计算机信息与智慧交通复合型研究生的培养

徐 凯, 杨飞凤, 何周阳, 吴仕勋

(重庆交通大学 信息科学与工程学院， 重庆 400074)

0 引 言

当今，科学技术不断革新以及信息化程度不断提高，人类社会正由数字时代走向智慧时代[1]。智慧时代具有4个特征：物联网、大数据、云计算和人工智能。物联网是一个极具潜力的产业，需要大量的高素质人才[2]，目前国内一些高校对物联网硕士生培养模式大多是计算机与通信等方面的复合人才，离物联网人才的培养要求还有一定距离；在当前大数据时代，大数据平台开发、数据分析、数据安全等专业人才的供需矛盾十分突出。据国内大数据权威专家估算，未来5年我国大数据人才缺口将高达130万左右，云计算人才的缺口则更大；人工智能技术人员是“少而精”的人群，国内该专业人才明显不足，尤其是深度学习的高端人才严重供不应求，制约了我国人工智能行业的发展。

在当前智慧时代下，物联网、大数据、云计算和人工智能的高层次人才十分匮乏。

1 现状与背景分析

随着社会经济发展，信息技术与与交通运输深度融合的趋势日益明显。在交通运输部印发的2017-2020年推进智慧交通发展的计划中，重点强调了“基础设施智能化、运输服务智能化、决策监管智能化”等内容。这些内容包含了加快大数据、云计算等现代信息技术的集成创新与应用，利用各类大数据、移动互联网等信息技术和平台，提高综合交通出行信息服务水平；依托行业数据资源交换共享，构建综合交通运输大数据监测系统，提高综合交通运输智能决策能力。

然而在当前智慧时代下，上述交通信息类人才则更为紧缺，其主要原因有：

(1) 在交通行业中，当前高层次信息技术人才的储备量不足，难以满足智慧时代下交通信息技术迅猛发展的需求。智慧时代下信息知识更新快，新技术使用多，对交通从业者的专业素质要求很高。比如，单纯负责交通物联网软、硬件的基础工程师，要求相对要低一些，对信息类的本科生进行相应培训即可完成。而对负责交通主网、物联网的终极工程师，其层次要求就比较严格了。又如，高层次的云端工程师除了掌握基本的计算机知识外，还需熟懂云架构、云API、DDos攻击等针对性技能，需要对其进行系统、全面的培养。而现有从事交通信息研究人员的知识水平和经验都亟待提高和更新。

(2) 由前述分析可知，社会对物联网、大数据、云计算和人工智能的高层次人才匮乏尚且如此，则在交通行业中，对既懂前沿信息技术，又懂交通的复合型高层次人才就更为稀缺[3]。

(3) 智慧时代下交通信息类高层次的人才培养应该是一套系统化的解决方案。虽然国内一些交通行业高校在研究生培养过程中开设了与上述相关的专业，但不少高校却面临着缺乏相应的实践教学平台，无法获取交通行业大数据、无法模拟云实操环节，缺乏场景化和实战化，对学生的培养主要以理论为主，从而导致与产业的结合度不够。

我校计算机科学与技术一级学科硕士点成立于2007年，归属于信息科学与工程学院。在智慧交通大发展时期，对计算机学科研究生培养存在的问题和面临的困境日益突出。在面临的诸多问题中，需要重点解决以下两个问题：

(1) 在有限的资源条件下，如何构建并实施与智慧时代相吻合的课程、实践和能力培养体系？

(2) 如何及时跟踪最前沿信息技术，培养出具有“智慧交通特色”+“创新能力”的硕士研究生？

综上分析，在智慧交通迅速发展的形式下，信息技术人才出现紧缺的现象在所难免。而我校作为重庆市在交通行业的高校，对智慧交通方向上的研究生培养却没有一套系统完善的课程、实践和能力培养体系。因此，以计算机科学与技术硕士点为切入，探讨并实施如何尽快地培养出一支符合社会需求、具有智慧交通特色、专业素质高且能力强的专业人才团队，已成为新形势下学校所面临的一项紧迫课题。

2 总体解决思路

我校的传统优势学科是与交通行业相关的土木工程、水利工程和交通运输，这是学校的根基和优势所在。在当前智慧交通大发展的形势下，学校在战略发展中，将传统优势学科与新增长点学科相结合，把智慧交通定位为新兴发展方向之一。

从本质上讲，智慧交通是互联网发展到一定程度，向交通建设蔓延和深入的结果。作为交通与互联网相结合的智慧交通建设，分析互联网大脑架构的基本原理，这对于如何建设智慧交通具有重要的启示。图1所示为基于互联网大脑架构的智慧交通。

图1 基于互联网大脑架构的智慧交通

由图1可见，智慧交通建设体系就是互联网大脑架构的缩小版。智慧交通具有自己的交通感觉神经系统(物联网建设)，交通中枢神经系统(云计算建设)，交通智慧产生与应用(大数据与人工智能建设)。交通物联网重点突出传感器感知的概念，具备网络线路传输，信息存储和处理等功能；大脑中枢神经系统的特征与云计算定义非常吻合，它将互联网的核心硬件层、软件层和信息层统一起来，为互联网各虚拟神经系统提供支持和服务；利用物联网传感器每时每刻感应的实时信息[4]，从网络大数据中挖掘出其所蕴含的信息、知识甚至是智慧，最终达到利用大数据的目的； 深度学习算法的出现，对大数据训练可以有效提高人工智能水平[5]。因此，上述过程可描述为，通过交通物联网产生、收集海量数据存储于云平台，再通过大数据分析，甚至更高形式的人工智能为人类的生产和生活提供更好的服务。

基于互联网大脑架构的智慧交通是一个十分复杂的系统，其关键核心是交通神经元和交通神经元网络的建设。人、车辆，公路，桥梁和铁路等都以交通神经元的方式加入到智慧交通网络中。通过这些交通神经元的互动、聚合和链接，交通物联网、云计算、大数据与人工智能建设才能真正运转起来。借此，可以联想到在计算机学科的研究生培养中，倘若从技术上将智慧交通建设涉及到的物联网、云计算、大数据和人工智能知识融入到对计算机研究生培养的教学改革中。并从宏观、微观和不同阶段上，把握住对研究生培养的内在联系和规律，这将是研究生教学改革中一次有意义的举措和创新。

通过上述分析并从中得到启示，确定教学改革的总体解决思路：重构基于互联网大脑架构的分层递进式智慧交通课程体系，搭建计算机学科研究生“三大创新实践平台”，即交通物联网与智能信息处理、交通大数据与云计算、轨道交通智能控制创新实践平台。优化课程链、实践链和能力链，形成“三链融合”的交通复合型人才培养综合实践体系，依托智慧交通发展大好形势，围绕“特色”做文章，同时解决好研究生基础理论的锤炼与行业背景的强化二者之间的协调问题。

3 “分层递进、三链融合”实践教学体系的构建与实施

3.1 重构互联网大脑架构的“3+X”分层递进式智慧交通课程体系

此前，缺乏一套能够适应智慧交通时代发展需求的课程体系。具体表现在：课程设置适时性差、课程结构比例不均衡，课程体系缺乏多维化、立体化和个性化[6]。过多强调学科自身知识体系和课程内容完整性，没有突出学科与交通行业背景之间的联系，对学生智慧交通素养的培养重视不够。

研究生课程体系是一个复杂的非线性系统，摆脱固有线性思维羁绊，借鉴和应用复杂性研究思维模式对其展开研究[7]。因此，新确立的指导思想是：在课程设置上突出智慧交通特色，丰富选修课程，为学生提供满足其个性需求的新型学习方式[8]。图2所示是重构的基于互联网大脑架构的“3+X”分层递进式智慧交通课程体系。

图2 >基于互联网大脑架构“3+X”分层递进式智慧

交通课程体系设置

图2中“3+X”的“3”，是指结合互联网大脑架构，凝练出3个符合当前智慧交通发展研究方向：交通物联网与智能信息处理、交通大数据与云计算和轨道交通智能控制；所谓的“X”，是以3个智慧交通研究方向为牵引，将X门信息与交通应用课程作为学生自修选用。以形成计算机在交通中应用特色化、学生培养个性化的网状知识结构[9]。

同时，突出课程结构的整体性、开放性、前瞻性和动态性等特点[10]，注重层次，采用低、中、高分层递进方式，形成与交通行业契合度高的课程体系。

(1) 底层“厚基础”。 奠定自然科学、工程基础等宽厚基础课程，每门课学时按原有的研究生培养方案执行。

(2) 中层“重优化”。优选专业公共基础信息与交通课程，每门课均为36学时，2学分，将其作为今后3个方向的必修课程。同时3个不同方向的信息基础课程让学生自修，形成“必修+自修”的基础铺垫。

(3) 高层“强牵引”。以3个智慧交通研究方向为牵引，3个方向独立，以3门信息核心课程和2门交通应用课程为主，形成“自修为主，选修为辅”格局，构建在有限课时条件下结构合理、动态灵活的课程体系[11]。

3.2 搭建基于智慧交通的计算机学科“三大创新实践平台”

研究生创新能力的培养是研究生教育的灵魂。在综合考虑交通行业需求、各专业方向研究特点，以及学科带头人专长等诸多因素基础上，搭建了基于智慧交通的计算机学科研究生“三大创新实践平台”，让学生在创新实践中实现从改进方案到提出新方法的过渡[12]。平台的体系架构见图3。

图3 >计算机科学与技术研究生“三大实践创新平台”体系架构图

平台围绕交通信息发展前沿技术，不断整合、优化和凝练，确定出3个与计算机学科内涵密切相关的“计算机信息+智慧交通”的研究方向：交通物联网与智能信息处理、交通大数据与云计算和轨道交通智能控制创新实践平台。创新平台采用教授负责制，其研究内容分别如下：

(1) 交通物联网与智能信息处理创新实践平台。围绕桥梁等交通基础设施，开展智能感知、自组织传感网络、智能化时间序列处理、多源异构海量信息融合及智能决策等方面的技术研究，在智能传感技术与装置、海量数据智能分析理论、远程集群化监测平台方面形成突出的特色和优势。

(2) 交通大数据与云计算创新实践平台。开展大数据环境下的高速铁路和城市轨道交通客运的多源信息大数据采集与集成、客流智能分析与预测、客运大数据辅助决策支撑技术。采用虚拟化的云计算技术，整合服务器、存储、网络等硬件资源，达到对海量交通信息处理、分析和挖掘目的，实现智能交通公共信息服务平台、出行地理信息智能导航的服务。

(3) 轨道交通智能控制创新实践平台。围绕轨道交通信息与自动化领域，开展城市轨道交通列车运行仿生智能控制、列车多目标优化控制、列车控制与行车调度一体化节能控制理论与方法等方面的技术研究。深入研究模糊、神经网络、进化理论和群集智能算法在列车运行控制中应用。

三大创新实践平台的优势体现在：① 以智慧交通信息为结合点，创新平台之间相互合作，采用“网状模式”实现学生之间、学生与导师之间思维的融合与创新[13]。② 将“固定式”硬件和“可移动式”软件相结合。将研究重点集中在智慧交通大数据挖掘、深度学习等深层次的软件上。发挥学生创造灵感，让实践教学不再局限于有形的实验室，无形扩展了教学活动的时间和空间，成为“可移动式”创新平台。③ 将校内实训基地及校外企业实践的“基础培养”与科研创新平台在“点上提高”有机结合，实现优势互补。

3.3 “三链融合”交通复合型人才培养实践体系的实施

重构的课程、实践和能力“三链融合”人才培养综合实践体系见图4，对研究生培养进一步凸显出“计算机信息+智慧交通”特色。

图4 >课程、实践和能力链“三链融合”的交通复合型人才培养综合实践体系架构

课程链、实践链与能力链“三链融合”，是指构建新的智慧交通课程与实践体系，利用工程、创新实践提高学生多种能力的互动机制。该人才培养综合实践体系通过每一学期循序渐进方式实现，具体实现方式如下：

首先将课程体系前移，第1学期完成自然科学、信息与交通专业公共基础课程，培养学生人文素质、理工基础、自学能力；第2学期完成3个方向信息基础与核心课的选修或自修，同时将校内基地实训贯穿于该学期；第3学期自修3个方向交通应用课程，同时参与校外企业实践，利用高校与企业双方共赢方式保证其长效稳定运行。在第2、3学期实现学生动手与工程能力培养；第4、5学期利用“三大实践创新平台”，通过项目研究实现学生创新能力培养，即Sternberg实践理论中“塑造环境的能力”培养[14]。

上述“三链融合”交通复合型人才培养综合体系具有动态性、层次性和深度融合性，课程链、实践链既规范又时常动态更新，保证其“血液新鲜”；能力链实现从自学能力、动手能力、工程应用能力到最高层创新能力的分层递进[15]；“三链”中的底、中、高各层之间相互对应并匹配。

4 结 语

通过多年努力，该人才培养教学实践体系获得显著成效：① 以三大创新实践平台为支撑，学院获得“重庆市公共交通运营大数据工程技术研究中心”授牌，并拥有“大型结构安全寿命监测技术”市级科研创新团队。② 平台带头人主持了“大数据环境下城市路网交通多模式拥堵预测及容错控制研究”等国家自然科学基金项目、交通部西部建设和省部级项目17余项。获国家科技进步二等奖1项，省部级科研成果奖8项。“以能力为驱动的地方高校计算机类专业人才培养模式创新与实践”获得省部级教学成果二等奖。③计算机学科培养了获国家级奖学金的优秀研究生8人次，在“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品中获重庆赛区特等奖，立项国家级大学生创新创业训练计划项目5项。