基于虛擬資源在汽車碰撞測試實驗上應用與探索

劉義付 孫瑞霞

黃河交通學院 汽車工程學院 河南省焦作市 454950

1 汽車試驗學課程概述

汽車從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有百年的發(fā)展歷程，一個世紀以來汽車交通事故也是不斷增加。汽車碰撞是現(xiàn)在中國乃至國際上最主要的道路交通事故形式，由于汽車本身速度和重量的原因，已經(jīng)造成了巨大的生命與財產(chǎn)損失。如何提高車身結構的安全性，更好的保護司機和乘客的人生安全，需要各級科研機構以及高校從事車輛工程專業(yè)學生加大對汽車試驗學課程的研究和實踐。

汽車試驗學是汽車工程學院車輛工程、能源與動力工程等專業(yè)學生在第七學期開展的專業(yè)核心課，主要的授課內(nèi)容是將汽車試驗的基本原理、基本測試設備、測試方法進行學習[1]。課程對于車輛工程專業(yè)具有非常重要的理論意義和現(xiàn)實意義，對于應用型本科而言，是貼近與社會發(fā)展的一個重要方法，是提高學生對于汽車整體認識的特殊途徑。

2 汽車試驗學實踐環(huán)節(jié)的組成

汽車工程學院在2019版人才培養(yǎng)方案中，通過和社會汽車行業(yè)發(fā)展的調(diào)研，結合學院的具體情況汽車試驗學是一門32學時，有6個學時課內(nèi)實驗的專業(yè)課程的，其中有一個2學時的汽車碰撞測試試驗。通過汽車碰撞測試試驗，使學生掌握汽車碰撞測試的具體過程，了解汽車碰撞試驗室的各種設備，掌握汽車被動安全的評價標準，對汽車碰撞常見的技術指標進行合理分析和歸納，并對常見安全缺陷進行初步的分析。本實驗具體教學目的如下：

第一、增進學生對所學課程《汽車試驗學》理論知識的理解，理論聯(lián)系實踐，逐步培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力；

第二、熟悉車輛碰撞實驗的基本原理、方法、流程，可以根據(jù)國家相關標準開展汽車安全性方面評價的基本能力；

第三、掌握被動安全與主動安全的主要作用，在實際碰撞過程中的主要作用；

第四、根據(jù)后退距離-車速關系曲線、碎片面積-車速關系曲線等，對汽車碰撞的主要技術指標進行分析，并對汽車安全性改進提出科學建議的能力；

第五、通過對國產(chǎn)汽車、國外汽車安全性發(fā)展的對比，增強四個自信，立志為社會主義貢獻力量。

3 常規(guī)汽車碰撞測試的局限性

雖然本試驗具有非常重要的理論意義，但是現(xiàn)實中開展本試驗具有很大的局限性，主要分為：

第一、實車碰撞場地的造價非常昂貴。現(xiàn)在各個專業(yè)的汽車制造廠家都建設有符合國家相關標準的汽車碰撞實驗室，目的就是可以方便的掌握被測試汽車第一手資料，有利于以后車輛的改進，為后續(xù)的量產(chǎn)和優(yōu)化提供科學依據(jù)。但是建設一個符合要求的汽車碰撞實驗室基本需要幾百萬左右，一次投入成本很高，不方便讓院校參觀學習，給實際的實習帶來了很大的困難。

第二、實車碰撞的視頻資料不適宜公開。由于汽車碰撞大部分都是汽車廠家在研車型，汽車內(nèi)部構造的缺陷設計到商業(yè)秘密等，不適合讓學校學生學習。同時，由于每次碰撞的時間都是以毫秒計算，因此一般的人眼是無法進行觀測的，需要結合高速攝像機的慢放才能進行觀察，這些給實際的實習帶來很大的不方便。

第三、一次真車汽車碰撞一般需要準備的時間較長，學生的參與度很低。一次碰撞從開始進行各種準備，包括各種標定、傳感器的固定等，到最后的實際實施，一般需要數(shù)天的準備。試驗過程復雜、學生的參與度低，重復性很差。同時，學校不會離實驗室非常近，考慮到組織時間，每次真正的實習時間會比較短，實習效率不是非常高。

4 虛擬仿真資源進行汽車碰撞測試的優(yōu)點

通過以上的分析可以看出，普通高校開展本實驗具有很大的局限性，包括一次性投入大、時間長等，因此可以采用虛擬仿真資源進行替代。開展三維汽車碰撞虛擬仿真實驗，具有很突出的優(yōu)點[2]：

第一、虛擬仿真測試需要投入的成本要比實車要少，且可以重復使用。虛擬資源建立和實驗室的建設基本上都是一次投入，多次使用，和一次實車碰撞相比，經(jīng)濟性非常好，符合現(xiàn)在高校發(fā)展的方向。

第二、虛擬仿真測試的安全性極高。汽車碰撞測試在實際的進行中，由于碰撞是能量的轉化是在極端時間內(nèi)完成的，因此其危險系數(shù)很高，虛擬仿真測試可以在實驗室內(nèi)完成，安全方面有很好的保證。

第三、虛擬仿真資源可以豐富教學方法。采用虛擬資源進行授課，對于培養(yǎng)熟悉汽車安全結構和安全保護技術的專業(yè)人才非常必要?！捌嚺鲎矞y試虛擬仿真實驗”基于真實車輛建立高精度數(shù)字化車輛仿真模型，完整再現(xiàn)實車碰撞實驗全過程，提供有效實驗數(shù)據(jù)，具有“以虛補實，虛實結合”的鮮明特色，實現(xiàn)“深度交互、理實融合”的教學效果。

5 汽車碰撞測試虛擬資源建設

虛擬仿真實驗的開展，首先需要建立汽車的三維模型。課題組和專業(yè)公司合作開展了本內(nèi)容的完成，實車模型的數(shù)據(jù)完全來自在售車型，增加了實驗的真實性，為實驗的開展奠定了應用型的基礎。通過對汽車碰撞測試實驗主要工序及實際樣車主要參數(shù)而建立的可視化3D模型，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，以不同的速度等參數(shù)再現(xiàn)交通事故的方式，分析汽車在碰撞過程中乘員及車輛傷害狀態(tài)，從不同的受損情況分析汽車結構安全性。使學生能夠觀察不同車速下的碰撞結果，并利用特殊的計算機展示技術，引導學生在基于數(shù)字化虛擬現(xiàn)實3D汽車模型的基礎上，通過分析結果可以改進車輛結安全構設計，完全體現(xiàn)了虛實結合、產(chǎn)教融合的原則。

圖1 汽車碰撞實驗虛擬資源封面圖

6 汽車碰撞測試虛擬資源教學實施

本實驗的教學實施過程也和普通的實驗有一定的區(qū)別。在實驗前，提出問題讓學生對汽車碰撞進行思考，而后開始虛擬實驗。根據(jù)《汽車試驗學》課程教學要求和實驗教學內(nèi)容，開展“汽車碰撞測試虛擬仿真實驗”的實驗教學[3]。該實驗運用虛擬車輛模型、虛擬駕駛員、虛擬儀器、虛擬實驗場，借助3D可視化技術、人機交互技術、智能網(wǎng)絡技術等現(xiàn)代信息技術，開展汽車碰撞測試虛擬仿真，使學生了解汽車碰撞測試實驗的基本內(nèi)容，掌握汽車碰撞測試實驗的操作流程和實驗數(shù)據(jù)分析方法，深入理解影響汽車碰撞測試的主要因素。

學生通過局域網(wǎng)電腦登錄汽車碰撞實驗虛擬仿真實驗平臺，在教學資料中獲取汽車碰撞實驗流程介紹、主要實驗設備等資料，進行學習。在實驗前，可以通過系統(tǒng)先了解汽車碰撞的概況、實驗目的、實驗安全要求等基本問題，然后開始實驗。學生選擇進入不同的碰撞類型，按照系統(tǒng)提示的實驗步驟進行汽車碰撞實驗的準備工作，在此過程中可以按照之前學習的理論知識對汽車的各種實驗參數(shù)和實驗儀器進行選擇和設定。同時，學生可以全方位多角度觀察汽車模型，調(diào)整拍攝角度等。準備工作結束后，按照系統(tǒng)的提示進行碰撞實驗，并在實驗后對實驗過程具體參數(shù)進行分析和總結，對碰撞指標后退距離、碎片面積、凹陷深度等進行數(shù)據(jù)處理和分析，此部分為電腦自動評分。對各種不同碰撞的主動安全措施和被動安全措施進行對比，針對汽車安全體系提出學生自己的解決方案，本部分由教師人工批改評分；每位實驗的學生還要寫出實驗總結，才能提交實驗報告，獲得成績。

使用者還可以通過佩戴VR眼鏡，利用眼鏡與手柄結合操作，VR眼鏡用來實現(xiàn)虛擬車輛場景畫面，手柄代替鼠標和其他工具進行操作，使用者有身臨其境的感受。

最后，在實際實驗的實施過程中，課程的考核也進行了一定的創(chuàng)新主要內(nèi)容見表1。按照實際得分，給出等級（90分以上優(yōu)秀，80-90分良好，70-79分中等，60-69分及格，低于60分不及格）。

表1 汽車碰撞測試虛擬資源教學考核明細表

7 汽車碰撞測試虛擬資源教學特色

基于虛擬仿真資源來進行汽車碰撞測試和傳統(tǒng)的教學相比，具有一定的特色，主要表現(xiàn)在：

第一、有一定的時代先進性。

（一）全面融合數(shù)字虛擬儀器、虛擬實驗室、三維場景與人機在線交互等技術，實驗項目易學易用、界面友好，學生參與度高、沉浸性強，解決了該項目實驗過程復雜、實驗器材昂貴、學生參與度低，實體教學實驗難以開展的突出問題，具有“以虛補實，虛實結合”的鮮明特色。

（二）不斷融入吸收最新教學實踐和科硏成果，開發(fā)的仿真模型與實車具有相同的幾何結構、軸荷分配、車身材料屬性設置等，同時與企業(yè)實際生產(chǎn)和測試部門相結合，將產(chǎn)教融合理念深度融合在學生的本科教育當中，體現(xiàn)了實踐的先進性和科學性。最后，由于實驗中采用的是真實案例教學，因此加深了學生對汽車碰撞知識的更深入理解，還加強了解決實際工程問題的能力。

（三）在進行實踐的過程中，通過對比國產(chǎn)汽車和其他汽車碰撞結果，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)汽車在這方面不比他們差。加入課程思政元素，提高學生道德標準，堅持把立德樹人作為教育的中心環(huán)節(jié)，將思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現(xiàn)全過程育人。

第二、教學方法有一定的創(chuàng)新。

實驗時，通過VR虛擬現(xiàn)實場景中汽車碰撞實驗流程的2D/3D形態(tài)特征，結合實驗地實景展示，啟發(fā)式教學，讓學生有親臨其境的真實感受。通過主要車輛部件的3D動態(tài)觀察，可全方位、多角度了解汽車碰撞過程中關鍵部件的作用、外形結構、碰撞時的變形等，引導學生自主學會碰撞實驗的全部流程，根據(jù)現(xiàn)實需要選擇合適的工藝設備，參看相關標準對汽車結構安全提出個人見解，解決了部分實際工程問題，達到了應用型本科教育的目的[4]。

同時，通過系統(tǒng)互動平臺，教師還可在線指導學生，解答學生在實驗中遇到的問題。最后，本系統(tǒng)還可以開展線上真人競賽模式，支持多人交互。這種不受時間、地點限制的VR虛擬實驗模式，不僅激發(fā)學生的學習興趣，而且提高學生的自主學習能力，學習效果明顯。

第三、評價體系創(chuàng)新。

汽車碰撞實驗是一個汽車類專業(yè)實驗項目，要求學生掌握汽車碰撞的類型、碰撞實驗流程、碰撞實驗主要參數(shù)的設定、結構上常見缺陷改進的方法等。

該虛擬實驗系統(tǒng)自動記錄學生實驗操作過程和實驗數(shù)據(jù)使用過程，進行綜合評價得到學生的實驗成績。學生完成實驗后，還必須在虛擬仿真實驗系統(tǒng)上完成實驗報告，老師在線上對學生提交的實驗報告進行綜合評價。

該實驗項目在開放式虛擬仿真實驗教學管理系統(tǒng)和共享平臺上運行，教師可利用該平臺在線上安排學生預習、指導學生實驗和批改實驗報告并與學生互動交流，實現(xiàn)了全流程、一體化、交互式的教學管理與評價。

第四、對傳統(tǒng)教學的延伸與拓展。

本實驗項目在《汽車構造》、《汽車實驗學》等課程基礎上，運用3D仿真VR在線交互等現(xiàn)代教學技術，通過三維交互虛擬仿真實驗系統(tǒng)的轉換和優(yōu)化，學生可在三維場景下開展“汽車碰撞測試虛擬仿真實驗”，學習汽車正面和側面碰撞實驗的基本內(nèi)容、儀器設備、操作步驟和數(shù)據(jù)分析方法，實現(xiàn)對傳統(tǒng)理論教學和實驗教學的延伸和拓展。同時，增加課題思政的元素，采用啟發(fā)式教學，培養(yǎng)學生“四個自信”，完成立德樹人的教育目標。

8 汽車碰撞測試虛擬仿真資源教學總結

汽車碰撞測試虛擬仿真實驗通過構建汽車三維模型，以工程實際問題的處理流程為依據(jù)，結合現(xiàn)代科技再現(xiàn)汽車碰撞測試的完整過程，讓學生在虛擬環(huán)境中感受和學習本實驗，貼合時代發(fā)展，激發(fā)了學生的學習熱情，提高了學生的參與度。在實驗的過程中，通過項目驅(qū)動的預習方式，提高學生學習的主動性，對課程考核進行一定的改革，達到了“以虛補實，虛實結合”的目的，可以給其他對時間要求高、安全要求高、資金投入高的實驗環(huán)節(jié)起到一定的借鑒意義。