基于智能交通系統(tǒng)的車路一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)探索

李 旭，王建春，李玉善，劉海青

基于智能交通系統(tǒng)的車路一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)探索

李 旭，王建春，李玉善，劉海青

（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590）

針對(duì)交通工程、車輛工程、交通運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)，研究基于智能交通系統(tǒng)的車路一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)方案。在分析平臺(tái)建設(shè)的意義的基礎(chǔ)上，探索了車路一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的智能電動(dòng)車、智能道路交通信息和智能車路協(xié)同3個(gè)實(shí)踐教學(xué)子平臺(tái)的建設(shè)方案。結(jié)合該平臺(tái)，探討建立并實(shí)施有效的跨學(xué)科跨專業(yè)人才培養(yǎng)方式。

智能交通系統(tǒng)；車路一體化；實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)；跨專業(yè)人才培養(yǎng)

中國(guó)的汽車保有量近幾年增長(zhǎng)迅速，在給人們的生活帶來便利的同時(shí)，也帶來了很多問題，如環(huán)境污染、交通擁堵、交通事故、公共安全管理混亂等[1-2]。為解決這些問題，先進(jìn)的一體化智能交通綜合管理系統(tǒng)發(fā)展迅速。利用該系統(tǒng)，通過車載傳感系統(tǒng)和信息終端實(shí)現(xiàn)與人—車—路—云等的信息交換，使車輛具備智能的環(huán)境感知能力，使之能夠自動(dòng)分析車輛行駛的安全和及時(shí)處理突發(fā)狀況。通過AI（人工智能）替代人為操作，實(shí)現(xiàn)車輛按照人的意愿到達(dá)目的地并獲得良好的交互體驗(yàn)。智能車輛在道路上安全行駛，道路智能系統(tǒng)將交通流量調(diào)整至最佳狀態(tài)，管理人員對(duì)道路、車輛的行蹤將掌握得一清二楚[3-4]。未來中國(guó)智能網(wǎng)聯(lián)汽車將與中國(guó)新一代智能交通系統(tǒng)深度融合，逐步搭建智能交通服務(wù)層、智能交通設(shè)施層和智能交通終端層，以滿足智慧城市發(fā)展的需要[5]。

作為交通和車輛人才的培養(yǎng)單位，應(yīng)結(jié)合國(guó)情和未來發(fā)展需要，逐步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)利用新技術(shù)、新手段，綜合掌握智能交通和智能網(wǎng)聯(lián)汽車核心研發(fā)技術(shù)，立足智能車輛和智能交通的協(xié)同創(chuàng)新。研究合理搭建基于智能交通系統(tǒng)的車路一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，培養(yǎng)儲(chǔ)備具有我國(guó)特色的新一代智能交通和車輛設(shè)計(jì)研發(fā)的人才，滿足當(dāng)前新舊功能轉(zhuǎn)換和“新工科”發(fā)展的人才培養(yǎng)需要[6]。

1 車路一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的意義

1.1 平臺(tái)建設(shè)符合復(fù)合型“新工科”人才培養(yǎng)的要求

相對(duì)于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。教育部頒發(fā)的文件中，“新工科”的主要研究?jī)?nèi)容被歸納為“五個(gè)新”，即工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系。互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化，工業(yè)智能化，工業(yè)一體化將是未來工業(yè)的主要發(fā)展方向。作為未來工業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)支持力量，高校要順應(yīng)新工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，主動(dòng)布局面向未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)[7-9]。

1.2 平臺(tái)建設(shè)有助于研究跨學(xué)科跨專業(yè)的復(fù)合型人才培養(yǎng)模式。

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校工科學(xué)生的培養(yǎng)依然按照各專業(yè)的培養(yǎng)方案進(jìn)行獨(dú)立培養(yǎng)，相關(guān)專業(yè)間缺乏有效的聯(lián)系與溝通，學(xué)生掌握的知識(shí)比較單一，不符合“新工科”復(fù)合型人才培養(yǎng)的要求[10-11]。并且各專業(yè)培養(yǎng)過程中，教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，不能準(zhǔn)確把握學(xué)科前沿，與社會(huì)實(shí)際發(fā)展脫節(jié)，畢業(yè)學(xué)生不能很好地適應(yīng)社會(huì)需求。

當(dāng)前許多高校相繼在交通工程、車輛工程、交通運(yùn)輸?shù)葘I(yè)中開設(shè)了“智能交通系統(tǒng)”“車載網(wǎng)絡(luò)”“智能車輛”等本科生及研究生課程，搭建了應(yīng)用基于智能交通系統(tǒng)的車路一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，打通這些專業(yè)的限制，研究相關(guān)專業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)模式，這符合高校教學(xué)改革環(huán)境下創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求[12-13]。

各專業(yè)學(xué)生可以在所學(xué)專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)智能電動(dòng)汽車和智能交通系統(tǒng)的核心模塊進(jìn)行實(shí)踐操作，熟悉智能車路系統(tǒng)的核心技術(shù)，了解學(xué)科發(fā)展前沿。同時(shí)，結(jié)合該平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐過程的“研究性、自主性、開放性”，提升學(xué)生創(chuàng)新能力。學(xué)生可以在熟悉平臺(tái)基本功能及核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用平臺(tái)所提供的各模塊的二次開發(fā)接口，自主進(jìn)行平臺(tái)功能的拓展和完善，滿足學(xué)生參加交通和車輛的實(shí)踐創(chuàng)新大賽的需要，提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。該實(shí)踐平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同，培養(yǎng)跨學(xué)科、跨專業(yè)的復(fù)合型人才，符合“新工科”人才培養(yǎng)要求，滿足社會(huì)發(fā)展需求。

2 車路一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)方案

2.1 平臺(tái)的總體方案

搭建以智能電動(dòng)汽車為終端的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，使車聯(lián)網(wǎng)、智能交通的核心技術(shù)在平臺(tái)上能夠分模塊單獨(dú)展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同，滿足車輛工程、交通工程、交通運(yùn)輸、物流工程各專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的需求。該平臺(tái)由智能電動(dòng)車、智能交通信息和智能車路協(xié)同3個(gè)實(shí)踐教學(xué)子平臺(tái)組成，總體方案如圖1所示。

圖1 車路一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的總體方案

2.2 子平臺(tái)建設(shè)方案

2.2.1 智能電動(dòng)車實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

該平臺(tái)主要由數(shù)據(jù)中心、北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)、智能電動(dòng)車組成（見圖2），核心部分包括：

（1）數(shù)據(jù)中心模塊。數(shù)據(jù)中心包括大屏幕、沉浸式駕駛艙、科研設(shè)備和服務(wù)器4部分組成，如圖3所示。大屏幕通過液晶拼接可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)圖像和視頻圖像信息的綜合顯示，形成一套功能完善、技術(shù)先進(jìn)的信息顯示管理控制系統(tǒng)，滿足指揮、調(diào)度、監(jiān)控的各種需要，并取代現(xiàn)有的模擬屏，為監(jiān)控、指揮提供一個(gè)交互式的靈活系統(tǒng)，以適應(yīng)不斷發(fā)展的監(jiān)控、調(diào)度工作的要求，及時(shí)做出判斷和處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和集中控制的目的。沉浸式駕駛艙遠(yuǎn)程操控與智能駕駛的完美結(jié)合，為操作者帶來遠(yuǎn)程駕駛的樂趣。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成

圖3 數(shù)據(jù)中心的組成

（2）電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模塊。系統(tǒng)考慮采用與實(shí)際電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)及控制類似的系統(tǒng)組成，能夠直觀、真實(shí)地模擬電動(dòng)汽車的實(shí)際組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況，并能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析，能夠滿足學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)的需求。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻器、控制系統(tǒng)、動(dòng)力電池，如圖4所示。動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器的性能對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車的性能起到至關(guān)重要的作用。

完整的驅(qū)動(dòng)模擬系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及負(fù)載，集成了高性能的扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器?；贑AN-bus的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠完成對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)；基于CANopen網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以集成基于CAN-bus總線的BMS系統(tǒng)；該平臺(tái)集成了國(guó)際領(lǐng)先的CAN總線分析單元，可對(duì)電動(dòng)汽車核心通信網(wǎng)絡(luò)CAN-BUS從協(xié)議層到應(yīng)用層等進(jìn)行多層次、全方位的測(cè)試分析。

（3）多系統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)實(shí)踐教學(xué)模塊。為滿足“新工科”需要，考慮搭建軟硬件的實(shí)訓(xùn)設(shè)備及環(huán)境如圖5所示，學(xué)生通過參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)及例程完成從傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用等原理的認(rèn)知和學(xué)習(xí)，通過實(shí)際操作學(xué)會(huì)各種導(dǎo)航技術(shù)。

圖4 電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖5 多系統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

學(xué)生通過各類豐富的實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作演練，學(xué)習(xí)處理器技術(shù)、傳感器技術(shù)、傳感網(wǎng)技術(shù)、嵌入式開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)等相關(guān)知識(shí)；可進(jìn)行分組演練，滿足學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)、應(yīng)用實(shí)訓(xùn)和創(chuàng)新大賽等的需要；還可以開放多種應(yīng)用項(xiàng)目源碼，供學(xué)生深入學(xué)習(xí)使用。多系統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)科研平臺(tái)可包括衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、激光雷達(dá)和視覺導(dǎo)航技術(shù)。

2.2.2 智能交通信息實(shí)踐教學(xué)子平臺(tái)的建設(shè)方案

結(jié)合學(xué)院已有智能交通硬件條件，搭建智能交通信息實(shí)踐平臺(tái)，如圖6所示。

圖6 交通信息實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)

（1）多元數(shù)據(jù)采集模塊。在山東科技大學(xué)-海信網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司聯(lián)合智能交通實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備基礎(chǔ)上，在校園園區(qū)信號(hào)燈路口安裝布設(shè)行業(yè)主流的交通檢測(cè)設(shè)備，包括地磁、線圈、視頻、雷達(dá)以及車載終端浮動(dòng)車采集設(shè)備，并在中心系統(tǒng)中開發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)展示前端軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)上傳、解析、存儲(chǔ)與可視。通過該模塊的搭建，可以為學(xué)生提供全面的交通信息采集與演示平臺(tái)，使學(xué)生對(duì)智能交通系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)輸入有直觀的認(rèn)知。

（2）數(shù)據(jù)挖掘模塊。通過對(duì)多元數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，識(shí)別數(shù)據(jù)存在的問題，并制定數(shù)據(jù)清洗策略，提取高質(zhì)量數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合交警、交委、公交/出租公司、出行者的應(yīng)用需求，充分利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，對(duì)交通管理決策信息、公交/出租業(yè)務(wù)決策信息和出行決策信息進(jìn)行挖掘，為上層應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。學(xué)生在使用該平臺(tái)時(shí)，可以結(jié)合業(yè)務(wù)處理需求，從數(shù)據(jù)挖掘內(nèi)容和方法兩個(gè)角度進(jìn)行理論創(chuàng)新研究，并結(jié)合實(shí)際交通數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用驗(yàn)證。

（3）數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊。面向交警、交委、公交/出租公司、出行者的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，在對(duì)多元數(shù)據(jù)進(jìn)行充分信息挖掘的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步搭建數(shù)據(jù)的創(chuàng)新應(yīng)用和可視化平臺(tái)，包括交通信號(hào)配時(shí)方案制定與交通流控制應(yīng)用、交管指揮調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用、交管勤務(wù)控制應(yīng)用、公交調(diào)度應(yīng)用、公交ERP應(yīng)用、出租監(jiān)管應(yīng)用、出行信息服務(wù)應(yīng)用等。學(xué)生不僅能夠?qū)λ鶎W(xué)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用演練，而且能以此平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)新研究，從而達(dá)到學(xué)以致用的目的。

2.3 智能車路協(xié)同實(shí)踐教學(xué)子平臺(tái)的建設(shè)方案

以上述為基礎(chǔ)，搭建智能車路協(xié)同實(shí)踐教學(xué)子平臺(tái)。

（1）車路通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)模塊。購(gòu)置并開發(fā)多模式車路通信終端設(shè)備，集成目前車路協(xié)同領(lǐng)域主流的無線傳輸方式，包括802.11p、LTE-V、Wi-Fi等，在同一個(gè)平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)多種通信模式并行。在此基礎(chǔ)上，完善并優(yōu)化不同通信模式下的車輛通信網(wǎng)絡(luò)物理、邏輯鏈路和路由等各層性能，尤其建立車輛自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，并結(jié)合交通信息數(shù)據(jù)傳輸需求，開發(fā)交通數(shù)據(jù)壓縮、傳輸、解析、存儲(chǔ)等軟件模塊，實(shí)現(xiàn)車—車和車—路數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。

（2）車輛智能化實(shí)踐教學(xué)子模塊。融合雙目視覺、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、智能車載診斷終端等車輛自身狀態(tài)及周圍環(huán)境感知設(shè)備，對(duì)道路物理環(huán)境、道路設(shè)施環(huán)境、天氣環(huán)境、周圍車輛和行人條件等方面進(jìn)行全面檢測(cè)，結(jié)合車輛CAN數(shù)據(jù)交互所獲取的車輛自身行駛狀態(tài)，為車路協(xié)同應(yīng)用提供基礎(chǔ)依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，充分挖掘面向提高交通效率和交通安全的車路協(xié)同應(yīng)用。在提高交通效率方面，結(jié)合海信智能交通實(shí)驗(yàn)室，建立主動(dòng)交通控制平臺(tái)；在提高道路安全性方面，結(jié)合電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車輛危險(xiǎn)事件檢測(cè)與預(yù)警，包括盲區(qū)預(yù)警、車道偏離預(yù)警、前向碰撞預(yù)警等。

3 車路一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)實(shí)施效果的評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

為了測(cè)試車路一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)教學(xué)及教學(xué)改革的效果，除了教師要隨時(shí)了解信息、根據(jù)教授課程進(jìn)行授課內(nèi)容劃分外，還考慮對(duì)后續(xù)平臺(tái)應(yīng)用效果設(shè)計(jì)有針對(duì)性的問卷調(diào)查，通過問卷結(jié)果能夠客觀地反映出平臺(tái)應(yīng)用的效果。

（1）客觀評(píng)價(jià)。首先，在全院范圍內(nèi)，根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，選取部分優(yōu)秀的學(xué)生參與平臺(tái)的搭建、應(yīng)用、創(chuàng)新等活動(dòng)。在此過程中，制定使用平臺(tái)的各個(gè)環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用表格逐項(xiàng)打分的形式，對(duì)各指標(biāo)分別設(shè)計(jì)非常滿意、滿意、基本滿意、不滿意、無法評(píng)價(jià)5檔，并分別賦予5、4、3、1、0的分?jǐn)?shù)。要求學(xué)生結(jié)合利用平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)和參加創(chuàng)新大賽的使用效果對(duì)平臺(tái)使用效果定量評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果及學(xué)生、學(xué)院等反饋意見，進(jìn)一步完善實(shí)施方案。

（2）主觀評(píng)價(jià)。以提問的形式給出，主要針對(duì)兩個(gè)方面，一是讓使用平臺(tái)的學(xué)生列出喜歡的方面；二是學(xué)生不太喜歡或不太滿意的方面，以改進(jìn)建議的形式給出。

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出了自主探索的車路一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)方案，后續(xù)將結(jié)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)劃，自主研發(fā)、先易后難，使其逐步完善。利用所搭建的平臺(tái)，進(jìn)一步擴(kuò)大相關(guān)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)范圍，接下來將繼續(xù)探索并形成一個(gè)可實(shí)施、有效的跨學(xué)科跨專業(yè)人才培養(yǎng)方案，未來考慮在相關(guān)學(xué)校實(shí)施并逐步推廣應(yīng)用。

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Exploration of vehicle-road integrated practical teaching platform based on intelligent transportation system

LI Xu, WANG Jianchun, LI Yushan, LIU Haiqing

(College of Transportation, Shandong University of Science and Technology, Qindao 266590, China)

In view of the training of the students majoring in traffic engineering, vehicle engineering and transportation, this paper studies the construction scheme of vehicle-road integrated practical teaching platform based on intelligent transportation system. Based on the analysis of the significance of the platform construction, three sub-platforms of practical teaching such as the intelligent electric vehicle, intelligent road traffic information and intelligent vehicle-road collaboration are explored. In combination with this platform, the establishment and implementation of effective inter-disciplinary and inter-professional personnel training methods are discussed.

intelligent transportation system; vehicle-road integration; practical teaching platform; interdiscipli-nary talent training

G482

A

1002-4956(2019)10-0018-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.005

2019-03-15

山東科技大學(xué)群星計(jì)劃項(xiàng)目（QX2018M50）

李旭（1970—），女，山東淄博，博士，副教授，研究方向?yàn)橹悄苘囕v控制。E-mail: wz1995@163.com