综合交通大数据分析平台教学系统设计

郑亮　张云丽

摘 要：综合交通大数据分析是中南大学交通运输工程学院交通运输专业核心课程《智能交通系统》的重要讲授内容，基于大数据分析的智能交通系统建设是当前国内、外的研究热点与发展趋势。基于综合交通大数据分析平台教学系统的功能需求，构建一套基于综合交通大数据采集模块、传输与存储模块、演示模块和分析、研判与试验模块的教学系统架构，并设计一套教学控制机系统，改进了传统的课堂集中讲授的教学方式。此系统可以让学生直观、深刻、快速地掌握综合交通大数据分析相关的专业知识与技能，提高教学质量和实际教学效果。

关键词：综合交通；大数据；智能交通系统；教学系统

中图分类号：G642 文献标识码：A

Abstract： Comprehensive transportation big data analysis is an important teaching content of intelligent transportation systems， which is one of the core courses in the major of traffic and transportation at the school of traffic & transportation engineering of central south university. Constructing the intelligent transportation systems based on big data analyses is currently the research focus and developing trend in the domestic and overseas. Based on the functional requirements of the teaching system for comprehensive transportation big data analysis platform， the architecture of such teaching system， based on comprehensive transportation big data collection module， transmission and storage module， display module and comprehensive transportation big data analysis-judge-experiment module， is constructed. Also， a corresponding teaching control system is designed to improve the existing tradition teaching in class. Such teaching system makes students understand the special knowledge and technique ability about comprehensive transportation big data analysis intuitively， profoundly and quickly to enhance the teaching quality and efficiency.

Key words： comprehensive transportation； big data； intelligent transportation systems； teaching system

大数据通常是指我们信息爆炸时代产生的海量数据，通常具有4V定义[1]，即规模性（volume）、多样性（variety）、高速性（velocity）和价值性（value）。最早提出大数据概念的是全球知名的麦肯锡，它于2011年发布研究成果称：“数据已经渗透到每一个行业和业务职能领域，逐渐成为重要的生产要素，人们对海量数据的挖掘和应用，预示着新一波生产率增长和消费者盈余浪潮的到来”[2]。在大数据的潮流下，建立综合交通大数据分析与试验平台，通过大数据技术挖掘可靠的、有价值的交通信息，有助于更好地服务于交通流的形成机理研究、交通需求预测、交通状态评价及智能交通管控、智能公交与城市轨道交通系统的构建及交通安全保障。显然，综合交通大数据分析直接关系着新一代智能交通系统的建设，这就要求交通运输专业的学生必须熟练掌握大数据分析、研判与试验相关的专业知识与技能。因此，结合综合交通大数据发展的趋势，研制出综合交通大数据分析平台教学系统，用来辅助《智能交通系统》课程的日常教学工作，满足交通运输专业的实践教学需要，改进传统的教学模式，使学生通过实践操作与模拟试验熟练掌握专业知识与技能，培养紧跟时代发展潮流的青年人才。

1 综合交通大数据分析平台教学系统功能需求

综合交通大数据分析平台教学系统适用于从事或即将从事交通规划、交通设计与交通运营管理工作的学生或其它相关人员的学习与培训范畴。其核心功能包括如下四个部分。

（1）综合交通大数据分析与仿真实验。展示交通大数据的多源渠道与异质结构，了解交通大数据在不同信息表征方面的各自优势，以及某一类数据揭示交通活动的局限性，例如： 利用手机数据、公交刷卡消费数据等既包含出行者空间位置信息又包含其社会行为信息的大数据估计交通需求、评价交通状态、优化交通系统；利用浮动车GPS数据划分城市地块功能、优化停车加油服务、建立出租车拼车系统；从海量互联网文本数据中挖掘交通信息，实现交通信息的“众包”等。此外，熟悉融合多源异构交通数据的各类方法，学习通过大数据分析剖析交通问题的根源。通过此功能模块让学生直观感受到大数据的魅力，并学习到当前前沿的交通相关知识。

（2）轨道交通运营组织与大型综合交通枢纽仿真。演示轨道交通与大型综合枢纽客流大数据采集、分析与研判，开展高速铁路运行组织与大型综合枢纽协调管控的虚拟仿真模拟与分析。让学生了解轨道交通与大型综合交通枢纽大数据的特征与处理流程，掌握单一的交通综合体模式应当如何适应高速铁路对铁路枢纽建设的要求，以及如何对高速铁路综合客运枢纽进行协调组织优化。

（3）基于智能管控的多式公交协调运行试验。演示城市公共交通需求时变迁移规律，并基于这些时变迁移规律进行城市公共交通信息发布试验、城市公共交通多模式网络运营的效益评价与分析，开展多式公交协同运行、线路动态设置与信息集成试验。让学生掌握路面公共交通线网规划与动态优化的大数据环境的建立、维护、更新机制，大数据环境下路面公共交通线网优化（时机、目标、方法）的触发机制，了解城市常规公交接驳线路优化的相关知识，如接驳车站、线路经由、开行频率等。同时，让学生学习单模式、多模式及基于实时信息的公共交通协同运营调度的相关知识，包括理论、方法、关键技术以及软硬件支撑平台。

（4）面向智能车联的城市交通管控试验。基于多源数据信息的融合与分析，进行智能化交通管理、智能动态信息服务和车辆智能化控制的试验。让学生了解智能交通管理的基本概念、系统主要构成以及当前发展前沿，掌握智能交通控制、诱导、控制—诱导一体化的理念及实施过程，了解车辆智能控制的工作原理、系统结构与实施效果，激发学生在智能交通领域的创新思维。

2 综合交通大数据分析平台教学系统的功能架构

此系统的架构包括四个模块，即综合交通大数据采集模块、综合交通大数据传输与存储模块、综合交通大数据演示模块和综合交通大数据分析、研判与试验模块。数据采集模块主要是通过各种仪器设备采集来自物理世界的空间交通信息数据，如交通网络GIS数据、感应线圈数据、视频监控数据、浮动车数据等，与来自人类社会的社会信息，如手机通讯数据、互联网上与交通相关的文本数据等。数据传输与存储模块主要是根据各类交通数据的数据特征采用合理的数据传输方式，如无线或有线传输、并行或串行传输、同步或异步传输、加密或非加密传输等，将多源异构的综合交通大数据传输到服务器或云平台上进行分类存储。数据演示模块主要是将多源异构交通大数据进行融合并加载到实际的交通路网GIS图上，并通过大屏显示系统展示路网交通状态的时空演化过程，直观演示各类交通大数据在不同信息表征方面的优势。数据分析、研判与试验模块主要是通过统计或数据挖掘分析交通需求者的时变迁移规律，通过网络分析方法或评价模型研判交通问题的症结所在，并通过交通仿真软件或仿真优化平台尝试解决交通问题进行仿真试验。此系统架构示意图如图1所示：

系统的关键组件：

（1）交通流实时监控系统：捕捉城市路网及高速公路的实时交通流状态，包括高速摄影系统、车辆状态高清摄像监视系统、视频采集系统、交通流量计数器、卫星导航接收机。从不同角度截取路网的车流实时状态，为出行者与交通管理者提供直观的交通信息。

（2）客流信息统计系统：掌握城市路网、高速公路、城市轨道、高速铁路以及交通枢纽的客流相关信息，包括Stalker雷达测速仪、多普勒测速系统、车载客流统计系统、手持式交通数据采集仪、自动数据采集控制系统、TFI集成数据采集器。通过多渠道获取客流（即出行者）的相关信息，为综合交通大数据平台的建设提供多源异构数据。

（3）智慧交通大屏显示与分析系统：用于多源异构综合交通大数据的融合、动态演示、统计分析与研判，包括LCD接触屏、视频综合平台、控制软件、服务器、交换机、一体电脑。通过一体电脑的控制软件，从综合交通大数据平台服务器提取各类交通大数据，加载到交通网络的GIS图中，通过视屏综合平台与LCD接触屏动态演示出来。

（4）列车调度仿真模拟系统：用于列车车站、列车区间段及列车线路网络客流和物流的调度仿真与开行方案测试，包括铁路列车运行图编制系统（软件）、铁路计算机联锁仿真系统、铁路综合实物仿真系统、CTC数据库服务器、CTC应用服务器。通过编制客流或物流的铁路列车运行图，利用铁路计算机联锁控制系统进行管控，对铁路列车运行效率进行评价。

（5）交通规划与仿真软件：用于城市交通、高速公路以及综合交通枢纽的规划、仿真与分析试验，包括出行需求预测软件Emme、微观交通仿真软件VISSIM、宏观交通仿真软件VISUM、VISUM-online交通管理软件、交通规划/微观交通仿真/交通需求及相关数据分析软件Aimsum。针对不同规模（路段、路口或路网）不同层次（规划、设计、控制或管理）的交通问题选取合适的交通软件，有针对性地系统研究。

3 综合交通大数据分析平台教学系统的教学控制机系统

针对综合交通大数据分析平台教学系统的功能需求、功能架构及关键组件，此教学系统软件依托一种实时分布式模拟支撑平台来完成各自的功能，该支撑平台为综合交通大数据分析与试验教学软件提供透明、高效的运行管理环境，确保教学过程的顺利开展。本节主要介绍相关的教学控制机系统，该系统针对综合交通大数据分析、研判与试验的教学任务设计相应的教学模块，提供综合交通大数据分析平台的试验教学演示、运行、监控学生操作和评估学生操作过程的手段，具体包括以下几个方面：

（1）试验教学配置。用于该试验教学系统的配置和协调管理，执行系统配置管理、学生管理、系统运行初始条件及各种组件的参数设置和进程管理等。

（2）试验教学演示。主要用于教师进行交通运输相关专业的理论知识的讲解，通过人机交互界面，向交通运输专业的学生讲述各种交通数据采集设备的工作原理、操作方法、数据格式以及潜在可以描述的交通现象，介绍多源异构交通大数据的融合方法及各类数据表征信息的优势，讲解各种规划与仿真软件的内核工作原理和操作方法。

（3）学习进程控制。负责暂停学习过程、恢复学习过程、存储快照、学习过程重演，根据各个教学模块的不同要求设置教学目的，安排教学内容，给出教学难点及解决方法。

（4）学习过程的动态跟踪。动态地记录系统的状态和发生的事件，以便于学生学习过程的重演和对学习效果的评估，同时可以随时对任意一个终端的学生操作进行实时监控。同时，收集学生在学习过程中的问题，并给予重点讲解与反馈，让学生逐步顺利完成学习计划。

（5）学习效果评估。学习结束后自动生成评估报表，其内容包括：针对交通流实时监控系统与客流信息统计系统，让学生采用一种交通流实时监控设备或客流信息采集设备收集某交通场景的实时交通数据，通过简单的统计分析形成一份交通调查报告；针对智慧交通大屏显示与分析模块，让学生总结各种多源异构交通大数据的差异及优缺点，采用某种数据挖掘的办法分析某类交通数据，形成一份数据分析报告；针对列车调度仿真模拟系统，让学生熟悉列车调度仿真模拟系统的构建流程，最后提交一个列车站点/区间段/线路网络仿真模型；针对交通规划与仿真软件，让学生掌握不同规划与仿真软件的建模流程，最后提交一个路网的交通仿真模型。

4 结束语

综合交通大数据分析平台教学系统的功能架构主要包括：综合交通大数据采集模块、综合交通大数据传输与存储模块、综合交通大数据演示模块和综合交通大数据分析、研判与试验模块。此教学系统不仅融合了道路交通与轨道交通的相关专业理论知识，而且与当前国际交通领域的研究前沿和研究热点紧密结合，具有很强的综合性与时代性。此外，设计了一套相应的教学控制机系统，用于教学演示、学习进程控制、学习动态跟踪及学习动态评估，该教学系统不仅可以用于交通运输专业学生的实践教学环节，还可服务于交通科技与管理高级人才培养。通过本教学系统使交通运输专业学生更直观、形象地理解和掌握道路交通与轨道交通规划、设计与运营管理和操作流程，对促进交通运输行业专用型人才和科研型人才的培养，具有积极的引导作用。

参考文献：

[1] Barwick H. The “four Vs” of Big Data. Implementing Information Infrastructure Symposium[EB/OL]. （2012-10-02）[2016-04

-30]. http：//www.computerworld.com.au/article/396198/iiis_four_vs_big_data/.

[2] Manyika J， Chui M， Brown B， et al. Big data： The next frontier for innovation， competition， and productivity[EB/OL]. （2012

-10-02）[2016-04-30]. http：//www.mckinsey.com/Insights/MGI/Research/Technology_and_Innovation/Big_data_The_next_frontier_for

_innovation.