大數(shù)據(jù)時(shí)代下交通統(tǒng)計(jì)分析課程的教學(xué)改革

王雪松 楊筱菡

摘要：相較于飛速發(fā)展的信息化、大數(shù)據(jù)浪潮和要求日益提升的交通安全目標(biāo)，傳統(tǒng)的交通統(tǒng)計(jì)分析課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)形式都不能滿足日益增長(zhǎng)的交通安全研究的需求。通過介紹統(tǒng)計(jì)分析方法在宏觀交通安全管理、道路設(shè)施安全影響因素判別和事故多發(fā)道路判別與改善等領(lǐng)域的具體應(yīng)用，說明交通統(tǒng)計(jì)分析課程內(nèi)容在新時(shí)代下的要求。在此基礎(chǔ)上介紹了此課程在主要教學(xué)內(nèi)容方面的完善，以及案例分析與理論相結(jié)合、多元化教學(xué)的教學(xué)方法方面的改革。

關(guān)鍵詞：交通工程;現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)模型;機(jī)器學(xué)習(xí)方法;案例教學(xué)法;多元化教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）51-0082-03

一、課程改革背景

近年來，隨著信息化和大數(shù)據(jù)工程的飛速發(fā)展，全國(guó)每天使用道路交通設(shè)施、參與交通活動(dòng)的人數(shù)以億計(jì)，其產(chǎn)生的交通數(shù)據(jù)更是以兆計(jì)。同時(shí)，隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以智能網(wǎng)聯(lián)為代表的道路基礎(chǔ)設(shè)施信息化進(jìn)程也在不斷加快。多元且海量的交通數(shù)據(jù)使得交通安全研究面臨著前所未有的新任務(wù)。

另一方面，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)在交通安全基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)等方面研發(fā)不足，迫切需要梳理決定我國(guó)交通安全的影響因素，在道路實(shí)施設(shè)計(jì)、交通管理政策等方面建立完善的分析體系，因此對(duì)交通相關(guān)專業(yè)人才的專業(yè)素養(yǎng)要求也日益提高。而交通統(tǒng)計(jì)學(xué)的思維和方法已經(jīng)滲透到交通工程研究的每個(gè)環(huán)節(jié)，也成為高校培養(yǎng)交通工程相關(guān)專業(yè)人才不可或缺的內(nèi)容之一。

交通統(tǒng)計(jì)分析課程是交通工程專業(yè)的本科生必修的專業(yè)類課程之一，是一門交通數(shù)據(jù)分析理論和方法的介紹類課程，是一門既有復(fù)雜理論知識(shí)，又有豐富應(yīng)用技巧的交通專業(yè)基礎(chǔ)課程。在目前的教學(xué)模式下，教學(xué)與應(yīng)用仍然存在脫節(jié)現(xiàn)象，在進(jìn)行小課題研究、畢業(yè)設(shè)計(jì)處理數(shù)據(jù)時(shí)，有些學(xué)生誤用統(tǒng)計(jì)方法，使大量的信息和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得不到有效的利用;有些學(xué)生又盲目使用計(jì)算機(jī)和統(tǒng)計(jì)軟件，不管是什么研究類型的數(shù)據(jù)都簡(jiǎn)單地交給計(jì)算機(jī)處理，用計(jì)算機(jī)取代統(tǒng)計(jì)，勢(shì)必造成大量統(tǒng)計(jì)方法的濫用和誤用。

相較信息技術(shù)的飛速發(fā)展、大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)革命的浪潮和要求日益提升的交通工程目標(biāo)，傳統(tǒng)的交通統(tǒng)計(jì)分析課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)形式都不能完全達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。為了培養(yǎng)符合新時(shí)代要求、具有科學(xué)研究思維、能應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法指導(dǎo)交通安全研究的學(xué)科交叉性創(chuàng)新人才，必須不斷探索有效的教學(xué)方式方法，對(duì)交通統(tǒng)計(jì)學(xué)課程進(jìn)行改革和改進(jìn)。

二、課程改革需求分析

我國(guó)城市數(shù)量多，城市體量大、道路復(fù)雜，道路設(shè)計(jì)安全性考慮不足，城市范圍內(nèi)道路設(shè)施機(jī)非混行嚴(yán)重、事故頻發(fā)，需要系統(tǒng)研究宏觀交通安全管理、道路設(shè)施安全分析、事故多發(fā)道路判別與改善技術(shù)，建立我國(guó)道路交通安全分析方法體系。我們就從宏觀交通安全管理、道路設(shè)施安全影響因素判別和事故多發(fā)道路判別與改善等方面介紹新時(shí)代下交通統(tǒng)計(jì)分析的應(yīng)用需求。

1.宏觀交通安全管理。宏觀交通安全影響因素眾多，不同國(guó)家、城市社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r與交通安全形勢(shì)也存在顯著差異，首先可以應(yīng)用描述性統(tǒng)計(jì)分析方法分析各國(guó)家與城市歷年交通事故特征。采用分布擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，對(duì)比不同國(guó)家不同城市間的事故分布規(guī)律差異，探究中國(guó)交通安全的發(fā)展水平，用以規(guī)劃、預(yù)測(cè)未來的發(fā)展趨勢(shì)。采用離散選擇模型建立事故數(shù)與安全影響因素的回歸模型，并采用敏感性分析研究模型顯著影響因素對(duì)于事故發(fā)生的影響程度。通過聚類方法，將事故顯著性影響因素進(jìn)行劃分，進(jìn)行類比和對(duì)比分析。歸納各國(guó)在事故影響因素方面的相似性和差異性。借鑒國(guó)外先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，通過模型遷移學(xué)習(xí)方法，形成我國(guó)國(guó)家及城市區(qū)域宏觀交通安全分析模型集。

2.道路設(shè)施安全影響因素判別。城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，交通流量大，道路設(shè)施機(jī)非混行嚴(yán)重、事故頻發(fā)，道路設(shè)計(jì)安全性考慮明顯不足，亟待對(duì)道路設(shè)施進(jìn)行分類，對(duì)同一類型的設(shè)施合理劃分研究單元，進(jìn)而建立安全分析模型剖析事故與道路設(shè)計(jì)、交通運(yùn)行等因素的關(guān)聯(lián)，對(duì)事故發(fā)生機(jī)理進(jìn)行準(zhǔn)確解析。因此舉例來說，從安全分析單元?jiǎng)澐纸嵌龋瑢⒔煌ㄊ鹿试诳臻g上進(jìn)行集聚，針對(duì)城市主干路、信控交叉口、城郊主干路、高速公路四類典型道路，依據(jù)道路幾何設(shè)計(jì)、交通運(yùn)行狀態(tài)、交通管控方式、事故分布形態(tài)等特征，采用分類的回歸模型將道路設(shè)施劃分為合理的安全分析單元。從安全分析模型構(gòu)建角度，例如針對(duì)事故小樣本數(shù)據(jù)，考慮事故時(shí)空相關(guān)性，采用負(fù)二項(xiàng)離散選擇模型構(gòu)建各類設(shè)施的安全性判別;考慮事故嚴(yán)重程度、碰撞形態(tài)的差異性及關(guān)聯(lián)性，采用多元分層混合效應(yīng)模型構(gòu)建事故嚴(yán)重程度判別模型。從影響因素評(píng)估及對(duì)比角度，基于各類設(shè)施安全分析模型，計(jì)算道路幾何設(shè)計(jì)、交通運(yùn)行狀態(tài)、交通管控方式等影響因素對(duì)交通事故數(shù)量、嚴(yán)重程度、事故形態(tài)的影響，作為道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制訂、交通安全改善的依據(jù)。從以上三個(gè)方面構(gòu)建面向城市道路設(shè)施的安全評(píng)估方法體系，構(gòu)建不同類型道路設(shè)施安全分析模型，系統(tǒng)識(shí)別安全影響因素，形成復(fù)雜城市道路網(wǎng)絡(luò)設(shè)施安全分析技術(shù)。

3.事故多發(fā)道路判別與改善。交通事故的發(fā)生具有偶然性，是小概率事件，事故的發(fā)生受到人、車、路、環(huán)境等多方面因素的影響，以及事故屬性的多樣性的影響，在建立事故多發(fā)道路判別指標(biāo)體系和方法時(shí)，可以采用核密度估計(jì)、基于安全可提高空間的貝葉斯算法判別事故多發(fā)道路。采用包括事故數(shù)、死亡事故數(shù)等多樣化評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于統(tǒng)計(jì)的一致性檢驗(yàn)、排序差異性檢驗(yàn)對(duì)判別結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，構(gòu)建事故多發(fā)道路判別方法體系。基于歷史事故數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，編制典型安全隱患清單，構(gòu)建城市道路安全改善措施知識(shí)庫(kù)，采用經(jīng)驗(yàn)貝葉斯法、統(tǒng)計(jì)回歸模型法等測(cè)算改善措施的事故修正系數(shù)。在對(duì)事故指標(biāo)、事故代替指標(biāo)優(yōu)劣篩選基礎(chǔ)上，采用實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的對(duì)比檢驗(yàn)方法，評(píng)測(cè)改善效果。

三、課程內(nèi)容改革

傳統(tǒng)的課程主要內(nèi)容涵蓋了描述性統(tǒng)計(jì)分析方法和統(tǒng)計(jì)軟件（SAS、SPSS），交通數(shù)據(jù)處理方法的基本原理和方法，多元線性回歸在交通工程中的應(yīng)用，分類變量的logit回歸模型和離散選擇模型介紹。

改革后的課程內(nèi)容主要體現(xiàn)在增加常用的現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)簡(jiǎn)介，統(tǒng)計(jì)軟件增加了常用的R語(yǔ)言和在交通領(lǐng)域常用的LIMDEP。從內(nèi)容結(jié)構(gòu)來看，可以分成四個(gè)板塊。

1.傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析方法。具體包括描述性統(tǒng)計(jì)分析方法，提供數(shù)據(jù)的初步整理、相關(guān)性分析、方差分析等;多元線性回歸，用來擬合山區(qū)高速公路組合線形幾何特征等;分類變量回歸模型，用來擬合不同事故類型模型等;離散選擇模型，應(yīng)用到不同道路上的事故數(shù)預(yù)測(cè)及影響因素判別等;非參數(shù)檢驗(yàn)和評(píng)估方法，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)模型的有效性和可靠性研究等。這部分內(nèi)容仍然是課程的主要內(nèi)容，也是將來能用相對(duì)復(fù)雜統(tǒng)計(jì)模型解決實(shí)際問題的理論基礎(chǔ)，因此要求學(xué)生必須掌握每個(gè)統(tǒng)計(jì)方法的思想和原理。

2.現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)模型。具體包括混合效應(yīng)模型，分析不同道路類型下駕駛員跟車行為研究;條件自回歸模型，用于城市宏觀安全分析等;時(shí)間序列模型，擬合隨時(shí)間變化的事故數(shù)變化規(guī)律;貝葉斯估計(jì)方法完成復(fù)雜模型的參數(shù)估計(jì)。這部分內(nèi)容將弱化對(duì)原理及理論部分的要求，主要以案例分析的方式展開，了解如何使用這些統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行建模，掌握如何進(jìn)行模型結(jié)果的分析和模型的評(píng)估。

3.基于數(shù)據(jù)挖掘的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。具體包括決策樹，進(jìn)行駕駛員疲勞等級(jí)分析與判定等;經(jīng)驗(yàn)貝葉斯，用來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)模型可遷移性提升;隨機(jī)森林，進(jìn)行城市快速路交通事件持續(xù)時(shí)間預(yù)測(cè)研究;聚類分析，影響交通安全的影響因素判別。這部分內(nèi)容主要以介紹為主，主要目的是讓學(xué)生適當(dāng)拓寬學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度和廣度，跟上信息化新時(shí)代下交通領(lǐng)域研究發(fā)展的步伐。

4.統(tǒng)計(jì)軟件的應(yīng)用。具體包括SAS，R，LIMDEP，這幾類軟件都含有非常豐富的常用統(tǒng)計(jì)模型及機(jī)器學(xué)習(xí)模型，為實(shí)現(xiàn)各類統(tǒng)計(jì)模型的估計(jì)和檢驗(yàn)提供操作基礎(chǔ)。

四、課程方法的改革

1.以案例分析為切入點(diǎn)的理論與應(yīng)用相結(jié)合。一個(gè)高素質(zhì)高質(zhì)量的交通專業(yè)人才，應(yīng)該具備科學(xué)的統(tǒng)計(jì)思維方式，掌握常用的交通統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的原理，并會(huì)利用統(tǒng)計(jì)軟件解決實(shí)際交通具體問題。而事實(shí)上，非統(tǒng)計(jì)專業(yè)的本科生在學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)方法類課程時(shí)都普遍認(rèn)為太難太枯燥，聽不懂，學(xué)不會(huì)，實(shí)踐應(yīng)用更困難。相比很多更“專”的專業(yè)課而言，這是一門數(shù)學(xué)課，是一門副課，久而久之就失去了學(xué)習(xí)的動(dòng)力，將學(xué)習(xí)止于考試，因此教學(xué)模式的改革勢(shì)在必行。

由于筆者在多年的科研中積累了很豐富的統(tǒng)計(jì)方法解決實(shí)際問題的鮮活案例，結(jié)合多年的教學(xué)心得和經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過加工，將這些案例搬進(jìn)課堂，通過計(jì)算機(jī)演示軟件的實(shí)現(xiàn)過程，并對(duì)模型輸出結(jié)果進(jìn)行解釋、分析和評(píng)價(jià)。這一過程使課堂教學(xué)擺脫大量的煩瑣演算的束縛，大幅度增加在寶貴的課堂時(shí)間內(nèi)講授的信息量，同時(shí)也讓學(xué)生做到“所見即所學(xué)、所學(xué)即所用”。為了減少學(xué)生對(duì)統(tǒng)計(jì)方法的誤用和濫用，一些基本的統(tǒng)計(jì)原理介紹還是必不可少的。因此在綜合幾個(gè)案例分析后，總結(jié)歸納其中的一些重要基本統(tǒng)計(jì)理論概念，例如在多次進(jìn)行了多元線性回歸分析建模后，可以對(duì)t檢驗(yàn)、方差分析、均方誤差等概念介紹其統(tǒng)計(jì)思想和基本原理。在完成用Logistic回歸和Probit回歸建模后，可以介紹Wald統(tǒng)計(jì)量、ROC、OR等評(píng)價(jià)指標(biāo)的作用。在完成離散選擇模型建模后，可以通過引入聯(lián)結(jié)函數(shù)的定義，將以上三類統(tǒng)計(jì)模型統(tǒng)一到廣義線性回歸建模范疇，拓展了學(xué)生思路的同時(shí)也理清了不同模型間的關(guān)系、差異和適用條件。通過這些類似“翻轉(zhuǎn)”的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)以案例分析為切入點(diǎn)的理論與應(yīng)用相結(jié)合的特點(diǎn)，并且大大降低了交通統(tǒng)計(jì)學(xué)的教學(xué)難度，也使得交通統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論體系更加迷人。

2.多元化教學(xué)方法。改革后的教學(xué)內(nèi)容較之前，從數(shù)量上來看，有成倍的增加，如何在不變的學(xué)時(shí)內(nèi)完成更多的授課內(nèi)容是教學(xué)方法改革的另一重點(diǎn)。因此，應(yīng)該更高效地利用課堂時(shí)間，充分利用信息化手段，利用好課堂外的時(shí)間，將內(nèi)容碎片化，將學(xué)習(xí)碎片化。

充分利用有限的課堂時(shí)間，以案例分析為切入點(diǎn)的理論與應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)方式，壓縮部分傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型的講授時(shí)間，減少無必要的詳細(xì)手工計(jì)算，減少?gòu)?fù)雜的公式推導(dǎo)，減少部分淺顯內(nèi)容（例如描述性統(tǒng)計(jì)），改為自學(xué)或以實(shí)際數(shù)據(jù)分析小報(bào)告的形式完成。針對(duì)不同的案例，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法有不同的處理方法，每種方法又有相應(yīng)的應(yīng)用條件，因此為了防止誤用和濫用，教學(xué)側(cè)重模型適用范圍、使用要求和模型結(jié)果判別分析等方面，這樣不僅能大大降低交通統(tǒng)計(jì)學(xué)的難度，而且也節(jié)約了教學(xué)時(shí)間。

其次，將學(xué)生按4—5名為單位分組，每組配備有一個(gè)研究生擔(dān)任助教。教師確定幾個(gè)典型交通案例，并提供相關(guān)脫敏后的原始數(shù)據(jù)集，課前讓學(xué)生以小組形式嘗試分析這幾個(gè)案例，提出解決案例的思路，選用相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)方法，解決案例問題。最后每個(gè)小組都將解決案例的過程通過課堂報(bào)告的形式展示，整個(gè)過程大概需要占用2次課堂時(shí)間，在此過程中，針對(duì)同一個(gè)案例，學(xué)生們之間可以分享到不同的解決思路并有所共鳴，從而對(duì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法有更深刻的切身體會(huì)。

針對(duì)有一定統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)且興趣濃厚的同學(xué)，可以布置一些較為復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)案例課題并鼓勵(lì)推薦參加已開設(shè)的“交通安全分析與數(shù)據(jù)挖掘”系列講座。

交通統(tǒng)計(jì)分析課程改革的目的是通過學(xué)習(xí)本課程，讓新時(shí)代下的交通專業(yè)人才與時(shí)俱進(jìn)，對(duì)交通數(shù)據(jù)的采集和分析統(tǒng)計(jì)技術(shù)有較全面的了解，使之能更有效地服務(wù)于交通專業(yè)人才專業(yè)素養(yǎng)的提升。

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