交通工程专业人才培养模式研究

交通工程专业人才培养模式研究^[1]

程　琳^[2]　王　炜　过秀成

（东南大学交通学院　江苏　南京　210096）

摘　要　交通工程专业与土木工程系列的其他专业相比，发展历史比较短，理论体系还不成熟，学生在专业基础课学习阶段所形成的基础知识与能力相对薄弱。随着我国社会经济结构的调整，交通工程专业的人才培养直接面向我国社会经济发展的需要，应遵循质量、效益协调发展的方针。要保证学生培养质量，必须建立交通工程专业理论体系，在学科建设的平台上，优化学生的知识结构；要提高效益，必须以社会需求为基础，以教学内容和质量为保障，培养科学与工程并举的复合型人才。

关键词　课程体系；交通工程；交通科学；交通流；交通网络流

中图分类号　G642.0　　　　　　　　　　文献标识码　A

目前我国近100所大学设有交通工程专业，50多所大学培养交通工程专业研究生。虽然交通运输工程是一级学科，但是下属的4个二级学科却呈不平衡发展态势。道路与桥梁等领域的研究水平已进入国际行列，交通信息、交通规划和管理却落后不少。具体表现为交通流、网络流的基础研究工作跟踪较多、创新不足，还没有形成有影响的团队。高校在交通工程人才培养模式上与国际水平还有一定差距，教学内容基本沿袭了西方国家20世纪80年代以前的内容，人才队伍的培养与我国交通运输事业的快速发展极不相称。我国大学培养的交通工程专业人才缺乏数学、物理学、微观经济学、管理学方面的知识，消化与吸收国外研究成果的速度比较慢，还没有形成多学科的交叉、渗透、互补发展的格局，缺乏主动适应社会发展的意识。

一、当代交通科学发展的特点

交通现象是交通需求在有限时间与空间上聚集的结果，涉及人、车、路三者之间的相互关系。交通现象的形成过程极其复杂，其中蕴涵着大量的基础科学问题，必须综合运用行为科学、力学、统计学和信息科学知识，用数学模型刻画人的出行决策、车辆跟驰和交通网络流分布，揭示城市交通流的自组织演变规律和交通拥堵的形成机理。在此基础上，通过交通工程学、运筹学、网络理论、系统工程及控制理论等多学科的交叉与融合，研究城市交通需求与供给的平衡机制和控制技术，为正确诱导和管理交通流、优化交通系统资源配置、科学规划交通网络奠定理论基础。

交通科学研究主要涵盖道路交通流与交通网络流两个方面。从研究范围来看，前者偏“局部”，揭示速度、密度和流量三个参数之间的瞬态和稳态关系，再现各种局部交通拥堵现象的发生和发展过程；后者偏“整体”，研究出行者在各种环境和政策下，如何决定出发时间和路径，如何选择交通工具，最后导致怎样的路段流量分布，将巨大数量的个人决策结果转化为宏观网络聚集现象。由此可以看出，道路交通流与交通网络流是相互依存的，道路交通流反映了交通流在特定道路上的特性，网络流反映了交通流在交通网络上的特性。它们相互补充，并在一定程度上相互转化。

现代交通科学是研究拥挤以及因拥挤产生的相关问题的科学。具体地讲，就是采用自然科学的方法来理解交通行为，观察交通现象，并进行统计分析、提取规律性的科学，从而解决出现的交通问题。在美国，有一个利用交通科学解决实际问题的实例。1990年，纽约准备新建一条通往新泽西的隧道，但经过模拟分析发现，只要适当调整交通控制和管理措施，通行能力可以增加20％，能够满足当时的需求，从而避免了交通投资的盲目性。在我国，为了缓解城市交通拥堵，国家每年投入数千亿元资金进行大规模的城市交通设施建设，但城市交通拥堵问题并没有得到明显缓解；相反，伴随着私家汽车的快速增长，城市道路交通拥堵现象日趋严重。究其原因，是我们对人的交通行为缺乏正确的认识，对交通流和交通网络流的形成机理缺乏深入的研究。

2004年7月，我国中长期科技发展规划的交通专家组提出建议，将“发展一个体系，解决三大热点问题”作为交通科技发展战略任务，即发展现代综合交通体系，解决交通能耗与污染、交通安全、大城市交通拥堵三大热点问题。这正是当今交通工作者迫切需要解决的问题。我国交通工程专业人才培养能否适应社会发展的需要，面临一系列新的挑战和机遇。

二、交通科学的理论体系

交通工程学作为一门学科，最早在1930年由美国交通工程师协会成立时提出。交通工程学是为交通工程实践提供理论指导的一门学科，主要服务于交通规划和交通管理，并随着机动车交通问题的日益突出和与其他学科的交叉，派生出交通环境科学、交通模拟技术、交通安全技术和智能交通系统等研究课题。交通工程学的基础理论主要研究交通移动体局部运动特性和整体分布规律，包括道路交通流理论和交通网络理论，道路通行能力是交通流理论在交通工程设计中的一个重要延伸。如图1所示。

图1　交通科学理论体系

道路交通流的特性揭示速度、密度和流量三个参数之间的瞬态和稳态关系，再现各种交通拥堵现象的发生和发展过程。其理论体系如图2所示。

图2　道路交通流理论体系

跟驰理论假定驾驶员只对前方车辆的变化作出反应，模拟道路上前、后车跟随的单车运动规律，主要参数是本车速度、与前车的距离和两车的速度差。元胞自动机交通流模型是Wolfram于1983年提出，Nagel和Schreckenberg极大地改进了这个模型，提出了著名的NS模型。把交通流视为大量车辆构成的可压缩连续流体介质，研究许多车辆的集体行为，称为LWR理论。这一理论建立了密度和流量之间的连续方程，可以捕捉交通流激波形成和阻塞疏导等特性。此外，还有基于概率描述的气动模型和基于排队论的排队模型，但是由于未知参数太多，模型使用起来过于复杂，发展相对较慢。

城市交通网络是由结点和路段组成的复杂、开放、自适应的系统，特定道路上的交通流具有自己的局部特征，而整个网络的特性却不等于所有局部特性的简单和。比如，从出发地到目的地的某条路径拥挤，并不需要该路径所包含的所有路段都拥挤。当把交通流研究扩展到网络空间时，交通网络流的研究更多地涉及人的决策行为。因为用户的交通行为受信息、价值标准、个体特征等因素的综合影响，所以，在网络空间上表现交通流特征时，交通网络流的理论的复杂性和挑战性不亚于传统的道路交通流理论。

根据用户对网络状态的认识水平的不同，交通网络流可以分为确定型用户均衡模型和随机型用户均衡模型。（确定型）用户均衡理论认为，出发地至目的地的交通需求（对应着OD矩阵的一个元素），按照等时间的原则选择出行路径。因为旅行费用是流向的升函数，所以网络用户不断调整路径选择策略，最终形成任何用户都无法单方面改变策略降低自己费用的状态，即同一OD对之间所有使用路径的旅行时间相等，并且不会高于没有使用路径的旅行时间。用户追求个人效用最大化达成（确定型）用户均衡状态。如果用户“听从中央组织者的协调指挥”来选择路径，那么可以使用户对交通网络的占用时间最小化，可以达成（确定型）系统最优状态。如果用户不完全了解交通网络的交通状况，那么选择短路径的用户会多一些，选择长路径的用户会少一些，用户不断调整路径选择策略最终达成随机型用户均衡模型。无论是确定型用户均衡模型还是随机型用户均衡模型，都具有明确的微观经济学背景。在用户均衡理论的基础上可以派生出许多具有理论价值和应用价值的模型，其理论体系如图3所示。

图3　交通网络流理论体系

三、交通科学是实验与理论并重的科学

交通工程学的实验性很强，道路系统规划和交通管理是交通工程学的实验对象和实验目标，说“城市道路和交叉口就是交通工程的实验室”也并不过分。美国联邦公路局的路段特性函数（BPR函数）就是实验交通工程学的结晶。在交通工程学创立的初期，实验是主要的，理论只是一些假设，用以解释实验的现象，处于较低的层次。然而，从当代交通工程学的诞生开始，交通科学就非常重视理论研究。从经典的交通流连续模型（1955年）、跟驰模型（1961年）到梯度高阶连续模型（2002年），无一不是理论成果的典范。

由于微观经济学和数学规划的兴起，交通科学的理论开始了在交通网络层次上的探索。Wardrop均衡理论第一次说明了人类交通选择行为的内在本质，均衡理论的最优化表述证明了复杂交通系统的可解析性。McFadden（2002年诺贝尔经济学奖获得者）的离散选择理论说明选择行为价值标准的多样性，把logit模型与交通网络结构相结合，得到著名的Dial算法，也称为多路径交通量分配。

自第二次世界大战结束以来，科学技术领域有两件事对交通科学产生了深刻的影响，一是计算机的出现，二是信息技术的发展。前者使我们能够用实验方法考察大规模的交通网络结构，模拟交通系统中多用户之间的博弈，为建立交通科学的理论提供了可靠的实验基础，弥补了理论方法的局限性。后者使我们认识到寻求缓解城市交通拥堵的新途径：从时间和空间上平滑交通需求，提高交通设施使用效率，从而产生了对移动体信息采集、动态交通需求预测等新的研究需求。

当代交通工程学在探索用户个体行为和群体特征的同时，交通工程的理论对实验开始起着重要的指导作用。交通科学正在进入实验与理论并重的阶段。一方面，交通流理论已经从运动方程模型发展到由动力学理论、流体力学理论、概率论、排队论模型组成的交通流理论体系；另一方面，交通网络流理论形成以路径选择行为基础的用户均衡理论。在交通工程的实践中，理论愈来愈显示其重要性。交通工程学教学摆脱了传统的描述性阐述的格局，将力学、经济学、运筹学紧密地结合起来。

四、对交通工程系列课程的认识

高校交通工程系列课程主要指交通系统工程、交通工程学、交通运输工程学、交通规划原理、道路交通系统规划和设计、交通管理与控制。自从交通工程专业在我国创立以来，绝大多数高校在课程名称上并无明显的变化。然而，还是有几门课程在内容上经历着深刻的变革，这个变革实质上是交通科学发展的反映。这个变革还在进行中，并没有完成，而且在教学上还不能完全适应交通科学发展的变革。

早期的交通规划原理主要介绍“四阶段方法”，把回归方法、重力模型、交通分担方式选择模型、增量分配模型糅合在一起，从而反映出行个体发生与吸引、分布、分担、分配的过程。虽然在交通量分配方法上有些Wardrop原则和多路径选择原理的介绍，但也仅限于一些原理上的认识。而我们讲授的增量分配方法是一种主观经验方法，并不反映用户均衡原理的实质。在学习交通工程学和交通规划原理之后，学生才学习运筹学，重点是线性规划、最短路径、最大流、最小费用最大流问题，基本上没有非线性规划的内容。这种安排的显著特点是，最优化方法是为了提高交通工程的科学“浓度”，对实践的指导性不强，这种安排反映交通工程专业创立时期的发展水平。20世纪末期，随着系统科学、数学、力学、经济学在交通学科里的交叉，课程内容发生了明显的变化，主要表现如下：

第一，交通规划原理的内容焕然一新。与国际上主流的目的地选择、方式选择、路径选择的方法体系的差距正在缩小。用户均衡理论为交通规划方法创造了经济学背景并提供了严密的数学规划手段。由此带来交通系统的变分不等式问题和不动点问题等，引入了交通网络分析、交通经济学和空间经济分析，变革的程度正在逐步深化。

第二，交通流理论力图在当代交通工程学基础上组织课程内容，改变了过去基本上是描述性的面貌。课程中加强了元胞自动机模型、速度梯度连续模型、多车道动力学模型等的讨论，加深了对交通流这种复杂社会活动规律的认识，应用了统计物理、流体力学、非线性动力学领域的概念与知识。

第三，为了适应当代交通科学的发展，反映学科的交叉和渗透，交通流理论和交通网络流理论中引入大量有关环境、安全、信息、控制等方面的内容，派生出交通环境科学、交通安全技术、智能交通系统、实验交通工程学等新兴知识。

第四，实验课程在继续加强学生解决问题能力的同时，更加注重综合分析能力的培养。计算机应用于实验，从数据调查、统计分析到交通现象的模拟，使交通工程的实验面貌发生了很大的变化。

以上这些变化可以得出这样一种结论。交通工程系列课程基本上包括交通流理论和交通网络流理论两大基础。交通流理论的目标是建立能够描述实际交通现象特征的交通流模型，加深人们对复杂多体系统平衡态和远离平衡态时演变规律的认识，指导对交通系统的管理和控制。当把交通流研究扩展到网络空间时，交通网络流更多地研究用户在网络空间上聚集的行为，用来指导交通规划、土地利用规划和交通管理措施的优化。这种认识基本上体现了当代交通科学的特点和现状。

五、改革课程体系

我国社会经济体制的改变和对外开放政策的实行，使我国高等教育思想发生了巨大变化。教育者应不断反思课程设置指导思想，强调基础理论教育，顺应人才市场的需求和科技发展的要求。新时期交通工程类专业的目标是，培养能从事交通土建工程规划、设计、施工、管理和研究工作的复合型高级工程技术人才。近年来，绝大多数高校将相近的专业合并，按照“厚基础、宽口径、多方向”共同构建课程体系，形成由公共基础课程、专业基础课程和专业方向课程组成的三级课程结构，共享公共基础课程和专业基础课程。

由于专业基础课的设置要适应“宽口径”的统一要求，工程力学和流体力学等课程进入专业基础课程的范围，大大改善了交通工程专业学生在数学、力学方面基础薄弱的局面，为未来的交通工程师掌握和运用交通流模型奠定了知识基础。

“宽口径”交通工程专业建设要求专业基础课可以面向一级学科设置，也可以跨二级学科设置。因此，专业基础课必须面向较宽的学科基础组织教学，以适应人才培养教育观念的转变。鉴于交通网络流理论在应用上主要服务于交通规划与管理，为了避免增设新的课程，建议在交通工程基础、交通规划原理等课程中分别加入确定型用户均衡模型和随机型用户均衡模型的内容，取代过时的经验式交通量分配方法。通过教学内容的重组与整合，处理好基础理论与工程应用、经典内容与时代交通科学发展之间的关系。

在课程设置上，交通管理与控制和交通网络分析等课程应进一步反映交通工程与数学、经济学、控制科学、管理科学之间的交叉，主动地吸收理论界的研究成果，积极地融入国际交通科学的发展之中。

【注释】

[1]本文原发表于《高教发展与评估》，2006年3月，第22卷第2期。

[2]程琳（1963—　），男，江苏泰州人，副教授，博士，主要从事交通规划与管理研究。