依托機器人比賽平臺指導畢業設計的研究與實踐

方 峻，王曉斌，張 翔

（1.電子科技大學 信息與軟件工程學院，四川 成都 610054；2.電子科技大學 計算機科學與工程學院，四川 成都 610054；3.電子科技大學 成都學院，四川 成都 611731）

傳統的大學本科教育體系以教師講授為核心地位，以課堂學習為主要方式，注重傳授專業知識和解題技能。在這種教育方式下，學生的基礎知識比較扎實，知識結構較為全面系統，但是，這種方式使得學生的自主學習能力、工程實踐能力、技術創新能力沒有得到足夠的訓練。對于工科院校或工程專業的畢業生，在實踐中綜合運用知識解決實際問題的能力尤為重要［1］。在目前的本科生培養體系中，畢業設計是為數不多的能讓學生接觸實際問題、培養動手能力、強化工程訓練和激發創新思想的重要環節。如何增強畢業設計的培養質量，提升畢業生綜合素質，把好本科生“總裝出廠”最后一關，是教學研究中非常重要的問題。

作者在最近指導大學本科生畢業設計的實踐過程中，對畢業設計的教學思想進行了改革創新。具體思路是：依托機器人仿真足球比賽設計論文題目，從中抽取關鍵技術作為研究目標，圍繞重要的科學問題進行實驗分析。同時，鼓勵學生大膽申請國家發明專利，積極撰寫學術論文。在這個過程中，注重培養學生的工程實踐能力和獨立研究問題的能力，重點訓練學生分析和解決問題的思路和技巧，增強相互協作的團隊意識，強化創新能力培養。

1 以機器人仿真足球比賽題目為依托，注重訓練平臺建設

選題的優劣決定了畢業設計的訓練質量和綜合論文的水平高低。在選題中注重先進性、實用性、可執行性的三原則。先進性是指被研究的算法、模型、平臺等，或者在理論上是前沿的、新穎的，能對現有科學問題的理論方法進行改進或重構，或者在工程上是空缺的、關鍵的，具有技術上填補、完善或上升的空間。實用性是指題目具有項目背景，來源于工程實踐，具有實際應用價值。可執行性是指任務目標的制定要考慮學生現有的知識結構和專業特點，因人制宜，題目難度適當，工作量適中，具有在規定的畢業設計時間內完成的可能。

選題背景源自機器人世界杯足球錦標賽Robo－Cup。RoboCup比賽包括仿真組和機器人組，我們重點關注仿真組比賽的軟件平臺Soccer Server。該平臺具有標準性、開放性和可評價性的特點，能夠讓由不同語言編寫的自主球員程序進行比賽。它采用客戶端/服務器（Client/Server）結構。服務器端為比賽平臺，而客戶端為球員程序［2］。

之所以選擇Soccer Server作為依托平臺，在于作為目前機器人仿真領域世界最高水平的賽事之一，機器人球員智能體技術還很不完善，有大量的科學問題和關鍵技術亟待解決。依托這個平臺，可以開展多個學科的交叉研究，如多智能體系統、分布式人工智能、機器學習、機器人學等［3］。該平臺研究面寬廣，可從不同層次提取研究點，既有理論研究價值，又有工程應用價值，體現了選題的先進性。其次，通過這些問題和技術的解決，能夠確實提高機器人比賽水平，增加比賽勝率，支持了選題的實用性。再次，本著“依托大平臺，放寬選題面，做精小題目”的原則，精心挑選可研究的問題，找準關鍵技術和突破點，做好工作計劃，保證選題的可執行性。

2 以關鍵技術為研究目標，增強實踐能力訓練

2.1 任務清晰，分工明確，培養團隊合作精神

該組畢業設計的學生擬定的題目是：利用Java語言，基于Soccer Server端口協議編寫一個客戶端球員智能體程序，要求該程序能用于比賽實戰，具有基本的推理能力，該球員智能體程序被命名為Java Junior Soccer Agent，簡稱JJSA。JJSA智能體的總體結構設計如圖1所示。整個智能體結構可以看作一個分層結構，如圖2所示，大體上可分為4個層次。其中通訊協議層我們已經掌握了現成代碼，需要研究和實現的是反應層和規劃層里的工作模塊。

為培養學生的科研團隊意識，同時發揮每位學生的專業特長和團隊的整體優勢，要根據任務難度和工作量將問題拆分成多個子問題，每位學生負責解決其中的一個或幾個子問題，既能培養學生相互配合的意識，又能使他們相互激勵，相互比較，達到了比較好的訓練效果。綜合已有的平臺體系知識，同時考慮到結構的清晰性和易實現性，將反應層劃分為3個模塊：世界模型、運動預測、球員技術。考慮到該課題組共4名學生，我們安排3名學生分別負責反應層的3個模塊，另一名學生負責高層決策模塊。

圖1 JJSA系統的智能體結構

圖2 JJSA系統的分層結構

每個模塊確定了要實現的關鍵技術，按照技術難度從低到高排列，依次是：

（1）世界模型中的視覺信息處理技術；

（2）運動預測中的基本運動模型及其模型組合技術；

（3）球員技術模塊中的技術分層模型；

（4）高層決策中的陣型布置與角色分配技術。

這4個子課題相互關聯、相互依托，每個課題的實驗結果既是后一個課題的依據，又能證明前一個課題的結果是否正確。任務分配時力求與每位學生的綜合能力基本匹配。

2.2 階段劃分，定期匯報，保證計劃按時完成

學生之間的互幫互助和團結協作固然重要，指導教師也要從宏觀上加強調控和督促，特別對于平臺結構比較復雜、模塊劃分比較多的情況。多模塊同步進行開發，每個模塊的開發速度都會影響平臺整體開發速度，因此指導教師要協調各模塊的進度，規定每個模塊實現的功能、完成的時間以及模塊間交流的數據格式等標準。一方面，制訂嚴密的工作計劃，劃分任務階段，規定每一階段的目標和里程碑；另一方面，督促學生按期完成任務，分階段檢查完成情況，給學生一定的學習壓力，促使他們利用好時間，才能保證畢業設計按時保量地完成。

為了督促學生按時完成任務，制定了定期工作匯報制度。在整個畢業設計過程中，采用3天一個節點的方式，每周匯報2次，要求學生制作幻燈片，講解該階段看過的文獻、完成的任務、遇到的困難以及與其他同學討論的情況。這個過程不僅檢查了工作進度，還可以鍛煉學生的總結能力和表達能力，促進師生之間的溝通。

2.3 自由討論，思想碰撞，激蕩創新的火花

“溝通架起橋梁，碰撞產生火花”，堅持每周組織一次本科生自由討論，由一名博士生負責組織，指導教師不參加，學生可以無拘無束、海闊天空的暢談和辯論。如果學生有問題可以隨時找指導教師討論。自由討論的實際效果很好，誕生了很多新方法和新思路，甚至一些看似荒誕的想法中卻往往蘊含著精妙的解決思路。另一方面，雖然本科生思想活躍，但他們的知識結構和科學訓練還不夠，這些新思想一般都不夠成熟完善，離解決實際問題還有一定距離。當指導教師遇到這些好“點子”時，為了讓這些思想火花達到“星星之火，可以燎原”的效果，要及時進行總結歸納和理論拔高，將創新思想進一步系統化和理論化。另外，還要訓練學生通過實驗驗證自己的想法，學會總結提煉，辨偽存真，去粗取精。

3 以科學實驗為研究基礎，重視科研方法教育

3.1 有針對性地進行文獻調研，學會撰寫技術報告

在本科生畢業設計過程中，文獻調研是一項基礎工作和重要環節。因此，在確定選題范圍后，要求學生首先進行文獻調研，對需要研究的問題進行“橫向比較、縱向尋根”，搞清楚問題的來龍去脈、國內外研究現狀、現有解決方法以及在該領域有影響力的研究機構與人員。只有在充分調研的基礎上，才能進行科學研究和方法創新。在這次畢業設計中，4位學生針對各自負責研發的功能模塊，在2周內查找了IEEE和ACM相關文獻總計165篇，并從其中抽取了34篇文章進行精讀。為了鞏固文獻資料的學習效果，要求學生在文獻調研結束后撰寫技術報告，對自己本段時間所讀文獻和所做的思考做一個階段性總結。隨后，學生要根據技術報告做PPT演示，在例會上講演。實踐證明，學生不但能把要研究的問題講得很有條理，梳理了該領域的重要方法和關鍵技術，還指出了許多已有方法和技術的不足之處，提出了一些可能的技術突破點。

3.2 借助文獻調研提煉研究亮點，培養發現問題的能力

在文獻調研的基礎上，通過與指導教師的討論，學生提出了許多初步的研究亮點。下一步的工作是在指導教師的幫助下，對這些研究亮點進行甄別、篩選、歸并、提煉。我們要求每位學生在閱讀文獻后，最終提出一個研究亮點加以重點研究，作為綜合論文的研究內容。研究亮點的選擇要遵循第一節提出的先進性、適用性、可執行性的三原則。這4位學生確定的4個研究亮點分別是：

（1）世界模型中的相對信息還原算法；

（2）運動預測中的神經網絡預測算法；

（3）球員技術模塊中的基于機器學習的決策樹生成算法；

（4）高層決策中的基于形勢的策略定位算法。

對于學生的科研能力培養模式分為基本培養和高級培養。對于基本培養模式，在確定研究亮點時，沒有過于追求方法的前沿性或繁難性，不要求學生能夠對方法做較大改進或原始創新，只需將方法實現出來并根據具體問題做一些小改動即可。要保證學生不需具有太深的數學基礎即可上手，并可在畢業設計允許的時間內實現計劃。對于部分基礎好，興趣濃，學有余力的學生，可以采用高級培養模式，要求他們進行更深入的研究，提出改進方案或創新思路，將研究成果整理成論文或專利發表。甚至可將問題進一步發揮，作為研究生階段的論文題目。

4 以發明專利或學術論文為質量檢驗，強化創新能力培養

培養創新型人才是大學教育的目標之一。創新人才要具有創新性思維能力，要培養科學的思維方法和獨立進行科學研究的能力。電子科技大學不乏具有創新精神和創新能力的學生，他們通常表現出靈活、開放、好奇的個性，具有精力充沛、堅持不懈、注意力集中、想象力豐富以及富于冒險精神等特質。如何在本科畢業設計階段，引導這些青年學生將這些優秀品質轉化為學習上的“正能量”，利用“初生牛犢不怕虎”的精神去挑戰傳統思想，結出創造性的果實，是一個非常重要的問題［4］。我們鼓勵本科畢業生積極申請國家發明專利或發表學術論文。在畢業設計之初，就提出每位學生爭取在畢業設計結束時完成一個國家專利申請或發表一篇學術論文。對于能夠完成的學生給予一定的獎勵。實踐證明，這種要求激發了學生的主動性和創造性，訓練了他們申請專利和撰寫學術論文的方法，提升了綜合論文的整體質量，保證了畢業答辯的水平。

5 結束語

經過了本學期指導4名本科生畢業設計的實踐檢驗，本教學思想顯示了良好的效果。首先，學生實現了一個完全自主開發的，能用于比賽實戰的，具有基本推理能力的球員智能體程序JJSA，初步構建了一個RoboCup訓練平臺。工程訓練方面，在JJSA中實現了兩項關鍵技術：運動預測中的模型組合技術，以及高層決策中的陣型布置與角色分配技術。該項成果已經申請了2項軟件著作權。除此之外，在理論研究方面提出了兩項創新點或改進點：基于神經網絡的運動預測算法和基于模糊決策樹的球員技術生成算法。該項成果已經形成2篇論文并已向2個國際會議投稿。最后，學生將這些研究成果整合進訓練平臺中，共同申請了一項發明專利“一種RoboCup平臺球員智能控制方法及其系統”。

此次畢業設計結束時，4位學生共申請了1項發明專利、2項軟件著作權，還提交了2篇會議論文。4名學生在綜合論文答辯中以全優的成績通過答辯，他們的論文也得到答辯委員的一致好評。他們正計劃將該平臺進行完善，下一步將參加四川省大學生機器人足球錦標賽。4位學生一致反映，通過本次畢業設計，自己的工程實踐能力得到了有效鍛煉，創新能力得到了明顯提高。更重要的是，掌握了學習的主動性，品嘗了解決實際問題的成就感，第一次對“學什么，為什么學，怎樣學，怎樣用”有了直觀的體驗。

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