夏利紅，楊智宇，王旭東

（1.重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶400067；2.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，重慶401122）

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是汽車與信息技術(shù)兩大產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新融合的代表，是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革背景下的新生事物，也是國際公認(rèn)的未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。智能網(wǎng)聯(lián)汽車功能定義復(fù)雜，行為環(huán)境多樣，涉及乘客、駕駛員、車輛、交通、基礎(chǔ)設(shè)施等多個交互維度。由于交通事故的小概率特征，驗證智能網(wǎng)聯(lián)汽車比人類駕駛更安全需要至少110億mile（1 mile≈1.6 km）的公開道路測試[1]。傳統(tǒng)道路測試和場地測試已無法滿足其測試驗證需求，需要結(jié)合虛擬仿真測試技術(shù)。虛擬仿真測試由于其測試場景可定制、測試數(shù)據(jù)全息、測試效率高，已成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試驗證的核心手段。企業(yè)急需具備智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真技術(shù)背景的專業(yè)人才。然而目前本科或大專院校培養(yǎng)的車輛工程專業(yè)人才普遍缺乏系統(tǒng)性的智能網(wǎng)聯(lián)汽車知識儲備。同時還存在實踐能力不強(qiáng)、實踐知識運(yùn)用不嫻熟、實踐意識不夠等問題，進(jìn)入企業(yè)后需要較長時間的再培養(yǎng)、再教育才能勝任智能網(wǎng)聯(lián)汽車的相關(guān)工作，究其根源主要在于實踐課程體系不完善。

2017年教育部頒發(fā)的《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》強(qiáng)調(diào)了工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系，旨在提高高校人才培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。研究表明，充分利用虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，可以彌補(bǔ)許多真實實驗項目受場地、成本、安全等因素制約的缺陷，解決目前學(xué)生工程實踐能力缺乏和創(chuàng)新意識淡薄的核心問題，緩解教學(xué)內(nèi)涵相對于產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平滯后的現(xiàn)狀，對于探索專業(yè)教學(xué)新模式、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重要而深遠(yuǎn)的意義[2-5]。

本文對比分析了智能網(wǎng)聯(lián)汽車方向的人才需求和現(xiàn)有高校車輛工程的實訓(xùn)課程體系，提出了一種智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真實訓(xùn)平臺架構(gòu)，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車背景下的車輛工程專業(yè)的實踐教學(xué)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供一種新的模式和理念。

1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真實訓(xùn)平臺的架構(gòu)設(shè)計

目前車輛工程專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)實踐平臺主要是針對傳統(tǒng)車輛工程專業(yè)的理論與實踐教學(xué)，如圖1所示，主要包括汽車構(gòu)造原理及拆裝虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、汽車性能虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、汽車電子和測試技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、新能源汽車虛擬仿真實驗教學(xué)平臺等[5]。上述虛擬仿真實驗平臺可以有效地提高車輛工程專業(yè)關(guān)于車輛結(jié)構(gòu)、原理、設(shè)計、性能測試與制造等相關(guān)理論知識和實踐能力的培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)效果，但不能滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車專業(yè)的理論和實踐教學(xué)要求。

圖1 傳統(tǒng)車輛工程專業(yè)的虛擬仿真實驗平臺

2020-11-11由清華大學(xué)李克強(qiáng)教授發(fā)布的《智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)路線圖2.0》[6]提出了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的新“三橫兩縱”技術(shù)架構(gòu)，如圖2所示，“三橫”指車輛關(guān)鍵技術(shù)、信息交互關(guān)鍵技術(shù)與基礎(chǔ)支撐關(guān)鍵技術(shù)，“兩縱”則指支撐智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的車載平臺與基礎(chǔ)設(shè)施。其中車輛關(guān)鍵技術(shù)包括環(huán)境感知、智能決策、控制執(zhí)行以及系統(tǒng)設(shè)計等技術(shù)。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車的大背景下，車輛工程專業(yè)的學(xué)生應(yīng)該掌握環(huán)境感知、智能決策、控制執(zhí)行以及系統(tǒng)設(shè)計等相關(guān)理論知識和實踐能力。然而，現(xiàn)有傳統(tǒng)車輛工程專業(yè)的虛擬仿真實驗平臺無法滿足對環(huán)境感知、智能決策、控制執(zhí)行以及系統(tǒng)設(shè)計等智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)理論教學(xué)和實踐培訓(xùn)的需求。因此，非常有必要在傳統(tǒng)車輛工程專業(yè)虛擬仿真實訓(xùn)平臺的基礎(chǔ)上，增加智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真模塊。

圖2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車的“三橫兩縱”技術(shù)架構(gòu)[6]

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的“環(huán)境感知、智能決策、控制執(zhí)行以及系統(tǒng)設(shè)計”等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與測評過程中需要系統(tǒng)動力學(xué)軟件、場景建模軟件、傳感器建模軟件以及控制器建模軟件等多個專業(yè)軟件來支撐。如CarSim、CarMaker、VTD、PreScan、VISSIM、SUMO、Matlab/Simulink等。對學(xué)生開展上述軟件的教學(xué)和培訓(xùn)需要非常高的時間和金錢成本。建立合理的智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬實訓(xùn)平臺可以讓學(xué)生不受時間和空間的限制自主完成智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的學(xué)習(xí)和虛擬仿真實訓(xùn)任務(wù)，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，同時有利于開展線上線下混合式教學(xué)以及“問題和項目為導(dǎo)向”的“探究式”教學(xué)等先進(jìn)教學(xué)方法。如圖3所示，該智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真實訓(xùn)平臺支持智能網(wǎng)聯(lián)汽車多個相關(guān)理論和實訓(xùn)課程的教學(xué)。

圖3 智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真實訓(xùn)平臺支撐的理論和實訓(xùn)課程

依托虛擬仿真軟件、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真教學(xué)平臺，其架構(gòu)設(shè)計如圖4所示?；谠撈脚_，將智能網(wǎng)聯(lián)汽車的“環(huán)境感知、智能決策、控制執(zhí)行”等算法開發(fā)和虛擬仿真測試驗證的相關(guān)理論知識、方法和工程經(jīng)驗有機(jī)地融合到智能網(wǎng)聯(lián)汽車的“教”與“學(xué)”環(huán)節(jié)。教師在教師操作端上傳自動駕駛虛擬仿真實訓(xùn)的任務(wù)，發(fā)布需要仿真的自動駕駛系統(tǒng)的功能、本次仿真實訓(xùn)的目標(biāo)以及評分標(biāo)準(zhǔn)，同時根據(jù)教學(xué)任務(wù)在相應(yīng)功能模塊進(jìn)行實訓(xùn)演示，最后通過教師操作端查閱學(xué)生實訓(xùn)的結(jié)果數(shù)據(jù)，并進(jìn)行評價。學(xué)生在學(xué)生操作端認(rèn)領(lǐng)虛擬仿真實訓(xùn)任務(wù)，進(jìn)入相應(yīng)的仿真模塊進(jìn)行實訓(xùn)操作，并保存和上傳實訓(xùn)的結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖4 智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真實踐教學(xué)平臺架構(gòu)

2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真實訓(xùn)平臺的教學(xué)方法探索

智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)的理論知識難度較大，如果采用傳統(tǒng)單一的“教師教，學(xué)生學(xué)”方式，學(xué)生很容易產(chǎn)生畏難情緒。因此利用該智能網(wǎng)聯(lián)虛擬仿真平臺，采用“線上-線下”相結(jié)合以及“理論-實踐”相結(jié)合的混合式教學(xué)。通過案例教學(xué)、任務(wù)教學(xué)以探究式教學(xué)等多種方式開展“教、學(xué)、做”理實一體化教學(xué)模式，將以學(xué)生為中心的教學(xué)方式落到實處，培養(yǎng)科研興趣，夯實知識基礎(chǔ)，提高創(chuàng)新能力?；谥悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真實訓(xùn)平臺的教學(xué)過程可規(guī)劃為線上線下理論教學(xué)、單一浸入式實訓(xùn)和小組團(tuán)隊項目式實訓(xùn)三個環(huán)節(jié)。

線上線下理論教學(xué)：線下理論教學(xué)過程中遇到抽象難懂的理論模型或數(shù)學(xué)公式，通過線上建立模型，并以仿真動畫的方式給學(xué)生深入講解理論模型背后的含義，加深學(xué)生對理論知識的理解和掌握。

單一浸入式實訓(xùn)：分別對“駕駛場景”“視覺傳感器”“毫米波雷達(dá)”“激光雷達(dá)”“車輛識別”“行人識別”“道路識別”“交通標(biāo)志識別”“交通信號燈識別”“導(dǎo)航定位”“車輛運(yùn)動控制”等知識點(diǎn)進(jìn)行浸入式的仿真實踐訓(xùn)練。

小組團(tuán)隊項目式實訓(xùn)：分別針對“前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)”“車道保持輔助系統(tǒng)”“自動制動輔助系統(tǒng)”“自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)”以及“路徑跟蹤系統(tǒng)”等項目進(jìn)行小組團(tuán)隊仿真實訓(xùn)，以小組為單位確認(rèn)工作任務(wù)和實施方案，確認(rèn)小組成員分工，最后進(jìn)行整體項目實 踐的考核。

3 結(jié)語

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是汽車與信息技術(shù)兩大產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新融合的代表，是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革背景下的新生事物。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展對車輛工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)提出了新的要求。由于現(xiàn)有車輛工程專業(yè)的實踐課程體系不完善，導(dǎo)致目前本科或大專院校培養(yǎng)的車輛工程專業(yè)人才普遍缺乏系統(tǒng)性的智能網(wǎng)聯(lián)知識儲備和實踐能力。建立智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真實訓(xùn)平臺，結(jié)合線上線下混合式教學(xué)、“浸入式”以及“探究式”等先進(jìn)的教學(xué)方法，開展“教、學(xué)、做”理實一體化教學(xué)模式，把以學(xué)生為中心的教學(xué)方式落到實處，培養(yǎng)科研興趣，夯實知識基礎(chǔ)，提高學(xué)生在智能網(wǎng)聯(lián)汽車專業(yè)的創(chuàng)新能力，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車背景下的車輛工程專業(yè)的實踐教學(xué)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供一種新的模式和理念。