道路交通工程虛擬仿真項目的資源建設方案

陳 峻， 熊宏齊， 黃曉明， 程建川， 戚浩平

(東南大學 a. 交通學院； b. 實驗室與設備管理處， 南京 210096)

道路交通工程虛擬仿真項目的資源建設方案

陳 峻a， 熊宏齊b， 黃曉明a， 程建川a， 戚浩平a

(東南大學 a. 交通學院； b. 實驗室與設備管理處， 南京 210096)

以優化道路交通工程類專業虛擬仿真項目的資源建設方案為目標，從支撐學生專業知識基礎、專業知識協同和前沿知識拓展3個方面提出了由“專業基礎類、綜合訓練類、創新實踐類”組成的虛擬仿真項目分類設計要求。進而面向專業基礎類模塊，提出以“虛實結合、實時交互”為主體的資源建設形式，面向綜合訓練類模塊，提出“軟件下載—實驗項目過程演示—實驗環節設計—實驗結果提交—在線討論”的建設方法，面向創新實踐類模塊，提出多樣化實驗項目設計、支撐CDIO教學模式的建設思路。相關設計方案在東南大學國家級道路交通虛擬仿真實驗教學中心的建設中進行了應用與實踐。

道路交通工程； 專業知識； 虛擬仿真； 資源建設； 方案設計

0 引 言

交通運輸是國民經濟發展的基本需要和先決條件，在整個社會機制中起著紐帶作用。我國支撐交通運輸類人才培養的專業涉及交通運輸、交通工程、交通設備與控制工程、航海技術、飛行技術、船舶電子電氣工程、道路橋梁與渡河工程等專業(道路運輸、鐵路運輸、水路運輸、航空運輸等)，具有明顯的學科知識交叉特性。其中，道路交通工程側重以人、車、路、環境為研究對象，以安全、高效、可持續發展為目標，進行城市和區域道路交通基礎設施的系統優化。相對其他專業而言，道路交通工程的教學實驗、實踐環節主要面向工程現場，各類交通設施造價高、建設周期長、危險程度高，研究領域系統性強，涉及橋梁、道路、交叉口、場站乃至交通網絡等多個方面，僅僅在實驗室內難以完成專業人才實踐與創新能力的培養要求，因此，如何系統性設計虛擬仿真實驗項目的總體架構及教學資源，提升學生實踐與創新能力，具有重要的意義[1-2]。

由于不同專業在知識、能力等方面的要求存在差異，因此虛擬仿真實驗項目的資源設計也各有側重[3-6]，如何將道路交通工程專業人才培養要求與虛擬仿真實驗的特點和功能相結合[7-9]，形成有針對性的資源分類架構與途徑設計方案。

1 面向道路交通專業人才培養要求的虛擬仿真項目建設分類設計

結合國家工程教育專業認證標準和交通運輸類專業教學質量國家標準要求，可以定位道路交通工程專業的人才培養目標為：掌握與時代相適應的道路交通規劃、設計、建設、管理全方位基本知識，具備面向交通實際問題解決的研究創新能力。如何面向專業人才培養目標，對虛擬仿真項目的建設進行分類設計，從而最大化支撐學生知識、能力、素質的培養，是教學資源建設需要解決的基本問題。

(1) 基于人才培養知識主線架構的虛擬仿真項目建設。“交通系統”和“交通土建”是道路交通類專業人才應掌握的基本專業知識[10-11]，其中：① “交通系統類課程”以數理統計、數學建模與分析、運籌與管理為基礎，為學生系統性認識道路交通需求與供給的相互作用關系，并進行優化設計、管理提供幫助；② “交通土建類課程”以測量、力學、材料等為基礎，為學生進行道路交通基礎設施的設計與施工建造提供支撐。為此，虛擬仿真實驗項目的建設應兼顧兩大類課程群的專業知識要求，作為總體框架設計的基礎。

(2) 面向交通系統“規劃—建設—管理”協同的虛擬仿真項目。當前，我國交通需求和供給呈現出快速演變的特性，對于交通系統的優化與建設帶來了前所未有的挑戰，交通運輸行業正經歷著由“側重交通基礎設施建設”向“綜合交通系統規劃、建設、管理協同”的重大轉型，對專業學生知識和能力的培養也需要兼顧交通系統“前期分析規劃—中期設計建造—后期效能提升”等多個方面。因此，將道路交通工程的前期分析規劃、中期設計建造、后期管理控制方案以虛擬仿真實驗項目的形式分類進行設計，有助于在教學過程中訓練學生分析復雜交通形態演變所產生的影響，多方案解決現實交通問題。

(3) 面向專業學生前沿知識拓展的虛擬仿真項目。交通運輸類專業是一門系統理論和實踐并重且涉及多學科交叉的專業，現代道路交通專業技術呈現出“綠色交通、安全交通、智能交通”等多方向、精細化發展的重大轉變。科學技術的不斷發展以及一系列前沿交叉學科在交通運輸領域的應用，使得虛擬仿真實驗項目的資源設計也需要具備“開放式、多元化、可拓展性”的功能。

基于上述分析，本研究從支撐學生專業知識基礎、專業知識協同和前沿知識拓展3個方面提出由“專業基礎類、綜合訓練類、創新實踐類”組成的虛擬仿真項目建設分類設計要求，相互對應關系見圖1。

2 實現虛擬仿真項目資源建設的途徑設計

3種類型虛擬仿真項目支撐學生知識、能力要求對應側重點不同，資源建設的實現途徑也各有側重。

(1) 專業基礎類虛擬仿真實驗項目資源。專業基礎虛擬仿真實驗模塊圍繞道路交通工程類相關專業統一基礎課程平臺開設的基礎課程進行教學資源建設，主要面向專業低年級學生設計，由交通土建類專業基礎課程模塊和交通系統類專業基礎課程模塊兩部分構成，如圖2所示。

其中：① 交通土建模塊的實驗項目主要針對兩條線，即“工程測量”對應的道路“幾何設計”類以及“工程力學、工程材料”對應的后續路基路面工程、橋梁工程、結構設計原理等課程，開設上述虛擬仿真實驗，旨在讓學生完整、高效地掌握“幾何設計”和“結構設計”類課程的知識和技能；② 交通系統方向的實驗項目主要面向“交通調查、交通工程基礎、交通分析”等專業基礎課程，通過開發交通參數自動識別的軟硬件設備及交通流基礎理論模型的應用軟件，訓練學生對速度、流量、密度等交通系統運行的關鍵參數采集、檢測和分析能力。

專業基礎類虛擬仿真的項目建設以側重各具體知識點的掌握以及對應實驗數據獲取的相關儀器設備功能掌握為目標，由于知識點多、內容離散，實驗項目應具備“可操作性強、直觀性和展示度強”的特點。因此，該類實驗資源建設的實現途徑以“虛實結合、實時交互”為主體[12]，學生在線登錄教學平臺后，面向各類專業基本知識點，可通過輸入不同的參數，分析輸出結果的變化規律。或者在線了解各種實體實驗儀器設備的使用功能、操作流程和實驗步驟。

以我校設計的“道路邊坡穩定分析的虛擬仿真試驗”為例(見圖3)，將極限平衡方法和強度折減有限元方法應用于道路邊坡穩定分析，學生可在線選擇不同力平衡分析算法，輸出不同強度折減有限元方法的邊坡失穩滑動變化參數，直觀掌握邊坡穩定的分析方法。

(2) 綜合訓練類虛擬仿真實驗項目資源。綜合訓練虛擬仿真實驗項目資源建設應覆蓋交通運輸系統“規劃、設計、建造、管控”等全過程的專業主干課程知識點及相關實踐環節要求，主要面向專業中、高年級學生進行設計。其中：交通系統類虛擬仿真項目資源側重訓練學生宏觀交通網絡和微觀交通基礎設施的模擬分析與優化設計能力；交通土建類的實驗項目資源側重道路與橋梁工程“幾何設計”和“結構設計”類課程綜合能力的提升。

綜合類訓練項目側重面向實際工程問題進行虛擬環境的構建，具有“仿真環境建設復雜度大、實驗項目環節多、前后關聯性強、系統軟硬件運行環境要求高”等特點[13]，通常需要借助于大型專業模擬仿真軟件(或基于專業軟件的二次開發)進行項目設計和教學資源建設，因此不宜完全采用在線實時參數輸入、輸出的項目建設形式，可以通過“軟件下載—實驗項目過程演示—實驗環節設計—實驗結果提交—在線討論”的方法加以實現。

以城市道路網絡宏觀交通模擬分析項目為例(見圖4)，虛擬仿真模塊以我校自主研發的“Transtar-交通仿真模擬分析”軟件和國外權威軟件TransCAD為基礎，實驗由“城市道路網絡空間模型構建、交通出行生成預測、交通分布預測、創新方式劃分預測、交通分配與網絡評價”等5部分共同構成，學生通過虛擬仿真項目各個環節的學習與操作，可將真實的城市道路交通系統抽象為空間模型，并分析交通需求與網絡供給的相互作用關系，仿真實際道路、交叉口的交通運行質量，為優化方案設計提供仿真支持。

(3) 創新實踐類虛擬仿真實驗。創新實踐類虛擬仿真實驗項目(見圖5)設計以服務專業學生前沿知識的探索為目標和導向，側重提高學生的實踐創新能力。實驗項目可以采用多樣化的建設形式，項目資源主要可以來源于專業學生每年的課外研學項目、參與的教師科研項目、科技競賽項目以及畢業設計項目。

這類項目的設計以學生為主體，學生在課堂教學以外進行各種工程項目的構思、方案設計、優化實現以及工程項目實施完成后效能優化和分析評價，各個環節均可以廣泛使用虛擬仿真，使虛擬仿真成為工程實踐教學模式CDIO[構思(Conceive)-設計(Design)-實現(Implement)-運作(Operate)]重要訓練手段[14-16]。

我校道路交通虛擬仿真創新實踐類實驗項目主要來源于專業教師承擔的國家973、863計劃課題、自然科學基金項目等高水平基礎科研項目和工程應用項目的成果轉化(20多項交通類軟件著作權開發、專業軟件二次開發等)，涉及工程數據采集、道路設計、橋梁設計、交通需求大數據分析與處理、綜合交通設施規劃設計創新性方案的制定與評價、復雜交通系統環境下的運行組織優化與智能化發展等多個方面，為培養學生了解前沿問題和工程實踐問題、拓展專業視野、激發專業興趣和創新能力發揮了重要的作用。

3 結 語

虛擬仿真實驗教學為學生實踐與創新能力的提升提供了新的模式，如何將其與專業人才培養的特色要求相結合，發揮實驗教學資源的效用是其中需要解決的關鍵問題。本研究以道路交通工程專業為研究對象，基于專業知識架構要求提出虛擬仿真實驗項目的分類方法，分析了3種類型各種的項目資源建設特點，并針對性提出相應的實現途徑，相關設計方案在東南大學道路交通工程虛擬仿真實驗教學中進行了應用，取得了良好的效果。

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Study on Resource Construction Methods of Virtual Simulation Project of Road Traffic Engineering

CHENJuna,XIONGHongqib,HUANGXiaominga,CHENGJiancuana,QIHaopinga

(a. School of Transportation； b. Laboratory and Equipment Management Division, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to optimize the for resource construction method of road traffic engineering’s virtual simulation project, this paper puts forward the basic training, comprehensive training and innovation practice classification modes to support the requirements or students’ professional basic knowledge, professional collaborative knowledge and advanced knowledge. With the type of basic training modular, we propose the use of virtual-reality combination and real-time interaction method as the main form of resource construction. With the comprehensive training modular, we suggest to use the series links of "software download-experimental project demonstration-experimental project release-experimental results submitted and online discussion" to design the of virtual simulation projects. With the innovation practice modular, we need to diversify the types of virtual experimental projects to support the CDIO teaching modes. The related design methods have been applied to Southeast University’s National Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Road Traffic Engineering.

road traffic engineering; professional knowledge; virtual simulation; resource construction; design method

2016-08-19

江蘇高校品牌專業建設工程資助項目(PPZY2015B148)。江蘇省高等教育教改項目“交通運輸工程優勢學科與特色專業協調建設的資源轉換與共享研究”(2013JSJG014)

陳 峻(1972-)，男，江蘇無錫人，博士，教授，博導，交通學院副院長，研究方向：交通運輸規劃與管理，高等教育研究。

Tel.：025-83795641，13913945222； E-mail: chenjun@seu.edu.cn

U 49； G 642.0

A

1006-7167(2017)04-0098-05