智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)虛擬仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究

劉新廠 劉劍 羅家鑫

成都工業(yè)學(xué)院 汽車(chē)與交通學(xué)院 四川省成都市 610000

1 引言

實(shí)踐教學(xué)是高等教育人才培養(yǎng)方案中不可缺少的一環(huán)[1][2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專(zhuān)業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)虛擬仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)室堅(jiān)持“學(xué)科專(zhuān)業(yè)與信息技術(shù)深度融合”、以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力”為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn)，使學(xué)生在開(kāi)放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開(kāi)展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其對(duì)于那些涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[3][5]，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法以及手段等都產(chǎn)生了意義深遠(yuǎn)的顛覆性影響，同時(shí)建立了學(xué)生的“工程意識(shí)和系統(tǒng)集成”的思想，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力有了很大的提高[4]。

2 建設(shè)背景

隨著社會(huì)科技的迅猛發(fā)展，許多高校已經(jīng)將自己的車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案定位在了汽車(chē)電子以及智能網(wǎng)聯(lián)車(chē)方向[6][7]。現(xiàn)在智能網(wǎng)聯(lián)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)體系還未成規(guī)模，在未來(lái)的幾年，涉及到智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)相關(guān)人才將嚴(yán)重缺乏，高校開(kāi)設(shè)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)和課程，培養(yǎng)相關(guān)人才將越來(lái)越緊迫。作為人才輸出主力的全國(guó)各院校，紛紛推進(jìn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)相關(guān)專(zhuān)業(yè)建設(shè)，然而卻面臨諸多問(wèn)題：①智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)建設(shè)處在實(shí)踐探索階段，未形成統(tǒng)一的專(zhuān)業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)；②智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)缺少相對(duì)應(yīng)的師資；③智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)課程建設(shè)缺少頂層設(shè)計(jì)及可供參考的專(zhuān)業(yè)材料；④智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)室缺少系統(tǒng)規(guī)劃，設(shè)備使用率較低；⑤智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)中涉及高?；驑O端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗等問(wèn)題，難以提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，一方面可以緩解實(shí)驗(yàn)資源緊張的問(wèn)題，更重要的是可以開(kāi)設(shè)具有破壞性、危險(xiǎn)性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，而這些實(shí)驗(yàn)在常規(guī)下是難以完成的；另一方面利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不受物理場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及臺(tái)套數(shù)限制的特點(diǎn)，可以開(kāi)設(shè)廣泛的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)種類(lèi)，在相同的時(shí)間內(nèi)可增加學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)量，提高教學(xué)質(zhì)量。

3 建設(shè)思路

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心主要用來(lái)解決實(shí)際實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗等問(wèn)題。

建成以后不僅可以服務(wù)于車(chē)輛工程、汽車(chē)服務(wù)工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)工作，同時(shí)可以服務(wù)于我校的電子信息工程專(zhuān)業(yè)、通信工程專(zhuān)業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)等，新能源汽車(chē)構(gòu)造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心支撐課程如表1所示；同時(shí)能夠?qū)赢a(chǎn)業(yè)為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)和交通運(yùn)輸行業(yè)提供在職培訓(xùn)和業(yè)務(wù)考核，提升企業(yè)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，不斷增強(qiáng)中心輻射功能；也可以起到對(duì)中小學(xué)學(xué)生科普教育的作用服務(wù)于當(dāng)?shù)亟逃聵I(yè)。通過(guò)不斷的提升以及完善實(shí)驗(yàn)室中心建設(shè)內(nèi)容最終將中心建設(shè)成為國(guó)家級(jí)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心。

表1 新能源汽車(chē)構(gòu)造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心支撐課程

4 建設(shè)內(nèi)容

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)主要分為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理和共享平臺(tái)建設(shè)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理隊(duì)伍以及虛擬仿真研創(chuàng)中心建設(shè)，具體建設(shè)目標(biāo)如下：

4.1 打造“知識(shí)技能+文化素養(yǎng)”智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)虛擬仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

以培養(yǎng)“知識(shí)技能+文化素養(yǎng)”的新時(shí)代大國(guó)工匠為目標(biāo)，基于數(shù)字博物館資源，打造校級(jí)整體、共性的文化素養(yǎng)及課程思政數(shù)字化教育體系；基于VR虛擬仿真、精品課程資源，實(shí)現(xiàn)知識(shí)技能教學(xué)的全過(guò)程、全場(chǎng)景交互，有效解決學(xué)生主動(dòng)性不足、學(xué)習(xí)效果不佳、過(guò)程難感知、結(jié)果難評(píng)價(jià)的“兩不兩難”問(wèn)題，有效解決實(shí)訓(xùn)安全問(wèn)題，支撐翻轉(zhuǎn)課堂、形成性評(píng)價(jià)，并為智慧教學(xué)提供大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

①靜態(tài)圖編輯器建設(shè)

靜態(tài)地圖編輯器，包含靜態(tài)模型導(dǎo)入工具與道路編輯工具。靜態(tài)模型導(dǎo)入工具可以實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)模型在編輯器工作窗口內(nèi)的移動(dòng)、尺寸大小調(diào)整、旋轉(zhuǎn)、復(fù)制、刪除等編輯功能。其模型庫(kù)應(yīng)包含：綠化植物、城鎮(zhèn)建筑、鄉(xiāng)村建筑、地標(biāo)建筑、導(dǎo)流線、高速路出入口、交通燈、橋梁、路燈、護(hù)欄、停車(chē)位、施工設(shè)施與標(biāo)識(shí)、雪天道路建筑模型、典型地貌等；

道路編輯工具主要為實(shí)現(xiàn)道路的編輯功能，支持手動(dòng)創(chuàng)建和數(shù)據(jù)導(dǎo)入的方式開(kāi)發(fā)靜態(tài)場(chǎng)景，支持輸出道路描述文件和3D模型倉(cāng)庫(kù)。支持根據(jù)高精度地圖內(nèi)描述的元素自動(dòng)還原生成3D路面、車(chē)道線、停止線、人行橫道、信號(hào)燈、道路標(biāo)牌、綠化、建筑。

②動(dòng)態(tài)場(chǎng)景編輯器建設(shè)

動(dòng)態(tài)場(chǎng)景編輯器，可將仿真場(chǎng)景中動(dòng)態(tài)交通流按照自定義的方式進(jìn)行配置，可以方便快捷的實(shí)現(xiàn)測(cè)試場(chǎng)景的配置，包括移動(dòng)和靜止的物體。例如交通車(chē)輛、行人、靜止車(chē)輛、交通標(biāo)志、施工標(biāo)志、建筑物等；交通環(huán)境模型可自由設(shè)置光照、時(shí)間、天氣等功能。

動(dòng)態(tài)編輯器可自由構(gòu)建虛擬環(huán)境，復(fù)現(xiàn)測(cè)試場(chǎng)景；支持導(dǎo)入自動(dòng)駕駛算法，基于場(chǎng)景和動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行測(cè)試；測(cè)試環(huán)境可以根據(jù)測(cè)試內(nèi)容和主題進(jìn)行調(diào)節(jié)，如天氣、障礙物、路況等；算法測(cè)試接口與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接，保證測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)性。通過(guò)高度仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景現(xiàn)實(shí)化，車(chē)輛內(nèi)置動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛穩(wěn)定控制，提升算法測(cè)試準(zhǔn)確性。同時(shí)通過(guò)真實(shí)測(cè)試用例導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)特定測(cè)試場(chǎng)景的復(fù)原，并通過(guò)動(dòng)態(tài)模型調(diào)節(jié)和算法調(diào)整，實(shí)現(xiàn)同一場(chǎng)景的多維度測(cè)試，豐富特定場(chǎng)景測(cè)試面，提升測(cè)試效率。通過(guò)攝錄采集真實(shí)道路場(chǎng)景和測(cè)試場(chǎng)景，如高速公路、城市道路、超車(chē)場(chǎng)景、事故場(chǎng)景等。進(jìn)行仿真軟件的場(chǎng)景重現(xiàn)，生成基于真實(shí)案例的測(cè)試用例。用于自動(dòng)駕駛算法路測(cè)級(jí)別的優(yōu)化及效率提升。能夠較為容易的接入自動(dòng)駕駛感知、決策、控制系統(tǒng)。通過(guò)開(kāi)展自動(dòng)駕駛車(chē)輛真實(shí)測(cè)試用例的感知、決策算法的驗(yàn)證與測(cè)試，將算法與仿真平臺(tái)緊密結(jié)合形成閉環(huán)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)方可達(dá)到持續(xù)迭代和優(yōu)化的狀態(tài)，從而顯著提高自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試的里程數(shù)，滿足故障診斷功能和通信性能的測(cè)試需求。

③動(dòng)力學(xué)模塊建設(shè)

在仿真環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)特征的模擬，在平臺(tái)中根據(jù)不同的車(chē)型建立了一套完備的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，可選擇的車(chē)型有轎車(chē)、卡車(chē)、SUV、MPV、皮卡、客車(chē)等車(chē)型，實(shí)現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)先的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真。根據(jù)牛頓-歐拉公式構(gòu)建14個(gè)自由度的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真模型，包括動(dòng)力總成系統(tǒng)、車(chē)體系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、非線性輪胎模型、駕駛員模型、以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)的建模研究。我校師生可以在平臺(tái)中自行對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)和傳感器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

④算法測(cè)試模塊建設(shè)

算法測(cè)試過(guò)程形成標(biāo)準(zhǔn)化模板，對(duì)接主機(jī)廠測(cè)試實(shí)例，增強(qiáng)測(cè)試的實(shí)際應(yīng)用性。算法測(cè)試過(guò)程勻使用標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試流程，輔以嚴(yán)格審核系統(tǒng)，保證測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)性。目前自動(dòng)駕駛系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真已是自動(dòng)駕駛車(chē)輛測(cè)試和試驗(yàn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一，也是未來(lái)行業(yè)定義自動(dòng)駕駛車(chē)輛相關(guān)開(kāi)發(fā)流程與技術(shù)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)工具之一。同時(shí)，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)研究的深入，未來(lái)自動(dòng)駕駛仿真軟件正朝向豐富的交通場(chǎng)景庫(kù)、高精度車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型、產(chǎn)品級(jí)傳感器仿真、多樣化算法接口支持等方向發(fā)展。可以實(shí)現(xiàn)仿真測(cè)試的自動(dòng)化測(cè)試功能。完成功能模塊開(kāi)發(fā)，可支持如數(shù)據(jù)變量定義、信號(hào)配置、圖形化測(cè)試序列、測(cè)試信號(hào)圖形化輸出等。高校師生可以通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)仿真測(cè)試借助自動(dòng)化測(cè)試工具進(jìn)行高效的測(cè)試管理，并可對(duì)測(cè)試或自動(dòng)化測(cè)試過(guò)程中的測(cè)試監(jiān)控功能，實(shí)時(shí)地顯示測(cè)試進(jìn)度、測(cè)試內(nèi)容、測(cè)試信息、當(dāng)前測(cè)試結(jié)果等，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試過(guò)程的整體把控。

4.2 搭建“理、虛、實(shí)一體化”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和共享平臺(tái)

搭建滿足虛擬仿真軟件、視頻、圖片、電子課件等新媒體資源統(tǒng)一存儲(chǔ)與管理的平臺(tái)，打造以虛擬仿真教學(xué)管理云平臺(tái)為主體，以多媒體課件庫(kù)和虛擬仿真軟件庫(kù)為內(nèi)容的“一體兩翼”數(shù)字化資源體系，有效支撐在課堂、機(jī)房、車(chē)間等多種場(chǎng)景下，實(shí)施理論教學(xué)、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)、實(shí)物實(shí)訓(xùn)全過(guò)程、一體化教學(xué)。平臺(tái)對(duì)瀏覽量、轉(zhuǎn)存量、評(píng)分及留言管理、開(kāi)課情況、教學(xué)成果、新媒體資源數(shù)量等進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，形成對(duì)教學(xué)過(guò)程的“閉環(huán)控制”和教學(xué)效果的“形成性評(píng)價(jià)”；支持資源中英雙語(yǔ)版本切換，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容與用戶的國(guó)際化；具備對(duì)外培訓(xùn)、證書(shū)認(rèn)證等功能，為學(xué)校提供有效創(chuàng)收，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化功能。

4.3 打造虛擬仿真研創(chuàng)中心，解決“最后一公里問(wèn)題”和“一次性工程問(wèn)題”

通過(guò)“易用、易得、易管”的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）開(kāi)發(fā)平臺(tái)和數(shù)字博物館開(kāi)發(fā)平臺(tái)，打造新媒體研創(chuàng)中心。充分發(fā)揮教師、學(xué)生的主體性作用，自主開(kāi)發(fā)新媒體教學(xué)實(shí)訓(xùn)資源，解決學(xué)生主動(dòng)性不足、學(xué)習(xí)效果不佳、過(guò)程難感知、結(jié)果難評(píng)價(jià)的“兩不兩難”問(wèn)題，解決院校虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)中普遍面臨的“最后一公里”和“一次性工程”問(wèn)題，寓教于創(chuàng)。以校企合作、共建共享模式，為產(chǎn)業(yè)和社會(huì)提供開(kāi)發(fā)服務(wù)，促進(jìn)產(chǎn)教融合，并實(shí)現(xiàn)中心的自我造血與持續(xù)升級(jí)。依托新媒體研創(chuàng)中心，圍繞教學(xué)、科研、雙創(chuàng)，打造標(biāo)志性成果?；谛旅襟w，探索全場(chǎng)景、全過(guò)程交互的新型教學(xué)模式，打造一流課程；申報(bào)科技、教改、文創(chuàng)、社科、科普項(xiàng)目，發(fā)表教改及科研論文；為產(chǎn)業(yè)、社會(huì)提供數(shù)字展覽、崗位訓(xùn)練、自助導(dǎo)游導(dǎo)覽等新媒體應(yīng)用開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)作創(chuàng)收；參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、虛擬仿真一帶一路大賽、教師能力賽，培育并申報(bào)教學(xué)成果獎(jiǎng)。

5 特色與創(chuàng)新

5.1 對(duì)接產(chǎn)業(yè)，定位前瞻

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)虛擬仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)中心緊密?chē)@汽車(chē)產(chǎn)業(yè)和交通運(yùn)輸行業(yè)快速發(fā)展對(duì)高層次應(yīng)用技能型人才的需求，對(duì)接完整的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈和交通運(yùn)輸各行業(yè)，構(gòu)建包含車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智慧交通、智能駕駛等前沿技術(shù)在內(nèi)的汽車(chē)設(shè)計(jì)、汽車(chē)制造、汽車(chē)運(yùn)用等系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，培養(yǎng)汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、制造、運(yùn)用和交通運(yùn)輸規(guī)劃、控制、組織等高素質(zhì)應(yīng)用型人才。同時(shí)，中心為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)和交通運(yùn)輸行業(yè)提供在職培訓(xùn)和業(yè)務(wù)考核，提升企業(yè)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，不斷增強(qiáng)中心輻射功能。

5.2 三位一體，共建共享

中心始終堅(jiān)持“共建共贏、開(kāi)放共享”的原則，通過(guò)建立“三位一體”合作共建與共享機(jī)制，吸引社會(huì)各界力量參與教學(xué)資源建設(shè)。即由成都工業(yè)學(xué)院牽頭，與四川省交通運(yùn)輸廳、川渝汽車(chē)制造企業(yè)等行業(yè)、企業(yè)，以及教育技術(shù)公司協(xié)同共建新能源汽車(chē)構(gòu)造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。中心堅(jiān)持在人才、項(xiàng)目、軟件、設(shè)備、平臺(tái)等方面實(shí)現(xiàn)校際共享、行業(yè)共享、企業(yè)共享，形成了車(chē)輛與交通教學(xué)資源與成果創(chuàng)新的良性互動(dòng)和循環(huán)機(jī)制，擴(kuò)大了公共資源的規(guī)模效應(yīng)，推動(dòng)了行業(yè)、企業(yè)、高校院所在人才培養(yǎng)質(zhì)量、科技創(chuàng)新水平上共同提升。

5.3 自主創(chuàng)新，持續(xù)升級(jí)

新能源汽車(chē)構(gòu)造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心將立足于可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，建設(shè)并引進(jìn)虛擬仿真創(chuàng)新開(kāi)發(fā)工具，培養(yǎng)中心創(chuàng)新建設(shè)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)設(shè)培訓(xùn)課程，打造虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)能力，有效解決院校高水平數(shù)字化資源建設(shè)中普遍存在的“最后一公里”問(wèn)題和“一次性工程”問(wèn)題。同時(shí)，以校企合作、共建共享模式，為產(chǎn)業(yè)和社會(huì)提供開(kāi)發(fā)服務(wù)，促進(jìn)產(chǎn)教融合，并實(shí)現(xiàn)中心的自我造血與持續(xù)升級(jí)。

6 教學(xué)效果

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)虛擬仿真測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室已在車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用。硬件系統(tǒng)為學(xué)校其他課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供共享服務(wù)，軟件系統(tǒng)已納入學(xué)校大型儀器共享平臺(tái)，面向我校車(chē)輛工程、汽車(chē)服務(wù)工程、電子信息、通信、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。

實(shí)踐表明，虛擬仿真系統(tǒng)讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室親身體驗(yàn)和了解自動(dòng)駕駛功能的感知-決策-控制算法”和“虛擬測(cè)試場(chǎng)景搭建”等關(guān)鍵技術(shù)，將課程的理論與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，安全便捷，具有很強(qiáng)的身臨其境體驗(yàn)感和交互性，有助于學(xué)生加深理解理論知識(shí)，拓展創(chuàng)新思維和提升創(chuàng)新實(shí)踐能力。