智能網(wǎng)聯(lián)汽車數(shù)字仿真技術(shù)教學應用研究

李蘭友 邵立東 李進斌 楚萌

摘要：智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)是汽車工業(yè)發(fā)展近一百多年來最具革命性的技術(shù)變革，是汽車產(chǎn)業(yè)“電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化”新“四化”發(fā)展的重要載體。針對智能網(wǎng)聯(lián)汽車實訓成本高、技術(shù)難度大且更新快、教學資源少、專業(yè)人才缺乏等特點，給出了一種利用數(shù)字仿真技術(shù)構(gòu)建的智能網(wǎng)聯(lián)汽車檢測與運維仿真平臺解決方案。實踐應用表明，該平臺方案具備沉浸式的代入感、三維立體的空間感和人機交互的真實感，可以反復使用，多次操作，能通過“學、練、測、考”一體的教學方式來增強學生學習興趣和提高教師教學效率。

關(guān)鍵詞： 智能網(wǎng)聯(lián)汽車；數(shù)字仿真技術(shù)；教學應用

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）06-0138-03

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

高等職業(yè)教育作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)鏈中的一個環(huán)節(jié)，是快速培養(yǎng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車專業(yè)人才的重要抓手，是破解智能網(wǎng)聯(lián)汽車大量應用級人才缺乏的關(guān)鍵。不過智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)專業(yè)是一個新專業(yè)，以專業(yè)代碼“460704”于2021年剛剛列入新版《職業(yè)教育專業(yè)目錄》，智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)方法還在不斷的探索實踐過程中，在這個過程中，發(fā)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車人才培養(yǎng)具備實訓成本高、技術(shù)難度大、技術(shù)更新快、跨學科交叉性強、教學資源少、專業(yè)人才缺乏等問題，針對這些問題，迫切需要構(gòu)建一種成本低、見效快、易于上手的教學平臺。通過建立基于數(shù)字仿真技術(shù)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車教學平臺，使得智能網(wǎng)聯(lián)汽車模型和算法系統(tǒng)可以在仿真的交通場景中進行各種各樣的測試驗證實驗，在一定程度上降低對實車實驗的依賴，提高智能網(wǎng)聯(lián)汽車實訓的安全性和易用性，大大降低智能網(wǎng)聯(lián)汽車人才實訓的培養(yǎng)成本，是一種行之有效的解決方案[1]。

1 教學應用平臺設(shè)計

1.1研究背景

當前，汽車產(chǎn)業(yè)正發(fā)生著翻天覆地的變化，在“大數(shù)據(jù)、大計算、大決策”的科技革命推動下，汽車正從傳統(tǒng)汽車到機械電子汽車以及向軟件定義汽車方向進化[2]。智能汽車就像當年的智能手機一樣，正在經(jīng)歷著產(chǎn)業(yè)革命的陣痛期，汽車產(chǎn)業(yè)能夠重現(xiàn)當年諾基亞傳統(tǒng)手機一夜之間被以蘋果為代表的智能手機所打敗的變革情境嗎？這也許需要時間來證明，但是未來可以思考和展望。當前，互聯(lián)網(wǎng)科技巨頭們紛紛下場宣布造車，車企與科技企業(yè)之間的“護城河”正變得越來越模糊，它們之間的“產(chǎn)業(yè)鏈”也正變得越來越緊密。種種跡象表明，汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在進化，這就要求智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)也要進化，以適應產(chǎn)業(yè)的變革趨勢。智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的演化趨勢特征，主要包括汽車產(chǎn)業(yè)演化趨勢、汽車屬性演化趨勢以及汽車人才演化趨勢等，如圖1所示。

汽車產(chǎn)業(yè)演化趨勢表現(xiàn)在：價值鏈產(chǎn)生演化，從機械到機電再到軟件、數(shù)據(jù)、芯片的演化；供應鏈產(chǎn)生演化，傳統(tǒng)的供應鏈體系被打破，更多的OEM企業(yè)對汽車有更多話語權(quán)；產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生演化，從分工變化到布局調(diào)整再到龍頭切換等。

汽車屬性演化趨勢表現(xiàn)在：汽車成為了道路運輸?shù)妮d體，確保安全零事故；汽車成為一個移動的儲能單元，通過削峰填谷，為能源安全添磚加瓦；汽車成為一個移動的交互終端，繼電視、手機后的又一個內(nèi)容展示平臺，也是元宇宙虛擬生態(tài)世界的一個硬件接口；汽車成為一個移動計算平臺，具備在線、移動、高能的技術(shù)平臺。

汽車人才演化趨勢表現(xiàn)在：企業(yè)崗位產(chǎn)生了變化，普通技術(shù)工人需求量大幅下滑，而復合技術(shù)型人才需求量急劇上升；崗位要求產(chǎn)生了變化，更強調(diào)技術(shù)型、復合型、創(chuàng)新型人才；培養(yǎng)方式產(chǎn)生了變化，需要產(chǎn)教融合，需要終身學習等。

天津大學史延雷等[3]針對目前學校智能網(wǎng)聯(lián)汽車方向教學實驗設(shè)備落后，與汽車產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)發(fā)展不同步的問題，以培養(yǎng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車專業(yè)人才為目標，利用數(shù)字化仿真技術(shù)構(gòu)建了一個智能網(wǎng)聯(lián)汽車硬件在環(huán)的虛擬仿真實驗平臺，該平臺以虛擬仿真環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)實驗教學環(huán)境下智能網(wǎng)聯(lián)汽車的功能體驗與開發(fā)驗證。天津職業(yè)技術(shù)師范大學的候海晶等[4]利用虛擬仿真技術(shù)搭建了一套面向教學的智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知系統(tǒng)軟件，該軟件具有交互性，能夠在實際互動中增強職業(yè)教育學生的學習效率。美國阿拉斯加大學Arafat M教授[5]搭建了一種基于C-V2X模式4的實時、高保真、硬件在環(huán)的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，該平臺可以通過虛擬仿真以代替成本高昂的實車實驗。通過學術(shù)梳理可以發(fā)現(xiàn)，已有高校應用數(shù)字仿真技術(shù)搭建虛擬仿真實驗平臺，但是利用該類型平臺進行職業(yè)教育的教學實踐，還有許多值得探索的地方。

1.2 教學內(nèi)容

智能網(wǎng)聯(lián)汽車建立在人工智能、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)以及虛擬現(xiàn)實等公共關(guān)鍵基礎(chǔ)平臺之上，具備復雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能，迫切需要以車輛知識為背景，掌握計算機、信息技術(shù)以及自動化等復合知識的應用人才[6-7]。這就要求在教學應用中，教師團隊必須要教授智能網(wǎng)聯(lián)汽車感知技術(shù)、決策技術(shù)、執(zhí)行技術(shù)以及規(guī)劃技術(shù)，包括環(huán)境感知、智能決策、云計算、控制執(zhí)行、人機交互、地圖導航以及法規(guī)標準等內(nèi)容，如圖2所示。

環(huán)境感知技術(shù)主要包括利用車載毫米波雷達、超聲波傳感器、激光雷達等智能傳感器對周邊障礙物進行智能檢測，利用機器視覺智能識別技術(shù)，結(jié)合路徑軌跡進行智能預測等。

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要包括利用車輛搭載LTE-V、4G/5G通信終端，實現(xiàn)車對車（V2V）、車對行人（V2P）、車對基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車對云端網(wǎng)絡(luò)（V2N）的車聯(lián)網(wǎng)C-V2X技術(shù)以及非視距信息共享技術(shù)、智能交通調(diào)度技術(shù)、智能編隊技術(shù)等。

決策技術(shù)主要包括利用車輛周圍交通環(huán)境感知的數(shù)據(jù)、網(wǎng)聯(lián)交互數(shù)據(jù)、自身行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)等，將這些多源數(shù)據(jù)進行提取、分析、整合，利用人工智能算法，進行聚類分析和知識發(fā)現(xiàn)，以實現(xiàn)車輛安全駕駛輔助、高級駕駛輔助和無人駕駛等功能。

執(zhí)行技術(shù)主要包括按照智能決策技術(shù)的指令，面向驅(qū)動/制動的縱向運動控制，面向轉(zhuǎn)向的橫向運動控制，基于驅(qū)動、制動、轉(zhuǎn)向、懸架的底盤一體化控制，融合車聯(lián)網(wǎng)通信及車載傳感器的多車隊列協(xié)同和車路協(xié)同控制等，并為聯(lián)網(wǎng)汽車提供道路交通信息、安全信息、娛樂信息、救援信息以及商務(wù)辦公、網(wǎng)上消費等，保障汽車安全行使和舒適駕駛。

規(guī)劃技術(shù)主要包括汽車信息安全建模技術(shù)，數(shù)據(jù)存儲、傳輸和應用三維度安全體系，汽車信息安全測試方法，信息安全漏洞應急響應機制等；高精度地圖數(shù)據(jù)模型與采集式樣、交換格式和物理存儲的標準化技術(shù)，基于北斗地基增強的高精度定位技術(shù)等；智能網(wǎng)聯(lián)汽車云平臺架構(gòu)與數(shù)據(jù)交互標準，智能網(wǎng)聯(lián)汽車整體標準體系以及涉及汽車、交通、通信等各領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)標準等。

1.3 總體框架

該框架分成了基礎(chǔ)硬件層、軟件模塊層、功能實現(xiàn)層、交互展示層、教學應用層等五層?；A(chǔ)硬件層主要涉及到線控底盤、工控機、雷達以及攝像頭等；軟件模塊層主要包括感知模塊、計算模塊、決策模塊以及控制模塊等；功能實現(xiàn)層主要包括多目標識別、盲點檢測、車道保持以及自動駕駛等；交互展示層可以在PC端、Web端、移動端以及VR端等進行應用實訓；教學應用層主要面向?qū)W校教師、企業(yè)導師、學校學生以及其他培訓人員等；而數(shù)據(jù)挖掘功能主要是把實訓過程中產(chǎn)生的任務(wù)數(shù)據(jù)、學習數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)、用戶偏好、學習偏好以及知識圖譜等利用大數(shù)據(jù)挖掘算法進行分析歸納，以獲取教學應用反饋效果或?qū)嵱栠^程中的算法性能分析結(jié)果，如圖3所示。

1.4 平臺設(shè)計

通過計算機數(shù)字仿真技術(shù)設(shè)計，采用三維虛擬仿真場景對現(xiàn)實中的智能網(wǎng)聯(lián)汽車檢測與運維的過程進行三維建模與場景仿真，將智能網(wǎng)聯(lián)汽車檢測與運維的實訓過程全部在軟件平臺中進行呈現(xiàn)。整個平臺包括以下四個主要模塊：基礎(chǔ)仿真操作模塊、準備工作模塊、理論知識測試模塊和功能測試與診斷模塊。

基礎(chǔ)仿真操作模塊通過鼠標操作平臺中虛擬人物來模擬自身的操作，通過拖拽來進行移動，通過鼠標滾輪實現(xiàn)放大或縮小等功能，通過平臺導航地圖來定位自己所處操作階段。

準備工作模塊包括個人準備子模塊、場地準備子模塊以及工具準備子模塊，通過學生對每個子模塊的處理過程，來考核學生是否在實際操作過程中，是否嚴格遵守智能網(wǎng)聯(lián)汽車檢測與運維的標準規(guī)程，如圖4所示的萬用表校表過程，只有按照標準的萬用表校表流程進行操作，前臺萬用表讀數(shù)才會顯示正常，后臺才會給這個步驟打分。

理論知識考核模塊是在學生仿真操作的過程中彈出對話框，以不定項選擇題的形式進行考核，根據(jù)當時的場景來考核學生的理論知識是否扎實，有助于學生理解和記憶知識點。

功能測試與診斷模塊主要把智能網(wǎng)聯(lián)汽車檢測與運維的主要功能進行抽取設(shè)計，針對每一個功能都設(shè)計詳細的檢測與診斷步驟，主要包括ACC功能測試、AEB功能測試、LKA功能測試、線控底盤測試、基于CAN通訊的行駛控制故障診斷、基于CAN通訊的制動控制故障診斷、激光雷達性能檢測及建圖、視覺傳感器與激光雷達聯(lián)合標定以及激光雷達與慣導信息融合及聯(lián)合標定等。功能測試與診斷模塊能夠模擬Linux操作環(huán)境下的命令執(zhí)行情況，并考查學生的命令執(zhí)行情況，如圖5所示。只有按照命令的正確順序進行執(zhí)行，仿真平臺才會反饋命令執(zhí)行后的正確顯示結(jié)果，否則平臺會判定當前命令執(zhí)行錯誤，不會在后臺進行計分。例如單目視覺傳感器的標定流程如下：

1） 配置環(huán)境變量；

2） 啟動USB攝像頭；

3） 確認攝像頭TOPIC是否發(fā)布；

4） 啟動標定程序；

5） 將標定板放置在攝像頭視野范圍內(nèi)（X：標定板左右移動，Y：標定板上下移動，SIZE：標定板前后移動，SKEW：標定板傾斜轉(zhuǎn)動）；

6） 當“CALIBRATE”按鈕激活時，點擊按鈕，然后按下“SAVE”按鈕保存標定結(jié)果。

2 應用實例

平臺設(shè)計部署后，利用中德諾浩的智能網(wǎng)聯(lián)汽車檢測與運維平臺進行實踐。該平臺將智能網(wǎng)聯(lián)汽車檢測與運維的過程進行虛擬仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)理論題作答、車輛防護過程、啟動CAN模塊、啟動激光雷達模塊、啟動攝像頭模塊、視覺傳感器檢測、視覺傳感器標定、ACC控制程序檢測等學習和檢測過程，同時通過不同的賬號，教師可以實現(xiàn)所有學生同時進行仿真教學工作，大大提高教學效率[8-9]。此外，該平臺關(guān)聯(lián)中德諾浩“1+X”證書，通過該平臺的教學、實踐及培訓，學生可取得“智能網(wǎng)聯(lián)汽車檢測與運維”的初級、中級以及高級證書，真正實現(xiàn)“學、練、測、考”一體的教學方式，如圖6所示。

3 結(jié)論

應用實例表明以智能網(wǎng)聯(lián)汽車數(shù)字仿真教學實驗平臺為抓手，融合學校和企業(yè)兩端，共同制定教學任務(wù)和工作任務(wù)，通過學校專業(yè)教師和企業(yè)實踐導師的互補合作，將智能網(wǎng)聯(lián)汽車關(guān)鍵技術(shù)以數(shù)字化仿真虛擬教學平臺的形式更加淺顯易懂地呈現(xiàn)給學生，讓學生在可容錯的環(huán)境下不斷打磨提升，來理解這些技術(shù)的應用效果和了解技術(shù)背后的理論和原理，進而打造一個適合職業(yè)教育培養(yǎng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車人才的教學模式。不過在實踐過程中，智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)人才的培養(yǎng)不能缺少真正的實訓鍛煉，但是數(shù)字仿真平臺的加持是必不可少的有效提升教學效果的手段。

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【通聯(lián)編輯：王力】