(shí)時(shí)調(diào)度智能調(diào)度方法作為競(jìng)賽項(xiàng)目課題,主要包括兩個(gè)核心問(wèn)題:①基于KD-Tree空間索引加速Top-K最近鄰搜索,實(shí)現(xiàn)面向共享出行的網(wǎng)約車實(shí)時(shí)調(diào)度算法,解決面向城市計(jì)算的實(shí)時(shí)調(diào)度難點(diǎn)問(wèn)題;②基于Top-K最近鄰搜索的共享網(wǎng)約車實(shí)時(shí)調(diào)度模型,通過(guò)融合強(qiáng)化學(xué)習(xí)UCB模型智能框架,提出基于Top-K最近鄰搜索的共享網(wǎng)約車智能調(diào)度算法,從而保證了網(wǎng)約車實(shí)時(shí)調(diào)度的智能性,解決了共享出行平臺(tái)網(wǎng)約車服務(wù)的不穩(wěn)定性和新近進(jìn)入平臺(tái)網(wǎng)約車司機(jī)服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)另一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題,高效地解決共享經(jīng)濟(jì)實(shí)際應(yīng)用中城市交通難題,具有十分重用的應(yīng)用價(jià)值。

在競(jìng)賽教學(xué)過(guò)程中,教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)傳統(tǒng)算法缺點(diǎn)和解決思路進(jìn)行方案的概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì),包括擬采用的技術(shù)路線,以及進(jìn)一步完善的具體方案。教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)項(xiàng)目的可行性進(jìn)行評(píng)估并指正,直到學(xué)生設(shè)計(jì)出新穎且實(shí)用的競(jìng)賽作品。在方案實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,督促學(xué)生團(tuán)隊(duì)自主完成項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)、測(cè)試等。學(xué)生討論后挖掘出的共享出行調(diào)度傳統(tǒng)算法的缺點(diǎn)及解決思路,如表1所示。

本文選取了參賽作品“面向?qū)崟r(shí)共享出行的網(wǎng)約車智能調(diào)度系統(tǒng)”作為競(jìng)賽案例進(jìn)行說(shuō)明。為有效地解決乘客等待司機(jī)接單時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、網(wǎng)約車運(yùn)營(yíng)效率低、成本高等問(wèn)題,本文競(jìng)賽作品采用Jquery、OpenLayers API、LayUI、Java Web等前后端技術(shù),創(chuàng)新性地將KD-Tree、Constraint Minimum Bipartite Matching與UCB模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了共享平臺(tái)的實(shí)時(shí)智能調(diào)度,主要包括基于KNN模型的共享網(wǎng)約車實(shí)時(shí)檢索、基于KNN-Bi-Matching的共享網(wǎng)約車實(shí)時(shí)調(diào)度、基于KNN-Bi-Match-UCB的智能出行調(diào)度3種核心算法,具體總結(jié)如下:

(1)基于KNN模型的共享網(wǎng)約車實(shí)時(shí)檢索算法是通過(guò)構(gòu)造KD-Tree技術(shù)加快實(shí)現(xiàn)網(wǎng)約車的KNN最近鄰檢索功能,不僅可以提高共享網(wǎng)約車實(shí)時(shí)檢索效率,而且也保證了網(wǎng)約車檢索結(jié)果的正確性。

(2)KNN-Bi-Matching算法將所有的訂單任務(wù)都調(diào)度給網(wǎng)約車司機(jī),旨在二維空間中找到與一組調(diào)度對(duì)之間最小總距離的網(wǎng)約車和訂單,該算法可以有效地減少檢索時(shí)間,提高大規(guī)模實(shí)時(shí)調(diào)度的效率,從而保證了網(wǎng)約車和訂單請(qǐng)求之間配對(duì)的最低成本。

(3)在基于Top-K最近鄰搜索模型的共享網(wǎng)約車實(shí)時(shí)調(diào)度算法的基礎(chǔ)上,通過(guò)融合強(qiáng)化學(xué)習(xí)UCB模型智能框架,提出了基于KNN-Bi-Match-UCB的智能出行調(diào)度算法,解決了共享出行平臺(tái)網(wǎng)約車服務(wù)的不穩(wěn)定性和進(jìn)入平臺(tái)新司機(jī)服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)另一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題,提升了網(wǎng)約車實(shí)時(shí)調(diào)度的智能性,進(jìn)而保證了網(wǎng)約車調(diào)度的完成質(zhì)量。

本文競(jìng)賽作品采用了OpenStreetMap地圖數(shù)據(jù)作為底圖,調(diào)用OpenLayers API訪問(wèn)地圖服務(wù),采用高斯模型生成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的位置,其標(biāo)準(zhǔn)差決定數(shù)據(jù)的分布幅度。本作品主要功能包括:調(diào)度地圖展示模塊、模擬展示模塊、實(shí)時(shí)調(diào)度檢索模塊、出行空間分析模塊、智能調(diào)度分配模塊以及智能調(diào)度分析模塊。以上海市為例,利用高斯分布算法隨機(jī)生成網(wǎng)約車司機(jī)和請(qǐng)求訂單數(shù)據(jù),通過(guò)KD-Tree加速Top-K最近鄰搜索,檢索離訂單位置最近的網(wǎng)約車,進(jìn)行網(wǎng)約車的實(shí)時(shí)調(diào)度,提高系統(tǒng)調(diào)度效率,如圖3所示。

圖3 KD-Tree檢索功能Fig.3 KD-Tree search function

在基于Top-K最近鄰搜索模型的實(shí)時(shí)調(diào)度算法基礎(chǔ)上,通過(guò)融合格網(wǎng)劃分算法,將調(diào)度區(qū)域進(jìn)行分區(qū),實(shí)現(xiàn)子區(qū)域內(nèi)網(wǎng)約車的實(shí)時(shí)調(diào)度,可進(jìn)一步提高系統(tǒng)總體的調(diào)度時(shí)間效率,如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)分區(qū)調(diào)度功能Fig.4 Real-time scheduling function

最后,本作品將Top-K最近鄰搜索模型與強(qiáng)化學(xué)習(xí)UCB模型智能框架進(jìn)行融合,保證了網(wǎng)約車實(shí)時(shí)調(diào)度的智能性,解決了共享出行平臺(tái)網(wǎng)約車服務(wù)的不穩(wěn)定性和新進(jìn)入平臺(tái)新司機(jī)服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)問(wèn)題,如圖5所示。

圖5 智能實(shí)時(shí)調(diào)度功能Fig.5 Real-time intelligent scheduling function

3 實(shí)施與效果

將學(xué)科競(jìng)賽納入到地理信息科學(xué)專業(yè)的教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié),構(gòu)建競(jìng)賽與課程結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐模式,形成了基于學(xué)科競(jìng)賽的教學(xué)與實(shí)踐綜合教學(xué)體系。在綜合教學(xué)體系下設(shè)計(jì)的實(shí)踐類競(jìng)賽案例能實(shí)現(xiàn)教育、學(xué)習(xí)、實(shí)踐、創(chuàng)新、應(yīng)用的統(tǒng)一。通過(guò)啟發(fā)式教學(xué)、互動(dòng)討論和循序漸進(jìn)最大程度調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和應(yīng)用實(shí)踐能力。從競(jìng)賽作品的設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn),都有教學(xué)實(shí)踐團(tuán)隊(duì)的引導(dǎo),在實(shí)驗(yàn)接近尾聲時(shí),組織學(xué)生集中答辯,并邀請(qǐng)專家對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)與指導(dǎo),系統(tǒng)地訓(xùn)練學(xué)生的答辯能力,為比賽答辯做好準(zhǔn)備。近3年來(lái),筆者所在的教學(xué)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)了學(xué)生多次參加地理信息開(kāi)發(fā)類競(jìng)賽,完成了多個(gè)競(jìng)賽作品,其中包括面向?qū)崟r(shí)共享出行的網(wǎng)約車智能調(diào)度系統(tǒng)等,也取得不錯(cuò)的成績(jī),分別獲得了中國(guó)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽人工智能應(yīng)用、軟件應(yīng)用與開(kāi)發(fā)國(guó)賽二等獎(jiǎng)2項(xiàng),中國(guó)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽省級(jí)賽一等獎(jiǎng)2項(xiàng),安徽省大學(xué)生GIS應(yīng)用技能大賽二等獎(jiǎng)1項(xiàng),安徽省大學(xué)生GIS應(yīng)用技能大賽二等獎(jiǎng)2項(xiàng),第五屆“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽二等獎(jiǎng),ESRI杯中國(guó)大學(xué)生GIS軟件開(kāi)發(fā)競(jìng)賽優(yōu)勝獎(jiǎng)等。

4 結(jié) 語(yǔ)

新工科背景下地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐類競(jìng)賽案例突出了設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性和前沿性,注重培養(yǎng)地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力、創(chuàng)新意識(shí)與計(jì)算機(jī)思維。將學(xué)科競(jìng)賽納入到地理信息科學(xué)專業(yè)的教學(xué)體系,提升了實(shí)踐教學(xué)效能,激勵(lì)了教師引導(dǎo)學(xué)生解決難點(diǎn)問(wèn)題的創(chuàng)新意識(shí)。實(shí)施效果表明,基于空間群智感知的共享出行案例資源,發(fā)揮了地理科學(xué)專業(yè)學(xué)生們的創(chuàng)意思維能力和運(yùn)用綜合實(shí)踐能力,參加學(xué)科競(jìng)賽和大創(chuàng)項(xiàng)目,符合新工科人才核心能力培養(yǎng)的需要。