依托機(jī)器人比賽平臺(tái)指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究與實(shí)踐

方 峻，王曉斌，張 翔

（1.電子科技大學(xué) 信息與軟件工程學(xué)院，四川 成都 610054；2.電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610054；3.電子科技大學(xué) 成都學(xué)院，四川 成都 611731）

傳統(tǒng)的大學(xué)本科教育體系以教師講授為核心地位，以課堂學(xué)習(xí)為主要方式，注重傳授專業(yè)知識(shí)和解題技能。在這種教育方式下，學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)比較扎實(shí)，知識(shí)結(jié)構(gòu)較為全面系統(tǒng)，但是，這種方式使得學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力、技術(shù)創(chuàng)新能力沒(méi)有得到足夠的訓(xùn)練。對(duì)于工科院校或工程專業(yè)的畢業(yè)生，在實(shí)踐中綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力尤為重要［1］。在目前的本科生培養(yǎng)體系中，畢業(yè)設(shè)計(jì)是為數(shù)不多的能讓學(xué)生接觸實(shí)際問(wèn)題、培養(yǎng)動(dòng)手能力、強(qiáng)化工程訓(xùn)練和激發(fā)創(chuàng)新思想的重要環(huán)節(jié)。如何增強(qiáng)畢業(yè)設(shè)計(jì)的培養(yǎng)質(zhì)量，提升畢業(yè)生綜合素質(zhì)，把好本科生“總裝出廠”最后一關(guān)，是教學(xué)研究中非常重要的問(wèn)題。

作者在最近指導(dǎo)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程中，對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的教學(xué)思想進(jìn)行了改革創(chuàng)新。具體思路是：依托機(jī)器人仿真足球比賽設(shè)計(jì)論文題目，從中抽取關(guān)鍵技術(shù)作為研究目標(biāo)，圍繞重要的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生大膽申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，積極撰寫(xiě)學(xué)術(shù)論文。在這個(gè)過(guò)程中，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和獨(dú)立研究問(wèn)題的能力，重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生分析和解決問(wèn)題的思路和技巧，增強(qiáng)相互協(xié)作的團(tuán)隊(duì)意識(shí)，強(qiáng)化創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

1 以機(jī)器人仿真足球比賽題目為依托，注重訓(xùn)練平臺(tái)建設(shè)

選題的優(yōu)劣決定了畢業(yè)設(shè)計(jì)的訓(xùn)練質(zhì)量和綜合論文的水平高低。在選題中注重先進(jìn)性、實(shí)用性、可執(zhí)行性的三原則。先進(jìn)性是指被研究的算法、模型、平臺(tái)等，或者在理論上是前沿的、新穎的，能對(duì)現(xiàn)有科學(xué)問(wèn)題的理論方法進(jìn)行改進(jìn)或重構(gòu)，或者在工程上是空缺的、關(guān)鍵的，具有技術(shù)上填補(bǔ)、完善或上升的空間。實(shí)用性是指題目具有項(xiàng)目背景，來(lái)源于工程實(shí)踐，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。可執(zhí)行性是指任務(wù)目標(biāo)的制定要考慮學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)結(jié)構(gòu)和專業(yè)特點(diǎn)，因人制宜，題目難度適當(dāng)，工作量適中，具有在規(guī)定的畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)完成的可能。

選題背景源自機(jī)器人世界杯足球錦標(biāo)賽Robo－Cup。RoboCup比賽包括仿真組和機(jī)器人組，我們重點(diǎn)關(guān)注仿真組比賽的軟件平臺(tái)Soccer Server。該平臺(tái)具有標(biāo)準(zhǔn)性、開(kāi)放性和可評(píng)價(jià)性的特點(diǎn)，能夠讓由不同語(yǔ)言編寫(xiě)的自主球員程序進(jìn)行比賽。它采用客戶端/服務(wù)器（Client/Server）結(jié)構(gòu)。服務(wù)器端為比賽平臺(tái)，而客戶端為球員程序［2］。

之所以選擇Soccer Server作為依托平臺(tái)，在于作為目前機(jī)器人仿真領(lǐng)域世界最高水平的賽事之一，機(jī)器人球員智能體技術(shù)還很不完善，有大量的科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。依托這個(gè)平臺(tái)，可以開(kāi)展多個(gè)學(xué)科的交叉研究，如多智能體系統(tǒng)、分布式人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器人學(xué)等［3］。該平臺(tái)研究面寬廣，可從不同層次提取研究點(diǎn)，既有理論研究?jī)r(jià)值，又有工程應(yīng)用價(jià)值，體現(xiàn)了選題的先進(jìn)性。其次，通過(guò)這些問(wèn)題和技術(shù)的解決，能夠確實(shí)提高機(jī)器人比賽水平，增加比賽勝率，支持了選題的實(shí)用性。再次，本著“依托大平臺(tái)，放寬選題面，做精小題目”的原則，精心挑選可研究的問(wèn)題，找準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)和突破點(diǎn)，做好工作計(jì)劃，保證選題的可執(zhí)行性。

2 以關(guān)鍵技術(shù)為研究目標(biāo)，增強(qiáng)實(shí)踐能力訓(xùn)練

2.1 任務(wù)清晰，分工明確，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神

該組畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)生擬定的題目是：利用Java語(yǔ)言，基于Soccer Server端口協(xié)議編寫(xiě)一個(gè)客戶端球員智能體程序，要求該程序能用于比賽實(shí)戰(zhàn)，具有基本的推理能力，該球員智能體程序被命名為Java Junior Soccer Agent，簡(jiǎn)稱JJSA。JJSA智能體的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。整個(gè)智能體結(jié)構(gòu)可以看作一個(gè)分層結(jié)構(gòu)，如圖2所示，大體上可分為4個(gè)層次。其中通訊協(xié)議層我們已經(jīng)掌握了現(xiàn)成代碼，需要研究和實(shí)現(xiàn)的是反應(yīng)層和規(guī)劃層里的工作模塊。

為培養(yǎng)學(xué)生的科研團(tuán)隊(duì)意識(shí)，同時(shí)發(fā)揮每位學(xué)生的專業(yè)特長(zhǎng)和團(tuán)隊(duì)的整體優(yōu)勢(shì)，要根據(jù)任務(wù)難度和工作量將問(wèn)題拆分成多個(gè)子問(wèn)題，每位學(xué)生負(fù)責(zé)解決其中的一個(gè)或幾個(gè)子問(wèn)題，既能培養(yǎng)學(xué)生相互配合的意識(shí)，又能使他們相互激勵(lì)，相互比較，達(dá)到了比較好的訓(xùn)練效果。綜合已有的平臺(tái)體系知識(shí)，同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)的清晰性和易實(shí)現(xiàn)性，將反應(yīng)層劃分為3個(gè)模塊：世界模型、運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)、球員技術(shù)。考慮到該課題組共4名學(xué)生，我們安排3名學(xué)生分別負(fù)責(zé)反應(yīng)層的3個(gè)模塊，另一名學(xué)生負(fù)責(zé)高層決策模塊。

圖1 JJSA系統(tǒng)的智能體結(jié)構(gòu)

圖2 JJSA系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)

每個(gè)模塊確定了要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，按照技術(shù)難度從低到高排列，依次是：

（1）世界模型中的視覺(jué)信息處理技術(shù)；

（2）運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)中的基本運(yùn)動(dòng)模型及其模型組合技術(shù)；

（3）球員技術(shù)模塊中的技術(shù)分層模型；

（4）高層決策中的陣型布置與角色分配技術(shù)。

這4個(gè)子課題相互關(guān)聯(lián)、相互依托，每個(gè)課題的實(shí)驗(yàn)結(jié)果既是后一個(gè)課題的依據(jù)，又能證明前一個(gè)課題的結(jié)果是否正確。任務(wù)分配時(shí)力求與每位學(xué)生的綜合能力基本匹配。

2.2 階段劃分，定期匯報(bào)，保證計(jì)劃按時(shí)完成

學(xué)生之間的互幫互助和團(tuán)結(jié)協(xié)作固然重要，指導(dǎo)教師也要從宏觀上加強(qiáng)調(diào)控和督促，特別對(duì)于平臺(tái)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、模塊劃分比較多的情況。多模塊同步進(jìn)行開(kāi)發(fā)，每個(gè)模塊的開(kāi)發(fā)速度都會(huì)影響平臺(tái)整體開(kāi)發(fā)速度，因此指導(dǎo)教師要協(xié)調(diào)各模塊的進(jìn)度，規(guī)定每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能、完成的時(shí)間以及模塊間交流的數(shù)據(jù)格式等標(biāo)準(zhǔn)。一方面，制訂嚴(yán)密的工作計(jì)劃，劃分任務(wù)階段，規(guī)定每一階段的目標(biāo)和里程碑；另一方面，督促學(xué)生按期完成任務(wù)，分階段檢查完成情況，給學(xué)生一定的學(xué)習(xí)壓力，促使他們利用好時(shí)間，才能保證畢業(yè)設(shè)計(jì)按時(shí)保量地完成。

為了督促學(xué)生按時(shí)完成任務(wù)，制定了定期工作匯報(bào)制度。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用3天一個(gè)節(jié)點(diǎn)的方式，每周匯報(bào)2次，要求學(xué)生制作幻燈片，講解該階段看過(guò)的文獻(xiàn)、完成的任務(wù)、遇到的困難以及與其他同學(xué)討論的情況。這個(gè)過(guò)程不僅檢查了工作進(jìn)度，還可以鍛煉學(xué)生的總結(jié)能力和表達(dá)能力，促進(jìn)師生之間的溝通。

2.3 自由討論，思想碰撞，激蕩創(chuàng)新的火花

“溝通架起橋梁，碰撞產(chǎn)生火花”，堅(jiān)持每周組織一次本科生自由討論，由一名博士生負(fù)責(zé)組織，指導(dǎo)教師不參加，學(xué)生可以無(wú)拘無(wú)束、海闊天空的暢談和辯論。如果學(xué)生有問(wèn)題可以隨時(shí)找指導(dǎo)教師討論。自由討論的實(shí)際效果很好，誕生了很多新方法和新思路，甚至一些看似荒誕的想法中卻往往蘊(yùn)含著精妙的解決思路。另一方面，雖然本科生思想活躍，但他們的知識(shí)結(jié)構(gòu)和科學(xué)訓(xùn)練還不夠，這些新思想一般都不夠成熟完善，離解決實(shí)際問(wèn)題還有一定距離。當(dāng)指導(dǎo)教師遇到這些好“點(diǎn)子”時(shí)，為了讓這些思想火花達(dá)到“星星之火，可以燎原”的效果，要及時(shí)進(jìn)行總結(jié)歸納和理論拔高，將創(chuàng)新思想進(jìn)一步系統(tǒng)化和理論化。另外，還要訓(xùn)練學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的想法，學(xué)會(huì)總結(jié)提煉，辨?zhèn)未嬲妫ゴ秩【?/p>

3 以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為研究基礎(chǔ)，重視科研方法教育

3.1 有針對(duì)性地進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，學(xué)會(huì)撰寫(xiě)技術(shù)報(bào)告

在本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，文獻(xiàn)調(diào)研是一項(xiàng)基礎(chǔ)工作和重要環(huán)節(jié)。因此，在確定選題范圍后，要求學(xué)生首先進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，對(duì)需要研究的問(wèn)題進(jìn)行“橫向比較、縱向?qū)じ保闱宄?wèn)題的來(lái)龍去脈、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、現(xiàn)有解決方法以及在該領(lǐng)域有影響力的研究機(jī)構(gòu)與人員。只有在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，才能進(jìn)行科學(xué)研究和方法創(chuàng)新。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，4位學(xué)生針對(duì)各自負(fù)責(zé)研發(fā)的功能模塊，在2周內(nèi)查找了IEEE和ACM相關(guān)文獻(xiàn)總計(jì)165篇，并從其中抽取了34篇文章進(jìn)行精讀。為了鞏固文獻(xiàn)資料的學(xué)習(xí)效果，要求學(xué)生在文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)束后撰寫(xiě)技術(shù)報(bào)告，對(duì)自己本段時(shí)間所讀文獻(xiàn)和所做的思考做一個(gè)階段性總結(jié)。隨后，學(xué)生要根據(jù)技術(shù)報(bào)告做PPT演示，在例會(huì)上講演。實(shí)踐證明，學(xué)生不但能把要研究的問(wèn)題講得很有條理，梳理了該領(lǐng)域的重要方法和關(guān)鍵技術(shù)，還指出了許多已有方法和技術(shù)的不足之處，提出了一些可能的技術(shù)突破點(diǎn)。

3.2 借助文獻(xiàn)調(diào)研提煉研究亮點(diǎn)，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力

在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過(guò)與指導(dǎo)教師的討論，學(xué)生提出了許多初步的研究亮點(diǎn)。下一步的工作是在指導(dǎo)教師的幫助下，對(duì)這些研究亮點(diǎn)進(jìn)行甄別、篩選、歸并、提煉。我們要求每位學(xué)生在閱讀文獻(xiàn)后，最終提出一個(gè)研究亮點(diǎn)加以重點(diǎn)研究，作為綜合論文的研究?jī)?nèi)容。研究亮點(diǎn)的選擇要遵循第一節(jié)提出的先進(jìn)性、適用性、可執(zhí)行性的三原則。這4位學(xué)生確定的4個(gè)研究亮點(diǎn)分別是：

（1）世界模型中的相對(duì)信息還原算法；

（2）運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)算法；

（3）球員技術(shù)模塊中的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的決策樹(shù)生成算法；

（4）高層決策中的基于形勢(shì)的策略定位算法。

對(duì)于學(xué)生的科研能力培養(yǎng)模式分為基本培養(yǎng)和高級(jí)培養(yǎng)。對(duì)于基本培養(yǎng)模式，在確定研究亮點(diǎn)時(shí)，沒(méi)有過(guò)于追求方法的前沿性或繁難性，不要求學(xué)生能夠?qū)Ψ椒ㄗ鲚^大改進(jìn)或原始創(chuàng)新，只需將方法實(shí)現(xiàn)出來(lái)并根據(jù)具體問(wèn)題做一些小改動(dòng)即可。要保證學(xué)生不需具有太深的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)即可上手，并可在畢業(yè)設(shè)計(jì)允許的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)計(jì)劃。對(duì)于部分基礎(chǔ)好，興趣濃，學(xué)有余力的學(xué)生，可以采用高級(jí)培養(yǎng)模式，要求他們進(jìn)行更深入的研究，提出改進(jìn)方案或創(chuàng)新思路，將研究成果整理成論文或?qū)＠l(fā)表。甚至可將問(wèn)題進(jìn)一步發(fā)揮，作為研究生階段的論文題目。

4 以發(fā)明專利或?qū)W術(shù)論文為質(zhì)量檢驗(yàn)，強(qiáng)化創(chuàng)新能力培養(yǎng)

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是大學(xué)教育的目標(biāo)之一。創(chuàng)新人才要具有創(chuàng)新性思維能力，要培養(yǎng)科學(xué)的思維方法和獨(dú)立進(jìn)行科學(xué)研究的能力。電子科技大學(xué)不乏具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的學(xué)生，他們通常表現(xiàn)出靈活、開(kāi)放、好奇的個(gè)性，具有精力充沛、堅(jiān)持不懈、注意力集中、想象力豐富以及富于冒險(xiǎn)精神等特質(zhì)。如何在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，引導(dǎo)這些青年學(xué)生將這些優(yōu)秀品質(zhì)轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)上的“正能量”，利用“初生牛犢不怕虎”的精神去挑戰(zhàn)傳統(tǒng)思想，結(jié)出創(chuàng)造性的果實(shí)，是一個(gè)非常重要的問(wèn)題［4］。我們鼓勵(lì)本科畢業(yè)生積極申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利或發(fā)表學(xué)術(shù)論文。在畢業(yè)設(shè)計(jì)之初，就提出每位學(xué)生爭(zhēng)取在畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)完成一個(gè)國(guó)家專利申請(qǐng)或發(fā)表一篇學(xué)術(shù)論文。對(duì)于能夠完成的學(xué)生給予一定的獎(jiǎng)勵(lì)。實(shí)踐證明，這種要求激發(fā)了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，訓(xùn)練了他們申請(qǐng)專利和撰寫(xiě)學(xué)術(shù)論文的方法，提升了綜合論文的整體質(zhì)量，保證了畢業(yè)答辯的水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)了本學(xué)期指導(dǎo)4名本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐檢驗(yàn)，本教學(xué)思想顯示了良好的效果。首先，學(xué)生實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完全自主開(kāi)發(fā)的，能用于比賽實(shí)戰(zhàn)的，具有基本推理能力的球員智能體程序JJSA，初步構(gòu)建了一個(gè)RoboCup訓(xùn)練平臺(tái)。工程訓(xùn)練方面，在JJSA中實(shí)現(xiàn)了兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)中的模型組合技術(shù)，以及高層決策中的陣型布置與角色分配技術(shù)。該項(xiàng)成果已經(jīng)申請(qǐng)了2項(xiàng)軟件著作權(quán)。除此之外，在理論研究方面提出了兩項(xiàng)創(chuàng)新點(diǎn)或改進(jìn)點(diǎn)：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)算法和基于模糊決策樹(shù)的球員技術(shù)生成算法。該項(xiàng)成果已經(jīng)形成2篇論文并已向2個(gè)國(guó)際會(huì)議投稿。最后，學(xué)生將這些研究成果整合進(jìn)訓(xùn)練平臺(tái)中，共同申請(qǐng)了一項(xiàng)發(fā)明專利“一種RoboCup平臺(tái)球員智能控制方法及其系統(tǒng)”。

此次畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)，4位學(xué)生共申請(qǐng)了1項(xiàng)發(fā)明專利、2項(xiàng)軟件著作權(quán)，還提交了2篇會(huì)議論文。4名學(xué)生在綜合論文答辯中以全優(yōu)的成績(jī)通過(guò)答辯，他們的論文也得到答辯委員的一致好評(píng)。他們正計(jì)劃將該平臺(tái)進(jìn)行完善，下一步將參加四川省大學(xué)生機(jī)器人足球錦標(biāo)賽。4位學(xué)生一致反映，通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，自己的工程實(shí)踐能力得到了有效鍛煉，創(chuàng)新能力得到了明顯提高。更重要的是，掌握了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，品嘗了解決實(shí)際問(wèn)題的成就感，第一次對(duì)“學(xué)什么，為什么學(xué)，怎樣學(xué)，怎樣用”有了直觀的體驗(yàn)。

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