支撐交通工程專業(yè)自主學(xué)習(xí)的交通信息感知實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

李海艦　榮建

摘 要 信息技術(shù)對(duì)交通工程專業(yè)的支撐和發(fā)展不言而喻，進(jìn)而延伸出新的研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域，這同樣需要在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。通過(guò)分析目前交通工程專業(yè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的自主學(xué)習(xí)需求與環(huán)境，明確交通工程專業(yè)的知識(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠有效融合交通專業(yè)傳統(tǒng)知識(shí)體系和信息化應(yīng)用方向，讓學(xué)生所學(xué)的知識(shí)、所做的實(shí)驗(yàn)更貼合實(shí)際需求和工程應(yīng)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(xué) 自主學(xué)習(xí) 交通信息 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yīng)用，現(xiàn)有教學(xué)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綗o(wú)法適應(yīng)當(dāng)前學(xué)生對(duì)現(xiàn)代信息、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的可測(cè)、可視、可操控性獲取，且尚未形成面向本科教學(xué)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ嵘膶W(xué)生自主學(xué)習(xí)模式的理論體系。面向交通運(yùn)輸工程學(xué)科的本科生教學(xué)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方面，在基于教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的交通信息有效轉(zhuǎn)化模式研究方面較為薄弱，無(wú)法結(jié)合學(xué)生記憶特定和興趣點(diǎn)，形象生動(dòng)地對(duì)相關(guān)知識(shí)體系和技術(shù)體系進(jìn)行有效表示和表達(dá)。本文結(jié)合近年來(lái)在學(xué)生自主學(xué)習(xí)模式、[1-2]交通信息感知、[3-4]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[5-6]等方面的研究，分析了交通工程專業(yè)自主學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)的交通信息感知實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

1 交通工程專業(yè)自主學(xué)習(xí)需求與環(huán)境

提升大學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力已成為目前大學(xué)教育的重要方向之一，自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)需要自主學(xué)習(xí)需求的刺激和自主學(xué)習(xí)環(huán)境的兩方面相互配合、共同作用才能實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，首先自主學(xué)習(xí)的需求越來(lái)越明顯，表現(xiàn)為學(xué)生自身素質(zhì)的提升與追求、專業(yè)知識(shí)的不斷豐富與完善、進(jìn)入社會(huì)工作中的持續(xù)學(xué)習(xí)要求等，這樣自主學(xué)習(xí)需求就對(duì)自主學(xué)習(xí)環(huán)境有了相應(yīng)的刺激。這種刺激要求學(xué)生要有很好的自主學(xué)習(xí)環(huán)境。這種環(huán)境的營(yíng)造需要學(xué)校、教師和專業(yè)設(shè)計(jì)等多方面的共同努力，營(yíng)造了好的自主學(xué)習(xí)環(huán)境能夠很好地支撐學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力。在大學(xué)生本科教育中，理論為主導(dǎo)的本科生教學(xué)和實(shí)踐為導(dǎo)向的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)是相輔相成的，兩者互相促進(jìn)、互相結(jié)合共同促使專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)。

2 強(qiáng)化自主學(xué)習(xí)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(shí)體系

交通工程專業(yè)本身的知識(shí)特點(diǎn)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(xué)科不下10個(gè)，涵蓋地理、人文、數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)、通信、材料等，是個(gè)多學(xué)科交叉專業(yè)。雖然交通工程的核心知識(shí)不多（主要是交通工程學(xué)、交通規(guī)劃、交通管理與控制等），學(xué)生在兩年時(shí)間內(nèi)基本可以掌握，但是，要想深入學(xué)習(xí)和了解這一學(xué)科，要想應(yīng)用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化交通管理與控制，要想實(shí)現(xiàn)定制化、專業(yè)化、人性化的交通服務(wù)，需要極大的擴(kuò)展相關(guān)知識(shí)，學(xué)習(xí)多學(xué)科知識(shí)點(diǎn)。這些知識(shí)和技能的學(xué)生，即涉及基礎(chǔ)知識(shí)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(kuò)展等。這就需要結(jié)合學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，全面提升交通工程專業(yè)的學(xué)習(xí)效率和針對(duì)性。對(duì)于“專而精”，正因?yàn)榻煌üこ虒I(yè)知識(shí)點(diǎn)的“泛而全”，在有限的時(shí)間和精力下，本科生很難做到所有知識(shí)點(diǎn)面面俱到，很難把所有的知識(shí)點(diǎn)學(xué)精，所以就要求在眾多的知識(shí)點(diǎn)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(diǎn)、興趣及未來(lái)就業(yè)去向去梳理相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，有側(cè)重、有針對(duì)性發(fā)學(xué)習(xí)“專”的東西，結(jié)合自身自主學(xué)習(xí)動(dòng)力和學(xué)校創(chuàng)造的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，把所需要學(xué)習(xí)的知識(shí)和技能學(xué)“精”，真正實(shí)現(xiàn)國(guó)家、學(xué)校、教師所設(shè)計(jì)的專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃。

2.2 新時(shí)期下的交通工程專業(yè)發(fā)展方向

隨著電子、信息、控制、計(jì)算機(jī)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(shì)和應(yīng)用方向。傳統(tǒng)的交通工程專業(yè)方向包括交通設(shè)計(jì)、交通規(guī)劃、交通管理、交通控制等，一旦與信息、電子、計(jì)算機(jī)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(wú)線通信技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，形成了“互聯(lián)網(wǎng)+交通”，使交通也進(jìn)入了共享經(jīng)濟(jì)時(shí)代，[7]在交通效率、資源分配、應(yīng)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(jì)算機(jī)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(gè)性化交通誘導(dǎo)、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(yīng)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(xué)科，借助相關(guān)學(xué)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(wù)水平，這一關(guān)乎所有人“行”的問(wèn)題。隨著交通工程學(xué)科的不斷交叉，形成了自動(dòng)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(lái)交通的發(fā)展提供了導(dǎo)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(gè)發(fā)展方向，一個(gè)是傳統(tǒng)核心方向，主要包括交通安全、交通設(shè)計(jì)、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(shí)踐，解決的是人們基本的交通需求與服務(wù)問(wèn)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(gè)是新興發(fā)展方向，是一個(gè)多學(xué)科交叉方向，需要結(jié)合信息、控制、計(jì)算機(jī)等學(xué)科知識(shí)，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(dòng)駕駛技術(shù)、自動(dòng)網(wǎng)聯(lián)公路系統(tǒng)（CAVH， Connected and Autonomous Vehicle and Highway System），甚至共享經(jīng)濟(jì)理念，解決的是人們定制化、智能化的交通需求與服務(wù)問(wèn)題，在出行效率、便捷性、安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等各方面進(jìn)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(guó)的道路通行能力手冊(cè)（HCM， Highway Capacity Manual），交通流理論（TFT， Traffic Flow Theory）和標(biāo)準(zhǔn)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(xué)習(xí)的核心知識(shí)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Wireless Sensor Network）、5G無(wú)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(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)（Automatic Transport System）、電動(dòng)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(wù)（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(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)。

交通信息感知實(shí)驗(yàn)是交通工程專業(yè)新興發(fā)展方向的一個(gè)重要知識(shí)模塊，也是智能交通、自動(dòng)網(wǎng)聯(lián)公路、綜合交通等技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，所以為推進(jìn)交通工程專業(yè)發(fā)展，在本科生教學(xué)中融入新興發(fā)展技術(shù)知識(shí)，對(duì)學(xué)生后續(xù)發(fā)展、深造、就業(yè)等都大有裨益，也是更好實(shí)現(xiàn)學(xué)生專業(yè)培養(yǎng)技術(shù)的條件。交通信息感知實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅從知識(shí)結(jié)構(gòu)上服務(wù)本科生教學(xué)，擴(kuò)展本科生的知識(shí)面，同時(shí)能夠有效地提升本科生專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)興趣，還能應(yīng)用于多項(xiàng)與實(shí)際應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，能夠做到交通工程專業(yè)培養(yǎng)過(guò)程中的理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

3 交通工程專業(yè)交通信息感知實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

交通信息感知實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從信息感知、信息傳輸與交互、信息存儲(chǔ)、信息處理與挖掘、信息服務(wù)等交通信息數(shù)據(jù)全生命周期角度實(shí)現(xiàn)本科生對(duì)交通信息的學(xué)習(xí)和理解，讓學(xué)生從交通工程、信息技術(shù)等基礎(chǔ)理論知識(shí)，到行業(yè)需求、信息服務(wù)、功能實(shí)現(xiàn)等應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行全方位學(xué)習(xí)和感知。同時(shí)，學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、功能模塊、應(yīng)用擴(kuò)展等方面都能有效擴(kuò)展自身的學(xué)習(xí)和研究興趣，為學(xué)生提供了良好的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，使他們?cè)诖司W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的基礎(chǔ)上能夠?qū)W習(xí)和深化新興技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)交通工程專業(yè)提升與發(fā)展，達(dá)成交通工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。圖3給出了交通信息感知實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的8大功能模塊及每個(gè)功能模塊涉及的知識(shí)點(diǎn)。從交通信息的全生命周期來(lái)說(shuō)，8大功能模塊的次序?yàn)椋海?）信息感知；（2）信息傳輸；（3）信息交互；（4）信息存儲(chǔ)；（5）信息處理；（6）信息發(fā)布；（7）信息服務(wù)；（8）信息挖掘（見(jiàn)圖3）。

交通信息感知實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涉及傳感器技術(shù)、交通檢測(cè)技術(shù)、通信、傳感器網(wǎng)絡(luò)、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、交通信息處理等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，可有效支撐多門交通工程專業(yè)課程的本科生教學(xué)和多種交通工程創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

交通信息感知實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的邏輯結(jié)構(gòu)包括感知層、通信層和服務(wù)層。感知層主要包括各類交通檢測(cè)設(shè)備和路網(wǎng)、車輛模型，此外，為了在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層模擬，歷史的交通流檢測(cè)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(guò)這些數(shù)據(jù)在線模擬現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)感知情形。通信層主要實(shí)現(xiàn)信息傳輸和信息交互，包括線纜、無(wú)線通信模塊、電源模塊等，是適用于交通信息的有線和無(wú)線通信技術(shù)和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的直接展現(xiàn)。上層是服務(wù)層，也是該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的信息中心，可模擬實(shí)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(shí)現(xiàn)。同時(shí)，基于信息發(fā)布和信息服務(wù)的需求，該層也具備各類通信、顯示模塊，以模擬實(shí)際交通信息的展示、發(fā)布和推送服務(wù)。

交通信息感知實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以充分挖掘?qū)W生的自主學(xué)習(xí)能力，通過(guò)有效融合交通工程專業(yè)知識(shí)和信息化應(yīng)用，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力，使學(xué)生所學(xué)的知識(shí)、所做的實(shí)驗(yàn)更貼合交通工程的實(shí)際需求和工程應(yīng)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(xiàng)目：本文系北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)面上課題（ER2015C020505）的研究成果

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