綜合交通大數據分析平臺教學系統設計

鄭亮　張云麗

摘 要：綜合交通大數據分析是中南大學交通運輸工程學院交通運輸專業核心課程《智能交通系統》的重要講授內容，基于大數據分析的智能交通系統建設是當前國內、外的研究熱點與發展趨勢。基于綜合交通大數據分析平臺教學系統的功能需求，構建一套基于綜合交通大數據采集模塊、傳輸與存儲模塊、演示模塊和分析、研判與試驗模塊的教學系統架構，并設計一套教學控制機系統，改進了傳統的課堂集中講授的教學方式。此系統可以讓學生直觀、深刻、快速地掌握綜合交通大數據分析相關的專業知識與技能，提高教學質量和實際教學效果。

關鍵詞：綜合交通；大數據；智能交通系統；教學系統

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

Abstract： Comprehensive transportation big data analysis is an important teaching content of intelligent transportation systems， which is one of the core courses in the major of traffic and transportation at the school of traffic & transportation engineering of central south university. Constructing the intelligent transportation systems based on big data analyses is currently the research focus and developing trend in the domestic and overseas. Based on the functional requirements of the teaching system for comprehensive transportation big data analysis platform， the architecture of such teaching system， based on comprehensive transportation big data collection module， transmission and storage module， display module and comprehensive transportation big data analysis-judge-experiment module， is constructed. Also， a corresponding teaching control system is designed to improve the existing tradition teaching in class. Such teaching system makes students understand the special knowledge and technique ability about comprehensive transportation big data analysis intuitively， profoundly and quickly to enhance the teaching quality and efficiency.

Key words： comprehensive transportation； big data； intelligent transportation systems； teaching system

大數據通常是指我們信息爆炸時代產生的海量數據，通常具有4V定義[1]，即規模性（volume）、多樣性（variety）、高速性（velocity）和價值性（value）。最早提出大數據概念的是全球知名的麥肯錫，它于2011年發布研究成果稱：“數據已經滲透到每一個行業和業務職能領域，逐漸成為重要的生產要素，人們對海量數據的挖掘和應用，預示著新一波生產率增長和消費者盈余浪潮的到來”[2]。在大數據的潮流下，建立綜合交通大數據分析與試驗平臺，通過大數據技術挖掘可靠的、有價值的交通信息，有助于更好地服務于交通流的形成機理研究、交通需求預測、交通狀態評價及智能交通管控、智能公交與城市軌道交通系統的構建及交通安全保障。顯然，綜合交通大數據分析直接關系著新一代智能交通系統的建設，這就要求交通運輸專業的學生必須熟練掌握大數據分析、研判與試驗相關的專業知識與技能。因此，結合綜合交通大數據發展的趨勢，研制出綜合交通大數據分析平臺教學系統，用來輔助《智能交通系統》課程的日常教學工作，滿足交通運輸專業的實踐教學需要，改進傳統的教學模式，使學生通過實踐操作與模擬試驗熟練掌握專業知識與技能，培養緊跟時代發展潮流的青年人才。

1 綜合交通大數據分析平臺教學系統功能需求

綜合交通大數據分析平臺教學系統適用于從事或即將從事交通規劃、交通設計與交通運營管理工作的學生或其它相關人員的學習與培訓范疇。其核心功能包括如下四個部分。

（1）綜合交通大數據分析與仿真實驗。展示交通大數據的多源渠道與異質結構，了解交通大數據在不同信息表征方面的各自優勢，以及某一類數據揭示交通活動的局限性，例如： 利用手機數據、公交刷卡消費數據等既包含出行者空間位置信息又包含其社會行為信息的大數據估計交通需求、評價交通狀態、優化交通系統；利用浮動車GPS數據劃分城市地塊功能、優化停車加油服務、建立出租車拼車系統；從海量互聯網文本數據中挖掘交通信息，實現交通信息的“眾包”等。此外，熟悉融合多源異構交通數據的各類方法，學習通過大數據分析剖析交通問題的根源。通過此功能模塊讓學生直觀感受到大數據的魅力，并學習到當前前沿的交通相關知識。

（2）軌道交通運營組織與大型綜合交通樞紐仿真。演示軌道交通與大型綜合樞紐客流大數據采集、分析與研判，開展高速鐵路運行組織與大型綜合樞紐協調管控的虛擬仿真模擬與分析。讓學生了解軌道交通與大型綜合交通樞紐大數據的特征與處理流程，掌握單一的交通綜合體模式應當如何適應高速鐵路對鐵路樞紐建設的要求，以及如何對高速鐵路綜合客運樞紐進行協調組織優化。

（3）基于智能管控的多式公交協調運行試驗。演示城市公共交通需求時變遷移規律，并基于這些時變遷移規律進行城市公共交通信息發布試驗、城市公共交通多模式網絡運營的效益評價與分析，開展多式公交協同運行、線路動態設置與信息集成試驗。讓學生掌握路面公共交通線網規劃與動態優化的大數據環境的建立、維護、更新機制，大數據環境下路面公共交通線網優化（時機、目標、方法）的觸發機制，了解城市常規公交接駁線路優化的相關知識，如接駁車站、線路經由、開行頻率等。同時，讓學生學習單模式、多模式及基于實時信息的公共交通協同運營調度的相關知識，包括理論、方法、關鍵技術以及軟硬件支撐平臺。

（4）面向智能車聯的城市交通管控試驗。基于多源數據信息的融合與分析，進行智能化交通管理、智能動態信息服務和車輛智能化控制的試驗。讓學生了解智能交通管理的基本概念、系統主要構成以及當前發展前沿，掌握智能交通控制、誘導、控制—誘導一體化的理念及實施過程，了解車輛智能控制的工作原理、系統結構與實施效果，激發學生在智能交通領域的創新思維。

2 綜合交通大數據分析平臺教學系統的功能架構

此系統的架構包括四個模塊，即綜合交通大數據采集模塊、綜合交通大數據傳輸與存儲模塊、綜合交通大數據演示模塊和綜合交通大數據分析、研判與試驗模塊。數據采集模塊主要是通過各種儀器設備采集來自物理世界的空間交通信息數據，如交通網絡GIS數據、感應線圈數據、視頻監控數據、浮動車數據等，與來自人類社會的社會信息，如手機通訊數據、互聯網上與交通相關的文本數據等。數據傳輸與存儲模塊主要是根據各類交通數據的數據特征采用合理的數據傳輸方式，如無線或有線傳輸、并行或串行傳輸、同步或異步傳輸、加密或非加密傳輸等，將多源異構的綜合交通大數據傳輸到服務器或云平臺上進行分類存儲。數據演示模塊主要是將多源異構交通大數據進行融合并加載到實際的交通路網GIS圖上，并通過大屏顯示系統展示路網交通狀態的時空演化過程，直觀演示各類交通大數據在不同信息表征方面的優勢。數據分析、研判與試驗模塊主要是通過統計或數據挖掘分析交通需求者的時變遷移規律，通過網絡分析方法或評價模型研判交通問題的癥結所在，并通過交通仿真軟件或仿真優化平臺嘗試解決交通問題進行仿真試驗。此系統架構示意圖如圖1所示：

系統的關鍵組件：

（1）交通流實時監控系統：捕捉城市路網及高速公路的實時交通流狀態，包括高速攝影系統、車輛狀態高清攝像監視系統、視頻采集系統、交通流量計數器、衛星導航接收機。從不同角度截取路網的車流實時狀態，為出行者與交通管理者提供直觀的交通信息。

（2）客流信息統計系統：掌握城市路網、高速公路、城市軌道、高速鐵路以及交通樞紐的客流相關信息，包括Stalker雷達測速儀、多普勒測速系統、車載客流統計系統、手持式交通數據采集儀、自動數據采集控制系統、TFI集成數據采集器。通過多渠道獲取客流（即出行者）的相關信息，為綜合交通大數據平臺的建設提供多源異構數據。

（3）智慧交通大屏顯示與分析系統：用于多源異構綜合交通大數據的融合、動態演示、統計分析與研判，包括LCD接觸屏、視頻綜合平臺、控制軟件、服務器、交換機、一體電腦。通過一體電腦的控制軟件，從綜合交通大數據平臺服務器提取各類交通大數據，加載到交通網絡的GIS圖中，通過視屏綜合平臺與LCD接觸屏動態演示出來。

（4）列車調度仿真模擬系統：用于列車車站、列車區間段及列車線路網絡客流和物流的調度仿真與開行方案測試，包括鐵路列車運行圖編制系統（軟件）、鐵路計算機聯鎖仿真系統、鐵路綜合實物仿真系統、CTC數據庫服務器、CTC應用服務器。通過編制客流或物流的鐵路列車運行圖，利用鐵路計算機聯鎖控制系統進行管控，對鐵路列車運行效率進行評價。

（5）交通規劃與仿真軟件：用于城市交通、高速公路以及綜合交通樞紐的規劃、仿真與分析試驗，包括出行需求預測軟件Emme、微觀交通仿真軟件VISSIM、宏觀交通仿真軟件VISUM、VISUM-online交通管理軟件、交通規劃/微觀交通仿真/交通需求及相關數據分析軟件Aimsum。針對不同規模（路段、路口或路網）不同層次（規劃、設計、控制或管理）的交通問題選取合適的交通軟件，有針對性地系統研究。

3 綜合交通大數據分析平臺教學系統的教學控制機系統

針對綜合交通大數據分析平臺教學系統的功能需求、功能架構及關鍵組件，此教學系統軟件依托一種實時分布式模擬支撐平臺來完成各自的功能，該支撐平臺為綜合交通大數據分析與試驗教學軟件提供透明、高效的運行管理環境，確保教學過程的順利開展。本節主要介紹相關的教學控制機系統，該系統針對綜合交通大數據分析、研判與試驗的教學任務設計相應的教學模塊，提供綜合交通大數據分析平臺的試驗教學演示、運行、監控學生操作和評估學生操作過程的手段，具體包括以下幾個方面：

（1）試驗教學配置。用于該試驗教學系統的配置和協調管理，執行系統配置管理、學生管理、系統運行初始條件及各種組件的參數設置和進程管理等。

（2）試驗教學演示。主要用于教師進行交通運輸相關專業的理論知識的講解，通過人機交互界面，向交通運輸專業的學生講述各種交通數據采集設備的工作原理、操作方法、數據格式以及潛在可以描述的交通現象，介紹多源異構交通大數據的融合方法及各類數據表征信息的優勢，講解各種規劃與仿真軟件的內核工作原理和操作方法。

（3）學習進程控制。負責暫停學習過程、恢復學習過程、存儲快照、學習過程重演，根據各個教學模塊的不同要求設置教學目的，安排教學內容，給出教學難點及解決方法。

（4）學習過程的動態跟蹤。動態地記錄系統的狀態和發生的事件，以便于學生學習過程的重演和對學習效果的評估，同時可以隨時對任意一個終端的學生操作進行實時監控。同時，收集學生在學習過程中的問題，并給予重點講解與反饋，讓學生逐步順利完成學習計劃。

（5）學習效果評估。學習結束后自動生成評估報表，其內容包括：針對交通流實時監控系統與客流信息統計系統，讓學生采用一種交通流實時監控設備或客流信息采集設備收集某交通場景的實時交通數據，通過簡單的統計分析形成一份交通調查報告；針對智慧交通大屏顯示與分析模塊，讓學生總結各種多源異構交通大數據的差異及優缺點，采用某種數據挖掘的辦法分析某類交通數據，形成一份數據分析報告；針對列車調度仿真模擬系統，讓學生熟悉列車調度仿真模擬系統的構建流程，最后提交一個列車站點/區間段/線路網絡仿真模型；針對交通規劃與仿真軟件，讓學生掌握不同規劃與仿真軟件的建模流程，最后提交一個路網的交通仿真模型。

4 結束語

綜合交通大數據分析平臺教學系統的功能架構主要包括：綜合交通大數據采集模塊、綜合交通大數據傳輸與存儲模塊、綜合交通大數據演示模塊和綜合交通大數據分析、研判與試驗模塊。此教學系統不僅融合了道路交通與軌道交通的相關專業理論知識，而且與當前國際交通領域的研究前沿和研究熱點緊密結合，具有很強的綜合性與時代性。此外，設計了一套相應的教學控制機系統，用于教學演示、學習進程控制、學習動態跟蹤及學習動態評估，該教學系統不僅可以用于交通運輸專業學生的實踐教學環節，還可服務于交通科技與管理高級人才培養。通過本教學系統使交通運輸專業學生更直觀、形象地理解和掌握道路交通與軌道交通規劃、設計與運營管理和操作流程，對促進交通運輸行業專用型人才和科研型人才的培養，具有積極的引導作用。

參考文獻：

[1] Barwick H. The “four Vs” of Big Data. Implementing Information Infrastructure Symposium[EB/OL]. （2012-10-02）[2016-04

-30]. http：//www.computerworld.com.au/article/396198/iiis_four_vs_big_data/.

[2] Manyika J， Chui M， Brown B， et al. Big data： The next frontier for innovation， competition， and productivity[EB/OL]. （2012

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