陳 峻， 熊宏齊， 黃曉明， 程建川， 戚浩平

(東南大學(xué) a. 交通學(xué)院； b. 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處， 南京 210096)

道路交通工程虛擬仿真項(xiàng)目的資源建設(shè)方案

陳 峻a， 熊宏齊b， 黃曉明a， 程建川a， 戚浩平a

(東南大學(xué) a. 交通學(xué)院； b. 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處， 南京 210096)

以優(yōu)化道路交通工程類專業(yè)虛擬仿真項(xiàng)目的資源建設(shè)方案為目標(biāo)，從支撐學(xué)生專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)、專業(yè)知識(shí)協(xié)同和前沿知識(shí)拓展3個(gè)方面提出了由“專業(yè)基礎(chǔ)類、綜合訓(xùn)練類、創(chuàng)新實(shí)踐類”組成的虛擬仿真項(xiàng)目分類設(shè)計(jì)要求。進(jìn)而面向?qū)I(yè)基礎(chǔ)類模塊，提出以“虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互”為主體的資源建設(shè)形式，面向綜合訓(xùn)練類模塊，提出“軟件下載—實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過程演示—實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)結(jié)果提交—在線討論”的建設(shè)方法，面向創(chuàng)新實(shí)踐類模塊，提出多樣化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、支撐CDIO教學(xué)模式的建設(shè)思路。相關(guān)設(shè)計(jì)方案在東南大學(xué)國家級(jí)道路交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)中進(jìn)行了應(yīng)用與實(shí)踐。

道路交通工程； 專業(yè)知識(shí)； 虛擬仿真； 資源建設(shè)； 方案設(shè)計(jì)

0 引 言

交通運(yùn)輸是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本需要和先決條件，在整個(gè)社會(huì)機(jī)制中起著紐帶作用。我國支撐交通運(yùn)輸類人才培養(yǎng)的專業(yè)涉及交通運(yùn)輸、交通工程、交通設(shè)備與控制工程、航海技術(shù)、飛行技術(shù)、船舶電子電氣工程、道路橋梁與渡河工程等專業(yè)(道路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸、航空運(yùn)輸?shù)?，具有明顯的學(xué)科知識(shí)交叉特性。其中，道路交通工程側(cè)重以人、車、路、環(huán)境為研究對(duì)象，以安全、高效、可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，進(jìn)行城市和區(qū)域道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)優(yōu)化。相對(duì)其他專業(yè)而言，道路交通工程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)主要面向工程現(xiàn)場，各類交通設(shè)施造價(jià)高、建設(shè)周期長、危險(xiǎn)程度高，研究領(lǐng)域系統(tǒng)性強(qiáng)，涉及橋梁、道路、交叉口、場站乃至交通網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)方面，僅僅在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)難以完成專業(yè)人才實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，因此，如何系統(tǒng)性設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的總體架構(gòu)及教學(xué)資源，提升學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力，具有重要的意義[1-2]。

由于不同專業(yè)在知識(shí)、能力等方面的要求存在差異，因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的資源設(shè)計(jì)也各有側(cè)重[3-6]，如何將道路交通工程專業(yè)人才培養(yǎng)要求與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和功能相結(jié)合[7-9]，形成有針對(duì)性的資源分類架構(gòu)與途徑設(shè)計(jì)方案。

1 面向道路交通專業(yè)人才培養(yǎng)要求的虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)分類設(shè)計(jì)

結(jié)合國家工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和交通運(yùn)輸類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)要求，可以定位道路交通工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)為：掌握與時(shí)代相適應(yīng)的道路交通規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理全方位基本知識(shí)，具備面向交通實(shí)際問題解決的研究創(chuàng)新能力。如何面向?qū)I(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)虛擬仿真項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)行分類設(shè)計(jì)，從而最大化支撐學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)的培養(yǎng)，是教學(xué)資源建設(shè)需要解決的基本問題。

(1) 基于人才培養(yǎng)知識(shí)主線架構(gòu)的虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)?！敖煌ㄏ到y(tǒng)”和“交通土建”是道路交通類專業(yè)人才應(yīng)掌握的基本專業(yè)知識(shí)[10-11]，其中：① “交通系統(tǒng)類課程”以數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)建模與分析、運(yùn)籌與管理為基礎(chǔ)，為學(xué)生系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)道路交通需求與供給的相互作用關(guān)系，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、管理提供幫助；② “交通土建類課程”以測量、力學(xué)、材料等為基礎(chǔ)，為學(xué)生進(jìn)行道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)與施工建造提供支撐。為此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)應(yīng)兼顧兩大類課程群的專業(yè)知識(shí)要求，作為總體框架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

(2) 面向交通系統(tǒng)“規(guī)劃—建設(shè)—管理”協(xié)同的虛擬仿真項(xiàng)目。當(dāng)前，我國交通需求和供給呈現(xiàn)出快速演變的特性，對(duì)于交通系統(tǒng)的優(yōu)化與建設(shè)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，交通運(yùn)輸行業(yè)正經(jīng)歷著由“側(cè)重交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”向“綜合交通系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、管理協(xié)同”的重大轉(zhuǎn)型，對(duì)專業(yè)學(xué)生知識(shí)和能力的培養(yǎng)也需要兼顧交通系統(tǒng)“前期分析規(guī)劃—中期設(shè)計(jì)建造—后期效能提升”等多個(gè)方面。因此，將道路交通工程的前期分析規(guī)劃、中期設(shè)計(jì)建造、后期管理控制方案以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的形式分類進(jìn)行設(shè)計(jì)，有助于在教學(xué)過程中訓(xùn)練學(xué)生分析復(fù)雜交通形態(tài)演變所產(chǎn)生的影響，多方案解決現(xiàn)實(shí)交通問題。

(3) 面向?qū)I(yè)學(xué)生前沿知識(shí)拓展的虛擬仿真項(xiàng)目。交通運(yùn)輸類專業(yè)是一門系統(tǒng)理論和實(shí)踐并重且涉及多學(xué)科交叉的專業(yè)，現(xiàn)代道路交通專業(yè)技術(shù)呈現(xiàn)出“綠色交通、安全交通、智能交通”等多方向、精細(xì)化發(fā)展的重大轉(zhuǎn)變?？茖W(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及一系列前沿交叉學(xué)科在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用，使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的資源設(shè)計(jì)也需要具備“開放式、多元化、可拓展性”的功能。

基于上述分析，本研究從支撐學(xué)生專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)、專業(yè)知識(shí)協(xié)同和前沿知識(shí)拓展3個(gè)方面提出由“專業(yè)基礎(chǔ)類、綜合訓(xùn)練類、創(chuàng)新實(shí)踐類”組成的虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)分類設(shè)計(jì)要求，相互對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖1。

2 實(shí)現(xiàn)虛擬仿真項(xiàng)目資源建設(shè)的途徑設(shè)計(jì)

3種類型虛擬仿真項(xiàng)目支撐學(xué)生知識(shí)、能力要求對(duì)應(yīng)側(cè)重點(diǎn)不同，資源建設(shè)的實(shí)現(xiàn)途徑也各有側(cè)重。

(1) 專業(yè)基礎(chǔ)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資源。專業(yè)基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K圍繞道路交通工程類相關(guān)專業(yè)統(tǒng)一基礎(chǔ)課程平臺(tái)開設(shè)的基礎(chǔ)課程進(jìn)行教學(xué)資源建設(shè)，主要面向?qū)I(yè)低年級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)，由交通土建類專業(yè)基礎(chǔ)課程模塊和交通系統(tǒng)類專業(yè)基礎(chǔ)課程模塊兩部分構(gòu)成，如圖2所示。

其中：① 交通土建模塊的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要針對(duì)兩條線，即“工程測量”對(duì)應(yīng)的道路“幾何設(shè)計(jì)”類以及“工程力學(xué)、工程材料”對(duì)應(yīng)的后續(xù)路基路面工程、橋梁工程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等課程，開設(shè)上述虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，旨在讓學(xué)生完整、高效地掌握“幾何設(shè)計(jì)”和“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”類課程的知識(shí)和技能；② 交通系統(tǒng)方向的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要面向“交通調(diào)查、交通工程基礎(chǔ)、交通分析”等專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過開發(fā)交通參數(shù)自動(dòng)識(shí)別的軟硬件設(shè)備及交通流基礎(chǔ)理論模型的應(yīng)用軟件，訓(xùn)練學(xué)生對(duì)速度、流量、密度等交通系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)采集、檢測和分析能力。

專業(yè)基礎(chǔ)類虛擬仿真的項(xiàng)目建設(shè)以側(cè)重各具體知識(shí)點(diǎn)的掌握以及對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的相關(guān)儀器設(shè)備功能掌握為目標(biāo)，由于知識(shí)點(diǎn)多、內(nèi)容離散，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)具備“可操作性強(qiáng)、直觀性和展示度強(qiáng)”的特點(diǎn)。因此，該類實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)的實(shí)現(xiàn)途徑以“虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互”為主體[12]，學(xué)生在線登錄教學(xué)平臺(tái)后，面向各類專業(yè)基本知識(shí)點(diǎn)，可通過輸入不同的參數(shù)，分析輸出結(jié)果的變化規(guī)律?；蛘咴诰€了解各種實(shí)體實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的使用功能、操作流程和實(shí)驗(yàn)步驟。

以我校設(shè)計(jì)的“道路邊坡穩(wěn)定分析的虛擬仿真試驗(yàn)”為例(見圖3)，將極限平衡方法和強(qiáng)度折減有限元方法應(yīng)用于道路邊坡穩(wěn)定分析，學(xué)生可在線選擇不同力平衡分析算法，輸出不同強(qiáng)度折減有限元方法的邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)變化參數(shù)，直觀掌握邊坡穩(wěn)定的分析方法。

(2) 綜合訓(xùn)練類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資源。綜合訓(xùn)練虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資源建設(shè)應(yīng)覆蓋交通運(yùn)輸系統(tǒng)“規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、管控”等全過程的專業(yè)主干課程知識(shí)點(diǎn)及相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)要求，主要面向?qū)I(yè)中、高年級(jí)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中：交通系統(tǒng)類虛擬仿真項(xiàng)目資源側(cè)重訓(xùn)練學(xué)生宏觀交通網(wǎng)絡(luò)和微觀交通基礎(chǔ)設(shè)施的模擬分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)能力；交通土建類的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資源側(cè)重道路與橋梁工程“幾何設(shè)計(jì)”和“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”類課程綜合能力的提升。

綜合類訓(xùn)練項(xiàng)目側(cè)重面向?qū)嶋H工程問題進(jìn)行虛擬環(huán)境的構(gòu)建，具有“仿真環(huán)境建設(shè)復(fù)雜度大、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目環(huán)節(jié)多、前后關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行環(huán)境要求高”等特點(diǎn)[13]，通常需要借助于大型專業(yè)模擬仿真軟件(或基于專業(yè)軟件的二次開發(fā))進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)和教學(xué)資源建設(shè)，因此不宜完全采用在線實(shí)時(shí)參數(shù)輸入、輸出的項(xiàng)目建設(shè)形式，可以通過“軟件下載—實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過程演示—實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)結(jié)果提交—在線討論”的方法加以實(shí)現(xiàn)。

以城市道路網(wǎng)絡(luò)宏觀交通模擬分析項(xiàng)目為例(見圖4)，虛擬仿真模塊以我校自主研發(fā)的“Transtar-交通仿真模擬分析”軟件和國外權(quán)威軟件TransCAD為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)由“城市道路網(wǎng)絡(luò)空間模型構(gòu)建、交通出行生成預(yù)測、交通分布預(yù)測、創(chuàng)新方式劃分預(yù)測、交通分配與網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)”等5部分共同構(gòu)成，學(xué)生通過虛擬仿真項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)與操作，可將真實(shí)的城市道路交通系統(tǒng)抽象為空間模型，并分析交通需求與網(wǎng)絡(luò)供給的相互作用關(guān)系，仿真實(shí)際道路、交叉口的交通運(yùn)行質(zhì)量，為優(yōu)化方案設(shè)計(jì)提供仿真支持。

(3) 創(chuàng)新實(shí)踐類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。創(chuàng)新實(shí)踐類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(見圖5)設(shè)計(jì)以服務(wù)專業(yè)學(xué)生前沿知識(shí)的探索為目標(biāo)和導(dǎo)向，側(cè)重提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以采用多樣化的建設(shè)形式，項(xiàng)目資源主要可以來源于專業(yè)學(xué)生每年的課外研學(xué)項(xiàng)目、參與的教師科研項(xiàng)目、科技競賽項(xiàng)目以及畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

這類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以學(xué)生為主體，學(xué)生在課堂教學(xué)以外進(jìn)行各種工程項(xiàng)目的構(gòu)思、方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化實(shí)現(xiàn)以及工程項(xiàng)目實(shí)施完成后效能優(yōu)化和分析評(píng)價(jià)，各個(gè)環(huán)節(jié)均可以廣泛使用虛擬仿真，使虛擬仿真成為工程實(shí)踐教學(xué)模式CDIO[構(gòu)思(Conceive)-設(shè)計(jì)(Design)-實(shí)現(xiàn)(Implement)-運(yùn)作(Operate)]重要訓(xùn)練手段[14-16]。

我校道路交通虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)踐類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要來源于專業(yè)教師承擔(dān)的國家973、863計(jì)劃課題、自然科學(xué)基金項(xiàng)目等高水平基礎(chǔ)科研項(xiàng)目和工程應(yīng)用項(xiàng)目的成果轉(zhuǎn)化(20多項(xiàng)交通類軟件著作權(quán)開發(fā)、專業(yè)軟件二次開發(fā)等)，涉及工程數(shù)據(jù)采集、道路設(shè)計(jì)、橋梁設(shè)計(jì)、交通需求大數(shù)據(jù)分析與處理、綜合交通設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)創(chuàng)新性方案的制定與評(píng)價(jià)、復(fù)雜交通系統(tǒng)環(huán)境下的運(yùn)行組織優(yōu)化與智能化發(fā)展等多個(gè)方面，為培養(yǎng)學(xué)生了解前沿問題和工程實(shí)踐問題、拓展專業(yè)視野、激發(fā)專業(yè)興趣和創(chuàng)新能力發(fā)揮了重要的作用。

3 結(jié) 語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的提升提供了新的模式，如何將其與專業(yè)人才培養(yǎng)的特色要求相結(jié)合，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的效用是其中需要解決的關(guān)鍵問題。本研究以道路交通工程專業(yè)為研究對(duì)象，基于專業(yè)知識(shí)架構(gòu)要求提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的分類方法，分析了3種類型各種的項(xiàng)目資源建設(shè)特點(diǎn)，并針對(duì)性提出相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)途徑，相關(guān)設(shè)計(jì)方案在東南大學(xué)道路交通工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的效果。

[1] 教育部高等教育司．關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知：教高司函(2013) 94號(hào)[EB/OL]. (2013-08-13) [2014-06-02]. http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/A08_gggs/201308/156121.html.

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Study on Resource Construction Methods of Virtual Simulation Project of Road Traffic Engineering

CHENJuna,XIONGHongqib,HUANGXiaominga,CHENGJiancuana,QIHaopinga

(a. School of Transportation； b. Laboratory and Equipment Management Division, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to optimize the for resource construction method of road traffic engineering’s virtual simulation project, this paper puts forward the basic training, comprehensive training and innovation practice classification modes to support the requirements or students’ professional basic knowledge, professional collaborative knowledge and advanced knowledge. With the type of basic training modular, we propose the use of virtual-reality combination and real-time interaction method as the main form of resource construction. With the comprehensive training modular, we suggest to use the series links of "software download-experimental project demonstration-experimental project release-experimental results submitted and online discussion" to design the of virtual simulation projects. With the innovation practice modular, we need to diversify the types of virtual experimental projects to support the CDIO teaching modes. The related design methods have been applied to Southeast University’s National Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Road Traffic Engineering.

road traffic engineering; professional knowledge; virtual simulation; resource construction; design method

2016-08-19

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PPZY2015B148)。江蘇省高等教育教改項(xiàng)目“交通運(yùn)輸工程優(yōu)勢學(xué)科與特色專業(yè)協(xié)調(diào)建設(shè)的資源轉(zhuǎn)換與共享研究”(2013JSJG014)

陳 峻(1972-)，男，江蘇無錫人，博士，教授，博導(dǎo)，交通學(xué)院副院長，研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理，高等教育研究。

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U 49； G 642.0

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1006-7167(2017)04-0098-05