基于地理信息系统的《交通规划》课程虚拟教学实验设计与实践

辛飞飞 林航飞 吴娇蓉 王晓博

摘要：基于地理信息系统平台，开发城市《交通规划》课程虚拟教学实验系统。根据课程需求，充分利用虚拟实验系统对于交通数据的分析和展示能力，设计“城市道路交通运行评价实验”、“交通产生和吸引量分析实验”、“车辆行驶特征分析实验”等三个实验项目，并进行了教学实践。结果表明，该实验项目有助于提高学生通过数据发现交通问题和分析问题的能力，同时激发了学生的学习兴趣和创造力。

关键词：地理信息系统；交通规划；虚拟实验

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）06-0138-04

一、研究背景

由于交通规划学科面临的问题复杂多变，要求学生具有宽广的知识面和清晰的思路，对于学生灵活处理问题和分析问题的能力具有很大的挑战。在教学过程中，不仅要引导学生学习理论知识，更要着重培养学生的实践能力和独立思考的能力。由于城市交通系统具有“不可复制性”，因此为了让交通规划专业的学生更加“简便和直观”地模拟和分析课程学习中的常见问题，引入虚拟仿真实验教学就显得非常必要。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术[1-3]，构建城市交通虚拟实验环境和实验对象，学生能够在虚拟环境中开展实验，达到教学目标。

交通规划虚拟教学实验项目是按照交通工程专业课程教学大纲的要求开设，围绕现有典型交通数据资源的处理和分析进行设计，使学生充分利用高度图形化、形象化、综合性的虚拟实验教学环境，培养自己分析问题和解决问题的技能，提高自身知识体系的完整性，进而激发创新能力。

二、实验内容总体设计

为了使学生更好地掌握交通规划的基本理论、方法，以及交通规划在实际工作中的应用和必要的软件操作技能，我们通过虚拟实验形式，改革传统的实验教学方法和手段，加强自主实验和自主分析的训练，发挥学生的个性特长，使学生能在知识、能力、综合素质各方面得到协调发展。通过实验过程，让学生充分认识交通数据的内容以及分析数据的方法，进而对交通专业理论知识有更为深刻的理解。

具体而言，城市交通规划虚拟实验共设计了以下3个项目。

1.城市道路交通运行评价实验。要求学生以出租车GPS数据为依据，通过对数据进行清洗和集成，计算道路路段的行程车速等基本指标，以及交通指数等复合指标，分析不同区域和不同等级道路的交通运行状况。该实验项目的目标是使学生熟悉数据基本处理和操作方法，掌握道路运行特征指标的计算方式，以及城市道路运行现状分析评价方法。

2.交通产生量和吸引量分析实验。要求学生基于车辆行驶路径数据，计算城市不同区域、不同时段的交通产生量和吸引量，并分析其变化规律，计算各区域之间的交通出行分布，制作OD表并绘制期望线图。该实验项目能使学生掌握交通产生与吸引的概念，分析出行生成的影响因素，领会交通分布的内涵，计算分布交通量，掌握其基本分析手段。

3.车辆行驶特征分析实验。要求学生基于不同车辆的行驶轨迹数据，分析车辆行驶特征方面的差异性，包括行驶范围、行驶距离、行程车速等方面，通过车辆行驶特征进一步分析出行行为的差异性。该实验项目的目标是提高学生分析交通现象的能力，研究交通出行行为的规律和个体之间的差异性。

三、实验教学手段

实验项目基于地理信息系统，纳入上海市道路交通网络图形及属性数据，以及车辆GPS动态数据等，开发了城市交通虚拟实验教学平台。实验项目以2—3人小组为单位，采取多样化的形式组织实验教学，使学生由浅入深、由简单到综合，逐步認识、理解和掌握交通规划的方法与技能。实验前统一讲授实验理论，实验中针对实验项目的特点采用不同的处理方式，具体问题具体分析、对待，实验结束后进行总结讨论。

1.城市道路交通运行评价实验。要求学生在虚拟实验系统中，通过不同颜色，将路段车速绘制在电子地图上，反映交通运行状况的变化。在系统中首先应确定加载基础数据，然后通过点击“路况展示”→“时间段”，弹出时间选择框，如图1所示。

单击时间段前面的复选框，地图上将显示出交通路况颜色，将鼠标移动到单个路段上，双击鼠标左键，可弹出路段详细信息，如图2所示。

地图上显示出该路段的矢量方向，道路信息中的正向速度即为矢量方向。“显示路况”按钮可以控制路况的显示与关闭。在系统中获取路况信息后，可分析不同区域、不同等级道路、不同时间段的差异性，理解城市交通状况的时空变化特征。

2.交通产生和吸引量分析实验。产生量吸引量是针对单个小区的分析，首先加载需要分析的基础数据，然后绘制需要分析的小区，最后选择要分析的小区。完成上述准备后，点击“产生量/吸引量”→“开始分析”，分析结果将自动弹出，如图3所示。

双击左侧列表中总体结果，在右侧列表中将显示每辆车的详细结果，如图4所示，包含车辆编号、GPS点数量、是否产生量、是否吸引量。勾选车辆ID前的复选框，可以在地图上看到车辆轨迹，可通过“轨迹回放”按钮观察轨迹回放情况。

点击“导出结果”，可将分析结果全部导出，便于学生在线下分析城市不同区域的交通需求变化特征。

3.车辆行驶特征分析实验。完成GPS数据加载后，可点击“查看GPS”按钮，查看加载时间段内的所有车辆信息，并弹出车辆列表，如图5所示。

车辆列表框中显示的是车辆编号，双击其中一个编号，在主界面的“数据展示区”中，可以看到该车轨迹的GPS点列，如图6所示。车辆轨迹可以帮助学生分析驾驶员的出行行为特征，包括活动范围、行驶偏好等。

四、实验效果

本虚拟实验项目已开设2个学期，参与实验的学生总计超过500人次，提交高质量实验报告200余份，对城市交通的需求和运行特征进行了深入分析，并发现了许多在传统课堂教学中难以覆盖的具体问题。交通规划虚拟实验与传统的实验手段相比，具有新颖性，能引发学生的兴趣和注意力，能提高学生学习的主动性和积极性。在能力培养方面，虚拟实验教学对学生的思维能力、推理分析能力和综合应用能力等方面的培养效果比较理想。总体而言，实验教学质量得到了显著提升。

参考文献：

[1]刘亚丰.虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索[J].实验技术与管理，2016，33（4）：108-110.

[2]郑付联.虚拟实验教学的设计与实现[D].华东师范大学，2008.

[3]牛学真.开放式虚拟实验教学平台集成技术研究[D].北京邮电大学，2014.