智能車輛專業虛擬仿真實訓平臺的探索與思考＊

夏利紅，楊智宇，王旭東

（1.重慶工商大學機械工程學院，重慶400067；2.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶401122）

智能網聯汽車是汽車與信息技術兩大產業創新融合的代表，是新一輪科技革命和產業變革背景下的新生事物，也是國際公認的未來汽車產業發展的方向。智能網聯汽車功能定義復雜，行為環境多樣，涉及乘客、駕駛員、車輛、交通、基礎設施等多個交互維度。由于交通事故的小概率特征，驗證智能網聯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]。傳統道路測試和場地測試已無法滿足其測試驗證需求，需要結合虛擬仿真測試技術。虛擬仿真測試由于其測試場景可定制、測試數據全息、測試效率高，已成為智能網聯汽車測試驗證的核心手段。企業急需具備智能網聯汽車虛擬仿真技術背景的專業人才。然而目前本科或大專院校培養的車輛工程專業人才普遍缺乏系統性的智能網聯汽車知識儲備。同時還存在實踐能力不強、實踐知識運用不嫻熟、實踐意識不夠等問題，進入企業后需要較長時間的再培養、再教育才能勝任智能網聯汽車的相關工作，究其根源主要在于實踐課程體系不完善。

2017年教育部頒發的《關于開展新工科研究與實踐的通知》強調了工程教育的新理念、學科專業的新結構、人才培養的新模式、教育教學的新質量、分類發展的新體系，旨在提高高校人才培養和創新創業能力。研究表明，充分利用虛擬仿真實驗教學平臺，可以彌補許多真實實驗項目受場地、成本、安全等因素制約的缺陷，解決目前學生工程實踐能力缺乏和創新意識淡薄的核心問題，緩解教學內涵相對于產業發展水平滯后的現狀，對于探索專業教學新模式、培養創新型人才具有重要而深遠的意義[2-5]。

本文對比分析了智能網聯汽車方向的人才需求和現有高校車輛工程的實訓課程體系，提出了一種智能網聯汽車虛擬仿真實訓平臺架構，為智能網聯汽車背景下的車輛工程專業的實踐教學和創新型人才培養提供一種新的模式和理念。

1 智能網聯汽車虛擬仿真實訓平臺的架構設計

目前車輛工程專業的虛擬仿真教學實踐平臺主要是針對傳統車輛工程專業的理論與實踐教學，如圖1所示，主要包括汽車構造原理及拆裝虛擬仿真實驗教學平臺、汽車性能虛擬仿真實驗教學平臺、汽車電子和測試技術虛擬仿真實驗教學平臺、新能源汽車虛擬仿真實驗教學平臺等[5]。上述虛擬仿真實驗平臺可以有效地提高車輛工程專業關于車輛結構、原理、設計、性能測試與制造等相關理論知識和實踐能力的培養質量和教學效果，但不能滿足智能網聯汽車專業的理論和實踐教學要求。

圖1 傳統車輛工程專業的虛擬仿真實驗平臺

2020-11-11由清華大學李克強教授發布的《智能網聯汽車技術路線圖2.0》[6]提出了智能網聯汽車的新“三橫兩縱”技術架構，如圖2所示，“三橫”指車輛關鍵技術、信息交互關鍵技術與基礎支撐關鍵技術，“兩縱”則指支撐智能網聯汽車發展的車載平臺與基礎設施。其中車輛關鍵技術包括環境感知、智能決策、控制執行以及系統設計等技術。在智能網聯汽車的大背景下，車輛工程專業的學生應該掌握環境感知、智能決策、控制執行以及系統設計等相關理論知識和實踐能力。然而，現有傳統車輛工程專業的虛擬仿真實驗平臺無法滿足對環境感知、智能決策、控制執行以及系統設計等智能網聯汽車相關理論教學和實踐培訓的需求。因此，非常有必要在傳統車輛工程專業虛擬仿真實訓平臺的基礎上，增加智能網聯汽車虛擬仿真模塊。

圖2 智能網聯汽車的“三橫兩縱”技術架構[6]

智能網聯汽車的“環境感知、智能決策、控制執行以及系統設計”等關鍵技術的研發與測評過程中需要系統動力學軟件、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軟件來支撐。如CarSim、CarMaker、VTD、PreScan、VISSIM、SUMO、Matlab/Simulink等。對學生開展上述軟件的教學和培訓需要非常高的時間和金錢成本。建立合理的智能網聯汽車虛擬實訓平臺可以讓學生不受時間和空間的限制自主完成智能網聯汽車技術的學習和虛擬仿真實訓任務，提高教學質量和教學效率，同時有利于開展線上線下混合式教學以及“問題和項目為導向”的“探究式”教學等先進教學方法。如圖3所示，該智能網聯汽車虛擬仿真實訓平臺支持智能網聯汽車多個相關理論和實訓課程的教學。

圖3 智能網聯汽車虛擬仿真實訓平臺支撐的理論和實訓課程

依托虛擬仿真軟件、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建智能網聯汽車虛擬仿真教學平臺，其架構設計如圖4所示。基于該平臺，將智能網聯汽車的“環境感知、智能決策、控制執行”等算法開發和虛擬仿真測試驗證的相關理論知識、方法和工程經驗有機地融合到智能網聯汽車的“教”與“學”環節。教師在教師操作端上傳自動駕駛虛擬仿真實訓的任務，發布需要仿真的自動駕駛系統的功能、本次仿真實訓的目標以及評分標準，同時根據教學任務在相應功能模塊進行實訓演示，最后通過教師操作端查閱學生實訓的結果數據，并進行評價。學生在學生操作端認領虛擬仿真實訓任務，進入相應的仿真模塊進行實訓操作，并保存和上傳實訓的結果數據。

圖4 智能網聯汽車虛擬仿真實踐教學平臺架構

2 智能網聯汽車虛擬仿真實訓平臺的教學方法探索

智能網聯汽車相關的理論知識難度較大，如果采用傳統單一的“教師教，學生學”方式，學生很容易產生畏難情緒。因此利用該智能網聯虛擬仿真平臺，采用“線上-線下”相結合以及“理論-實踐”相結合的混合式教學。通過案例教學、任務教學以探究式教學等多種方式開展“教、學、做”理實一體化教學模式，將以學生為中心的教學方式落到實處，培養科研興趣，夯實知識基礎，提高創新能力。基于智能網聯汽車虛擬仿真實訓平臺的教學過程可規劃為線上線下理論教學、單一浸入式實訓和小組團隊項目式實訓三個環節。

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

單一浸入式實訓：分別對“駕駛場景”“視覺傳感器”“毫米波雷達”“激光雷達”“車輛識別”“行人識別”“道路識別”“交通標志識別”“交通信號燈識別”“導航定位”“車輛運動控制”等知識點進行浸入式的仿真實踐訓練。

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

3 結語

智能網聯汽車是汽車與信息技術兩大產業創新融合的代表，是新一輪科技革命和產業變革背景下的新生事物。智能網聯汽車的發展對車輛工程專業的培養目標提出了新的要求。由于現有車輛工程專業的實踐課程體系不完善，導致目前本科或大專院校培養的車輛工程專業人才普遍缺乏系統性的智能網聯知識儲備和實踐能力。建立智能網聯汽車虛擬仿真實訓平臺，結合線上線下混合式教學、“浸入式”以及“探究式”等先進的教學方法，開展“教、學、做”理實一體化教學模式，把以學生為中心的教學方式落到實處，培養科研興趣，夯實知識基礎，提高學生在智能網聯汽車專業的創新能力，為智能網聯汽車背景下的車輛工程專業的實踐教學和創新型人才培養提供一種新的模式和理念。