交通規(guī)劃課程虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、交通規(guī)劃課程虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)論文交通規(guī)劃課程虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 辛飛飛1，吳嬌蓉1，王曉博2，吳廣君3 （1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804； 2.同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海200092； 3.上海優(yōu)途信息科技有限公司，上海200092） 摘要：虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以幫助學(xué)生更直觀的認(rèn)識各種交通問題，學(xué)生可以將自己解決問題的想法和方案及時(shí)體現(xiàn)在系統(tǒng)中并予以評估和檢驗(yàn)。這種方式能夠增強(qiáng)學(xué)生對于交通規(guī)劃學(xué)科的興趣，提高本學(xué)科對于優(yōu)秀學(xué)生的吸引力。本文通過收集城市基礎(chǔ)道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)車輛數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)和建設(shè)了交通規(guī)劃課程虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使學(xué)生能夠在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2、中及時(shí)鞏固理論知識、培養(yǎng)分析問題和解決問題的綜合技能，進(jìn)而提高其創(chuàng)新能力。 關(guān)鍵詞：交通規(guī)劃；教學(xué)實(shí)驗(yàn)；系統(tǒng)設(shè)計(jì) 中圖分類號：g642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號：1674-9324（2016）29-0241-03 一、項(xiàng)目背景 交通規(guī)劃是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于鞏固學(xué)生的理論知識體系、增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力具有重要作用。同濟(jì)大學(xué)交通學(xué)院是最早引進(jìn)國外先進(jìn)的交通仿真分析軟件，并用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究機(jī)構(gòu)之一。在長期的教學(xué)實(shí)踐中，國外交通仿真分析軟件雖然起到了積極的作用，但始終存在著理論基礎(chǔ)要求高、輸入輸出過程抽象、使用方法復(fù)雜等問題，并不適合理論基礎(chǔ)仍然較為薄弱的本科學(xué)生。近兩

3、年交通工程系開展的畢業(yè)生調(diào)研發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍反映應(yīng)該在本科階段課程中加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、培養(yǎng)動(dòng)手能力，而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)工具有限、實(shí)驗(yàn)手段單一且使用不便。 隨著網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在教學(xué)中逐漸開始發(fā)揮重要作用1-3。同時(shí)，國家對科技創(chuàng)新不斷支持，越來越多的交通數(shù)據(jù)得以開放。因此，通過建設(shè)一套交通數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，把不同渠道、不同類型的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理、存儲，作為虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐。再通過用戶交互界面，讓學(xué)生充分認(rèn)識交通數(shù)據(jù)的內(nèi)容，并結(jié)合具體課程需求引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行多維度的數(shù)據(jù)挖掘分析，可以達(dá)到良好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果。 開發(fā)“交通規(guī)劃虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”的目標(biāo)，就是針對交通工程專業(yè)本科學(xué)

4、生（特別是低年級學(xué)生），設(shè)計(jì)一個(gè)高度圖形化、形象化、綜合性的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具。學(xué)生能夠利用這種虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具，更加“簡便和直觀”地模擬交通工程專業(yè)課學(xué)習(xí)中的常見問題（如交通需求分析、交通供給分析、交通方案評價(jià)、交通狀態(tài)分析、交通行為分析等），彌補(bǔ)現(xiàn)有的交通仿真軟件在實(shí)際使用過程中理論基礎(chǔ)要求高、操作過于復(fù)雜、綜合性不夠等不足。通過開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，使學(xué)生能夠在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中及時(shí)鞏固理論知識、培養(yǎng)分析問題和解決問題的綜合技能，增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，進(jìn)而提高其創(chuàng)新能力。 二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，將遵循以下原則： 1.科學(xué)規(guī)劃：針對提升實(shí)驗(yàn)效率、提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的緊迫需求，充分考慮依托

5、gis技術(shù)，建立交通規(guī)劃虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為提升學(xué)院實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的信息化水平奠定基礎(chǔ)。 2.資源共享：充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源、數(shù)據(jù)資源和信息系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)資源的更高效、更規(guī)范、更安全、更可靠管理和共享； 3.應(yīng)用主導(dǎo)：以技術(shù)和體制上的可行性為基礎(chǔ)，采用主流成熟技術(shù)，充分利用現(xiàn)有的可利用設(shè)備和設(shè)施。 三、系統(tǒng)功能 1.總體設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)擬將出租車、公交車、定點(diǎn)數(shù)據(jù)等多源交通數(shù)據(jù)接入虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺，具體功能模塊分為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、作業(yè)提交、作業(yè)展示（見圖1），系統(tǒng)功能流程見圖2。 2.詳細(xì)設(shè)計(jì)。 （1）數(shù)據(jù)獲取。數(shù)據(jù)獲取主要指獲取兩類數(shù)據(jù)：城市g(shù)is數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)車輛

6、數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始化后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，加載不同城市的gis數(shù)據(jù)（見圖3）和不同類型的實(shí)驗(yàn)車輛數(shù)據(jù)（見圖4）。載入兩類數(shù)據(jù)后，可以看到城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和車輛軌跡數(shù)據(jù)，為開展實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。 （2）數(shù)據(jù)展示。如上節(jié)所述，系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)后，即在系統(tǒng)界面將數(shù)據(jù)以圖形形式展示出來，可直觀觀察實(shí)驗(yàn)車輛與城市道路網(wǎng)絡(luò)的空間形態(tài)。學(xué)生可設(shè)置多種條件查詢道路網(wǎng)絡(luò)的基本信息（見圖5）、實(shí)驗(yàn)車輛信息、各時(shí)段車輛軌跡信息等。對于一些外部數(shù)據(jù)，例如從百度地圖下載的興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以將其編輯到gis數(shù)據(jù)中，并進(jìn)行自定義的分析。 （3）數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能主要包括交叉口評價(jià)、道路評價(jià)、路網(wǎng)評價(jià)。交叉口評價(jià)包含平均排隊(duì)長度，交

7、叉口擁擠度（見圖6）。道路評價(jià)包含旅行時(shí)間、路段延誤、平均速度、路段擁擠度等（見圖7）。路網(wǎng)評價(jià)包含平均速度、擁堵路段比例、擁擠指數(shù)等（見圖8）。除直接使用系統(tǒng)功能外，學(xué)生也可以直接調(diào)用原始實(shí)驗(yàn)車輛軌跡數(shù)據(jù)開展自行分析。 （4）數(shù)據(jù)導(dǎo)出。學(xué)生通過虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)得到的結(jié)果，可以導(dǎo)出成電子表格。學(xué)生既可以將導(dǎo)出數(shù)據(jù)作為最終結(jié)果保存，也可以將導(dǎo)出數(shù)據(jù)作為研究的中間數(shù)據(jù)，繼續(xù)深入挖掘。圖9為導(dǎo)出結(jié)果示意圖。 系統(tǒng)還提供一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)站模塊，用于學(xué)生提交作業(yè)。網(wǎng)站分為三個(gè)權(quán)限：管理員、教師、學(xué)生。管理員負(fù)責(zé)賬戶分配，按學(xué)籍號分配學(xué)生權(quán)限，學(xué)生按學(xué)籍號登錄系統(tǒng)，提交作業(yè)。教師登陸后可在線瀏覽學(xué)生作業(yè)，對于優(yōu)秀作業(yè)，可以公開發(fā)布，所有學(xué)生可以看到。同時(shí)設(shè)置師生交流區(qū)，可以針對作業(yè)進(jìn)行交流溝通。 四、結(jié)語 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)已成為國內(nèi)大專院校教學(xué)改革的熱點(diǎn)。教育部將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)作為“高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物”，并計(jì)劃分年度建設(shè)一批具有示范、引領(lǐng)作用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，推動(dòng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新。本項(xiàng)目利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、理論教學(xué)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)習(xí)者自身的思考融為一體，為交通規(guī)劃實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有力工具，逐步實(shí)現(xiàn)交通規(guī)劃