智能车辆专业虚拟仿真实训平台的探索与思考＊

夏利红，杨智宇，王旭东

（1.重庆工商大学机械工程学院，重庆400067；2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆401122）

智能网联汽车是汽车与信息技术两大产业创新融合的代表，是新一轮科技革命和产业变革背景下的新生事物，也是国际公认的未来汽车产业发展的方向。智能网联汽车功能定义复杂，行为环境多样，涉及乘客、驾驶员、车辆、交通、基础设施等多个交互维度。由于交通事故的小概率特征，验证智能网联汽车比人类驾驶更安全需要至少110亿mile（1 mile≈1.6 km）的公开道路测试[1]。传统道路测试和场地测试已无法满足其测试验证需求，需要结合虚拟仿真测试技术。虚拟仿真测试由于其测试场景可定制、测试数据全息、测试效率高，已成为智能网联汽车测试验证的核心手段。企业急需具备智能网联汽车虚拟仿真技术背景的专业人才。然而目前本科或大专院校培养的车辆工程专业人才普遍缺乏系统性的智能网联汽车知识储备。同时还存在实践能力不强、实践知识运用不娴熟、实践意识不够等问题，进入企业后需要较长时间的再培养、再教育才能胜任智能网联汽车的相关工作，究其根源主要在于实践课程体系不完善。

2017年教育部颁发的《关于开展新工科研究与实践的通知》强调了工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系，旨在提高高校人才培养和创新创业能力。研究表明，充分利用虚拟仿真实验教学平台，可以弥补许多真实实验项目受场地、成本、安全等因素制约的缺陷，解决目前学生工程实践能力缺乏和创新意识淡薄的核心问题，缓解教学内涵相对于产业发展水平滞后的现状，对于探索专业教学新模式、培养创新型人才具有重要而深远的意义[2-5]。

本文对比分析了智能网联汽车方向的人才需求和现有高校车辆工程的实训课程体系，提出了一种智能网联汽车虚拟仿真实训平台架构，为智能网联汽车背景下的车辆工程专业的实践教学和创新型人才培养提供一种新的模式和理念。

1 智能网联汽车虚拟仿真实训平台的架构设计

目前车辆工程专业的虚拟仿真教学实践平台主要是针对传统车辆工程专业的理论与实践教学，如图1所示，主要包括汽车构造原理及拆装虚拟仿真实验教学平台、汽车性能虚拟仿真实验教学平台、汽车电子和测试技术虚拟仿真实验教学平台、新能源汽车虚拟仿真实验教学平台等[5]。上述虚拟仿真实验平台可以有效地提高车辆工程专业关于车辆结构、原理、设计、性能测试与制造等相关理论知识和实践能力的培养质量和教学效果，但不能满足智能网联汽车专业的理论和实践教学要求。

图1 传统车辆工程专业的虚拟仿真实验平台

2020-11-11由清华大学李克强教授发布的《智能网联汽车技术路线图2.0》[6]提出了智能网联汽车的新“三横两纵”技术架构，如图2所示，“三横”指车辆关键技术、信息交互关键技术与基础支撑关键技术，“两纵”则指支撑智能网联汽车发展的车载平台与基础设施。其中车辆关键技术包括环境感知、智能决策、控制执行以及系统设计等技术。在智能网联汽车的大背景下，车辆工程专业的学生应该掌握环境感知、智能决策、控制执行以及系统设计等相关理论知识和实践能力。然而，现有传统车辆工程专业的虚拟仿真实验平台无法满足对环境感知、智能决策、控制执行以及系统设计等智能网联汽车相关理论教学和实践培训的需求。因此，非常有必要在传统车辆工程专业虚拟仿真实训平台的基础上，增加智能网联汽车虚拟仿真模块。

图2 智能网联汽车的“三横两纵”技术架构[6]

智能网联汽车的“环境感知、智能决策、控制执行以及系统设计”等关键技术的研发与测评过程中需要系统动力学软件、场景建模软件、传感器建模软件以及控制器建模软件等多个专业软件来支撑。如CarSim、CarMaker、VTD、PreScan、VISSIM、SUMO、Matlab/Simulink等。对学生开展上述软件的教学和培训需要非常高的时间和金钱成本。建立合理的智能网联汽车虚拟实训平台可以让学生不受时间和空间的限制自主完成智能网联汽车技术的学习和虚拟仿真实训任务，提高教学质量和教学效率，同时有利于开展线上线下混合式教学以及“问题和项目为导向”的“探究式”教学等先进教学方法。如图3所示，该智能网联汽车虚拟仿真实训平台支持智能网联汽车多个相关理论和实训课程的教学。

图3 智能网联汽车虚拟仿真实训平台支撑的理论和实训课程

依托虚拟仿真软件、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建智能网联汽车虚拟仿真教学平台，其架构设计如图4所示。基于该平台，将智能网联汽车的“环境感知、智能决策、控制执行”等算法开发和虚拟仿真测试验证的相关理论知识、方法和工程经验有机地融合到智能网联汽车的“教”与“学”环节。教师在教师操作端上传自动驾驶虚拟仿真实训的任务，发布需要仿真的自动驾驶系统的功能、本次仿真实训的目标以及评分标准，同时根据教学任务在相应功能模块进行实训演示，最后通过教师操作端查阅学生实训的结果数据，并进行评价。学生在学生操作端认领虚拟仿真实训任务，进入相应的仿真模块进行实训操作，并保存和上传实训的结果数据。

图4 智能网联汽车虚拟仿真实践教学平台架构

2 智能网联汽车虚拟仿真实训平台的教学方法探索

智能网联汽车相关的理论知识难度较大，如果采用传统单一的“教师教，学生学”方式，学生很容易产生畏难情绪。因此利用该智能网联虚拟仿真平台，采用“线上-线下”相结合以及“理论-实践”相结合的混合式教学。通过案例教学、任务教学以探究式教学等多种方式开展“教、学、做”理实一体化教学模式，将以学生为中心的教学方式落到实处，培养科研兴趣，夯实知识基础，提高创新能力。基于智能网联汽车虚拟仿真实训平台的教学过程可规划为线上线下理论教学、单一浸入式实训和小组团队项目式实训三个环节。

线上线下理论教学：线下理论教学过程中遇到抽象难懂的理论模型或数学公式，通过线上建立模型，并以仿真动画的方式给学生深入讲解理论模型背后的含义，加深学生对理论知识的理解和掌握。

单一浸入式实训：分别对“驾驶场景”“视觉传感器”“毫米波雷达”“激光雷达”“车辆识别”“行人识别”“道路识别”“交通标志识别”“交通信号灯识别”“导航定位”“车辆运动控制”等知识点进行浸入式的仿真实践训练。

小组团队项目式实训：分别针对“前向碰撞预警系统”“车道保持辅助系统”“自动制动辅助系统”“自适应巡航控制系统”以及“路径跟踪系统”等项目进行小组团队仿真实训，以小组为单位确认工作任务和实施方案，确认小组成员分工，最后进行整体项目实 践的考核。

3 结语

智能网联汽车是汽车与信息技术两大产业创新融合的代表，是新一轮科技革命和产业变革背景下的新生事物。智能网联汽车的发展对车辆工程专业的培养目标提出了新的要求。由于现有车辆工程专业的实践课程体系不完善，导致目前本科或大专院校培养的车辆工程专业人才普遍缺乏系统性的智能网联知识储备和实践能力。建立智能网联汽车虚拟仿真实训平台，结合线上线下混合式教学、“浸入式”以及“探究式”等先进的教学方法，开展“教、学、做”理实一体化教学模式，把以学生为中心的教学方式落到实处，培养科研兴趣，夯实知识基础，提高学生在智能网联汽车专业的创新能力，为智能网联汽车背景下的车辆工程专业的实践教学和创新型人才培养提供一种新的模式和理念。