新工科背景下智能空地融合載具管控實(shí)驗(yàn)中心的建立與實(shí)踐

蔣珍菊，唐潔，劉克劍，何錫輝，李秋實(shí)

（西華大學(xué)，四川 成都 610039）

0 引言

交通是興國(guó)之要、強(qiáng)國(guó)之基。建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)，是滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要的必然要求，是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的內(nèi)在要求，是順應(yīng)世界交通發(fā)展大勢(shì)的客觀需要[1]。本文在新工科背景下構(gòu)建智能空地融合載具實(shí)驗(yàn)中心，打破傳統(tǒng)地面交通運(yùn)輸工具及地面交通運(yùn)輸管理體系的束縛，以人工智能飛速發(fā)展為牽引，將交通運(yùn)輸一級(jí)學(xué)科與航空宇航科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科進(jìn)行深度交叉，并融合新能源、新材料等新興領(lǐng)域的前沿技術(shù)，建設(shè)安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的空地一體交融平臺(tái)。建立融合多方資源，打造立體互聯(lián)、質(zhì)量卓越的空地融合載具的實(shí)驗(yàn)中心，引領(lǐng)我國(guó)交通領(lǐng)域的原創(chuàng)性技術(shù)突破，為我國(guó)重大經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展和為高校新工科建設(shè)添磚加瓦。

1 智能空地融合載具管控實(shí)驗(yàn)中心建立的必要性

1.1 智能空地融合載具管控實(shí)驗(yàn)中心建立是新工科建設(shè)的迫切要求

教育部于2016年提出了“新工科”建設(shè)，形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”等綱領(lǐng)性文件。我國(guó)工程教育發(fā)展迎來了新階段，在人才培養(yǎng)中貫穿高等教育新思維和人才培養(yǎng)新方式，在知識(shí)結(jié)構(gòu)體系中貫穿新業(yè)態(tài)、新技術(shù)，適應(yīng)新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，具有十分重要的戰(zhàn)略和現(xiàn)實(shí)意義。

為適應(yīng)新工科發(fā)展，培養(yǎng)引領(lǐng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新型工程科技人才，需要總覽“新的工科專業(yè)、工科的新要求”。建設(shè)注重學(xué)科、專業(yè)的實(shí)用性、交叉性、融合性與綜合性，強(qiáng)調(diào)信息新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合。對(duì)現(xiàn)有工科人才培養(yǎng)尤其是實(shí)踐教學(xué)體系進(jìn)行深入改革，促進(jìn)學(xué)科、專業(yè)深度交叉融合，改變傳統(tǒng)的工科專業(yè)過窄過細(xì)的弊端，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的水平和提高其科技創(chuàng)新能力，需要建立交叉融合的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)[2]。

1.2 智能空地融合載具管控實(shí)驗(yàn)中心建立順應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展需求

交通運(yùn)輸是指使用運(yùn)載工具將貨物或者旅客送達(dá)目的地，包括陸路交通運(yùn)輸、水路交通運(yùn)輸、航空交通運(yùn)輸和管道運(yùn)輸?shù)?，是世界各?guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，更是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈。國(guó)家指出要重點(diǎn)研究低空多用途通用航空飛行器等新型運(yùn)載工具，重點(diǎn)開發(fā)新一代綜合交通管理系統(tǒng)和信息平臺(tái)[3]。同時(shí)提出“要科學(xué)推廣改革試點(diǎn)，擴(kuò)大低空空域真高至3000米的目標(biāo)”，極大加快了低空開發(fā)步伐[4]。

西華大學(xué)于2017年將航空航天學(xué)科作為新增長(zhǎng)領(lǐng)域，在車輛工程、能源與動(dòng)力工程等國(guó)家級(jí)特色專業(yè)、交通工程四川省特色專業(yè)基礎(chǔ)上，大力引進(jìn)航空航天領(lǐng)域高端人才，為實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的交叉融合，建設(shè)西華特色的空地融合載運(yùn)工具及其應(yīng)用提供必要的保障。

1.3 智能空地融合載具實(shí)驗(yàn)中心建立是國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)必然結(jié)果

據(jù)空中客車公司預(yù)測(cè)，到2030年全世界的城市人口比例將從現(xiàn)在的50%上升到60%，屆時(shí)，城市及城市群之間的交通擁堵問題將愈發(fā)嚴(yán)重[5]。而互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和新能源技術(shù)等新業(yè)態(tài)快速發(fā)展，催生著新的交通方式變革。

飛行汽車用途非常廣泛，在應(yīng)對(duì)緊急情況方面如警用、消防、邊境巡邏、救援和急件投遞等有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。飛行汽車的實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化發(fā)展還面臨著性能、造價(jià)等方面的制約，建立智能空地融合載具實(shí)驗(yàn)中心，研究電動(dòng)化、智能化技術(shù)，推動(dòng)飛行汽車從設(shè)想走向?qū)嶋H應(yīng)用成為必然。空地融合載運(yùn)工具的技術(shù)成熟、走向規(guī)?；瘧?yīng)用，必須開發(fā)空地協(xié)同的低空管控系統(tǒng)，這既可以幫助空中載具避開任何空域的障礙，又能遵守管理飛行規(guī)則，保證空地交通的安全和高效。而以智慧交通為建設(shè)目標(biāo)，建立人工智能和交通運(yùn)輸?shù)葘W(xué)科深度融合的實(shí)驗(yàn)中心，是實(shí)現(xiàn)低空空域協(xié)同管控的必然。

2 智能空地融合載具管控實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)內(nèi)容

2.1 學(xué)科交叉創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)

實(shí)驗(yàn)中心為解決空地一體化載具復(fù)合空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和氣動(dòng)增升設(shè)計(jì)、油電混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能控制技術(shù)、短距/垂直起降推進(jìn)系統(tǒng)、基于5G的空地通信技術(shù)及管理等關(guān)鍵技術(shù)，提出總體設(shè)計(jì)、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、材料等多學(xué)科綜合新能源動(dòng)力技術(shù)、智能飛控技術(shù)等理論，建立空地一體化、空地混合動(dòng)力，綜合控制以及智能交通系統(tǒng)。

經(jīng)過綜合平臺(tái)的聯(lián)網(wǎng)使智能空地融合載具成為真正融合信息大數(shù)據(jù)的學(xué)科交叉創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中心，學(xué)科創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)面向全校學(xué)生，支持跨學(xué)科的大學(xué)生“三創(chuàng)”活動(dòng)和學(xué)科競(jìng)賽，切實(shí)服務(wù)人才培養(yǎng)，形成了如圖1所示包括載具總體設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)、綜合控制系統(tǒng)和智能交通管理系統(tǒng)等的中心學(xué)科交融體系。

2.2 虛實(shí)結(jié)合平臺(tái)體系建設(shè)

中心以現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，結(jié)合低空空域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)的需求，通過虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式，搭建虛仿實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)統(tǒng)一的實(shí)踐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于智能空地融合載具的工程研究，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。通過虛仿實(shí)驗(yàn)，解決載具設(shè)計(jì)高成本問題。通過模擬低空空域條件下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在技術(shù)參數(shù)中設(shè)置不同外部環(huán)境的影響，讓每個(gè)學(xué)生都有反復(fù)操作和獨(dú)立思考的鍛煉機(jī)會(huì)，通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析處理，提出新的模型，反復(fù)優(yōu)化方案，最后轉(zhuǎn)化為虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的教育目標(biāo)。

2.3 師資隊(duì)伍建設(shè)

中心采取內(nèi)培外引等措施，配備和培養(yǎng)具有豐富的教育教學(xué)改革和高水平科學(xué)研究的教師團(tuán)隊(duì)，一方面加大對(duì)青年教師的培養(yǎng)，將其深厚的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐成果；另一方面聯(lián)合相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域?qū)＜?，帶著課題進(jìn)入實(shí)踐中心，為學(xué)生提供多元化的知識(shí)能力培養(yǎng)路徑，促進(jìn)中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提升。

3 智能空地融合載具管控實(shí)驗(yàn)中心管理運(yùn)行探索

3.1 中心管理實(shí)行兩級(jí)管理模式

學(xué)校提供充分的制度保障，在資源分配上確保實(shí)踐平臺(tái)人才計(jì)劃單列，形成了相對(duì)獨(dú)立的二級(jí)機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中心設(shè)立了由長(zhǎng)江學(xué)者為引領(lǐng)的國(guó)內(nèi)外知名專家及相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)帶頭人組成的實(shí)驗(yàn)中心核心團(tuán)隊(duì)，形成了實(shí)踐平臺(tái)的技術(shù)咨詢決策機(jī)構(gòu)。主任負(fù)責(zé)實(shí)踐平臺(tái)的總體規(guī)劃，各項(xiàng)目組實(shí)現(xiàn)各類人才交叉培養(yǎng)項(xiàng)目載體和實(shí)現(xiàn)路徑，將高水平復(fù)合型人才培養(yǎng)目標(biāo)貫穿實(shí)驗(yàn)中心運(yùn)行全周期。

3.2 中心實(shí)施開放運(yùn)行模式

實(shí)驗(yàn)中心以人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，采取自主研發(fā)和產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同作用等方式，引進(jìn)龍頭企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、政府相關(guān)部門聯(lián)合承擔(dān)人才培養(yǎng)和進(jìn)行智能空地融合載具及管控技術(shù)和裝備研發(fā)。實(shí)驗(yàn)中心通過政府、科研院所、相關(guān)企業(yè)和專業(yè)實(shí)踐基地深度合作，形成面向?qū)W生團(tuán)體的多個(gè)開放課題，以“三創(chuàng)”項(xiàng)目為基礎(chǔ)，推廣智能空地融合載具及管控相關(guān)新技術(shù)、新產(chǎn)品和新裝備。實(shí)驗(yàn)中心以專業(yè)實(shí)踐、工程實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心的探究式學(xué)習(xí)模式為目標(biāo)，系統(tǒng)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重構(gòu)，教學(xué)方式和教學(xué)手段變革，支撐機(jī)械類、交通運(yùn)輸工程類、動(dòng)力工程類、電氣工程類、計(jì)算機(jī)類等專業(yè)群課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為培養(yǎng)面向未來智能空地融合載具的設(shè)計(jì)、制造及具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神及和跨界融合的復(fù)合型創(chuàng)新型人才提供實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。

4 結(jié)語

實(shí)踐中心的建立以國(guó)家對(duì)智能空地交通的戰(zhàn)略需求為目標(biāo)，以空地融合載具管控實(shí)驗(yàn)中心為核心，分解人才培養(yǎng)單元，通過學(xué)科交叉融合，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供智力支撐。在實(shí)踐平臺(tái)中，通過研究成果提出行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，為學(xué)校培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)，具有創(chuàng)新意識(shí)和精神的人工智能、新能源、新材料、低空空域領(lǐng)域的復(fù)合型、創(chuàng)新型新工科人才，促進(jìn)學(xué)校專業(yè)和學(xué)科建設(shè)。實(shí)驗(yàn)中心的建立既是服務(wù)國(guó)家軍民融合和交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的客觀需要，又是推動(dòng)四川省低空空域協(xié)同管理試點(diǎn)、促進(jìn)通航產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重要引擎，還是發(fā)展科技、綜合交通的重要舉措，具有十分重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。