智能網聯汽車虛擬仿真測試實驗室建設研究

劉新廠 劉劍 羅家鑫

成都工業學院 汽車與交通學院 四川省成都市 610000

1 引言

實踐教學是高等教育人才培養方案中不可缺少的一環[1][2]。虛擬仿真實驗教學中心是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。

智能網聯汽車虛擬仿真測試實驗室堅持“學科專業與信息技術深度融合”、以全面提高高校學生創新精神和實踐能力”為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、安全且經濟的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現的教學效果，尤其對于那些涉及高危或極端環境、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驗項目[3][5]，虛擬仿真實驗教學具有明顯的優勢，并對傳統的實驗教學思想、體系、模式、內容、方法以及手段等都產生了意義深遠的顛覆性影響，同時建立了學生的“工程意識和系統集成”的思想，對學生的動手能力有了很大的提高[4]。

2 建設背景

隨著社會科技的迅猛發展，許多高校已經將自己的車輛工程專業人才培養方案定位在了汽車電子以及智能網聯車方向[6][7]。現在智能網聯專業人才培養體系還未成規模，在未來的幾年，涉及到智能網聯汽車相關人才將嚴重缺乏，高校開設智能網聯汽車相關的專業和課程，培養相關人才將越來越緊迫。作為人才輸出主力的全國各院校，紛紛推進智能網聯汽車相關專業建設，然而卻面臨諸多問題：①智能網聯汽車專業建設處在實踐探索階段，未形成統一的專業教學標準；②智能網聯汽車專業缺少相對應的師資；③智能網聯汽車專業課程建設缺少頂層設計及可供參考的專業材料；④智能網聯汽車專業實訓室缺少系統規劃，設備使用率較低；⑤智能網聯汽車實驗中涉及高危或極端的環境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗等問題，難以提供可靠、安全和經濟的實驗項目。

隨著科學技術的發展，特別是虛擬現實技術和計算機仿真技術的發展，將其應用于實驗教學建設智能網聯汽車虛擬仿真實驗室，一方面可以緩解實驗資源緊張的問題，更重要的是可以開設具有破壞性、危險性的虛擬仿真實驗，而這些實驗在常規下是難以完成的；另一方面利用虛擬現實技術和計算機仿真技術不受物理場地、實驗儀器設備及臺套數限制的特點，可以開設廣泛的實驗項目、實驗種類，在相同的時間內可增加學生學習的知識量，提高教學質量。

3 建設思路

智能網聯汽車虛擬仿真實驗中心主要用來解決實際實踐教學過程中的實驗項目高危或極端環境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗等問題。

建成以后不僅可以服務于車輛工程、汽車服務工程專業的教學工作，同時可以服務于我校的電子信息工程專業、通信工程專業、物聯網工程專業等，新能源汽車構造虛擬仿真實驗教學中心支撐課程如表1所示；同時能夠對接產業為汽車產業和交通運輸行業提供在職培訓和業務考核，提升企業技術競爭力，不斷增強中心輻射功能；也可以起到對中小學學生科普教育的作用服務于當地教育事業。通過不斷的提升以及完善實驗室中心建設內容最終將中心建設成為國家級的虛擬仿真實驗中心。

表1 新能源汽車構造虛擬仿真實驗教學中心支撐課程

4 建設內容

虛擬仿真實驗室建設主要分為虛擬仿真實驗教學的管理和共享平臺建設、虛擬仿真實驗教學和管理隊伍以及虛擬仿真研創中心建設，具體建設目標如下：

4.1 打造“知識技能+文化素養”智能網聯汽車虛擬仿真測試實驗教學資源

以培養“知識技能+文化素養”的新時代大國工匠為目標，基于數字博物館資源，打造校級整體、共性的文化素養及課程思政數字化教育體系；基于VR虛擬仿真、精品課程資源，實現知識技能教學的全過程、全場景交互，有效解決學生主動性不足、學習效果不佳、過程難感知、結果難評價的“兩不兩難”問題，有效解決實訓安全問題，支撐翻轉課堂、形成性評價，并為智慧教學提供大數據基礎。

①靜態圖編輯器建設

靜態地圖編輯器，包含靜態模型導入工具與道路編輯工具。靜態模型導入工具可以實現對靜態模型在編輯器工作窗口內的移動、尺寸大小調整、旋轉、復制、刪除等編輯功能。其模型庫應包含：綠化植物、城鎮建筑、鄉村建筑、地標建筑、導流線、高速路出入口、交通燈、橋梁、路燈、護欄、停車位、施工設施與標識、雪天道路建筑模型、典型地貌等；

道路編輯工具主要為實現道路的編輯功能，支持手動創建和數據導入的方式開發靜態場景，支持輸出道路描述文件和3D模型倉庫。支持根據高精度地圖內描述的元素自動還原生成3D路面、車道線、停止線、人行橫道、信號燈、道路標牌、綠化、建筑。

②動態場景編輯器建設

動態場景編輯器，可將仿真場景中動態交通流按照自定義的方式進行配置，可以方便快捷的實現測試場景的配置，包括移動和靜止的物體。例如交通車輛、行人、靜止車輛、交通標志、施工標志、建筑物等；交通環境模型可自由設置光照、時間、天氣等功能。

動態編輯器可自由構建虛擬環境，復現測試場景；支持導入自動駕駛算法，基于場景和動力學模型進行測試；測試環境可以根據測試內容和主題進行調節，如天氣、障礙物、路況等；算法測試接口與行業標準對接，保證測試結果的標準性。通過高度仿真環境實現場景現實化，車輛內置動力學模型，實現車輛穩定控制，提升算法測試準確性。同時通過真實測試用例導入，實現特定測試場景的復原，并通過動態模型調節和算法調整，實現同一場景的多維度測試，豐富特定場景測試面，提升測試效率。通過攝錄采集真實道路場景和測試場景，如高速公路、城市道路、超車場景、事故場景等。進行仿真軟件的場景重現，生成基于真實案例的測試用例。用于自動駕駛算法路測級別的優化及效率提升。能夠較為容易的接入自動駕駛感知、決策、控制系統。通過開展自動駕駛車輛真實測試用例的感知、決策算法的驗證與測試，將算法與仿真平臺緊密結合形成閉環，自動駕駛系統方可達到持續迭代和優化的狀態，從而顯著提高自動駕駛仿真測試的里程數，滿足故障診斷功能和通信性能的測試需求。

③動力學模塊建設

在仿真環境中能夠實現對車輛動力學特征的模擬，在平臺中根據不同的車型建立了一套完備的車輛動力學模型，可選擇的車型有轎車、卡車、SUV、MPV、皮卡、客車等車型，實現行業領先的車輛動力學仿真。根據牛頓-歐拉公式構建14個自由度的車輛動力學仿真模型，包括動力總成系統、車體系統、懸架系統、非線性輪胎模型、駕駛員模型、以及轉向系統、制動系統的建模研究。我校師生可以在平臺中自行對車輛動力學和傳感器參數進行調整。

④算法測試模塊建設

算法測試過程形成標準化模板，對接主機廠測試實例，增強測試的實際應用性。算法測試過程勻使用標準化測試流程，輔以嚴格審核系統，保證測試標準性。目前自動駕駛系統計算機仿真已是自動駕駛車輛測試和試驗的關鍵基礎技術之一，也是未來行業定義自動駕駛車輛相關開發流程與技術準入標準的基礎工具之一。同時，隨著自動駕駛技術研究的深入，未來自動駕駛仿真軟件正朝向豐富的交通場景庫、高精度車輛動力學模型、產品級傳感器仿真、多樣化算法接口支持等方向發展。可以實現仿真測試的自動化測試功能。完成功能模塊開發，可支持如數據變量定義、信號配置、圖形化測試序列、測試信號圖形化輸出等。高校師生可以通過平臺實現仿真測試借助自動化測試工具進行高效的測試管理，并可對測試或自動化測試過程中的測試監控功能，實時地顯示測試進度、測試內容、測試信息、當前測試結果等，實現對測試過程的整體把控。

4.2 搭建“理、虛、實一體化”虛擬仿真實驗教學管理和共享平臺

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一存儲與管理的平臺，打造以虛擬仿真教學管理云平臺為主體，以多媒體課件庫和虛擬仿真軟件庫為內容的“一體兩翼”數字化資源體系，有效支撐在課堂、機房、車間等多種場景下，實施理論教學、虛擬仿真實訓、實物實訓全過程、一體化教學。平臺對瀏覽量、轉存量、評分及留言管理、開課情況、教學成果、新媒體資源數量等進行大數據分析，形成對教學過程的“閉環控制”和教學效果的“形成性評價”；支持資源中英雙語版本切換，實現內容與用戶的國際化；具備對外培訓、證書認證等功能，為學校提供有效創收，實現產業化功能。

4.3 打造虛擬仿真研創中心，解決“最后一公里問題”和“一次性工程問題”

通過“易用、易得、易管”的虛擬現實（VR）開發平臺和數字博物館開發平臺，打造新媒體研創中心。充分發揮教師、學生的主體性作用，自主開發新媒體教學實訓資源，解決學生主動性不足、學習效果不佳、過程難感知、結果難評價的“兩不兩難”問題，解決院校虛擬仿真項目建設中普遍面臨的“最后一公里”和“一次性工程”問題，寓教于創。以校企合作、共建共享模式，為產業和社會提供開發服務，促進產教融合，并實現中心的自我造血與持續升級。依托新媒體研創中心，圍繞教學、科研、雙創，打造標志性成果。基于新媒體，探索全場景、全過程交互的新型教學模式，打造一流課程；申報科技、教改、文創、社科、科普項目，發表教改及科研論文；為產業、社會提供數字展覽、崗位訓練、自助導游導覽等新媒體應用開發，實現創作創收；參加大學生創新創業大賽、虛擬仿真一帶一路大賽、教師能力賽，培育并申報教學成果獎。

5 特色與創新

5.1 對接產業，定位前瞻

智能網聯汽車虛擬仿真測試實驗中心緊密圍繞汽車產業和交通運輸行業快速發展對高層次應用技能型人才的需求，對接完整的汽車產業鏈和交通運輸各行業，構建包含車聯網、智慧交通、智能駕駛等前沿技術在內的汽車設計、汽車制造、汽車運用等系列虛擬仿真實驗教學項目，培養汽車產品開發、制造、運用和交通運輸規劃、控制、組織等高素質應用型人才。同時，中心為汽車產業和交通運輸行業提供在職培訓和業務考核，提升企業技術競爭力，不斷增強中心輻射功能。

5.2 三位一體，共建共享

中心始終堅持“共建共贏、開放共享”的原則，通過建立“三位一體”合作共建與共享機制，吸引社會各界力量參與教學資源建設。即由成都工業學院牽頭，與四川省交通運輸廳、川渝汽車制造企業等行業、企業，以及教育技術公司協同共建新能源汽車構造虛擬仿真實驗教學中心。中心堅持在人才、項目、軟件、設備、平臺等方面實現校際共享、行業共享、企業共享，形成了車輛與交通教學資源與成果創新的良性互動和循環機制，擴大了公共資源的規模效應，推動了行業、企業、高校院所在人才培養質量、科技創新水平上共同提升。

5.3 自主創新，持續升級

新能源汽車構造虛擬仿真實驗教學中心將立足于可持續發展的目標，建設并引進虛擬仿真創新開發工具，培養中心創新建設團隊，開設培訓課程，打造虛擬現實教學資源的開發能力，有效解決院校高水平數字化資源建設中普遍存在的“最后一公里”問題和“一次性工程”問題。同時，以校企合作、共建共享模式，為產業和社會提供開發服務，促進產教融合，并實現中心的自我造血與持續升級。

6 教學效果

智能網聯汽車虛擬仿真測試虛擬仿真實驗室已在車輛工程專業本科生實驗教學中應用。硬件系統為學校其他課程虛擬仿真實驗教學提供共享服務，軟件系統已納入學校大型儀器共享平臺，面向我校車輛工程、汽車服務工程、電子信息、通信、物聯網等相關專業提供實驗教學服務。

實踐表明，虛擬仿真系統讓學生在實驗室親身體驗和了解自動駕駛功能的感知-決策-控制算法”和“虛擬測試場景搭建”等關鍵技術，將課程的理論與實踐結合起來，安全便捷，具有很強的身臨其境體驗感和交互性，有助于學生加深理解理論知識，拓展創新思維和提升創新實踐能力。