基于地理信息系統的《交通規劃》課程虛擬教學實驗設計與實踐

辛飛飛 林航飛 吳嬌蓉 王曉博

摘要：基于地理信息系統平臺，開發城市《交通規劃》課程虛擬教學實驗系統。根據課程需求，充分利用虛擬實驗系統對于交通數據的分析和展示能力，設計“城市道路交通運行評價實驗”、“交通產生和吸引量分析實驗”、“車輛行駛特征分析實驗”等三個實驗項目，并進行了教學實踐。結果表明，該實驗項目有助于提高學生通過數據發現交通問題和分析問題的能力，同時激發了學生的學習興趣和創造力。

關鍵詞：地理信息系統；交通規劃；虛擬實驗

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）06-0138-04

一、研究背景

由于交通規劃學科面臨的問題復雜多變，要求學生具有寬廣的知識面和清晰的思路，對于學生靈活處理問題和分析問題的能力具有很大的挑戰。在教學過程中，不僅要引導學生學習理論知識，更要著重培養學生的實踐能力和獨立思考的能力。由于城市交通系統具有“不可復制性”，因此為了讓交通規劃專業的學生更加“簡便和直觀”地模擬和分析課程學習中的常見問題，引入虛擬仿真實驗教學就顯得非常必要。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術[1-3]，構建城市交通虛擬實驗環境和實驗對象，學生能夠在虛擬環境中開展實驗，達到教學目標。

交通規劃虛擬教學實驗項目是按照交通工程專業課程教學大綱的要求開設，圍繞現有典型交通數據資源的處理和分析進行設計，使學生充分利用高度圖形化、形象化、綜合性的虛擬實驗教學環境，培養自己分析問題和解決問題的技能，提高自身知識體系的完整性，進而激發創新能力。

二、實驗內容總體設計

為了使學生更好地掌握交通規劃的基本理論、方法，以及交通規劃在實際工作中的應用和必要的軟件操作技能，我們通過虛擬實驗形式，改革傳統的實驗教學方法和手段，加強自主實驗和自主分析的訓練，發揮學生的個性特長，使學生能在知識、能力、綜合素質各方面得到協調發展。通過實驗過程，讓學生充分認識交通數據的內容以及分析數據的方法，進而對交通專業理論知識有更為深刻的理解。

具體而言，城市交通規劃虛擬實驗共設計了以下3個項目。

1.城市道路交通運行評價實驗。要求學生以出租車GPS數據為依據，通過對數據進行清洗和集成，計算道路路段的行程車速等基本指標，以及交通指數等復合指標，分析不同區域和不同等級道路的交通運行狀況。該實驗項目的目標是使學生熟悉數據基本處理和操作方法，掌握道路運行特征指標的計算方式，以及城市道路運行現狀分析評價方法。

2.交通產生量和吸引量分析實驗。要求學生基于車輛行駛路徑數據，計算城市不同區域、不同時段的交通產生量和吸引量，并分析其變化規律，計算各區域之間的交通出行分布，制作OD表并繪制期望線圖。該實驗項目能使學生掌握交通產生與吸引的概念，分析出行生成的影響因素，領會交通分布的內涵，計算分布交通量，掌握其基本分析手段。

3.車輛行駛特征分析實驗。要求學生基于不同車輛的行駛軌跡數據，分析車輛行駛特征方面的差異性，包括行駛范圍、行駛距離、行程車速等方面，通過車輛行駛特征進一步分析出行行為的差異性。該實驗項目的目標是提高學生分析交通現象的能力，研究交通出行行為的規律和個體之間的差異性。

三、實驗教學手段

實驗項目基于地理信息系統，納入上海市道路交通網絡圖形及屬性數據，以及車輛GPS動態數據等，開發了城市交通虛擬實驗教學平臺。實驗項目以2—3人小組為單位，采取多樣化的形式組織實驗教學，使學生由淺入深、由簡單到綜合，逐步認識、理解和掌握交通規劃的方法與技能。實驗前統一講授實驗理論，實驗中針對實驗項目的特點采用不同的處理方式，具體問題具體分析、對待，實驗結束后進行總結討論。

1.城市道路交通運行評價實驗。要求學生在虛擬實驗系統中，通過不同顏色，將路段車速繪制在電子地圖上，反映交通運行狀況的變化。在系統中首先應確定加載基礎數據，然后通過點擊“路況展示”→“時間段”，彈出時間選擇框，如圖1所示。

單擊時間段前面的復選框，地圖上將顯示出交通路況顏色，將鼠標移動到單個路段上，雙擊鼠標左鍵，可彈出路段詳細信息，如圖2所示。

地圖上顯示出該路段的矢量方向，道路信息中的正向速度即為矢量方向。“顯示路況”按鈕可以控制路況的顯示與關閉。在系統中獲取路況信息后，可分析不同區域、不同等級道路、不同時間段的差異性，理解城市交通狀況的時空變化特征。

2.交通產生和吸引量分析實驗。產生量吸引量是針對單個小區的分析，首先加載需要分析的基礎數據，然后繪制需要分析的小區，最后選擇要分析的小區。完成上述準備后，點擊“產生量/吸引量”→“開始分析”，分析結果將自動彈出，如圖3所示。

雙擊左側列表中總體結果，在右側列表中將顯示每輛車的詳細結果，如圖4所示，包含車輛編號、GPS點數量、是否產生量、是否吸引量。勾選車輛ID前的復選框，可以在地圖上看到車輛軌跡，可通過“軌跡回放”按鈕觀察軌跡回放情況。

點擊“導出結果”，可將分析結果全部導出，便于學生在線下分析城市不同區域的交通需求變化特征。

3.車輛行駛特征分析實驗。完成GPS數據加載后，可點擊“查看GPS”按鈕，查看加載時間段內的所有車輛信息，并彈出車輛列表，如圖5所示。

車輛列表框中顯示的是車輛編號，雙擊其中一個編號，在主界面的“數據展示區”中，可以看到該車軌跡的GPS點列，如圖6所示。車輛軌跡可以幫助學生分析駕駛員的出行行為特征，包括活動范圍、行駛偏好等。

四、實驗效果

本虛擬實驗項目已開設2個學期，參與實驗的學生總計超過500人次，提交高質量實驗報告200余份，對城市交通的需求和運行特征進行了深入分析，并發現了許多在傳統課堂教學中難以覆蓋的具體問題。交通規劃虛擬實驗與傳統的實驗手段相比，具有新穎性，能引發學生的興趣和注意力，能提高學生學習的主動性和積極性。在能力培養方面，虛擬實驗教學對學生的思維能力、推理分析能力和綜合應用能力等方面的培養效果比較理想。總體而言，實驗教學質量得到了顯著提升。

參考文獻：

[1]劉亞豐.虛擬仿真實驗教學中心建設理念及發展模式探索[J].實驗技術與管理，2016，33（4）：108-110.

[2]鄭付聯.虛擬實驗教學的設計與實現[D].華東師范大學，2008.

[3]牛學真.開放式虛擬實驗教學平臺集成技術研究[D].北京郵電大學，2014.