依托机器人比赛平台指导毕业设计的研究与实践

方 峻，王晓斌，张 翔

（1.电子科技大学 信息与软件工程学院，四川 成都 610054；2.电子科技大学 计算机科学与工程学院，四川 成都 610054；3.电子科技大学 成都学院，四川 成都 611731）

传统的大学本科教育体系以教师讲授为核心地位，以课堂学习为主要方式，注重传授专业知识和解题技能。在这种教育方式下，学生的基础知识比较扎实，知识结构较为全面系统，但是，这种方式使得学生的自主学习能力、工程实践能力、技术创新能力没有得到足够的训练。对于工科院校或工程专业的毕业生，在实践中综合运用知识解决实际问题的能力尤为重要［1］。在目前的本科生培养体系中，毕业设计是为数不多的能让学生接触实际问题、培养动手能力、强化工程训练和激发创新思想的重要环节。如何增强毕业设计的培养质量，提升毕业生综合素质，把好本科生“总装出厂”最后一关，是教学研究中非常重要的问题。

作者在最近指导大学本科生毕业设计的实践过程中，对毕业设计的教学思想进行了改革创新。具体思路是：依托机器人仿真足球比赛设计论文题目，从中抽取关键技术作为研究目标，围绕重要的科学问题进行实验分析。同时，鼓励学生大胆申请国家发明专利，积极撰写学术论文。在这个过程中，注重培养学生的工程实践能力和独立研究问题的能力，重点训练学生分析和解决问题的思路和技巧，增强相互协作的团队意识，强化创新能力培养。

1 以机器人仿真足球比赛题目为依托，注重训练平台建设

选题的优劣决定了毕业设计的训练质量和综合论文的水平高低。在选题中注重先进性、实用性、可执行性的三原则。先进性是指被研究的算法、模型、平台等，或者在理论上是前沿的、新颖的，能对现有科学问题的理论方法进行改进或重构，或者在工程上是空缺的、关键的，具有技术上填补、完善或上升的空间。实用性是指题目具有项目背景，来源于工程实践，具有实际应用价值。可执行性是指任务目标的制定要考虑学生现有的知识结构和专业特点，因人制宜，题目难度适当，工作量适中，具有在规定的毕业设计时间内完成的可能。

选题背景源自机器人世界杯足球锦标赛Robo－Cup。RoboCup比赛包括仿真组和机器人组，我们重点关注仿真组比赛的软件平台Soccer Server。该平台具有标准性、开放性和可评价性的特点，能够让由不同语言编写的自主球员程序进行比赛。它采用客户端/服务器（Client/Server）结构。服务器端为比赛平台，而客户端为球员程序［2］。

之所以选择Soccer Server作为依托平台，在于作为目前机器人仿真领域世界最高水平的赛事之一，机器人球员智能体技术还很不完善，有大量的科学问题和关键技术亟待解决。依托这个平台，可以开展多个学科的交叉研究，如多智能体系统、分布式人工智能、机器学习、机器人学等［3］。该平台研究面宽广，可从不同层次提取研究点，既有理论研究价值，又有工程应用价值，体现了选题的先进性。其次，通过这些问题和技术的解决，能够确实提高机器人比赛水平，增加比赛胜率，支持了选题的实用性。再次，本着“依托大平台，放宽选题面，做精小题目”的原则，精心挑选可研究的问题，找准关键技术和突破点，做好工作计划，保证选题的可执行性。

2 以关键技术为研究目标，增强实践能力训练

2.1 任务清晰，分工明确，培养团队合作精神

该组毕业设计的学生拟定的题目是：利用Java语言，基于Soccer Server端口协议编写一个客户端球员智能体程序，要求该程序能用于比赛实战，具有基本的推理能力，该球员智能体程序被命名为Java Junior Soccer Agent，简称JJSA。JJSA智能体的总体结构设计如图1所示。整个智能体结构可以看作一个分层结构，如图2所示，大体上可分为4个层次。其中通讯协议层我们已经掌握了现成代码，需要研究和实现的是反应层和规划层里的工作模块。

为培养学生的科研团队意识，同时发挥每位学生的专业特长和团队的整体优势，要根据任务难度和工作量将问题拆分成多个子问题，每位学生负责解决其中的一个或几个子问题，既能培养学生相互配合的意识，又能使他们相互激励，相互比较，达到了比较好的训练效果。综合已有的平台体系知识，同时考虑到结构的清晰性和易实现性，将反应层划分为3个模块：世界模型、运动预测、球员技术。考虑到该课题组共4名学生，我们安排3名学生分别负责反应层的3个模块，另一名学生负责高层决策模块。

图1 JJSA系统的智能体结构

图2 JJSA系统的分层结构

每个模块确定了要实现的关键技术，按照技术难度从低到高排列，依次是：

（1）世界模型中的视觉信息处理技术；

（2）运动预测中的基本运动模型及其模型组合技术；

（3）球员技术模块中的技术分层模型；

（4）高层决策中的阵型布置与角色分配技术。

这4个子课题相互关联、相互依托，每个课题的实验结果既是后一个课题的依据，又能证明前一个课题的结果是否正确。任务分配时力求与每位学生的综合能力基本匹配。

2.2 阶段划分，定期汇报，保证计划按时完成

学生之间的互帮互助和团结协作固然重要，指导教师也要从宏观上加强调控和督促，特别对于平台结构比较复杂、模块划分比较多的情况。多模块同步进行开发，每个模块的开发速度都会影响平台整体开发速度，因此指导教师要协调各模块的进度，规定每个模块实现的功能、完成的时间以及模块间交流的数据格式等标准。一方面，制订严密的工作计划，划分任务阶段，规定每一阶段的目标和里程碑；另一方面，督促学生按期完成任务，分阶段检查完成情况，给学生一定的学习压力，促使他们利用好时间，才能保证毕业设计按时保量地完成。

为了督促学生按时完成任务，制定了定期工作汇报制度。在整个毕业设计过程中，采用3天一个节点的方式，每周汇报2次，要求学生制作幻灯片，讲解该阶段看过的文献、完成的任务、遇到的困难以及与其他同学讨论的情况。这个过程不仅检查了工作进度，还可以锻炼学生的总结能力和表达能力，促进师生之间的沟通。

2.3 自由讨论，思想碰撞，激荡创新的火花

“沟通架起桥梁，碰撞产生火花”，坚持每周组织一次本科生自由讨论，由一名博士生负责组织，指导教师不参加，学生可以无拘无束、海阔天空的畅谈和辩论。如果学生有问题可以随时找指导教师讨论。自由讨论的实际效果很好，诞生了很多新方法和新思路，甚至一些看似荒诞的想法中却往往蕴含着精妙的解决思路。另一方面，虽然本科生思想活跃，但他们的知识结构和科学训练还不够，这些新思想一般都不够成熟完善，离解决实际问题还有一定距离。当指导教师遇到这些好“点子”时，为了让这些思想火花达到“星星之火，可以燎原”的效果，要及时进行总结归纳和理论拔高，将创新思想进一步系统化和理论化。另外，还要训练学生通过实验验证自己的想法，学会总结提炼，辨伪存真，去粗取精。

3 以科学实验为研究基础，重视科研方法教育

3.1 有针对性地进行文献调研，学会撰写技术报告

在本科生毕业设计过程中，文献调研是一项基础工作和重要环节。因此，在确定选题范围后，要求学生首先进行文献调研，对需要研究的问题进行“横向比较、纵向寻根”，搞清楚问题的来龙去脉、国内外研究现状、现有解决方法以及在该领域有影响力的研究机构与人员。只有在充分调研的基础上，才能进行科学研究和方法创新。在这次毕业设计中，4位学生针对各自负责研发的功能模块，在2周内查找了IEEE和ACM相关文献总计165篇，并从其中抽取了34篇文章进行精读。为了巩固文献资料的学习效果，要求学生在文献调研结束后撰写技术报告，对自己本段时间所读文献和所做的思考做一个阶段性总结。随后，学生要根据技术报告做PPT演示，在例会上讲演。实践证明，学生不但能把要研究的问题讲得很有条理，梳理了该领域的重要方法和关键技术，还指出了许多已有方法和技术的不足之处，提出了一些可能的技术突破点。

3.2 借助文献调研提炼研究亮点，培养发现问题的能力

在文献调研的基础上，通过与指导教师的讨论，学生提出了许多初步的研究亮点。下一步的工作是在指导教师的帮助下，对这些研究亮点进行甄别、筛选、归并、提炼。我们要求每位学生在阅读文献后，最终提出一个研究亮点加以重点研究，作为综合论文的研究内容。研究亮点的选择要遵循第一节提出的先进性、适用性、可执行性的三原则。这4位学生确定的4个研究亮点分别是：

（1）世界模型中的相对信息还原算法；

（2）运动预测中的神经网络预测算法；

（3）球员技术模块中的基于机器学习的决策树生成算法；

（4）高层决策中的基于形势的策略定位算法。

对于学生的科研能力培养模式分为基本培养和高级培养。对于基本培养模式，在确定研究亮点时，没有过于追求方法的前沿性或繁难性，不要求学生能够对方法做较大改进或原始创新，只需将方法实现出来并根据具体问题做一些小改动即可。要保证学生不需具有太深的数学基础即可上手，并可在毕业设计允许的时间内实现计划。对于部分基础好，兴趣浓，学有余力的学生，可以采用高级培养模式，要求他们进行更深入的研究，提出改进方案或创新思路，将研究成果整理成论文或专利发表。甚至可将问题进一步发挥，作为研究生阶段的论文题目。

4 以发明专利或学术论文为质量检验，强化创新能力培养

培养创新型人才是大学教育的目标之一。创新人才要具有创新性思维能力，要培养科学的思维方法和独立进行科学研究的能力。电子科技大学不乏具有创新精神和创新能力的学生，他们通常表现出灵活、开放、好奇的个性，具有精力充沛、坚持不懈、注意力集中、想象力丰富以及富于冒险精神等特质。如何在本科毕业设计阶段，引导这些青年学生将这些优秀品质转化为学习上的“正能量”，利用“初生牛犊不怕虎”的精神去挑战传统思想，结出创造性的果实，是一个非常重要的问题［4］。我们鼓励本科毕业生积极申请国家发明专利或发表学术论文。在毕业设计之初，就提出每位学生争取在毕业设计结束时完成一个国家专利申请或发表一篇学术论文。对于能够完成的学生给予一定的奖励。实践证明，这种要求激发了学生的主动性和创造性，训练了他们申请专利和撰写学术论文的方法，提升了综合论文的整体质量，保证了毕业答辩的水平。

5 结束语

经过了本学期指导4名本科生毕业设计的实践检验，本教学思想显示了良好的效果。首先，学生实现了一个完全自主开发的，能用于比赛实战的，具有基本推理能力的球员智能体程序JJSA，初步构建了一个RoboCup训练平台。工程训练方面，在JJSA中实现了两项关键技术：运动预测中的模型组合技术，以及高层决策中的阵型布置与角色分配技术。该项成果已经申请了2项软件著作权。除此之外，在理论研究方面提出了两项创新点或改进点：基于神经网络的运动预测算法和基于模糊决策树的球员技术生成算法。该项成果已经形成2篇论文并已向2个国际会议投稿。最后，学生将这些研究成果整合进训练平台中，共同申请了一项发明专利“一种RoboCup平台球员智能控制方法及其系统”。

此次毕业设计结束时，4位学生共申请了1项发明专利、2项软件著作权，还提交了2篇会议论文。4名学生在综合论文答辩中以全优的成绩通过答辩，他们的论文也得到答辩委员的一致好评。他们正计划将该平台进行完善，下一步将参加四川省大学生机器人足球锦标赛。4位学生一致反映，通过本次毕业设计，自己的工程实践能力得到了有效锻炼，创新能力得到了明显提高。更重要的是，掌握了学习的主动性，品尝了解决实际问题的成就感，第一次对“学什么，为什么学，怎样学，怎样用”有了直观的体验。

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