《交通规划》课程虚拟教学实验系统设计

辛飞飞　吴娇蓉　王晓博　吴广君

摘要：虚拟教学实验系统可以帮助学生更直观的认识各种交通问题，学生可以将自己解决问题的想法和方案及时体现在系统中并予以评估和检验。这种方式能够增强学生对于交通规划学科的兴趣，提高本学科对于优秀学生的吸引力。本文通过收集城市基础道路网络数据和实验车辆数据，设计和建设了交通规划课程虚拟教学实验系统，使学生能够在计算机实验环境中及时巩固理论知识、培养分析问题和解决问题的综合技能，进而提高其创新能力。

关键词：交通规划；教学实验；系统设计

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）29-0241-03

一、项目背景

交通规划是一门实践性很强的学科，开展实验教学对于巩固学生的理论知识体系、增强学生解决实际问题的能力具有重要作用。同济大学交通学院是最早引进国外先进的交通仿真分析软件，并用于实验教学的研究机构之一。在长期的教学实践中，国外交通仿真分析软件虽然起到了积极的作用，但始终存在着理论基础要求高、输入输出过程抽象、使用方法复杂等问题，并不适合理论基础仍然较为薄弱的本科学生。近两年交通工程系开展的毕业生调研发现，学生普遍反映应该在本科阶段课程中加强实验环节、培养动手能力，而现有的实验工具有限、实验手段单一且使用不便。

随着网络与计算机技术的发展，虚拟实验系统在教学中逐渐开始发挥重要作用[1-3]。同时，国家对科技创新不断支持，越来越多的交通数据得以开放。因此，通过建设一套交通数据采集与分析系统，把不同渠道、不同类型的交通数据进行收集、整理、存储，作为虚拟教学实验系统的基础支撑。再通过用户交互界面，让学生充分认识交通数据的内容，并结合具体课程需求引导学生进行多维度的数据挖掘分析，可以达到良好的教学实验效果。

开发“交通规划虚拟教学实验系统”的目标，就是针对交通工程专业本科学生（特别是低年级学生），设计一个高度图形化、形象化、综合性的虚拟实验教学工具。学生能够利用这种虚拟实验教学工具，更加“简便和直观”地模拟交通工程专业课学习中的常见问题（如交通需求分析、交通供给分析、交通方案评价、交通状态分析、交通行为分析等），弥补现有的交通仿真软件在实际使用过程中理论基础要求高、操作过于复杂、综合性不够等不足。通过开发虚拟实验教学系统，使学生能够在计算机实验环境中及时巩固理论知识、培养分析问题和解决问题的综合技能，增加学生的实验兴趣，进而提高其创新能力。

二、系统设计原则

在本系统的设计中，将遵循以下原则：

1.科学规划：针对提升实验效率、提高实验质量的紧迫需求，充分考虑依托GIS技术，建立交通规划虚拟实验系统，为提升学院实验系统的信息化水平奠定基础。

2.资源共享：充分利用现有网络资源、数据资源和信息系统资源，实现资源的更高效、更规范、更安全、更可靠管理和共享；

3.应用主导：以技术和体制上的可行性为基础，采用主流成熟技术，充分利用现有的可利用设备和设施。

三、系统功能

1.总体设计。本系统拟将出租车、公交车、定点数据等多源交通数据接入虚拟教学实验系统的数据平台，具体功能模块分为数据获取、数据编辑、数据分析、数据展示、数据导出、作业提交、作业展示（见图1），系统功能流程见图2。

2.详细设计。

（1）数据获取。数据获取主要指获取两类数据：城市GIS数据和实验车辆数据。系统初始化后，根据实验需求，加载不同城市的GIS数据（见图3）和不同类型的实验车辆数据（见图4）。载入两类数据后，可以看到城市路网结构和车辆轨迹数据，为开展实验做好准备。

（2）数据展示。如上节所述，系统获取数据后，即在系统界面将数据以图形形式展示出来，可直观观察实验车辆与城市道路网络的空间形态。学生可设置多种条件查询道路网络的基本信息（见图5）、实验车辆信息、各时段车辆轨迹信息等。对于一些外部数据，例如从百度地图下载的兴趣点数据，学生可以将其编辑到GIS数据中，并进行自定义的分析。

（3）数据分析。系统的数据分析功能主要包括交叉口评价、道路评价、路网评价。交叉口评价包含平均排队长度，交叉口拥挤度（见图6）。道路评价包含旅行时间、路段延误、平均速度、路段拥挤度等（见图7）。路网评价包含平均速度、拥堵路段比例、拥挤指数等（见图8）。除直接使用系统功能外，学生也可以直接调用原始实验车辆轨迹数据开展自行分析。

（4）数据导出。学生通过虚拟教学实验系统得到的结果，可以导出成电子表格。学生既可以将导出数据作为最终结果保存，也可以将导出数据作为研究的中间数据，继续深入挖掘。图9为导出结果示意图。

系统还提供一个内部网站模块，用于学生提交作业。网站分为三个权限：管理员、教师、学生。管理员负责账户分配，按学籍号分配学生权限，学生按学籍号登录系统，提交作业。教师登陆后可在线浏览学生作业，对于优秀作业，可以公开发布，所有学生可以看到。同时设置师生交流区，可以针对作业进行交流沟通。

四、结语

虚拟仿真实验教学系统建设已成为国内大专院校教学改革的热点。教育部将虚拟仿真实验教学系统作为“高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物”，并计划分年度建设一批具有示范、引领作用的虚拟仿真实验教学中心，持续推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新。本项目利用计算机系统把实验内容、理论教学内容、教师指导和学习者自身的思考融为一体，为交通规划实验教学提供有力工具，逐步实现交通规划实验教学的新模式。

参考文献：

[1]文福安.虚拟实验教学系统的研究与应用[J].中国教育信息化，2008，（21）.

[2]郑付联.虚拟实验教学的设计与实现[D].华东师范大学，2008.

[3]牛学真.开放式虚拟实验教学平台集成技术研究[D].北京邮电大学，2014.