大數(shù)據(jù)時代下交通統(tǒng)計分析課程的教學(xué)改革

王雪松 楊筱菡

摘要：相較于飛速發(fā)展的信息化、大數(shù)據(jù)浪潮和要求日益提升的交通安全目標(biāo)，傳統(tǒng)的交通統(tǒng)計分析課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)形式都不能滿足日益增長的交通安全研究的需求。通過介紹統(tǒng)計分析方法在宏觀交通安全管理、道路設(shè)施安全影響因素判別和事故多發(fā)道路判別與改善等領(lǐng)域的具體應(yīng)用，說明交通統(tǒng)計分析課程內(nèi)容在新時代下的要求。在此基礎(chǔ)上介紹了此課程在主要教學(xué)內(nèi)容方面的完善，以及案例分析與理論相結(jié)合、多元化教學(xué)的教學(xué)方法方面的改革。

關(guān)鍵詞：交通工程;現(xiàn)代統(tǒng)計模型;機器學(xué)習(xí)方法;案例教學(xué)法;多元化教學(xué)

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）51-0082-03

一、課程改革背景

近年來，隨著信息化和大數(shù)據(jù)工程的飛速發(fā)展，全國每天使用道路交通設(shè)施、參與交通活動的人數(shù)以億計，其產(chǎn)生的交通數(shù)據(jù)更是以兆計。同時，隨著人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以智能網(wǎng)聯(lián)為代表的道路基礎(chǔ)設(shè)施信息化進(jìn)程也在不斷加快。多元且海量的交通數(shù)據(jù)使得交通安全研究面臨著前所未有的新任務(wù)。

另一方面，與發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)在交通安全基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)等方面研發(fā)不足，迫切需要梳理決定我國交通安全的影響因素，在道路實施設(shè)計、交通管理政策等方面建立完善的分析體系，因此對交通相關(guān)專業(yè)人才的專業(yè)素養(yǎng)要求也日益提高。而交通統(tǒng)計學(xué)的思維和方法已經(jīng)滲透到交通工程研究的每個環(huán)節(jié)，也成為高校培養(yǎng)交通工程相關(guān)專業(yè)人才不可或缺的內(nèi)容之一。

交通統(tǒng)計分析課程是交通工程專業(yè)的本科生必修的專業(yè)類課程之一，是一門交通數(shù)據(jù)分析理論和方法的介紹類課程，是一門既有復(fù)雜理論知識，又有豐富應(yīng)用技巧的交通專業(yè)基礎(chǔ)課程。在目前的教學(xué)模式下，教學(xué)與應(yīng)用仍然存在脫節(jié)現(xiàn)象，在進(jìn)行小課題研究、畢業(yè)設(shè)計處理數(shù)據(jù)時，有些學(xué)生誤用統(tǒng)計方法，使大量的信息和統(tǒng)計數(shù)據(jù)得不到有效的利用;有些學(xué)生又盲目使用計算機和統(tǒng)計軟件，不管是什么研究類型的數(shù)據(jù)都簡單地交給計算機處理，用計算機取代統(tǒng)計，勢必造成大量統(tǒng)計方法的濫用和誤用。

相較信息技術(shù)的飛速發(fā)展、大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)革命的浪潮和要求日益提升的交通工程目標(biāo)，傳統(tǒng)的交通統(tǒng)計分析課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)形式都不能完全達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。為了培養(yǎng)符合新時代要求、具有科學(xué)研究思維、能應(yīng)用統(tǒng)計方法指導(dǎo)交通安全研究的學(xué)科交叉性創(chuàng)新人才，必須不斷探索有效的教學(xué)方式方法，對交通統(tǒng)計學(xué)課程進(jìn)行改革和改進(jìn)。

二、課程改革需求分析

我國城市數(shù)量多，城市體量大、道路復(fù)雜，道路設(shè)計安全性考慮不足，城市范圍內(nèi)道路設(shè)施機非混行嚴(yán)重、事故頻發(fā)，需要系統(tǒng)研究宏觀交通安全管理、道路設(shè)施安全分析、事故多發(fā)道路判別與改善技術(shù)，建立我國道路交通安全分析方法體系。我們就從宏觀交通安全管理、道路設(shè)施安全影響因素判別和事故多發(fā)道路判別與改善等方面介紹新時代下交通統(tǒng)計分析的應(yīng)用需求。

1.宏觀交通安全管理。宏觀交通安全影響因素眾多，不同國家、城市社會發(fā)展?fàn)顩r與交通安全形勢也存在顯著差異，首先可以應(yīng)用描述性統(tǒng)計分析方法分析各國家與城市歷年交通事故特征。采用分布擬合優(yōu)度檢驗，對比不同國家不同城市間的事故分布規(guī)律差異，探究中國交通安全的發(fā)展水平，用以規(guī)劃、預(yù)測未來的發(fā)展趨勢。采用離散選擇模型建立事故數(shù)與安全影響因素的回歸模型，并采用敏感性分析研究模型顯著影響因素對于事故發(fā)生的影響程度。通過聚類方法，將事故顯著性影響因素進(jìn)行劃分，進(jìn)行類比和對比分析。歸納各國在事故影響因素方面的相似性和差異性。借鑒國外先進(jìn)的統(tǒng)計分析技術(shù)，通過模型遷移學(xué)習(xí)方法，形成我國國家及城市區(qū)域宏觀交通安全分析模型集。

2.道路設(shè)施安全影響因素判別。城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，交通流量大，道路設(shè)施機非混行嚴(yán)重、事故頻發(fā)，道路設(shè)計安全性考慮明顯不足，亟待對道路設(shè)施進(jìn)行分類，對同一類型的設(shè)施合理劃分研究單元，進(jìn)而建立安全分析模型剖析事故與道路設(shè)計、交通運行等因素的關(guān)聯(lián)，對事故發(fā)生機理進(jìn)行準(zhǔn)確解析。因此舉例來說，從安全分析單元劃分角度，將交通事故在空間上進(jìn)行集聚，針對城市主干路、信控交叉口、城郊主干路、高速公路四類典型道路，依據(jù)道路幾何設(shè)計、交通運行狀態(tài)、交通管控方式、事故分布形態(tài)等特征，采用分類的回歸模型將道路設(shè)施劃分為合理的安全分析單元。從安全分析模型構(gòu)建角度，例如針對事故小樣本數(shù)據(jù)，考慮事故時空相關(guān)性，采用負(fù)二項離散選擇模型構(gòu)建各類設(shè)施的安全性判別;考慮事故嚴(yán)重程度、碰撞形態(tài)的差異性及關(guān)聯(lián)性，采用多元分層混合效應(yīng)模型構(gòu)建事故嚴(yán)重程度判別模型。從影響因素評估及對比角度，基于各類設(shè)施安全分析模型，計算道路幾何設(shè)計、交通運行狀態(tài)、交通管控方式等影響因素對交通事故數(shù)量、嚴(yán)重程度、事故形態(tài)的影響，作為道路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)制訂、交通安全改善的依據(jù)。從以上三個方面構(gòu)建面向城市道路設(shè)施的安全評估方法體系，構(gòu)建不同類型道路設(shè)施安全分析模型，系統(tǒng)識別安全影響因素，形成復(fù)雜城市道路網(wǎng)絡(luò)設(shè)施安全分析技術(shù)。

3.事故多發(fā)道路判別與改善。交通事故的發(fā)生具有偶然性，是小概率事件，事故的發(fā)生受到人、車、路、環(huán)境等多方面因素的影響，以及事故屬性的多樣性的影響，在建立事故多發(fā)道路判別指標(biāo)體系和方法時，可以采用核密度估計、基于安全可提高空間的貝葉斯算法判別事故多發(fā)道路。采用包括事故數(shù)、死亡事故數(shù)等多樣化評價指標(biāo)，基于統(tǒng)計的一致性檢驗、排序差異性檢驗對判別結(jié)果進(jìn)行評價，構(gòu)建事故多發(fā)道路判別方法體系?；跉v史事故數(shù)據(jù)和現(xiàn)場調(diào)研，編制典型安全隱患清單，構(gòu)建城市道路安全改善措施知識庫，采用經(jīng)驗貝葉斯法、統(tǒng)計回歸模型法等測算改善措施的事故修正系數(shù)。在對事故指標(biāo)、事故代替指標(biāo)優(yōu)劣篩選基礎(chǔ)上，采用實驗組和對照組的對比檢驗方法，評測改善效果。

三、課程內(nèi)容改革

傳統(tǒng)的課程主要內(nèi)容涵蓋了描述性統(tǒng)計分析方法和統(tǒng)計軟件（SAS、SPSS），交通數(shù)據(jù)處理方法的基本原理和方法，多元線性回歸在交通工程中的應(yīng)用，分類變量的logit回歸模型和離散選擇模型介紹。

改革后的課程內(nèi)容主要體現(xiàn)在增加常用的現(xiàn)代統(tǒng)計學(xué)方法和機器學(xué)習(xí)簡介，統(tǒng)計軟件增加了常用的R語言和在交通領(lǐng)域常用的LIMDEP。從內(nèi)容結(jié)構(gòu)來看，可以分成四個板塊。

1.傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析方法。具體包括描述性統(tǒng)計分析方法，提供數(shù)據(jù)的初步整理、相關(guān)性分析、方差分析等;多元線性回歸，用來擬合山區(qū)高速公路組合線形幾何特征等;分類變量回歸模型，用來擬合不同事故類型模型等;離散選擇模型，應(yīng)用到不同道路上的事故數(shù)預(yù)測及影響因素判別等;非參數(shù)檢驗和評估方法，進(jìn)行統(tǒng)計模型的有效性和可靠性研究等。這部分內(nèi)容仍然是課程的主要內(nèi)容，也是將來能用相對復(fù)雜統(tǒng)計模型解決實際問題的理論基礎(chǔ)，因此要求學(xué)生必須掌握每個統(tǒng)計方法的思想和原理。

2.現(xiàn)代統(tǒng)計模型。具體包括混合效應(yīng)模型，分析不同道路類型下駕駛員跟車行為研究;條件自回歸模型，用于城市宏觀安全分析等;時間序列模型，擬合隨時間變化的事故數(shù)變化規(guī)律;貝葉斯估計方法完成復(fù)雜模型的參數(shù)估計。這部分內(nèi)容將弱化對原理及理論部分的要求，主要以案例分析的方式展開，了解如何使用這些統(tǒng)計模型進(jìn)行建模，掌握如何進(jìn)行模型結(jié)果的分析和模型的評估。

3.基于數(shù)據(jù)挖掘的機器學(xué)習(xí)方法。具體包括決策樹，進(jìn)行駕駛員疲勞等級分析與判定等;經(jīng)驗貝葉斯，用來進(jìn)行統(tǒng)計模型可遷移性提升;隨機森林，進(jìn)行城市快速路交通事件持續(xù)時間預(yù)測研究;聚類分析，影響交通安全的影響因素判別。這部分內(nèi)容主要以介紹為主，主要目的是讓學(xué)生適當(dāng)拓寬學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度和廣度，跟上信息化新時代下交通領(lǐng)域研究發(fā)展的步伐。

4.統(tǒng)計軟件的應(yīng)用。具體包括SAS，R，LIMDEP，這幾類軟件都含有非常豐富的常用統(tǒng)計模型及機器學(xué)習(xí)模型，為實現(xiàn)各類統(tǒng)計模型的估計和檢驗提供操作基礎(chǔ)。

四、課程方法的改革

1.以案例分析為切入點的理論與應(yīng)用相結(jié)合。一個高素質(zhì)高質(zhì)量的交通專業(yè)人才，應(yīng)該具備科學(xué)的統(tǒng)計思維方式，掌握常用的交通統(tǒng)計學(xué)方法的原理，并會利用統(tǒng)計軟件解決實際交通具體問題。而事實上，非統(tǒng)計專業(yè)的本科生在學(xué)習(xí)統(tǒng)計方法類課程時都普遍認(rèn)為太難太枯燥，聽不懂，學(xué)不會，實踐應(yīng)用更困難。相比很多更“專”的專業(yè)課而言，這是一門數(shù)學(xué)課，是一門副課，久而久之就失去了學(xué)習(xí)的動力，將學(xué)習(xí)止于考試，因此教學(xué)模式的改革勢在必行。

由于筆者在多年的科研中積累了很豐富的統(tǒng)計方法解決實際問題的鮮活案例，結(jié)合多年的教學(xué)心得和經(jīng)驗，經(jīng)過加工，將這些案例搬進(jìn)課堂，通過計算機演示軟件的實現(xiàn)過程，并對模型輸出結(jié)果進(jìn)行解釋、分析和評價。這一過程使課堂教學(xué)擺脫大量的煩瑣演算的束縛，大幅度增加在寶貴的課堂時間內(nèi)講授的信息量，同時也讓學(xué)生做到“所見即所學(xué)、所學(xué)即所用”。為了減少學(xué)生對統(tǒng)計方法的誤用和濫用，一些基本的統(tǒng)計原理介紹還是必不可少的。因此在綜合幾個案例分析后，總結(jié)歸納其中的一些重要基本統(tǒng)計理論概念，例如在多次進(jìn)行了多元線性回歸分析建模后，可以對t檢驗、方差分析、均方誤差等概念介紹其統(tǒng)計思想和基本原理。在完成用Logistic回歸和Probit回歸建模后，可以介紹Wald統(tǒng)計量、ROC、OR等評價指標(biāo)的作用。在完成離散選擇模型建模后，可以通過引入聯(lián)結(jié)函數(shù)的定義，將以上三類統(tǒng)計模型統(tǒng)一到廣義線性回歸建模范疇，拓展了學(xué)生思路的同時也理清了不同模型間的關(guān)系、差異和適用條件。通過這些類似“翻轉(zhuǎn)”的教學(xué)模式，實現(xiàn)以案例分析為切入點的理論與應(yīng)用相結(jié)合的特點，并且大大降低了交通統(tǒng)計學(xué)的教學(xué)難度，也使得交通統(tǒng)計學(xué)的理論體系更加迷人。

2.多元化教學(xué)方法。改革后的教學(xué)內(nèi)容較之前，從數(shù)量上來看，有成倍的增加，如何在不變的學(xué)時內(nèi)完成更多的授課內(nèi)容是教學(xué)方法改革的另一重點。因此，應(yīng)該更高效地利用課堂時間，充分利用信息化手段，利用好課堂外的時間，將內(nèi)容碎片化，將學(xué)習(xí)碎片化。

充分利用有限的課堂時間，以案例分析為切入點的理論與應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)方式，壓縮部分傳統(tǒng)統(tǒng)計模型的講授時間，減少無必要的詳細(xì)手工計算，減少復(fù)雜的公式推導(dǎo)，減少部分淺顯內(nèi)容（例如描述性統(tǒng)計），改為自學(xué)或以實際數(shù)據(jù)分析小報告的形式完成。針對不同的案例，統(tǒng)計學(xué)方法有不同的處理方法，每種方法又有相應(yīng)的應(yīng)用條件，因此為了防止誤用和濫用，教學(xué)側(cè)重模型適用范圍、使用要求和模型結(jié)果判別分析等方面，這樣不僅能大大降低交通統(tǒng)計學(xué)的難度，而且也節(jié)約了教學(xué)時間。

其次，將學(xué)生按4—5名為單位分組，每組配備有一個研究生擔(dān)任助教。教師確定幾個典型交通案例，并提供相關(guān)脫敏后的原始數(shù)據(jù)集，課前讓學(xué)生以小組形式嘗試分析這幾個案例，提出解決案例的思路，選用相應(yīng)的統(tǒng)計方法，解決案例問題。最后每個小組都將解決案例的過程通過課堂報告的形式展示，整個過程大概需要占用2次課堂時間，在此過程中，針對同一個案例，學(xué)生們之間可以分享到不同的解決思路并有所共鳴，從而對統(tǒng)計學(xué)方法有更深刻的切身體會。

針對有一定統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)且興趣濃厚的同學(xué)，可以布置一些較為復(fù)雜的統(tǒng)計案例課題并鼓勵推薦參加已開設(shè)的“交通安全分析與數(shù)據(jù)挖掘”系列講座。

交通統(tǒng)計分析課程改革的目的是通過學(xué)習(xí)本課程，讓新時代下的交通專業(yè)人才與時俱進(jìn)，對交通數(shù)據(jù)的采集和分析統(tǒng)計技術(shù)有較全面的了解，使之能更有效地服務(wù)于交通專業(yè)人才專業(yè)素養(yǎng)的提升。

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