TransCAD模塊化及其在公安院校教學(xué)中的應(yīng)用

高建杰, 歐居尚

(四川警察學(xué)院 道路交通管理系, 四川 瀘州　646000)

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TransCAD模塊化及其在公安院校教學(xué)中的應(yīng)用

高建杰, 歐居尚

(四川警察學(xué)院 道路交通管理系, 四川 瀘州646000)

將TransCAD軟件分為路網(wǎng)地圖的建立模塊、基礎(chǔ)交通數(shù)據(jù)庫(kù)的建立模塊、交通需求的預(yù)測(cè)模塊、O-D矩陣反推模塊、交通分配結(jié)果分析模塊、GISDK二次開發(fā)模塊,應(yīng)用于公安院校交通管理工程專業(yè)理論與實(shí)踐教學(xué)中,列舉了其在理論與實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容、與TransCAD模塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系和教學(xué)功能與效果。TransCAD的應(yīng)用能提高學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的興趣,豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程意識(shí)。

公安院校； 交通管理工程； 教學(xué)研究； TransCAD軟件

交通管理工程專業(yè)主要以交通組織控制技術(shù)、交通安全執(zhí)法技術(shù)和車輛與駕駛?cè)斯芾頌檠芯糠较騕1]。該專業(yè)的教學(xué)應(yīng)以培養(yǎng)交通警察職業(yè)素質(zhì)為導(dǎo)向,注重實(shí)踐、引導(dǎo)創(chuàng)新[2]。但傳統(tǒng)的理論教學(xué)過于死板,實(shí)踐教學(xué)又難以開展。

TransCAD是一款成熟、擴(kuò)展性強(qiáng)、工程應(yīng)用廣的交通技術(shù)類軟件。國(guó)內(nèi)學(xué)者已對(duì)TransCAD開展了較多的研究[3-7]。這些研究重在工程應(yīng)用案例,而在教學(xué)上的普適性和可擴(kuò)展性不夠。因此,筆者對(duì)TransCAD軟件進(jìn)行了模塊化研究,使其能夠滿足公安院校交通管理工程專業(yè)的教學(xué)需要,適應(yīng)公安教育的深化改革與發(fā)展。

1　TransCAD交通規(guī)劃軟件的模塊化

1.1TransCAD軟件概述

TransCAD是美國(guó)Caliper公司為交通規(guī)劃設(shè)計(jì)和交通運(yùn)輸管理而開發(fā)設(shè)計(jì)、集GIS與交通模型功能于一體的交通規(guī)劃軟件。該軟件能夠?qū)煌▎栴}提供空間決策支持,可以方便地對(duì)各類交通運(yùn)輸數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、提取、分析和可視化,具有強(qiáng)大的圖形功能、方便的工具欄和良好的開放性[8]。

軟件主要功能有[9]:(1)可以生成和處理地圖,建立和維護(hù)地理數(shù)據(jù)集,以及進(jìn)行多樣的空間分析；(2)擴(kuò)展了傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)模型,以建立交通運(yùn)輸?shù)奶厥鈹?shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可以將交通數(shù)據(jù)直觀化；(3)為交通運(yùn)輸問題提供全面、豐富的交通規(guī)劃、預(yù)測(cè)與分析的應(yīng)用模型；(4)方便的數(shù)據(jù)接口功能,可以兼容AutoCAD、SHAPE等格式的地圖文件；(5)強(qiáng)大的二次開發(fā)功能,軟件包含一套GIS應(yīng)用開發(fā)工具庫(kù)(GISDK),可以用來建立用戶自定義模型,還可以生成嵌入、服務(wù)器應(yīng)用及其他用戶程序。

1.2路網(wǎng)地圖的建立模塊

建立路網(wǎng)地圖是分析交通問題的前期重要準(zhǔn)備工作。該模塊功能主要是創(chuàng)建地圖和道路網(wǎng)絡(luò),包括背景圖的導(dǎo)入、創(chuàng)建面層、創(chuàng)建線層、創(chuàng)建點(diǎn)層、地圖的編輯等。

使用該模塊需要注意:(1)地圖由一系列圖層組成,TransCAD自帶的地圖工具可以通過導(dǎo)入的背景圖進(jìn)行描繪,也可以利用AutoCAD、MapINFO等專用繪圖軟件繪好后導(dǎo)入；(2)編輯功能可以改變圖層的樣式或標(biāo)簽來美化地圖,也可以利用彩色與圖案、點(diǎn)密度、餅圖與直方圖、棱柱形等多種形式來直觀反映數(shù)據(jù)字段中的數(shù)值；(3)道路網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建包含了創(chuàng)建線層、創(chuàng)建點(diǎn)層的內(nèi)容,網(wǎng)絡(luò)建好后,還可以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)影響帶、創(chuàng)建交叉路口圖表,根據(jù)需要尋找最短路徑。

1.3基礎(chǔ)交通數(shù)據(jù)庫(kù)的建立模塊

基礎(chǔ)交通數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)的編輯、存儲(chǔ)模塊,利用TransCAD的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可以使用信息工具顯示地圖的數(shù)據(jù)或以表格的形式利用數(shù)據(jù)窗顯示。具體功能主要包括數(shù)據(jù)表和矩陣的創(chuàng)建與編輯。

該模塊有以下注意事項(xiàng):(1)TransCAD允許用戶創(chuàng)建和顯示任意數(shù)量的數(shù)據(jù)窗,用戶可以自定義數(shù)據(jù)的排列方式、顯示方式及產(chǎn)生的報(bào)告圖表；(2)TransCAD特殊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)在底層數(shù)據(jù)庫(kù)中可以自動(dòng)保存,不需要手動(dòng)另行保存；(3)數(shù)據(jù)表既可手動(dòng)填充,也可用李云迪公式填充,當(dāng)有相同的索引字段時(shí),可以將數(shù)據(jù)表進(jìn)行鏈接,以方便數(shù)據(jù)的管理和計(jì)算；(4)除了可以利用矩陣編輯工具進(jìn)行創(chuàng)建、修改、編輯外,也可將Excel中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TransCAD中的矩陣表。

1.4交通需求預(yù)測(cè)模塊

交通需求預(yù)測(cè)是交通規(guī)劃的基礎(chǔ)與核心,該模塊也是TransCAD軟件的核心模塊。交通需求建模方法采用的是四階段法,包括交通發(fā)生與吸引、交通分布、方式劃分以及交通分配。交通需求預(yù)測(cè)的每一階段,TransCAD均提供了多種方法進(jìn)行建模分析,用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇(見表1)。

表1　TransCAD提供的交通需求預(yù)測(cè)方法

1.5O-D矩陣反推模塊

O-D矩陣反推是根據(jù)調(diào)查的路段交通量反推現(xiàn)狀O-D矩陣的過程。因?qū)嶋H應(yīng)用中,路段交通量易于獲取,因此,該模塊應(yīng)用較為廣泛,所需數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)O-D矩陣和路段觀測(cè)交通量。

需要注意的是,O-D反推和交通分配是一個(gè)互逆的過程,其軟件操作過程也很相似,有時(shí)會(huì)遇到在分配后有些路段沒有流量的情況,原因是在操作前沒有使O-D矩陣的索引為節(jié)點(diǎn)層上選擇集的索引。

1.6交通分配結(jié)果分析模塊

交通分配結(jié)果分析模塊主要是通過創(chuàng)建分配主題圖,使交通分配結(jié)果或VOC按照用戶需要,以圖的形式展示出來,也可以輸出分配結(jié)果的路網(wǎng)流量表。TransCAD提供了多種形式的圖表編輯、美化功能,以便用戶對(duì)交通分配結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1.7GISDK二次開發(fā)模塊

TransCAD提供二次開發(fā)的接口,可以應(yīng)用GISDK宏語言編寫程序、建立自定義模型,也可以應(yīng)用Visual 6.0以上版本的開發(fā)工具編寫交通模型程序。GISDK允許用戶建立個(gè)性化界面。

2　TransCAD交通規(guī)劃軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

TransCAD交通規(guī)劃軟件在公安交通管理部門、交通設(shè)計(jì)院、研究所等應(yīng)用廣泛。在高校交通管理工程專業(yè),該軟件主要應(yīng)用在交通組織控制技術(shù)相關(guān)課程的理論與實(shí)踐教學(xué)中。

2.1TransCAD在理論教學(xué)中的應(yīng)用

交通管理工程專業(yè)交通組織控制技術(shù)相關(guān)課程主要有交通工程學(xué)、道路交通管理規(guī)劃、交通系統(tǒng)工程、城市交通影響評(píng)價(jià)等,本文重點(diǎn)介紹TransCAD軟件在道路交通管理規(guī)劃、城市交通影響評(píng)價(jià)、交通系統(tǒng)工程中的應(yīng)用。

2.1.1在道路交通管理規(guī)劃教學(xué)中的應(yīng)用

“道路交通管理規(guī)劃與組織”是公安院校交通管理工程專業(yè)的主干課程,其主要內(nèi)容包括交通管理規(guī)劃的概念及內(nèi)涵、交通調(diào)查與信息庫(kù)、道路交通現(xiàn)狀分析、交通需求預(yù)測(cè)、交通管理規(guī)劃方案設(shè)計(jì)、方案評(píng)價(jià)與實(shí)施等,教學(xué)內(nèi)容理論性強(qiáng),尤其是交通量預(yù)測(cè)的內(nèi)容更是難懂。因此,在工程實(shí)例的基礎(chǔ)上,結(jié)合TransCAD交通規(guī)劃軟件的5個(gè)模塊講授交通管理規(guī)劃的工程技術(shù)方法,既能提高學(xué)生的興趣和動(dòng)手操作能力,又有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和創(chuàng)新思維的開發(fā)。

道路交通管理規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容與TransCAD交通規(guī)劃軟件模塊之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示,圖1是利用交通分配分析模塊得到的效果圖。

表2　TransCAD在道路交通管理規(guī)劃教學(xué)中的應(yīng)用

圖1　某市交通分配結(jié)果示意圖

2.1.2在城市交通影響評(píng)價(jià)教學(xué)中的應(yīng)用

“城市交通影響評(píng)價(jià)”是公安院校交通管理工程專業(yè)的選修課,該課程主要研究新建項(xiàng)目或城市土地利用變更對(duì)交通的影響。交通影響評(píng)價(jià)是保證大型項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)不會(huì)導(dǎo)致開發(fā)對(duì)象周邊交通服務(wù)水平下降的重要措施,是避免土地超強(qiáng)開發(fā)的規(guī)劃控制措施。該課程的內(nèi)容與交通管理規(guī)劃課程類似,但又有明顯不同。傳統(tǒng)的教學(xué)方法缺少動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié),學(xué)生往往對(duì)交通影響評(píng)價(jià)缺乏深入的理性思維。因此,需要結(jié)合TransCAD交通規(guī)劃軟件,培養(yǎng)學(xué)生的理性思維能力和創(chuàng)新意識(shí)。

城市交通影響評(píng)價(jià)教學(xué)內(nèi)容與TransCAD交通規(guī)劃軟件模塊之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

2.1.3在交通系統(tǒng)工程教學(xué)中的應(yīng)用

交通系統(tǒng)工程是把運(yùn)籌學(xué)與系統(tǒng)工程的理論應(yīng)用于交通系統(tǒng)。“交通系統(tǒng)工程”是公安院校交通管理工程專業(yè)的基礎(chǔ)課,也是高等學(xué)校交通運(yùn)輸科學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)確定的交通工程專業(yè)的主干課程。交通系統(tǒng)分析課程內(nèi)容主要包括線性規(guī)劃、特殊類型線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、圖與網(wǎng)絡(luò)、排隊(duì)論、預(yù)測(cè)方法及其應(yīng)用、決策、工程經(jīng)濟(jì)分析等,該課程的內(nèi)容與系統(tǒng)工程、運(yùn)籌學(xué)內(nèi)容相近,但其強(qiáng)調(diào)的是專業(yè)的應(yīng)用性。

表3　TransCAD在城市交通影響評(píng)價(jià)教學(xué)中的應(yīng)用

“交通系統(tǒng)工程”課程因?qū)W時(shí)數(shù)的限制,在教學(xué)中往往都先講授理論,再介紹理論應(yīng)用,最后輔以計(jì)算習(xí)題訓(xùn)練。由于理論性強(qiáng),教師往往在理論講授和習(xí)題的求解上花費(fèi)較多學(xué)時(shí),而在應(yīng)用方面則不被重視,不利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新精神。

應(yīng)用TransCAD交通規(guī)劃軟件的路網(wǎng)地圖建立模塊、交通需求預(yù)測(cè)模塊等可以很好地將部分理論知識(shí)生動(dòng)形象的展示出來,既省去大量人工計(jì)算,又培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。例如,“圖與網(wǎng)絡(luò)”的教學(xué)內(nèi)容可以通過軟件形象展示出來,利用查找最短路徑的功能,實(shí)現(xiàn)圖論中最短路徑的分析與應(yīng)用；各種預(yù)測(cè)方法(增長(zhǎng)率法、回歸分析法、類型分析法、重力模型法等)的應(yīng)用,也可以利用軟件中GISDK二次開發(fā)模塊,實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)算法的編程,然后在軟件中調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),運(yùn)行自己的預(yù)測(cè)模型程序。

2.2TransCAD在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

實(shí)踐教學(xué)在公安院校整個(gè)教學(xué)體系中占有十分重要的地位[10]。實(shí)踐教學(xué)不僅包含了對(duì)課程理論部分的理解與驗(yàn)證,還應(yīng)從培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維和創(chuàng)新能力的角度組織教學(xué),將理論知識(shí)應(yīng)運(yùn)于實(shí)踐中并加以提升。然而由于交通系統(tǒng)的復(fù)雜性使得很多實(shí)踐教學(xué)無法開展,實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境也很難提供與教學(xué)要求相適應(yīng)的城市交通系統(tǒng)以供學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為此,很多學(xué)校將VISSIM微觀仿真軟件引入教學(xué)中[11-12]。但該軟件也只能解決交通系統(tǒng)中“點(diǎn)”、“線”的問題,而涉及交通系統(tǒng)“面”的問題,即區(qū)域交通系統(tǒng)問題,則以TransCAD軟件為教學(xué)輔助平臺(tái)為好。

2.2.1在交通小區(qū)的劃分實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

交通小區(qū)的劃分是進(jìn)行交通調(diào)查和進(jìn)行城市交通管理規(guī)劃的一種重要手段,目的是為了全面了解交通源及交通源之間的交通流。由于交通源數(shù)量龐大,需要將交通源合并成若干小區(qū),即為交通小區(qū)。交通小區(qū)的劃分實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生全面調(diào)查并掌握城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地利用等基礎(chǔ)資料,根據(jù)交通管理規(guī)劃的要求,利用交通小區(qū)劃分原則與方法,在城市社區(qū)圖、城市路網(wǎng)圖的基礎(chǔ)上劃分并制作城市交通小區(qū)圖。

利用繪圖工具(例如AutoCAD、Visio等)進(jìn)行交通小區(qū)劃分只能以圖形的方式來表示交通小區(qū)劃分的結(jié)果,無法直觀地展示交通小區(qū)劃分過程中所用的小區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地利用等資料。而利用TransCAD軟件可以解決該問題,使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更豐富。實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)為:(1)利用軟件中路網(wǎng)地圖的建立模塊,可以將AutoCAD繪圖軟件中繪制的交通小區(qū)圖導(dǎo)入TransCAD(見圖2)；(2)利用路網(wǎng)地圖的建立模塊創(chuàng)建交通小區(qū)的質(zhì)心(型心),使學(xué)生掌握交通小區(qū)質(zhì)心的確定過程；(3)利用基礎(chǔ)交通數(shù)據(jù)庫(kù)建立模塊中“數(shù)據(jù)表的編輯”功能,添加交通小區(qū)的人口、崗位、經(jīng)濟(jì)狀況、土地利用性質(zhì)等基本屬性,使學(xué)生將交通小區(qū)的創(chuàng)建過程與交通小區(qū)的基本資料建立對(duì)應(yīng)關(guān)系,為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)；(4)利用基礎(chǔ)交通數(shù)據(jù)庫(kù)建立模塊創(chuàng)建期望線圖(見圖3),它代表了交通小區(qū)間出行量的大小,使學(xué)生掌握期望線圖的相關(guān)知識(shí)。

圖2　某市交通小區(qū)的劃分示意圖

圖3　某市創(chuàng)建的期望線圖

2.2.2在道路交通組織優(yōu)化綜合實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

道路交通組織優(yōu)化綜合實(shí)訓(xùn)是重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),是學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的綜合運(yùn)用,注重提高學(xué)生交通警察職業(yè)能力和工程素質(zhì)。道路交通組織優(yōu)化綜合實(shí)訓(xùn)要求學(xué)生根據(jù)教學(xué)任務(wù),自主設(shè)計(jì)交通調(diào)查方案,分析道路交通存在的問題,運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)提出交通組織優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。整個(gè)過程均以學(xué)生為主體,有助于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)。

根據(jù)管理的范圍不同,道路交通組織分為區(qū)域(面)交通組織、線路(線)交通組織、節(jié)點(diǎn)(點(diǎn))交通組織,相應(yīng)的綜合實(shí)訓(xùn)也包含“點(diǎn)、線、面”的內(nèi)容。由于交叉口交通組織和路段交通組織容易組織開展,傳統(tǒng)的教學(xué)過程中往往忽略了區(qū)域交通組織的綜合實(shí)訓(xùn)。區(qū)域范圍大、數(shù)據(jù)搜集困難、優(yōu)化方案難以評(píng)價(jià)等是區(qū)域范圍交通組織綜合實(shí)訓(xùn)難以進(jìn)行的原因。

借助TransCAD軟件可以解決上述問題。實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)為:(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集可以查閱區(qū)域統(tǒng)計(jì)年鑒或由指導(dǎo)教師提供,再利用軟件中路網(wǎng)地圖建立模塊“地圖的創(chuàng)建與編輯”、路網(wǎng)地圖建立模塊“網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建”,制作區(qū)域路網(wǎng)地圖；(2)利用基礎(chǔ)交通數(shù)據(jù)庫(kù)建立模塊中“數(shù)據(jù)表的編輯”功能,添加區(qū)域內(nèi)人口、經(jīng)濟(jì)、交通流等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；(3)利用O-D矩陣反推模塊得到區(qū)域內(nèi)O-D矩陣,再利用交通需求預(yù)測(cè)模塊中的相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)道路網(wǎng)交通量均衡分配；(4)根據(jù)交通

量均衡分配結(jié)果與實(shí)際路段交通量之間的對(duì)比,設(shè)計(jì)區(qū)域交通組織優(yōu)化方案；(5)根據(jù)優(yōu)化方案的交通數(shù)據(jù),再次利用交通需求預(yù)測(cè)模塊中的相關(guān)功能重新分配路網(wǎng)交通量,直至滿足要求、得到最終的區(qū)域交通組織優(yōu)化方案。

另外,交通需求管理決策方案也可以采用類似的方法設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。例如讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)交通需求管理方案,將方案實(shí)施后發(fā)生變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在TransCAD軟件中進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整后的路網(wǎng)交通量分配結(jié)果可以直觀地展示出來,讓學(xué)生切實(shí)領(lǐng)會(huì)交通需求管理措施的效果。

3　結(jié)語

在信息化社會(huì)發(fā)展及公安機(jī)關(guān)強(qiáng)調(diào)實(shí)戰(zhàn)性的大背景下,公安院校對(duì)工科專業(yè)的教學(xué)理應(yīng)有所突破。將交通工程中廣泛應(yīng)用的交通規(guī)劃和需求預(yù)測(cè)軟件TransCAD用于交通管理工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué),能很好地提高公安交通管理工程專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深層次認(rèn)識(shí),提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和工程意識(shí)。

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[12] 陳舉欣,牟振華,李美玲,等.VISSIM在交通工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2013,28(5):494-498.

Application of modularized TransCAD in teaching of public security colleges

Gao Jianjie, Ou Jushang

(Department of Transportation Management, Sichuan Police College, Luzhou 646000, China)

Six modules of TransCAD including network and map building module, database building module, traffic demand forecast module, O-D matrix inverse module, traffic assignment evaluation module and GISDK module are presented to apply in theoritical and practical teaching of public security colleges. The correspondence between the content of some courses and modules of TransCAD is expressed. The proposed methods can enrich the content of experimental teaching, enhance the learning efficiency of students and develop their innovative ability and engineering consciousness.

public security colleges; traffic management engineering; teaching and research; TransCAD

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.040

2015- 09- 06

四川省本科院校“專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”省級(jí)立項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目(201388222)資助；四川省2014—2016年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項(xiàng)目(2014450154)資助；四川警察學(xué)院2015年學(xué)科專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目(20150503)資助

高建杰(1985—),男,山東棲霞,碩士,講師,研究方向?yàn)榻煌ㄒ?guī)劃、交通組織.

E-mail：jianjiecq@163.com

G642

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1002-4956(2016)4- 0148- 05