智能网联汽车数字仿真技术教学应用研究

李兰友 邵立东 李进斌 楚萌

摘要：智能网联汽车技术是汽车工业发展近一百多年来最具革命性的技术变革，是汽车产业“电动化、智能化、网联化、共享化”新“四化”发展的重要载体。针对智能网联汽车实训成本高、技术难度大且更新快、教学资源少、专业人才缺乏等特點，给出了一种利用数字仿真技术构建的智能网联汽车检测与运维仿真平台解决方案。实践应用表明，该平台方案具备沉浸式的代入感、三维立体的空间感和人机交互的真实感，可以反复使用，多次操作，能通过“学、练、测、考”一体的教学方式来增强学生学习兴趣和提高教师教学效率。

关键词： 智能网联汽车；数字仿真技术；教学应用

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）06-0138-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

高等职业教育作为智能网联汽车产业链中的一个环节，是快速培养智能网联汽车专业人才的重要抓手，是破解智能网联汽车大量应用级人才缺乏的关键。不过智能网联汽车技术专业是一个新专业，以专业代码“460704”于2021年刚刚列入新版《职业教育专业目录》，智能网联汽车技术专业的人才培养方法还在不断的探索实践过程中，在这个过程中，发现智能网联汽车人才培养具备实训成本高、技术难度大、技术更新快、跨学科交叉性强、教学资源少、专业人才缺乏等问题，针对这些问题，迫切需要构建一种成本低、见效快、易于上手的教学平台。通过建立基于数字仿真技术的智能网联汽车教学平台，使得智能网联汽车模型和算法系统可以在仿真的交通场景中进行各种各样的测试验证实验，在一定程度上降低对实车实验的依赖，提高智能网联汽车实训的安全性和易用性，大大降低智能网联汽车人才实训的培养成本，是一种行之有效的解决方案[1]。

1 教学应用平台设计

1.1研究背景

当前，汽车产业正发生着翻天覆地的变化，在“大数据、大计算、大决策”的科技革命推动下，汽车正从传统汽车到机械电子汽车以及向软件定义汽车方向进化[2]。智能汽车就像当年的智能手机一样，正在经历着产业革命的阵痛期，汽车产业能够重现当年诺基亚传统手机一夜之间被以苹果为代表的智能手机所打败的变革情境吗？这也许需要时间来证明，但是未来可以思考和展望。当前，互联网科技巨头们纷纷下场宣布造车，车企与科技企业之间的“护城河”正变得越来越模糊，它们之间的“产业链”也正变得越来越紧密。种种迹象表明，汽车产业已经在进化，这就要求智能网联汽车技术专业的人才培养也要进化，以适应产业的变革趋势。智能网联汽车技术的演化趋势特征，主要包括汽车产业演化趋势、汽车属性演化趋势以及汽车人才演化趋势等，如图1所示。

汽车产业演化趋势表现在：价值链产生演化，从机械到机电再到软件、数据、芯片的演化；供应链产生演化，传统的供应链体系被打破，更多的OEM企业对汽车有更多话语权；产业链产生演化，从分工变化到布局调整再到龙头切换等。

汽车属性演化趋势表现在：汽车成为了道路运输的载体，确保安全零事故；汽车成为一个移动的储能单元，通过削峰填谷，为能源安全添砖加瓦；汽车成为一个移动的交互终端，继电视、手机后的又一个内容展示平台，也是元宇宙虚拟生态世界的一个硬件接口；汽车成为一个移动计算平台，具备在线、移动、高能的技术平台。

汽车人才演化趋势表现在：企业岗位产生了变化，普通技术工人需求量大幅下滑，而复合技术型人才需求量急剧上升；岗位要求产生了变化，更强调技术型、复合型、创新型人才；培养方式产生了变化，需要产教融合，需要终身学习等。

天津大学史延雷等[3]针对目前学校智能网联汽车方向教学实验设备落后，与汽车产业前沿技术发展不同步的问题，以培养智能网联汽车专业人才为目标，利用数字化仿真技术构建了一个智能网联汽车硬件在环的虚拟仿真实验平台，该平台以虚拟仿真环境，能够实现实验教学环境下智能网联汽车的功能体验与开发验证。天津职业技术师范大学的候海晶等[4]利用虚拟仿真技术搭建了一套面向教学的智能网联汽车环境感知系统软件，该软件具有交互性，能够在实际互动中增强职业教育学生的学习效率。美国阿拉斯加大学Arafat M教授[5]搭建了一种基于C-V2X模式4的实时、高保真、硬件在环的网络仿真平台，该平台可以通过虚拟仿真以代替成本高昂的实车实验。通过学术梳理可以发现，已有高校应用数字仿真技术搭建虚拟仿真实验平台，但是利用该类型平台进行职业教育的教学实践，还有许多值得探索的地方。

1.2 教学内容

智能网联汽车建立在人工智能、数字孪生、物联网、云计算、大数据以及虚拟现实等公共关键基础平台之上，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，迫切需要以车辆知识为背景，掌握计算机、信息技术以及自动化等复合知识的应用人才[6-7]。这就要求在教学应用中，教师团队必须要教授智能网联汽车感知技术、决策技术、执行技术以及规划技术，包括环境感知、智能决策、云计算、控制执行、人机交互、地图导航以及法规标准等内容，如图2所示。

环境感知技术主要包括利用车载毫米波雷达、超声波传感器、激光雷达等智能传感器对周边障碍物进行智能检测，利用机器视觉智能识别技术，结合路径轨迹进行智能预测等。

车联网技术主要包括利用车辆搭载LTE-V、4G/5G通信终端，实现车对车（V2V）、车对行人（V2P）、车对基础设施（V2I）、车对云端网络（V2N）的车联网C-V2X技术以及非视距信息共享技术、智能交通调度技术、智能编队技术等。

决策技术主要包括利用车辆周围交通环境感知的数据、网联交互数据、自身行驶状态数据等，将这些多源数据进行提取、分析、整合，利用人工智能算法，进行聚类分析和知识发现，以实现车辆安全驾驶辅助、高级驾驶辅助和无人驾驶等功能。

执行技术主要包括按照智能决策技术的指令，面向驱动/制动的纵向运动控制，面向转向的横向运动控制，基于驱动、制动、转向、悬架的底盘一体化控制，融合车联网通信及车载传感器的多车队列协同和车路协同控制等，并为联网汽车提供道路交通信息、安全信息、娱乐信息、救援信息以及商务办公、网上消费等，保障汽车安全行使和舒适驾驶。

规划技术主要包括汽车信息安全建模技术，数据存储、传输和应用三维度安全体系，汽车信息安全测试方法，信息安全漏洞应急响应机制等；高精度地图数据模型与采集式样、交换格式和物理存储的标准化技术，基于北斗地基增强的高精度定位技术等；智能网联汽车云平台架构与数据交互标准，智能网联汽车整体标准体系以及涉及汽车、交通、通信等各领域的关键技术标准等。

1.3 总体框架

该框架分成了基础硬件层、软件模块层、功能实现层、交互展示层、教学应用层等五层。基础硬件层主要涉及到线控底盘、工控机、雷达以及摄像头等；软件模块层主要包括感知模块、计算模块、决策模块以及控制模块等；功能实现层主要包括多目标识别、盲点检测、车道保持以及自动驾驶等；交互展示层可以在PC端、Web端、移动端以及VR端等进行应用实训；教学应用层主要面向学校教师、企业导师、学校学生以及其他培训人员等；而数据挖掘功能主要是把实训过程中产生的任务数据、学习数据、测试数据、用户偏好、学习偏好以及知识图谱等利用大数据挖掘算法进行分析归纳，以获取教学应用反馈效果或实训过程中的算法性能分析结果，如图3所示。

1.4 平台设计

通过计算机数字仿真技术设计，采用三维虚拟仿真场景对现实中的智能网联汽车检测与运维的过程进行三维建模与场景仿真，将智能网联汽车检测与运维的实训过程全部在软件平台中进行呈现。整个平台包括以下四个主要模块：基础仿真操作模块、准备工作模块、理论知识测试模块和功能测试与诊断模块。

基础仿真操作模块通过鼠标操作平台中虚拟人物来模拟自身的操作，通过拖拽来进行移动，通过鼠标滚轮实现放大或缩小等功能，通过平台导航地图来定位自己所处操作阶段。

准备工作模块包括个人准备子模块、场地准备子模块以及工具准备子模块，通过学生对每个子模块的处理过程，来考核学生是否在实际操作过程中，是否严格遵守智能网联汽车检测与运维的标准规程，如图4所示的万用表校表过程，只有按照标准的万用表校表流程进行操作，前台万用表读数才会显示正常，后台才会给这个步骤打分。

理论知识考核模块是在学生仿真操作的过程中弹出对话框，以不定项选择题的形式进行考核，根据当时的场景来考核学生的理论知识是否扎实，有助于学生理解和记忆知识点。

功能测试与诊断模块主要把智能网联汽车检测与运维的主要功能进行抽取设计，针对每一个功能都设计详细的检测与诊断步骤，主要包括ACC功能测试、AEB功能测试、LKA功能测试、线控底盘测试、基于CAN通讯的行驶控制故障诊断、基于CAN通讯的制动控制故障诊断、激光雷达性能检测及建图、视觉传感器与激光雷达联合标定以及激光雷达与惯导信息融合及联合标定等。功能测试与诊断模块能够模拟Linux操作环境下的命令执行情况，并考查学生的命令执行情况，如图5所示。只有按照命令的正确顺序进行执行，仿真平台才会反馈命令执行后的正确显示结果，否则平台会判定当前命令执行错误，不会在后台进行计分。例如单目视觉传感器的标定流程如下：

1） 配置环境变量；

2） 启动USB摄像头；

3） 确认摄像头TOPIC是否发布；

4） 启动标定程序；

5） 将标定板放置在摄像头视野范围内（X：标定板左右移动，Y：标定板上下移动，SIZE：标定板前后移动，SKEW：标定板倾斜转动）；

6） 当“CALIBRATE”按钮激活时，点击按钮，然后按下“SAVE”按钮保存标定结果。

2 应用实例

平台设计部署后，利用中德诺浩的智能网联汽车检测与运维平台进行实践。该平台将智能网联汽车检测与运维的过程进行虚拟仿真，能够实现理论题作答、车辆防护过程、启动CAN模块、启动激光雷达模块、启动摄像头模块、视觉传感器检测、视觉传感器标定、ACC控制程序检测等学习和检测过程，同时通过不同的账号，教师可以实现所有学生同时进行仿真教学工作，大大提高教学效率[8-9]。此外，该平台关联中德诺浩“1+X”证书，通过该平台的教学、实践及培训，学生可取得“智能网联汽车检测与运维”的初级、中级以及高级证书，真正实现“学、练、测、考”一体的教学方式，如图6所示。

3 结论

应用实例表明以智能网联汽车数字仿真教学实验平台为抓手，融合学校和企业两端，共同制定教学任务和工作任务，通过学校专业教师和企业实践导师的互补合作，将智能网联汽车关键技术以数字化仿真虚拟教学平台的形式更加浅显易懂地呈現给学生，让学生在可容错的环境下不断打磨提升，来理解这些技术的应用效果和了解技术背后的理论和原理，进而打造一个适合职业教育培养智能网联汽车人才的教学模式。不过在实践过程中，智能网联汽车技术人才的培养不能缺少真正的实训锻炼，但是数字仿真平台的加持是必不可少的有效提升教学效果的手段。

参考文献：

[1] 闻龙.面向智能网联汽车的高性能计算仿真平台[D].成都：电子科技大学，2020.

[2] 孟天闯，李佳幸，黄晋，等.软件定义汽车技术体系的研究[J].汽车工程，2021，43（4）：459-468.

[3] 史延雷，孟庆浩，龚进峰，等.智能网联汽车硬件在环虚拟仿真实验平台设计开发[J].实验技术与管理，2021，38（7）：125-128，134.

[4] 袁也，关志伟，侯海晶，等.基于智能网联汽车环境感知系统的教学微课开发研究[J].教育现代化，2019，6（19）：176-181.

[5] Mahmoud，Arafat.Benefits of connected vehicle signalized left-turn assist：simulation-based study[J].Transportation Engineering，2021，4：100065.

[6] 李然，姚艳南，吕吉亮.高职院校智能网联汽车专业建设方案探究[J].职业教育研究，2019（10）：49-53.

[7] 王丽新，李玉龙.高职院校“岗课赛证”综合育人的内涵与路径探索[J].中国职业技术教育，2021（26）：5-11.

[8] 税永波.高职汽车“课岗证赛”融合视域下课程功能的多目标优化研究[J].装备制造技术，2021（2）：153-155.

[9] 王虹霞，高瑞娟，谷志朋，等.智能网联汽车背景下的车辆专业教学改革和探索[J].汽车维修与保养，2021（4）：80-81.

【通联编辑：王力】