智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術教學內(nèi)容優(yōu)化研究

馬彬 童亮

摘? 要 針對目前智能網(wǎng)聯(lián)汽車課程內(nèi)容較多、關注問題較全面及開設的課程課時限制問題，對教學內(nèi)容進行優(yōu)化整合研究。以OBE理念為基礎，結合智能網(wǎng)聯(lián)汽車智能感知、決策和控制三個關鍵內(nèi)容，將智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術整合、控制理論基礎算法基本原理、智能車輛先進駕駛輔助系統(tǒng)、基于MATLAB的編程能力培養(yǎng)等內(nèi)容進行梳理整合，同時給出建議教學學時。優(yōu)化后的課程知識結構更加合理，覆蓋面更廣，符合新工科建設及一流本科專業(yè)建設的需求。

關鍵詞 OBE理念;車輛工程專業(yè);智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術;MATLAB

中圖分類號：G642.0? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）24-0072-04

Optimization of Teaching Content in Intelligent Networked Ve-hicle Technology//MA Bin， TONG Liang

Abstract The teaching content is studied and optimized pointing to the more course content， comprehensive concerns and the limitation of course hours in the course of Intelligent Networked Vehicle. Based

on the idea of OBE， four parts are sorted out， integrated and some suggestions are given in teaching hours according to the three domi-

nate contents of intelligent perception， decision-making and control，

including the integration of intelligent networked vehicle technology，

the basic principle of control theory algorithm， the advanced driving assistance system of intelligent vehicle， and the programming ability training based on MATLAB. The optimized knowledge structure of the course is more reasonable and had a wider range， which meets the needs of new engineering construction and classic specialty con-struction.

Key words idea of OBE; vehicle engineering; intelligent networked vehicle technology; MATLAB

0? 概述

智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術是智能車、自動駕駛車輛方向的重要課程之一，是集復雜傳感器感知技術、現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡技術、導航與定位、車輛系統(tǒng)動力學/運動學、現(xiàn)代智能決策與控制理論為一體的綜合性多學科交叉課程，也是理論聯(lián)系實際的課程[1-3]。課程目標是為學生從事智能車輛開發(fā)等工作提供一定的理論和實踐基礎，提升學生的專業(yè)理論水平和實踐能力，具有很強的理論性和實踐性。目前，隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的快速發(fā)展，對智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關技術及服務人員的需要出現(xiàn)爆發(fā)式增長，而培養(yǎng)體系過多注重新能源汽車相關技術的培養(yǎng)，缺乏系統(tǒng)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關技術知識。根據(jù)工程教育認證和一流本科專業(yè)建設要求，車輛工程專業(yè)培養(yǎng)計劃需要順應國家和行業(yè)的需求，將智能網(wǎng)聯(lián)汽車融合入車輛工程專業(yè)建設當中，從而適應社會對相關人才的需求。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是指通過車載環(huán)境感知系統(tǒng)（典型如激光雷達、深度攝像頭、組合導航等先進車載傳感設備）和通信信息終端實現(xiàn)與車、路、人等的信息交換，具備智能決策和協(xié)同控制的新一代汽車，能夠替代人來做駕駛決策及操作。其中，智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術包含車輛智能感知、決策和控制三個關鍵內(nèi)容，各內(nèi)容之間既存在緊密聯(lián)系，又存在較大差異，是一個有機的整體[4-6]。可以看出，智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術包含較多教學內(nèi)容，而受限于課時缺乏，如何在有限的課時安排下使智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術教學達到相應的效果，是當前尚未解決的關鍵問題。

當前，國內(nèi)車輛工程專業(yè)智能汽車與新能源汽車技術方向主要培養(yǎng)具備智能汽車與新能源汽車技術等專業(yè)知識和工程技術能力，能從事汽車設計、研發(fā)與服務等方面工作的高素質應用型工程技術和管理人才。北京信息科技大學需要根據(jù)目前智能網(wǎng)聯(lián)汽車開發(fā)要點、技術需求現(xiàn)狀和智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，對智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術現(xiàn)有教學內(nèi)容和教學資源進行優(yōu)化，整合及新增智能算法基礎、優(yōu)化算法與典型控制算法，從而構建面向首都的融傳授知識、培養(yǎng)能力、提高素質于一體的具有自身特色的智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術課程。

1? 智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術課程內(nèi)容現(xiàn)狀分析

1.1? 教學內(nèi)容向多學科融合方向發(fā)展

隨著新能源、人工智能、新一代通信等技術與道路交通的深度融合，智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境成為未來道路交通的重要形態(tài)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車是交通、車輛、新一代通信技術、現(xiàn)代控制理論與智能算法的結合體，內(nèi)容涉及智能汽車先進傳感器技術、環(huán)境感知技術、導航定位技術及先進駕駛輔助系統(tǒng)及其控制等，可歸納為感知、決策和控制三個方面的關鍵內(nèi)容。然而，如何將先進的感知系統(tǒng)、決策過程和控制方法等關鍵核心技術融入智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術課程中，成為教學人員需要解決的一個重要問題。

1.2? 學生通信、控制方法基礎薄弱

目前，車輛工程專業(yè)課程設置主要針對汽車設計和構造、新能源汽車技術等開展相關課程的教學。基礎課程包括汽車理論、汽車設計、汽車構造、發(fā)動機原理等;控制理論基礎方面，只對經(jīng)典控制理論中的機械控制工程進行學習;通信及程序編譯方面，課程設置為C語言程序設計B、數(shù)值計算方法與應用、電子技術基礎、電工技術基礎等。

由課程結構可以看出，目前車輛工程專業(yè)的教學多針對傳統(tǒng)課程教學，目標是使學生掌握一些基礎編程和電工電子技術，但是在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中廣泛使用的現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)方程建模及求解[7-8]、智能網(wǎng)聯(lián)汽車所需通信及控制策略的編譯等存在一定的不足。因此，開設的智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術還應考慮學生的基礎知識儲備問題，才能培養(yǎng)能從事汽車設計與研發(fā)、生產(chǎn)經(jīng)營與管理、產(chǎn)品營銷與服務等方面工作的高素質應用型工程技術和管理人才。

1.3? 課程內(nèi)容豐富，學時受限

同時增加實踐類內(nèi)容的比重，從而培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力和“雙創(chuàng)”能力。然而，在實際教學過程中留給智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術的理論教學學時較少，學時問題一直是未能解決的關鍵問題。現(xiàn)行智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術類課程主要分為智能汽車感知與導航技術、智能汽車網(wǎng)聯(lián)技術和無人駕駛車輛技術基礎等，一般通過2～3門課程對智能車輛感知、決策和控制分別進行詳細闡述。雖然現(xiàn)有教材能夠充分展現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術中新能源汽車的關鍵內(nèi)容，但對智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術的整合程度較低，當前學時要求不能保證學生選擇所有課程。因此，這就需要在有限的學時內(nèi)整合課程資源和課程體系，使學生掌握智能網(wǎng)聯(lián)汽車關鍵技術，為教學目標達成和就業(yè)提供必備的理論基礎。

2? 基于OBE理念的教學內(nèi)容優(yōu)化

所謂OBE理念，是指“以預期學習產(chǎn)出為中心來組織、實施和評價教育的結構模式，是以學生為中心，以培養(yǎng)目標與畢業(yè)要求為導向，通過課程體系等支撐畢業(yè)要求，進而支撐培養(yǎng)目標，實施內(nèi)外部評價反饋的持續(xù)改進體系”。這就要求以培養(yǎng)目標為基礎，反推教學過程中的課程設計、實踐課程設計等，以具有明確學習目標的形式來規(guī)劃課程和實踐內(nèi)容，需要從教學和實踐的多種角度來激發(fā)學生學習的熱情，增強教學效果。

一方面，結合當前智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術課程內(nèi)容缺陷和在教學計劃中所承擔的具體任務，需要在對現(xiàn)有內(nèi)容進行整合梳理的基礎上，適當添加控制理論基礎中與智能汽車關聯(lián)性最大的基礎內(nèi)容，適當增加機器學習和人工智能基礎內(nèi)容部分，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術開發(fā)提供必要的理論基礎。

另一方面，針對課程中動力學方程建模、狀態(tài)方程求解、最有估計及軌跡規(guī)劃過程中需要具備的計算機求解和控制程序編輯的需要，以OBE為目標添加MALTAB課程內(nèi)容并開設課內(nèi)實踐環(huán)節(jié)。根據(jù)不同的編輯內(nèi)容和特點，靈活運用多種教學方法，充分利用多媒體、網(wǎng)絡信息技術，并輔以多媒體技術課件、網(wǎng)上自主式學習等多種教學手段和形式開展教學，調動學生學習積極性，促進學生對算法編譯能力的提高[9]。通過這種混合教學模式，使學生具備從事智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術開發(fā)的計算機編程基礎，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力和“雙創(chuàng)”能力。

2.1? 現(xiàn)有智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術整合

按需進行教材整合和內(nèi)容調整，同時強化教材整體性，加強立體化教學內(nèi)容建設。在現(xiàn)有課程資源的基礎上，將智能網(wǎng)聯(lián)汽車內(nèi)容主要分為車輛建模基礎、控制原理和智能系統(tǒng)三部分關鍵內(nèi)容。首先，對車輛建模基礎進行完善和優(yōu)化，以原理的形式進行簡要介紹，從而解決學生通信基礎知識不足的問題。其次，控制原理部分適當?shù)卦黾觾?yōu)化控制的內(nèi)容，并通過車輛智能決策過程的介紹來實現(xiàn)對優(yōu)化控制的補充，以實例開發(fā)的形式進行理論內(nèi)容的加深和理解;最后，在車輛智能系統(tǒng)部分介紹無人駕駛車輛主動轉向控制技術、路徑規(guī)劃及路徑跟蹤技術、智能網(wǎng)聯(lián)汽車智能防撞技術、車輛智能檢測技術、智能汽車車道保持技術、智能汽車自適應巡航技術及智能網(wǎng)聯(lián)汽車車路協(xié)同控制技術等關鍵技術，進一步提高理論的實用性。

2.2? 控制理論基礎算法基本原理

控制是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的核心內(nèi)容，也是智能網(wǎng)聯(lián)汽車教學的關鍵。根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)汽車關鍵系統(tǒng)的開發(fā)需求，在對智能網(wǎng)聯(lián)汽車進行建模的過程中，需要大量的矩陣運算和代數(shù)方程求解以及深厚的數(shù)學功底才能夠掌握。依據(jù)學生基礎課程設置現(xiàn)狀，提取現(xiàn)代控制理論中與智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關的基礎內(nèi)容，將控制理論基礎算法及流程開發(fā)、最優(yōu)控制基本原理、智能決策基本原理、控制方法等內(nèi)容補充進入智能網(wǎng)聯(lián)汽車中。此外，針對智能車輛多傳感器特征，通過傳感器數(shù)據(jù)進行狀態(tài)估計是智能車輛中不可或缺的關鍵內(nèi)容，因此，通過添加卡爾曼濾波這一經(jīng)典最優(yōu)估計算法，填補學生在這一塊兒的空白。通過整合，內(nèi)容基本包含智能網(wǎng)聯(lián)汽車的最優(yōu)估計和控制基本理論，使教學內(nèi)容更加貼合OBE理念，更好地支撐培養(yǎng)目標，也為外部評價反饋的持續(xù)改進提供基礎。

2.3? 智能車輛先進駕駛輔助系統(tǒng)

使學生具備智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術開發(fā)等技術基礎是智能網(wǎng)聯(lián)汽車培養(yǎng)人才的另一個關鍵目標，因此需要對智能網(wǎng)聯(lián)汽車先進駕駛輔助系統(tǒng)進行具體介紹，也是車輛建模、決策和控制等相關內(nèi)容的實際工程應用。針對自適應巡航控制和智能網(wǎng)聯(lián)汽車車路協(xié)同控制技術的關鍵內(nèi)容，對自動駕駛車輛主動轉向控制、路徑規(guī)劃/跟蹤、車道保持技術、自適應巡航控制等控制技術進行整理。針對這些控制策略的基本控制過程，以及當中所涉及的感知信息獲取與處理、動力學建模及仿真要求、控制策略建模及求解、控制變量的選取和所施加控制需要的建模、規(guī)劃及控制的理論和實際應用內(nèi)容進行歸納和整理，形成智能車輛先進駕駛輔助系統(tǒng)新章節(jié)。

2.4? 基于MATLAB的編程能力培養(yǎng)

控制策略開發(fā)分為控制算法仿真部分和硬件系統(tǒng)仿真部分。智能網(wǎng)聯(lián)汽車重點突出車輛的控制，對學生的代碼書寫能力要求較高，即便當前出現(xiàn)代碼生成、硬件在環(huán)仿真等控制策略驗證方法，控制策略開發(fā)過程中的MATLAB代碼讀寫仍然是不可或缺的關鍵內(nèi)容。因此，在對智能網(wǎng)聯(lián)課程內(nèi)容進行設計時，不僅要強調理論控制策略的控制過程和控制原理，還應從代碼讀寫方面進行內(nèi)容的調整。這樣一方面能夠對理論教學進行進一步的強化，使學生在實際編譯過程中能夠理論聯(lián)系實際，加深理論應用;另一方面能夠提高學生的思維能力，同時培養(yǎng)從實際過程中解決實際問題的能力。在對課程內(nèi)容進行設計時添加MATLAB的卡爾曼濾波實現(xiàn)、MATLAB的矩陣最優(yōu)求解、基于MATLAB的軌跡規(guī)劃技術等智能網(wǎng)聯(lián)汽車關鍵內(nèi)容的MATLAB編程和代碼實現(xiàn)。

經(jīng)過調整后的智能網(wǎng)聯(lián)汽車主要教學內(nèi)容如圖1所示，教學內(nèi)容如表1所列，建議學時如表2所列。

3? 結論

以智能網(wǎng)聯(lián)汽車智能感知、決策和控制三個關鍵內(nèi)容為依據(jù)，針對課程內(nèi)容較多、關注問題較全面及開設的課程課時限制問題，對現(xiàn)有教學內(nèi)容進行梳理整改，梳理整合智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術整合、控制理論基礎算法基本原理、智能車輛先進駕駛輔助系統(tǒng)、基于MATLAB的編程能力培養(yǎng)等內(nèi)容，并列出建議教學學時。通過課程內(nèi)容優(yōu)化，使課程涵蓋面更廣，知識結構更加合理，課程體系和教學內(nèi)容更加符合新工科建設及一流本科專業(yè)建設目標的需求。優(yōu)化后的教學內(nèi)容有助于提升學生的學習能力、實踐能力及創(chuàng)新能力，確保教學質量的提高和培養(yǎng)的人才能夠更好地服務社會，適應智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術的發(fā)展和需求。■

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