支撑交通工程专业自主学习的交通信息感知实验平台

李海舰　荣建

摘 要 信息技术对交通工程专业的支撑和发展不言而喻，进而延伸出新的研究方向和应用领域，这同样需要在理论教学和实验教学进行创新性设计。通过分析目前交通工程专业创新性实验的自主学习需求与环境，明确交通工程专业的知识结构与发展方向，提出了支撑交通工程专业的交通信息感知实验平台并进行功能模块设计。该实验平台能够有效融合交通专业传统知识体系和信息化应用方向，让学生所学的知识、所做的实验更贴合实际需求和工程应用，培养信息技术下的交通工程专业人才。

关键词 交通工程 本科教学 自主学习 交通信息 实验平台

中图分类号：G642 文献标识码：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

隨着智能交通系统和交通大数据的不断深入研究和应用，现有教学平台和实验模式无法适应当前学生对现代信息、网络、大数据等新技术的可测、可视、可操控性获取，且尚未形成面向本科教学优化及实验能力提升的学生自主学习模式的理论体系。面向交通运输工程学科的本科生教学和创新性实验方面，在基于教学和实验的交通信息有效转化模式研究方面较为薄弱，无法结合学生记忆特定和兴趣点，形象生动地对相关知识体系和技术体系进行有效表示和表达。本文结合近年来在学生自主学习模式、[1-2]交通信息感知、[3-4]无线传感器网络[5-6]等方面的研究，分析了交通工程专业自主学习需求与环境作用模式和信息技术环境下的交通工程发展方向，并探讨支撑交通工程专业创新性实验的交通信息感知实验设计方案。

1 交通工程专业自主学习需求与环境

提升大学生的自主学习能力已成为目前大学教育的重要方向之一，自主学习能力的培养需要自主学习需求的刺激和自主学习环境的两方面相互配合、共同作用才能实现。如图1所示，首先自主学习的需求越来越明显，表现为学生自身素质的提升与追求、专业知识的不断丰富与完善、进入社会工作中的持续学习要求等，这样自主学习需求就对自主学习环境有了相应的刺激。这种刺激要求学生要有很好的自主学习环境。这种环境的营造需要学校、教师和专业设计等多方面的共同努力，营造了好的自主学习环境能够很好地支撑学生自主学习的动力。在大学生本科教育中，理论为主导的本科生教学和实践为导向的创新性实验是相辅相成的，两者互相促进、互相结合共同促使专业培养计划的实现。

2 强化自主学习的交通工程专业发展方向

2.1 信息技术支撑下的交通工程专业知识体系

交通工程专业本身的知识特点一方面是“泛而全”，一方面又“专而精”。交通工程专业涉及到的学科不下10个，涵盖地理、人文、数学、物理、计算机、通信、材料等，是个多学科交叉专业。虽然交通工程的核心知识不多（主要是交通工程学、交通规划、交通管理与控制等），学生在两年时间内基本可以掌握，但是，要想深入学习和了解这一学科，要想应用新技术实现现代化交通管理与控制，要想实现定制化、专业化、人性化的交通服务，需要极大的扩展相关知识，学习多学科知识点。这些知识和技能的学生，即涉及基础知识的记忆、专业软件的熟练操作，又涉及人文素质的培养、新技术的移植与扩展等。这就需要结合学生的自主学习能力，全面提升交通工程专业的学习效率和针对性。对于“专而精”，正因为交通工程专业知识点的“泛而全”，在有限的时间和精力下，本科生很难做到所有知识点面面俱到，很难把所有的知识点学精，所以就要求在众多的知识点和技能方面有所取舍、有所侧重。这样就需要结合本科生的自身特点、兴趣及未来就业去向去梳理相关知识点，有侧重、有针对性发学习“专”的东西，结合自身自主学习动力和学校创造的自主学习环境，把所需要学习的知识和技能学“精”，真正实现国家、学校、教师所设计的专业培养计划。

2.2 新时期下的交通工程专业发展方向

随着电子、信息、控制、计算机技术的发展，交通工程专业也不断呈现出新的发展趋势和应用方向。传统的交通工程专业方向包括交通设计、交通规划、交通管理、交通控制等，一旦与信息、电子、计算机技术等新型技术结合，交通工程焕发出信息的活力，与无线通信技术、传感器网络结合，形成了“互联网+交通”，使交通也进入了共享经济时代，[7]在交通效率、资源分配、应急处理等方面都有了明显的提升。与大数据、物联网、计算机技术结合，形成了“大数据+交通”，在交通状态感知、交通信息共享、个性化交通诱导、交通事故分析、绿色驾驶等方面创造新的活力。新技术、新理念在交通工程的应用与发展，也要求传统的交通工程专业培养不能固步自封，一方面不断发展自身交通工程基础理论与方法，一方面利用新型技术发展交叉学科，借助相关学科理论与技术方法，更好地发展和完善交通系统，提升交通服务水平，这一关乎所有人“行”的问题。随着交通工程学科的不断交叉，形成了自动驾驶技术、车联网技术、共享交通等信息的交通发展方向，新的理念也为未来交通的发展提供了导向与活力。

目前，交通工程专业的新兴发展方向已经逐渐明确。如图2所示，在新型技术的刺激下，交通工程专业逐渐形成了两个发展方向，一个是传统核心方向，主要包括交通安全、交通设计、交通规划、交通管理、交通控制、道路通行能力等方面的研究和工程实践，解决的是人们基本的交通需求与服务问题，比如基础路网修建、交通安全提升、城市交通管理与控制等。一个是新兴发展方向，是一个多学科交叉方向，需要结合信息、控制、计算机等学科知识，主要涉及智能交通系统、综合交通规划、车联网技术、自动驾驶技术、自动网联公路系统（CAVH， Connected and Autonomous Vehicle and Highway System），甚至共享经济理念，解决的是人们定制化、智能化的交通需求与服务问题，在出行效率、便捷性、安全性、环保性、经济性等各方面进行提升。交通工程专业传统的核心方面代表性成果是美国的道路通行能力手册（HCM， Highway Capacity Manual），交通流理论（TFT， Traffic Flow Theory）和标准化交通控制设备指南（MUTCD， Manual on Uniform Traffic Control Devices），里面的很多内容也是交通工程本科生要学习的核心知识理论与方法。而新兴发展方向的代表性技术与成果有智能交通系统（ITS， Intelligent Transport System）、无线传感器网絡技术（Wireless Sensor Network）、5G无线通信技术（5G， Five Generation Mobile Communication Technology）、专用近距离通信技术（DSRC， Dedicated Short-Range Communications）、自动运输系统（Automatic Transport System）、电动汽车（Blade Electric Vehicle）、交通大数据（Traffic Big Data）、互联网（Internet +）、定制化交通信息服务（CTIS， Customized Traffic Information Services）等，这些技术和理论支撑着交通工程新兴发展方向，也成了交通工程本科生要深入学习的知识点。

交通信息感知实验是交通工程专业新兴发展方向的一个重要知识模块，也是智能交通、自动网联公路、综合交通等技术应用的基础，所以为推进交通工程专业发展，在本科生教学中融入新兴发展技术知识，对学生后续发展、深造、就业等都大有裨益，也是更好实现学生专业培养技术的条件。交通信息感知实验平台不仅从知识结构上服务本科生教学，扩展本科生的知识面，同时能够有效地提升本科生专业知识学习兴趣，还能应用于多项与实际应用紧密关联的创新性实验，能够做到交通工程专业培养过程中的理论与实践的有机结合。

3 交通工程专业交通信息感知实验平台

交通信息感知实验平台从信息感知、信息传输与交互、信息存储、信息处理与挖掘、信息服务等交通信息数据全生命周期角度实现本科生对交通信息的学习和理解，让学生从交通工程、信息技术等基础理论知识，到行业需求、信息服务、功能实现等应用实践进行全方位学习和感知。同时，学生在网络平台、功能模块、应用扩展等方面都能有效扩展自身的学习和研究兴趣，为学生提供了良好的自主学习环境，使他们在此网络平台的基础上能够学习和深化新兴技术对传统交通工程专业提升与发展，达成交通工程专业培养目标。图3给出了交通信息感知实验平台的8大功能模块及每个功能模块涉及的知识点。从交通信息的全生命周期来说，8大功能模块的次序为：（1）信息感知；（2）信息传输；（3）信息交互；（4）信息存储；（5）信息处理；（6）信息发布；（7）信息服务；（8）信息挖掘（见图3）。

交通信息感知实验平台涉及传感器技术、交通检测技术、通信、传感器网络、算法、数据结构、交通信息处理等多个知识点，可有效支撑多门交通工程专业课程的本科生教学和多种交通工程创新性实验。

交通信息感知实验平台的逻辑结构包括感知层、通信层和服务层。感知层主要包括各类交通检测设备和路网、车辆模型，此外，为了在教学和实验中更好地实现对感知层模拟，历史的交通流检测数据及路网基础数据也可作为感知层的一部分，可通过这些数据在线模拟现场数据感知情形。通信层主要实现信息传输和信息交互，包括线缆、无线通信模块、电源模块等，是适用于交通信息的有线和无线通信技术和相关知识点的直接展现。上层是服务层，也是该网络平台的信息中心，可模拟实际交通系统的交通信息中心功能，主要包括各类软硬件设备和系统，涉及到的数据分析、处理、挖掘算法都在该层实现。同时，基于信息发布和信息服务的需求，该层也具备各类通信、显示模块，以模拟实际交通信息的展示、发布和推送服务。

交通信息感知实验平台可以充分挖掘学生的自主学习能力，通过有效融合交通工程专业知识和信息化应用，提升学生的学习兴趣和实践能力，使学生所学的知识、所做的实验更贴合交通工程的实际需求和工程应用，更有助于培养信息技术下的智能交通方向专业人才。

基金项目：本文系北京工业大学教育教学面上课题（ER2015C020505）的研究成果

参考文献

[1] 郭胜伟，张稚鲲，等.大学生自主学习能力的培养与评价[J].江苏高教，2012（2）：85-87.

[2] 李高升，黄纪军，等.提高学生自主学习效果的思路与方法[J].中国电力教育：下，2014（3）：151-152.

[3] 石建军，李晓莉.交通信息云计算及其应用研究[J].交通运输系统工程与信息，2011.11（1）：179-184.

[4] 赵祥模，惠飞，等.泛在交通信息服务系统的概念， 架构与关键技术[J].交通运输工程学报，2014.14（004）：105-115.

[5] 张豫鹤，黄希，等.面向交通信息采集的无线传感器网络节点[J].计算机研究与发展，2008.45（1）：110-118.

[6] 马宇丽.无线传感器网络研究进展[J].教育科学：全文版，2016（6）：00058-00058.

[7] 张泽钰，温丝丹.我国分享经济发展现况分析——以交通出行领域发展现况为例[J].财讯，2016（22）：11-11.