支撐交通工程專業自主學習的交通信息感知實驗平臺

李海艦　榮建

摘 要 信息技術對交通工程專業的支撐和發展不言而喻，進而延伸出新的研究方向和應用領域，這同樣需要在理論教學和實驗教學進行創新性設計。通過分析目前交通工程專業創新性實驗的自主學習需求與環境，明確交通工程專業的知識結構與發展方向，提出了支撐交通工程專業的交通信息感知實驗平臺并進行功能模塊設計。該實驗平臺能夠有效融合交通專業傳統知識體系和信息化應用方向，讓學生所學的知識、所做的實驗更貼合實際需求和工程應用，培養信息技術下的交通工程專業人才。

關鍵詞 交通工程 本科教學 自主學習 交通信息 實驗平臺

中圖分類號：G642 文獻標識碼：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

隨著智能交通系統和交通大數據的不斷深入研究和應用，現有教學平臺和實驗模式無法適應當前學生對現代信息、網絡、大數據等新技術的可測、可視、可操控性獲取，且尚未形成面向本科教學優化及實驗能力提升的學生自主學習模式的理論體系。面向交通運輸工程學科的本科生教學和創新性實驗方面，在基于教學和實驗的交通信息有效轉化模式研究方面較為薄弱，無法結合學生記憶特定和興趣點，形象生動地對相關知識體系和技術體系進行有效表示和表達。本文結合近年來在學生自主學習模式、[1-2]交通信息感知、[3-4]無線傳感器網絡[5-6]等方面的研究，分析了交通工程專業自主學習需求與環境作用模式和信息技術環境下的交通工程發展方向，并探討支撐交通工程專業創新性實驗的交通信息感知實驗設計方案。

1 交通工程專業自主學習需求與環境

提升大學生的自主學習能力已成為目前大學教育的重要方向之一，自主學習能力的培養需要自主學習需求的刺激和自主學習環境的兩方面相互配合、共同作用才能實現。如圖1所示，首先自主學習的需求越來越明顯，表現為學生自身素質的提升與追求、專業知識的不斷豐富與完善、進入社會工作中的持續學習要求等，這樣自主學習需求就對自主學習環境有了相應的刺激。這種刺激要求學生要有很好的自主學習環境。這種環境的營造需要學校、教師和專業設計等多方面的共同努力，營造了好的自主學習環境能夠很好地支撐學生自主學習的動力。在大學生本科教育中，理論為主導的本科生教學和實踐為導向的創新性實驗是相輔相成的，兩者互相促進、互相結合共同促使專業培養計劃的實現。

2 強化自主學習的交通工程專業發展方向

2.1 信息技術支撐下的交通工程專業知識體系

交通工程專業本身的知識特點一方面是“泛而全”，一方面又“專而精”。交通工程專業涉及到的學科不下10個，涵蓋地理、人文、數學、物理、計算機、通信、材料等，是個多學科交叉專業。雖然交通工程的核心知識不多（主要是交通工程學、交通規劃、交通管理與控制等），學生在兩年時間內基本可以掌握，但是，要想深入學習和了解這一學科，要想應用新技術實現現代化交通管理與控制，要想實現定制化、專業化、人性化的交通服務，需要極大的擴展相關知識，學習多學科知識點。這些知識和技能的學生，即涉及基礎知識的記憶、專業軟件的熟練操作，又涉及人文素質的培養、新技術的移植與擴展等。這就需要結合學生的自主學習能力，全面提升交通工程專業的學習效率和針對性。對于“專而精”，正因為交通工程專業知識點的“泛而全”，在有限的時間和精力下，本科生很難做到所有知識點面面俱到，很難把所有的知識點學精，所以就要求在眾多的知識點和技能方面有所取舍、有所側重。這樣就需要結合本科生的自身特點、興趣及未來就業去向去梳理相關知識點，有側重、有針對性發學習“專”的東西，結合自身自主學習動力和學校創造的自主學習環境，把所需要學習的知識和技能學“精”，真正實現國家、學校、教師所設計的專業培養計劃。

2.2 新時期下的交通工程專業發展方向

隨著電子、信息、控制、計算機技術的發展，交通工程專業也不斷呈現出新的發展趨勢和應用方向。傳統的交通工程專業方向包括交通設計、交通規劃、交通管理、交通控制等，一旦與信息、電子、計算機技術等新型技術結合，交通工程煥發出信息的活力，與無線通信技術、傳感器網絡結合，形成了“互聯網+交通”，使交通也進入了共享經濟時代，[7]在交通效率、資源分配、應急處理等方面都有了明顯的提升。與大數據、物聯網、計算機技術結合，形成了“大數據+交通”，在交通狀態感知、交通信息共享、個性化交通誘導、交通事故分析、綠色駕駛等方面創造新的活力。新技術、新理念在交通工程的應用與發展，也要求傳統的交通工程專業培養不能固步自封，一方面不斷發展自身交通工程基礎理論與方法，一方面利用新型技術發展交叉學科，借助相關學科理論與技術方法，更好地發展和完善交通系統，提升交通服務水平，這一關乎所有人“行”的問題。隨著交通工程學科的不斷交叉，形成了自動駕駛技術、車聯網技術、共享交通等信息的交通發展方向，新的理念也為未來交通的發展提供了導向與活力。

目前，交通工程專業的新興發展方向已經逐漸明確。如圖2所示，在新型技術的刺激下，交通工程專業逐漸形成了兩個發展方向，一個是傳統核心方向，主要包括交通安全、交通設計、交通規劃、交通管理、交通控制、道路通行能力等方面的研究和工程實踐，解決的是人們基本的交通需求與服務問題，比如基礎路網修建、交通安全提升、城市交通管理與控制等。一個是新興發展方向，是一個多學科交叉方向，需要結合信息、控制、計算機等學科知識，主要涉及智能交通系統、綜合交通規劃、車聯網技術、自動駕駛技術、自動網聯公路系統（CAVH， Connected and Autonomous Vehicle and Highway System），甚至共享經濟理念，解決的是人們定制化、智能化的交通需求與服務問題，在出行效率、便捷性、安全性、環保性、經濟性等各方面進行提升。交通工程專業傳統的核心方面代表性成果是美國的道路通行能力手冊（HCM， Highway Capacity Manual），交通流理論（TFT， Traffic Flow Theory）和標準化交通控制設備指南（MUTCD， Manual on Uniform Traffic Control Devices），里面的很多內容也是交通工程本科生要學習的核心知識理論與方法。而新興發展方向的代表性技術與成果有智能交通系統（ITS， Intelligent Transport System）、無線傳感器網絡技術（Wireless Sensor Network）、5G無線通信技術（5G， Five Generation Mobile Communication Technology）、專用近距離通信技術（DSRC， Dedicated Short-Range Communications）、自動運輸系統（Automatic Transport System）、電動汽車（Blade Electric Vehicle）、交通大數據（Traffic Big Data）、互聯網（Internet +）、定制化交通信息服務（CTIS， Customized Traffic Information Services）等，這些技術和理論支撐著交通工程新興發展方向，也成了交通工程本科生要深入學習的知識點。

交通信息感知實驗是交通工程專業新興發展方向的一個重要知識模塊，也是智能交通、自動網聯公路、綜合交通等技術應用的基礎，所以為推進交通工程專業發展，在本科生教學中融入新興發展技術知識，對學生后續發展、深造、就業等都大有裨益，也是更好實現學生專業培養技術的條件。交通信息感知實驗平臺不僅從知識結構上服務本科生教學，擴展本科生的知識面，同時能夠有效地提升本科生專業知識學習興趣，還能應用于多項與實際應用緊密關聯的創新性實驗，能夠做到交通工程專業培養過程中的理論與實踐的有機結合。

3 交通工程專業交通信息感知實驗平臺

交通信息感知實驗平臺從信息感知、信息傳輸與交互、信息存儲、信息處理與挖掘、信息服務等交通信息數據全生命周期角度實現本科生對交通信息的學習和理解，讓學生從交通工程、信息技術等基礎理論知識，到行業需求、信息服務、功能實現等應用實踐進行全方位學習和感知。同時，學生在網絡平臺、功能模塊、應用擴展等方面都能有效擴展自身的學習和研究興趣，為學生提供了良好的自主學習環境，使他們在此網絡平臺的基礎上能夠學習和深化新興技術對傳統交通工程專業提升與發展，達成交通工程專業培養目標。圖3給出了交通信息感知實驗平臺的8大功能模塊及每個功能模塊涉及的知識點。從交通信息的全生命周期來說，8大功能模塊的次序為：（1）信息感知；（2）信息傳輸；（3）信息交互；（4）信息存儲；（5）信息處理；（6）信息發布；（7）信息服務；（8）信息挖掘（見圖3）。

交通信息感知實驗平臺涉及傳感器技術、交通檢測技術、通信、傳感器網絡、算法、數據結構、交通信息處理等多個知識點，可有效支撐多門交通工程專業課程的本科生教學和多種交通工程創新性實驗。

交通信息感知實驗平臺的邏輯結構包括感知層、通信層和服務層。感知層主要包括各類交通檢測設備和路網、車輛模型，此外，為了在教學和實驗中更好地實現對感知層模擬，歷史的交通流檢測數據及路網基礎數據也可作為感知層的一部分，可通過這些數據在線模擬現場數據感知情形。通信層主要實現信息傳輸和信息交互，包括線纜、無線通信模塊、電源模塊等，是適用于交通信息的有線和無線通信技術和相關知識點的直接展現。上層是服務層，也是該網絡平臺的信息中心，可模擬實際交通系統的交通信息中心功能，主要包括各類軟硬件設備和系統，涉及到的數據分析、處理、挖掘算法都在該層實現。同時，基于信息發布和信息服務的需求，該層也具備各類通信、顯示模塊，以模擬實際交通信息的展示、發布和推送服務。

交通信息感知實驗平臺可以充分挖掘學生的自主學習能力，通過有效融合交通工程專業知識和信息化應用，提升學生的學習興趣和實踐能力，使學生所學的知識、所做的實驗更貼合交通工程的實際需求和工程應用，更有助于培養信息技術下的智能交通方向專業人才。

基金項目：本文系北京工業大學教育教學面上課題（ER2015C020505）的研究成果

參考文獻

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[7] 張澤鈺，溫絲丹.我國分享經濟發展現況分析——以交通出行領域發展現況為例[J].財訊，2016（22）：11-11.