面向新時代智慧交通科技人才培養的交通實驗教學平臺建設探討

歐吉順，聶慶慧，劉路，沈家軍，方芳

（1.揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇揚州 225127；2.廣州迪奧信息科技有限公司，廣東廣州 510640）

智慧交通是一個跨學科領域，涉及交通工程、計算機科學與技術、通信工程、控制工程等多個專業[1]。與智能交通相比，智慧交通綜合運用了物聯網、大數據、云計算、人工智能等新興技術，通過優化交通基礎設施、運輸工具、運輸組織和交通管理方式，形成虛擬與現實相結合、因需而變的智慧化交通運輸系統[2]。黨的十九大報告首次提出了交通強國發展戰略。2019年9 月，中共中央、國務院印發《交通強國建設綱要》，為我國未來交通發展指明了方向，同時對創新型高水平交通科技人才的培養提出了新的要求[3]。《交通強國建設綱要》明確了未來交通人才隊伍建設的定位，即培育高水平的交通科技人才，打造素質優良的交通勞動者隊伍，建設高素質專業化的交通干部隊伍。鑒于此，培養新一代智慧交通科技人才成為當前推動我國交通強國建設的關鍵舉措[4]。

交通工程專業注重理論創新與科技實踐相結合[5]。實驗教學是培養優秀交通工程專業人才的關鍵環節。目前，各高校正逐步推進交通工程專業實驗教學課程改革[6]，在國家級實驗教學示范中心建設思想的引領下，確立了實驗室建設與改革的新思路和新理念[7]，為創新型復合型人才培養奠定了堅實基礎。在此背景下，探索如何有效建設交通工程專業實驗教學平臺，對于培養新一代智慧交通人才具有重要意義。本文以揚州大學交通工程專業智慧交通實驗教學平臺為例，探討面向新時代智慧交通科技人才培養的交通實驗教學平臺建設經驗與思路，以為新時代高校交通實驗教學平臺建設和改革提供參考。

1 智慧交通實驗教學平臺建設

實驗教學在提高學生動手實踐能力方面具有重要作用，在學生創新能力培養方面也發揮著關鍵支撐作用。通過實驗教學，不僅能夠激發學生的積極參與意識，更好地促進理論教學與實踐教學的有機結合，還能為學生提供展示的舞臺，培養學生從多角度解決實際問題的能力[8]。

揚州大學交通工程專業智慧交通實驗教學平臺的建設遵循以下指導思想：圍繞交通工程學科特點，以服務交通工程專業教學為宗旨，以滿足高水平交通科技人才培養需求為中心，以提高教學質量、科研水平和服務地方經濟發展為總目標，以教學性、功能性、開放性和創新性為原則，向學校師生提供智慧交通實驗教學資源及服務；平臺亦可作為大學生學科競賽、大學生創新創業、本科生導師制等項目的教學實踐基地。

平臺建設依托人工智能、大數據、自動控制、車聯網、傳感器等多學科交叉技術，根據交通工程學科實驗教學要求，提供智慧交通軟硬件一體化教學設施，針對高危或極端環境、不可及或不可逆操作或高成本、高消耗等復雜教學場景，提供安全、經濟、可靠的實驗教學服務。平臺主要由四大系統構成：（1）智慧交通采集與監測實驗系統；（2）自動駕駛與智能網聯汽車模擬仿真實驗系統；（3）智能交通信號控制實驗系統；（4）交通大數據實驗系統。圖1 為揚州大學智慧交通實驗教學平臺。

圖1 揚州大學智慧交通實驗教學平臺

1.1 智慧交通采集與監測實驗系統

智慧交通監測與控制系統以具有揚州特色的城市道路交通網絡為藍本進行設計。該系統綜合搭建了城市道路、高速公路、公交站點、停車場、學校、景區、高速公路收費站等各類交通基礎設施，涵蓋了道路路段、交叉口、立交、綠化帶、標志標線、交通信號燈、路燈等交通要素。基于安裝的交通傳感器及其數據接口，系統可以模擬實現車輛行駛、車輛定位、智能網聯無人駕駛、交通數據采集、電子警察、交通監控、高速公路收費、城市停車收費、交通信息發布等多類智慧交通采集與監測功能。利用該實驗系統，學生可在實驗室環境下開展：（1）交通綜合管理模擬實驗；（2）電子警察執法模擬實驗；（3）交通數據采集與分析實驗；（4）智能停車收費管理實驗。

1.2 自動駕駛與智能網聯汽車模擬仿真實驗系統

自動駕駛與智能網聯汽車模擬仿真實驗系統配備了車載傳感器、控制器、執行器等裝置，融合了現代通信與網絡技術，能夠實現車輛與車輛、路側設施、控制中心之間的信息交換與共享。系統具備環境感知、智能決策、協同控制功能，包括自動駕駛汽車模擬仿真子系統和智能網聯車輛管理子系統。

自動駕駛汽車模擬仿真子系統采用人工智能技術，包括機器視覺、圖像處理、模式識別等算法，實現前方車輛探測功能；基于車聯網技術，發布車距安全預警信息，并根據不同光照條件，實現車道標志和標線精準識別功能；通過車輛位姿、方向、道路寬度等參數實時估計，實現車道偏離預警功能。基于該系統，學生能夠開展：（1）智能網聯車輛認知實驗，讓學生學習智能網聯車輛關鍵技術、工作原理和實現功能；（2）二次開發創新實驗，學生可在提供的源代碼的基礎上進行二次開發，設計智能網聯仿真車輛的道路識別、避障控制、路徑規劃等算法。

智能網聯車輛管理子系統包含車輛控制、車輛定位、信息顯示、無線數據收發、避障、電磁循跡、轉向舵機等組件，能夠實現仿真車輛在平臺上的自動行駛。系統實現了車輛與車輛、路側設施和控制中心等的信息交換和共享，且車輛在沙盤上的行駛軌跡和控制信息能夠同步顯示在大屏上，結合智能車輛管理軟件，還可實現車輛調度優化功能。智能仿真車輛能夠沿著設定的路線自動行駛，實時獲取路口信號燈狀態，并依據交通規則行駛。基于該子系統，學生可開展：（1）車路協同控制仿真實驗；（2）車輛定位與調度仿真實驗；（3）智能仿真車輛控制二次開發實驗。

1.3 智能交通信號控制實驗系統

智能交通信號控制實驗系統由智能交通信號控制教學機和智能交通信號控制管理軟件組成，可以模擬道路交通路況，實現對信號燈的智能聯網控制。系統能夠實現多種交通信號控制策略，包括黃閃控制、固定周期控制、多時段定時控制、特殊日控制、手動控制、獨立感應控制、綠波協調控制等。此外，系統還能夠與VISSIM 仿真軟件進行無縫集成，將信號機配時方案輸入到VISSIM 仿真軟件中進行交通仿真，生成延誤、行程時間、排隊長度等數據指標。學生利用該系統可開展：（1）交通信號控制認知實驗，讓學生了解交通信號控制系統的工作原理、設備組成、網絡結構和實現功能，熟悉交通信號控制設備的操作和連接方法；（2）交通信號控制實操實驗，讓學生學習并掌握交叉口配置、單點配時、分時控制、感應控制和綠波協調控制等信號配時控制設計方案；（3）交通信號控制故障認知實驗，讓學生認識交通信號控制系統常見故障，并掌握相應故障修復方法；（4）交通信號配時優化實驗，通過讓學生調查揚州市道路交叉口信息，開展交通信號配時優化實驗，并利用交通仿真檢驗所設計優化方案的合理性。

1.4 交通大數據實驗系統

交通大數據實驗系統從總體上劃分為數據采集層、數據處理層、數據挖掘層和決策服務層。數據采集層對交通檢測數據進行收集和存儲；數據處理層對收集的數據進行清洗、整合和缺失估計等各類預處理；數據挖掘層利用多類機器學習算法進行數據分析和建模，從而獲得決策信息；決策服務層通過數據可視化方式向用戶提供決策信息服務。系統能夠提供交通大數據相關教學資源。基于該系統，學生可開展：（1）交通大數據認知實驗，利用大數據可視化展示系統，向學生講授交通大數據系統組成及工作原理；（2）交通大數據部署實驗，讓學生學習和掌握交通大數據系統部署和配置；（3）交通大數據模型二次開發實驗，基于Python 編程環境，讓學生學習交通大數據模型的開發知識，根據實際需求完成數據的預處理、分析和建模；（4）交通大數據可視化開發實驗，讓學生學習和掌握各類交通數據可視化理論與方法，并基于Python 編程對數據分析結果進行可視化呈現。

2 實驗教學成果

課程體系是實現專業培養目標的重要載體，也是人才培養要求的具體體現[9]。在專業課程體系中，實驗課程發揮著重要作用，旨在幫助學生加深對交通實際問題的認識和思考，培養其運用理論知識解決實際問題的能力。實驗課程應與專業課程相融合，形成一個有機整體。圍繞交通工程專業的人才培養目標和專業課程體系，不同專業課程設置的實驗應體現差異性。例如，交通工程、交通調查、交通數據分析等課程實驗旨在讓學生掌握交通調查與數據處理的基本方法，該類實驗屬于演示型或驗證型實驗；交通規劃、交通設計、交通管理與控制等課程實驗旨在讓學生掌握運用相關理論分析具體問題并設計解決方案的能力，該類實驗以綜合型和設計型實驗為主，建立在驗證型實驗的基礎上；課外探索類實驗主要是研究創新型實驗，涉及方法或理論的實際運用，需要具有一定的創新性[10]。交通工程專業的實驗教學應該由淺入深，由基礎到綜合，以滿足不同層次學生的學習需求。實驗課程的架構關鍵在于能夠科學支撐實驗項目和內容。實驗項目不僅需要與課程內容有機結合，具有整體性和系統性，還需要有效融入前沿科技知識和國家重大戰略需求[11]。

近年來，揚州大學基于所建設的智慧交通實驗平臺取得了一系列教學研究成果：獲得了全國大學生交通科技大賽、全國高校智能交通創新創業大賽、“創青春”全國大學生創業大賽、江蘇省大學生交通科技大賽等30 余項國家級和省級大學生學科競賽獎。此外，學校師生還基于該平臺取得了許多優秀的科研成果，例如，獲得了國家級和省級大學生科創項目立項以及江蘇省優秀畢業設計。上述成果充分證明：揚州大學在學生創新和實踐能力培養方面成效顯著，同時也證實了智慧交通實驗平臺在提升學生創新能力和實踐能力方面發揮著重要作用。

3 實驗教學平臺建設思考與總結

智慧交通作為我國交通領域的未來發展方向，對于培養創新型高科技復合人才意義重大。交通工程專業作為我國交通領域人才培養的主要途徑，在智慧交通建設和交通強國戰略實施中有著不可替代的地位。交通工程專業課程具有交叉性和應用性，強調實踐性和操作性，對所培養人才的綜合素質要求很高。傳統課堂教學模式存在一些問題，導致學生缺乏動手實踐和接觸實際項目的機會，仍停留在對概念和方法的理解和記憶上。隨著大數據、數字孿生和虛擬仿真等高新技術的迅速發展，交通工程實驗教學理論和方法獲得了很大發展。例如，在交通管理與控制課程實驗教學中，利用大數據、云計算和數字孿生技術向學生演示不同交通信號控制方案在實際交通場景中的實施效果，能夠激發學生進行自主實驗和研究解決實際交通問題的興趣[12]。因此，交通工程專業應結合前沿高新技術，積極探索創新式實驗教學理論和方法，以此助力培養更多具有創新思維和實踐能力的復合型交通科技人才，也將推動智慧交通發展和交通強國建設進程。

4 結語

在社會經濟建設和發展過程中，人才培養至關重要，而人才培養的關鍵在于人才培養模式的創新[13]。傳統實驗教學模式已經難以適應時代發展對復合型人才培養的高要求。面向新一代智慧交通科技人才培養目標，高校和教師需要對交通強國等國家重大戰略和前沿科技保持高度敏感性[14]，密切關注交通領域最新研究方向，及時更新和完善實驗課程教學內容，在授課過程中不斷融入新理念、新技術和新方法，從而為我國交通領域的建設和發展提供人才支撐。