智能網聯汽車數字仿真技術教學應用研究

李蘭友 邵立東 李進斌 楚萌

摘要：智能網聯汽車技術是汽車工業發展近一百多年來最具革命性的技術變革，是汽車產業“電動化、智能化、網聯化、共享化”新“四化”發展的重要載體。針對智能網聯汽車實訓成本高、技術難度大且更新快、教學資源少、專業人才缺乏等特點，給出了一種利用數字仿真技術構建的智能網聯汽車檢測與運維仿真平臺解決方案。實踐應用表明，該平臺方案具備沉浸式的代入感、三維立體的空間感和人機交互的真實感，可以反復使用，多次操作，能通過“學、練、測、考”一體的教學方式來增強學生學習興趣和提高教師教學效率。

關鍵詞： 智能網聯汽車；數字仿真技術；教學應用

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）06-0138-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

高等職業教育作為智能網聯汽車產業鏈中的一個環節，是快速培養智能網聯汽車專業人才的重要抓手，是破解智能網聯汽車大量應用級人才缺乏的關鍵。不過智能網聯汽車技術專業是一個新專業，以專業代碼“460704”于2021年剛剛列入新版《職業教育專業目錄》，智能網聯汽車技術專業的人才培養方法還在不斷的探索實踐過程中，在這個過程中，發現智能網聯汽車人才培養具備實訓成本高、技術難度大、技術更新快、跨學科交叉性強、教學資源少、專業人才缺乏等問題，針對這些問題，迫切需要構建一種成本低、見效快、易于上手的教學平臺。通過建立基于數字仿真技術的智能網聯汽車教學平臺，使得智能網聯汽車模型和算法系統可以在仿真的交通場景中進行各種各樣的測試驗證實驗，在一定程度上降低對實車實驗的依賴，提高智能網聯汽車實訓的安全性和易用性，大大降低智能網聯汽車人才實訓的培養成本，是一種行之有效的解決方案[1]。

1 教學應用平臺設計

1.1研究背景

當前，汽車產業正發生著翻天覆地的變化，在“大數據、大計算、大決策”的科技革命推動下，汽車正從傳統汽車到機械電子汽車以及向軟件定義汽車方向進化[2]。智能汽車就像當年的智能手機一樣，正在經歷著產業革命的陣痛期，汽車產業能夠重現當年諾基亞傳統手機一夜之間被以蘋果為代表的智能手機所打敗的變革情境嗎？這也許需要時間來證明，但是未來可以思考和展望。當前，互聯網科技巨頭們紛紛下場宣布造車，車企與科技企業之間的“護城河”正變得越來越模糊，它們之間的“產業鏈”也正變得越來越緊密。種種跡象表明，汽車產業已經在進化，這就要求智能網聯汽車技術專業的人才培養也要進化，以適應產業的變革趨勢。智能網聯汽車技術的演化趨勢特征，主要包括汽車產業演化趨勢、汽車屬性演化趨勢以及汽車人才演化趨勢等，如圖1所示。

汽車產業演化趨勢表現在：價值鏈產生演化，從機械到機電再到軟件、數據、芯片的演化；供應鏈產生演化，傳統的供應鏈體系被打破，更多的OEM企業對汽車有更多話語權；產業鏈產生演化，從分工變化到布局調整再到龍頭切換等。

汽車屬性演化趨勢表現在：汽車成為了道路運輸的載體，確保安全零事故；汽車成為一個移動的儲能單元，通過削峰填谷，為能源安全添磚加瓦；汽車成為一個移動的交互終端，繼電視、手機后的又一個內容展示平臺，也是元宇宙虛擬生態世界的一個硬件接口；汽車成為一個移動計算平臺，具備在線、移動、高能的技術平臺。

汽車人才演化趨勢表現在：企業崗位產生了變化，普通技術工人需求量大幅下滑，而復合技術型人才需求量急劇上升；崗位要求產生了變化，更強調技術型、復合型、創新型人才；培養方式產生了變化，需要產教融合，需要終身學習等。

天津大學史延雷等[3]針對目前學校智能網聯汽車方向教學實驗設備落后，與汽車產業前沿技術發展不同步的問題，以培養智能網聯汽車專業人才為目標，利用數字化仿真技術構建了一個智能網聯汽車硬件在環的虛擬仿真實驗平臺，該平臺以虛擬仿真環境，能夠實現實驗教學環境下智能網聯汽車的功能體驗與開發驗證。天津職業技術師范大學的候海晶等[4]利用虛擬仿真技術搭建了一套面向教學的智能網聯汽車環境感知系統軟件，該軟件具有交互性，能夠在實際互動中增強職業教育學生的學習效率。美國阿拉斯加大學Arafat M教授[5]搭建了一種基于C-V2X模式4的實時、高保真、硬件在環的網絡仿真平臺，該平臺可以通過虛擬仿真以代替成本高昂的實車實驗。通過學術梳理可以發現，已有高校應用數字仿真技術搭建虛擬仿真實驗平臺，但是利用該類型平臺進行職業教育的教學實踐，還有許多值得探索的地方。

1.2 教學內容

智能網聯汽車建立在人工智能、數字孿生、物聯網、云計算、大數據以及虛擬現實等公共關鍵基礎平臺之上，具備復雜環境感知、智能決策、協同控制等功能，迫切需要以車輛知識為背景，掌握計算機、信息技術以及自動化等復合知識的應用人才[6-7]。這就要求在教學應用中，教師團隊必須要教授智能網聯汽車感知技術、決策技術、執行技術以及規劃技術，包括環境感知、智能決策、云計算、控制執行、人機交互、地圖導航以及法規標準等內容，如圖2所示。

環境感知技術主要包括利用車載毫米波雷達、超聲波傳感器、激光雷達等智能傳感器對周邊障礙物進行智能檢測，利用機器視覺智能識別技術，結合路徑軌跡進行智能預測等。

車聯網技術主要包括利用車輛搭載LTE-V、4G/5G通信終端，實現車對車（V2V）、車對行人（V2P）、車對基礎設施（V2I）、車對云端網絡（V2N）的車聯網C-V2X技術以及非視距信息共享技術、智能交通調度技術、智能編隊技術等。

決策技術主要包括利用車輛周圍交通環境感知的數據、網聯交互數據、自身行駛狀態數據等，將這些多源數據進行提取、分析、整合，利用人工智能算法，進行聚類分析和知識發現，以實現車輛安全駕駛輔助、高級駕駛輔助和無人駕駛等功能。

執行技術主要包括按照智能決策技術的指令，面向驅動/制動的縱向運動控制，面向轉向的橫向運動控制，基于驅動、制動、轉向、懸架的底盤一體化控制，融合車聯網通信及車載傳感器的多車隊列協同和車路協同控制等，并為聯網汽車提供道路交通信息、安全信息、娛樂信息、救援信息以及商務辦公、網上消費等，保障汽車安全行使和舒適駕駛。

規劃技術主要包括汽車信息安全建模技術，數據存儲、傳輸和應用三維度安全體系，汽車信息安全測試方法，信息安全漏洞應急響應機制等；高精度地圖數據模型與采集式樣、交換格式和物理存儲的標準化技術，基于北斗地基增強的高精度定位技術等；智能網聯汽車云平臺架構與數據交互標準，智能網聯汽車整體標準體系以及涉及汽車、交通、通信等各領域的關鍵技術標準等。

1.3 總體框架

該框架分成了基礎硬件層、軟件模塊層、功能實現層、交互展示層、教學應用層等五層。基礎硬件層主要涉及到線控底盤、工控機、雷達以及攝像頭等；軟件模塊層主要包括感知模塊、計算模塊、決策模塊以及控制模塊等；功能實現層主要包括多目標識別、盲點檢測、車道保持以及自動駕駛等；交互展示層可以在PC端、Web端、移動端以及VR端等進行應用實訓；教學應用層主要面向學校教師、企業導師、學校學生以及其他培訓人員等；而數據挖掘功能主要是把實訓過程中產生的任務數據、學習數據、測試數據、用戶偏好、學習偏好以及知識圖譜等利用大數據挖掘算法進行分析歸納，以獲取教學應用反饋效果或實訓過程中的算法性能分析結果，如圖3所示。

1.4 平臺設計

通過計算機數字仿真技術設計，采用三維虛擬仿真場景對現實中的智能網聯汽車檢測與運維的過程進行三維建模與場景仿真，將智能網聯汽車檢測與運維的實訓過程全部在軟件平臺中進行呈現。整個平臺包括以下四個主要模塊：基礎仿真操作模塊、準備工作模塊、理論知識測試模塊和功能測試與診斷模塊。

基礎仿真操作模塊通過鼠標操作平臺中虛擬人物來模擬自身的操作，通過拖拽來進行移動，通過鼠標滾輪實現放大或縮小等功能，通過平臺導航地圖來定位自己所處操作階段。

準備工作模塊包括個人準備子模塊、場地準備子模塊以及工具準備子模塊，通過學生對每個子模塊的處理過程，來考核學生是否在實際操作過程中，是否嚴格遵守智能網聯汽車檢測與運維的標準規程，如圖4所示的萬用表校表過程，只有按照標準的萬用表校表流程進行操作，前臺萬用表讀數才會顯示正常，后臺才會給這個步驟打分。

理論知識考核模塊是在學生仿真操作的過程中彈出對話框，以不定項選擇題的形式進行考核，根據當時的場景來考核學生的理論知識是否扎實，有助于學生理解和記憶知識點。

功能測試與診斷模塊主要把智能網聯汽車檢測與運維的主要功能進行抽取設計，針對每一個功能都設計詳細的檢測與診斷步驟，主要包括ACC功能測試、AEB功能測試、LKA功能測試、線控底盤測試、基于CAN通訊的行駛控制故障診斷、基于CAN通訊的制動控制故障診斷、激光雷達性能檢測及建圖、視覺傳感器與激光雷達聯合標定以及激光雷達與慣導信息融合及聯合標定等。功能測試與診斷模塊能夠模擬Linux操作環境下的命令執行情況，并考查學生的命令執行情況，如圖5所示。只有按照命令的正確順序進行執行，仿真平臺才會反饋命令執行后的正確顯示結果，否則平臺會判定當前命令執行錯誤，不會在后臺進行計分。例如單目視覺傳感器的標定流程如下：

1） 配置環境變量；

2） 啟動USB攝像頭；

3） 確認攝像頭TOPIC是否發布；

4） 啟動標定程序；

5） 將標定板放置在攝像頭視野范圍內（X：標定板左右移動，Y：標定板上下移動，SIZE：標定板前后移動，SKEW：標定板傾斜轉動）；

6） 當“CALIBRATE”按鈕激活時，點擊按鈕，然后按下“SAVE”按鈕保存標定結果。

2 應用實例

平臺設計部署后，利用中德諾浩的智能網聯汽車檢測與運維平臺進行實踐。該平臺將智能網聯汽車檢測與運維的過程進行虛擬仿真，能夠實現理論題作答、車輛防護過程、啟動CAN模塊、啟動激光雷達模塊、啟動攝像頭模塊、視覺傳感器檢測、視覺傳感器標定、ACC控制程序檢測等學習和檢測過程，同時通過不同的賬號，教師可以實現所有學生同時進行仿真教學工作，大大提高教學效率[8-9]。此外，該平臺關聯中德諾浩“1+X”證書，通過該平臺的教學、實踐及培訓，學生可取得“智能網聯汽車檢測與運維”的初級、中級以及高級證書，真正實現“學、練、測、考”一體的教學方式，如圖6所示。

3 結論

應用實例表明以智能網聯汽車數字仿真教學實驗平臺為抓手，融合學校和企業兩端，共同制定教學任務和工作任務，通過學校專業教師和企業實踐導師的互補合作，將智能網聯汽車關鍵技術以數字化仿真虛擬教學平臺的形式更加淺顯易懂地呈現給學生，讓學生在可容錯的環境下不斷打磨提升，來理解這些技術的應用效果和了解技術背后的理論和原理，進而打造一個適合職業教育培養智能網聯汽車人才的教學模式。不過在實踐過程中，智能網聯汽車技術人才的培養不能缺少真正的實訓鍛煉，但是數字仿真平臺的加持是必不可少的有效提升教學效果的手段。

參考文獻：

[1] 聞龍.面向智能網聯汽車的高性能計算仿真平臺[D].成都：電子科技大學，2020.

[2] 孟天闖，李佳幸，黃晉，等.軟件定義汽車技術體系的研究[J].汽車工程，2021，43（4）：459-468.

[3] 史延雷，孟慶浩，龔進峰，等.智能網聯汽車硬件在環虛擬仿真實驗平臺設計開發[J].實驗技術與管理，2021，38（7）：125-128，134.

[4] 袁也，關志偉，侯海晶，等.基于智能網聯汽車環境感知系統的教學微課開發研究[J].教育現代化，2019，6（19）：176-181.

[5] Mahmoud，Arafat.Benefits of connected vehicle signalized left-turn assist：simulation-based study[J].Transportation Engineering，2021，4：100065.

[6] 李然，姚艷南，呂吉亮.高職院校智能網聯汽車專業建設方案探究[J].職業教育研究，2019（10）：49-53.

[7] 王麗新，李玉龍.高職院校“崗課賽證”綜合育人的內涵與路徑探索[J].中國職業技術教育，2021（26）：5-11.

[8] 稅永波.高職汽車“課崗證賽”融合視域下課程功能的多目標優化研究[J].裝備制造技術，2021（2）：153-155.

[9] 王虹霞，高瑞娟，谷志朋，等.智能網聯汽車背景下的車輛專業教學改革和探索[J].汽車維修與保養，2021（4）：80-81.

【通聯編輯：王力】