道路交通工程虚拟仿真项目的资源建设方案

陈 峻， 熊宏齐， 黄晓明， 程建川， 戚浩平

(东南大学 a. 交通学院； b. 实验室与设备管理处， 南京 210096)

道路交通工程虚拟仿真项目的资源建设方案

陈 峻a， 熊宏齐b， 黄晓明a， 程建川a， 戚浩平a

(东南大学 a. 交通学院； b. 实验室与设备管理处， 南京 210096)

以优化道路交通工程类专业虚拟仿真项目的资源建设方案为目标，从支撑学生专业知识基础、专业知识协同和前沿知识拓展3个方面提出了由“专业基础类、综合训练类、创新实践类”组成的虚拟仿真项目分类设计要求。进而面向专业基础类模块，提出以“虚实结合、实时交互”为主体的资源建设形式，面向综合训练类模块，提出“软件下载—实验项目过程演示—实验环节设计—实验结果提交—在线讨论”的建设方法，面向创新实践类模块，提出多样化实验项目设计、支撑CDIO教学模式的建设思路。相关设计方案在东南大学国家级道路交通虚拟仿真实验教学中心的建设中进行了应用与实践。

道路交通工程； 专业知识； 虚拟仿真； 资源建设； 方案设计

0 引 言

交通运输是国民经济发展的基本需要和先决条件，在整个社会机制中起着纽带作用。我国支撑交通运输类人才培养的专业涉及交通运输、交通工程、交通设备与控制工程、航海技术、飞行技术、船舶电子电气工程、道路桥梁与渡河工程等专业(道路运输、铁路运输、水路运输、航空运输等)，具有明显的学科知识交叉特性。其中，道路交通工程侧重以人、车、路、环境为研究对象，以安全、高效、可持续发展为目标，进行城市和区域道路交通基础设施的系统优化。相对其他专业而言，道路交通工程的教学实验、实践环节主要面向工程现场，各类交通设施造价高、建设周期长、危险程度高，研究领域系统性强，涉及桥梁、道路、交叉口、场站乃至交通网络等多个方面，仅仅在实验室内难以完成专业人才实践与创新能力的培养要求，因此，如何系统性设计虚拟仿真实验项目的总体架构及教学资源，提升学生实践与创新能力，具有重要的意义[1-2]。

由于不同专业在知识、能力等方面的要求存在差异，因此虚拟仿真实验项目的资源设计也各有侧重[3-6]，如何将道路交通工程专业人才培养要求与虚拟仿真实验的特点和功能相结合[7-9]，形成有针对性的资源分类架构与途径设计方案。

1 面向道路交通专业人才培养要求的虚拟仿真项目建设分类设计

结合国家工程教育专业认证标准和交通运输类专业教学质量国家标准要求，可以定位道路交通工程专业的人才培养目标为：掌握与时代相适应的道路交通规划、设计、建设、管理全方位基本知识，具备面向交通实际问题解决的研究创新能力。如何面向专业人才培养目标，对虚拟仿真项目的建设进行分类设计，从而最大化支撑学生知识、能力、素质的培养，是教学资源建设需要解决的基本问题。

(1) 基于人才培养知识主线架构的虚拟仿真项目建设。“交通系统”和“交通土建”是道路交通类专业人才应掌握的基本专业知识[10-11]，其中：① “交通系统类课程”以数理统计、数学建模与分析、运筹与管理为基础，为学生系统性认识道路交通需求与供给的相互作用关系，并进行优化设计、管理提供帮助；② “交通土建类课程”以测量、力学、材料等为基础，为学生进行道路交通基础设施的设计与施工建造提供支撑。为此，虚拟仿真实验项目的建设应兼顾两大类课程群的专业知识要求，作为总体框架设计的基础。

(2) 面向交通系统“规划—建设—管理”协同的虚拟仿真项目。当前，我国交通需求和供给呈现出快速演变的特性，对于交通系统的优化与建设带来了前所未有的挑战，交通运输行业正经历着由“侧重交通基础设施建设”向“综合交通系统规划、建设、管理协同”的重大转型，对专业学生知识和能力的培养也需要兼顾交通系统“前期分析规划—中期设计建造—后期效能提升”等多个方面。因此，将道路交通工程的前期分析规划、中期设计建造、后期管理控制方案以虚拟仿真实验项目的形式分类进行设计，有助于在教学过程中训练学生分析复杂交通形态演变所产生的影响，多方案解决现实交通问题。

(3) 面向专业学生前沿知识拓展的虚拟仿真项目。交通运输类专业是一门系统理论和实践并重且涉及多学科交叉的专业，现代道路交通专业技术呈现出“绿色交通、安全交通、智能交通”等多方向、精细化发展的重大转变。科学技术的不断发展以及一系列前沿交叉学科在交通运输领域的应用，使得虚拟仿真实验项目的资源设计也需要具备“开放式、多元化、可拓展性”的功能。

基于上述分析，本研究从支撑学生专业知识基础、专业知识协同和前沿知识拓展3个方面提出由“专业基础类、综合训练类、创新实践类”组成的虚拟仿真项目建设分类设计要求，相互对应关系见图1。

2 实现虚拟仿真项目资源建设的途径设计

3种类型虚拟仿真项目支撑学生知识、能力要求对应侧重点不同，资源建设的实现途径也各有侧重。

(1) 专业基础类虚拟仿真实验项目资源。专业基础虚拟仿真实验模块围绕道路交通工程类相关专业统一基础课程平台开设的基础课程进行教学资源建设，主要面向专业低年级学生设计，由交通土建类专业基础课程模块和交通系统类专业基础课程模块两部分构成，如图2所示。

其中：① 交通土建模块的实验项目主要针对两条线，即“工程测量”对应的道路“几何设计”类以及“工程力学、工程材料”对应的后续路基路面工程、桥梁工程、结构设计原理等课程，开设上述虚拟仿真实验，旨在让学生完整、高效地掌握“几何设计”和“结构设计”类课程的知识和技能；② 交通系统方向的实验项目主要面向“交通调查、交通工程基础、交通分析”等专业基础课程，通过开发交通参数自动识别的软硬件设备及交通流基础理论模型的应用软件，训练学生对速度、流量、密度等交通系统运行的关键参数采集、检测和分析能力。

专业基础类虚拟仿真的项目建设以侧重各具体知识点的掌握以及对应实验数据获取的相关仪器设备功能掌握为目标，由于知识点多、内容离散，实验项目应具备“可操作性强、直观性和展示度强”的特点。因此，该类实验资源建设的实现途径以“虚实结合、实时交互”为主体[12]，学生在线登录教学平台后，面向各类专业基本知识点，可通过输入不同的参数，分析输出结果的变化规律。或者在线了解各种实体实验仪器设备的使用功能、操作流程和实验步骤。

以我校设计的“道路边坡稳定分析的虚拟仿真试验”为例(见图3)，将极限平衡方法和强度折减有限元方法应用于道路边坡稳定分析，学生可在线选择不同力平衡分析算法，输出不同强度折减有限元方法的边坡失稳滑动变化参数，直观掌握边坡稳定的分析方法。

(2) 综合训练类虚拟仿真实验项目资源。综合训练虚拟仿真实验项目资源建设应覆盖交通运输系统“规划、设计、建造、管控”等全过程的专业主干课程知识点及相关实践环节要求，主要面向专业中、高年级学生进行设计。其中：交通系统类虚拟仿真项目资源侧重训练学生宏观交通网络和微观交通基础设施的模拟分析与优化设计能力；交通土建类的实验项目资源侧重道路与桥梁工程“几何设计”和“结构设计”类课程综合能力的提升。

综合类训练项目侧重面向实际工程问题进行虚拟环境的构建，具有“仿真环境建设复杂度大、实验项目环节多、前后关联性强、系统软硬件运行环境要求高”等特点[13]，通常需要借助于大型专业模拟仿真软件(或基于专业软件的二次开发)进行项目设计和教学资源建设，因此不宜完全采用在线实时参数输入、输出的项目建设形式，可以通过“软件下载—实验项目过程演示—实验环节设计—实验结果提交—在线讨论”的方法加以实现。

以城市道路网络宏观交通模拟分析项目为例(见图4)，虚拟仿真模块以我校自主研发的“Transtar-交通仿真模拟分析”软件和国外权威软件TransCAD为基础，实验由“城市道路网络空间模型构建、交通出行生成预测、交通分布预测、创新方式划分预测、交通分配与网络评价”等5部分共同构成，学生通过虚拟仿真项目各个环节的学习与操作，可将真实的城市道路交通系统抽象为空间模型，并分析交通需求与网络供给的相互作用关系，仿真实际道路、交叉口的交通运行质量，为优化方案设计提供仿真支持。

(3) 创新实践类虚拟仿真实验。创新实践类虚拟仿真实验项目(见图5)设计以服务专业学生前沿知识的探索为目标和导向，侧重提高学生的实践创新能力。实验项目可以采用多样化的建设形式，项目资源主要可以来源于专业学生每年的课外研学项目、参与的教师科研项目、科技竞赛项目以及毕业设计项目。

这类项目的设计以学生为主体，学生在课堂教学以外进行各种工程项目的构思、方案设计、优化实现以及工程项目实施完成后效能优化和分析评价，各个环节均可以广泛使用虚拟仿真，使虚拟仿真成为工程实践教学模式CDIO[构思(Conceive)-设计(Design)-实现(Implement)-运作(Operate)]重要训练手段[14-16]。

我校道路交通虚拟仿真创新实践类实验项目主要来源于专业教师承担的国家973、863计划课题、自然科学基金项目等高水平基础科研项目和工程应用项目的成果转化(20多项交通类软件著作权开发、专业软件二次开发等)，涉及工程数据采集、道路设计、桥梁设计、交通需求大数据分析与处理、综合交通设施规划设计创新性方案的制定与评价、复杂交通系统环境下的运行组织优化与智能化发展等多个方面，为培养学生了解前沿问题和工程实践问题、拓展专业视野、激发专业兴趣和创新能力发挥了重要的作用。

3 结 语

虚拟仿真实验教学为学生实践与创新能力的提升提供了新的模式，如何将其与专业人才培养的特色要求相结合，发挥实验教学资源的效用是其中需要解决的关键问题。本研究以道路交通工程专业为研究对象，基于专业知识架构要求提出虚拟仿真实验项目的分类方法，分析了3种类型各种的项目资源建设特点，并针对性提出相应的实现途径，相关设计方案在东南大学道路交通工程虚拟仿真实验教学中进行了应用，取得了良好的效果。

[1] 教育部高等教育司．关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知：教高司函(2013) 94号[EB/OL]. (2013-08-13) [2014-06-02]. http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/A08_gggs/201308/156121.html.

[2] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索, 2013, 32(12) :5-8.

[3] 陈新兵，龙晓莉，谢陈跃，等.电工电子虚拟仿真教学资源建设探索[J]. 中国教育信息化, 2014(21):45-47.

[4] 雷 冬，朱飞鹏，殷德顺，等.力学虚拟仿真教学实验室建设的探讨[J]. 实验技术与管理, 2014，31(12):95-96.

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[8] 李 平，毛昌杰，徐 进．开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

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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

江苏高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015B148)。江苏省高等教育教改项目“交通运输工程优势学科与特色专业协调建设的资源转换与共享研究”(2013JSJG014)

陈 峻(1972-)，男，江苏无锡人，博士，教授，博导，交通学院副院长，研究方向：交通运输规划与管理，高等教育研究。

Tel.：025-83795641，13913945222； E-mail: chenjun@seu.edu.cn

U 49； G 642.0

A

1006-7167(2017)04-0098-05