面向新时代智慧交通科技人才培养的交通实验教学平台建设探讨

欧吉顺，聂庆慧，刘路，沈家军，方芳

（1.扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127；2.广州迪奥信息科技有限公司，广东广州 510640）

智慧交通是一个跨学科领域，涉及交通工程、计算机科学与技术、通信工程、控制工程等多个专业[1]。与智能交通相比，智慧交通综合运用了物联网、大数据、云计算、人工智能等新兴技术，通过优化交通基础设施、运输工具、运输组织和交通管理方式，形成虚拟与现实相结合、因需而变的智慧化交通运输系统[2]。党的十九大报告首次提出了交通强国发展战略。2019年9 月，中共中央、国务院印发《交通强国建设纲要》，为我国未来交通发展指明了方向，同时对创新型高水平交通科技人才的培养提出了新的要求[3]。《交通强国建设纲要》明确了未来交通人才队伍建设的定位，即培育高水平的交通科技人才，打造素质优良的交通劳动者队伍，建设高素质专业化的交通干部队伍。鉴于此，培养新一代智慧交通科技人才成为当前推动我国交通强国建设的关键举措[4]。

交通工程专业注重理论创新与科技实践相结合[5]。实验教学是培养优秀交通工程专业人才的关键环节。目前，各高校正逐步推进交通工程专业实验教学课程改革[6]，在国家级实验教学示范中心建设思想的引领下，确立了实验室建设与改革的新思路和新理念[7]，为创新型复合型人才培养奠定了坚实基础。在此背景下，探索如何有效建设交通工程专业实验教学平台，对于培养新一代智慧交通人才具有重要意义。本文以扬州大学交通工程专业智慧交通实验教学平台为例，探讨面向新时代智慧交通科技人才培养的交通实验教学平台建设经验与思路，以为新时代高校交通实验教学平台建设和改革提供参考。

1 智慧交通实验教学平台建设

实验教学在提高学生动手实践能力方面具有重要作用，在学生创新能力培养方面也发挥着关键支撑作用。通过实验教学，不仅能够激发学生的积极参与意识，更好地促进理论教学与实践教学的有机结合，还能为学生提供展示的舞台，培养学生从多角度解决实际问题的能力[8]。

扬州大学交通工程专业智慧交通实验教学平台的建设遵循以下指导思想：围绕交通工程学科特点，以服务交通工程专业教学为宗旨，以满足高水平交通科技人才培养需求为中心，以提高教学质量、科研水平和服务地方经济发展为总目标，以教学性、功能性、开放性和创新性为原则，向学校师生提供智慧交通实验教学资源及服务；平台亦可作为大学生学科竞赛、大学生创新创业、本科生导师制等项目的教学实践基地。

平台建设依托人工智能、大数据、自动控制、车联网、传感器等多学科交叉技术，根据交通工程学科实验教学要求，提供智慧交通软硬件一体化教学设施，针对高危或极端环境、不可及或不可逆操作或高成本、高消耗等复杂教学场景，提供安全、经济、可靠的实验教学服务。平台主要由四大系统构成：（1）智慧交通采集与监测实验系统；（2）自动驾驶与智能网联汽车模拟仿真实验系统；（3）智能交通信号控制实验系统；（4）交通大数据实验系统。图1 为扬州大学智慧交通实验教学平台。

图1 扬州大学智慧交通实验教学平台

1.1 智慧交通采集与监测实验系统

智慧交通监测与控制系统以具有扬州特色的城市道路交通网络为蓝本进行设计。该系统综合搭建了城市道路、高速公路、公交站点、停车场、学校、景区、高速公路收费站等各类交通基础设施，涵盖了道路路段、交叉口、立交、绿化带、标志标线、交通信号灯、路灯等交通要素。基于安装的交通传感器及其数据接口，系统可以模拟实现车辆行驶、车辆定位、智能网联无人驾驶、交通数据采集、电子警察、交通监控、高速公路收费、城市停车收费、交通信息发布等多类智慧交通采集与监测功能。利用该实验系统，学生可在实验室环境下开展：（1）交通综合管理模拟实验；（2）电子警察执法模拟实验；（3）交通数据采集与分析实验；（4）智能停车收费管理实验。

1.2 自动驾驶与智能网联汽车模拟仿真实验系统

自动驾驶与智能网联汽车模拟仿真实验系统配备了车载传感器、控制器、执行器等装置，融合了现代通信与网络技术，能够实现车辆与车辆、路侧设施、控制中心之间的信息交换与共享。系统具备环境感知、智能决策、协同控制功能，包括自动驾驶汽车模拟仿真子系统和智能网联车辆管理子系统。

自动驾驶汽车模拟仿真子系统采用人工智能技术，包括机器视觉、图像处理、模式识别等算法，实现前方车辆探测功能；基于车联网技术，发布车距安全预警信息，并根据不同光照条件，实现车道标志和标线精准识别功能；通过车辆位姿、方向、道路宽度等参数实时估计，实现车道偏离预警功能。基于该系统，学生能够开展：（1）智能网联车辆认知实验，让学生学习智能网联车辆关键技术、工作原理和实现功能；（2）二次开发创新实验，学生可在提供的源代码的基础上进行二次开发，设计智能网联仿真车辆的道路识别、避障控制、路径规划等算法。

智能网联车辆管理子系统包含车辆控制、车辆定位、信息显示、无线数据收发、避障、电磁循迹、转向舵机等组件，能够实现仿真车辆在平台上的自动行驶。系统实现了车辆与车辆、路侧设施和控制中心等的信息交换和共享，且车辆在沙盘上的行驶轨迹和控制信息能够同步显示在大屏上，结合智能车辆管理软件，还可实现车辆调度优化功能。智能仿真车辆能够沿着设定的路线自动行驶，实时获取路口信号灯状态，并依据交通规则行驶。基于该子系统，学生可开展：（1）车路协同控制仿真实验；（2）车辆定位与调度仿真实验；（3）智能仿真车辆控制二次开发实验。

1.3 智能交通信号控制实验系统

智能交通信号控制实验系统由智能交通信号控制教学机和智能交通信号控制管理软件组成，可以模拟道路交通路况，实现对信号灯的智能联网控制。系统能够实现多种交通信号控制策略，包括黄闪控制、固定周期控制、多时段定时控制、特殊日控制、手动控制、独立感应控制、绿波协调控制等。此外，系统还能够与VISSIM 仿真软件进行无缝集成，将信号机配时方案输入到VISSIM 仿真软件中进行交通仿真，生成延误、行程时间、排队长度等数据指标。学生利用该系统可开展：（1）交通信号控制认知实验，让学生了解交通信号控制系统的工作原理、设备组成、网络结构和实现功能，熟悉交通信号控制设备的操作和连接方法；（2）交通信号控制实操实验，让学生学习并掌握交叉口配置、单点配时、分时控制、感应控制和绿波协调控制等信号配时控制设计方案；（3）交通信号控制故障认知实验，让学生认识交通信号控制系统常见故障，并掌握相应故障修复方法；（4）交通信号配时优化实验，通过让学生调查扬州市道路交叉口信息，开展交通信号配时优化实验，并利用交通仿真检验所设计优化方案的合理性。

1.4 交通大数据实验系统

交通大数据实验系统从总体上划分为数据采集层、数据处理层、数据挖掘层和决策服务层。数据采集层对交通检测数据进行收集和存储；数据处理层对收集的数据进行清洗、整合和缺失估计等各类预处理；数据挖掘层利用多类机器学习算法进行数据分析和建模，从而获得决策信息；决策服务层通过数据可视化方式向用户提供决策信息服务。系统能够提供交通大数据相关教学资源。基于该系统，学生可开展：（1）交通大数据认知实验，利用大数据可视化展示系统，向学生讲授交通大数据系统组成及工作原理；（2）交通大数据部署实验，让学生学习和掌握交通大数据系统部署和配置；（3）交通大数据模型二次开发实验，基于Python 编程环境，让学生学习交通大数据模型的开发知识，根据实际需求完成数据的预处理、分析和建模；（4）交通大数据可视化开发实验，让学生学习和掌握各类交通数据可视化理论与方法，并基于Python 编程对数据分析结果进行可视化呈现。

2 实验教学成果

课程体系是实现专业培养目标的重要载体，也是人才培养要求的具体体现[9]。在专业课程体系中，实验课程发挥着重要作用，旨在帮助学生加深对交通实际问题的认识和思考，培养其运用理论知识解决实际问题的能力。实验课程应与专业课程相融合，形成一个有机整体。围绕交通工程专业的人才培养目标和专业课程体系，不同专业课程设置的实验应体现差异性。例如，交通工程、交通调查、交通数据分析等课程实验旨在让学生掌握交通调查与数据处理的基本方法，该类实验属于演示型或验证型实验；交通规划、交通设计、交通管理与控制等课程实验旨在让学生掌握运用相关理论分析具体问题并设计解决方案的能力，该类实验以综合型和设计型实验为主，建立在验证型实验的基础上；课外探索类实验主要是研究创新型实验，涉及方法或理论的实际运用，需要具有一定的创新性[10]。交通工程专业的实验教学应该由浅入深，由基础到综合，以满足不同层次学生的学习需求。实验课程的架构关键在于能够科学支撑实验项目和内容。实验项目不仅需要与课程内容有机结合，具有整体性和系统性，还需要有效融入前沿科技知识和国家重大战略需求[11]。

近年来，扬州大学基于所建设的智慧交通实验平台取得了一系列教学研究成果：获得了全国大学生交通科技大赛、全国高校智能交通创新创业大赛、“创青春”全国大学生创业大赛、江苏省大学生交通科技大赛等30 余项国家级和省级大学生学科竞赛奖。此外，学校师生还基于该平台取得了许多优秀的科研成果，例如，获得了国家级和省级大学生科创项目立项以及江苏省优秀毕业设计。上述成果充分证明：扬州大学在学生创新和实践能力培养方面成效显著，同时也证实了智慧交通实验平台在提升学生创新能力和实践能力方面发挥着重要作用。

3 实验教学平台建设思考与总结

智慧交通作为我国交通领域的未来发展方向，对于培养创新型高科技复合人才意义重大。交通工程专业作为我国交通领域人才培养的主要途径，在智慧交通建设和交通强国战略实施中有着不可替代的地位。交通工程专业课程具有交叉性和应用性，强调实践性和操作性，对所培养人才的综合素质要求很高。传统课堂教学模式存在一些问题，导致学生缺乏动手实践和接触实际项目的机会，仍停留在对概念和方法的理解和记忆上。随着大数据、数字孪生和虚拟仿真等高新技术的迅速发展，交通工程实验教学理论和方法获得了很大发展。例如，在交通管理与控制课程实验教学中，利用大数据、云计算和数字孪生技术向学生演示不同交通信号控制方案在实际交通场景中的实施效果，能够激发学生进行自主实验和研究解决实际交通问题的兴趣[12]。因此，交通工程专业应结合前沿高新技术，积极探索创新式实验教学理论和方法，以此助力培养更多具有创新思维和实践能力的复合型交通科技人才，也将推动智慧交通发展和交通强国建设进程。

4 结语

在社会经济建设和发展过程中，人才培养至关重要，而人才培养的关键在于人才培养模式的创新[13]。传统实验教学模式已经难以适应时代发展对复合型人才培养的高要求。面向新一代智慧交通科技人才培养目标，高校和教师需要对交通强国等国家重大战略和前沿科技保持高度敏感性[14]，密切关注交通领域最新研究方向，及时更新和完善实验课程教学内容，在授课过程中不断融入新理念、新技术和新方法，从而为我国交通领域的建设和发展提供人才支撑。