關(guān)麗敏 ，李 強(qiáng) ，張 藝 ，汪貴平 ，雷 旭

（1.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，西安 710054；2.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，西安 710054）

隨著“十三五”計(jì)劃對新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略的提出，我國純電動汽車的年保有量與日俱增[1]。近年來，隨著純電動汽車電機(jī)、電池、電控技術(shù)的發(fā)展，純電動汽車產(chǎn)銷量不斷取得新的突破。以我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)為背景所做的研究顯示，高效率、高質(zhì)量地建設(shè)人才隊(duì)伍是發(fā)展純電動汽車必不可少的一環(huán)[2]，而與純電動汽車的發(fā)展速度相比，純電動汽車維修人才的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。傳統(tǒng)職業(yè)院校的培養(yǎng)周期長，培養(yǎng)速度相對較慢，難以滿足市場對純電動汽車維修人員的需求。估計(jì)到2025年，相關(guān)人才缺口會達(dá)到百萬人左右，相關(guān)人才培養(yǎng)迫在眉睫。

1 純電動汽車?yán)韺?shí)一體化系統(tǒng)功能特點(diǎn)

傳統(tǒng)的教學(xué)方式通常以PPT（Microsoft Office PowerPoint）作為授課工具，配合實(shí)訓(xùn)臺和整車作為實(shí)驗(yàn)工具對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。相關(guān)調(diào)查顯示，學(xué)生在純電動汽車的結(jié)構(gòu)和原理學(xué)習(xí)過程中，難點(diǎn)之一是無法將理論知識與實(shí)物相對應(yīng)，學(xué)習(xí)效率低。對于維修人員的培訓(xùn)，立體、直觀的方式更容易被學(xué)生理解和接受。而在傳統(tǒng)教學(xué)中，以PPT和實(shí)訓(xùn)臺相互配合作為教具，學(xué)生難以直觀地對車內(nèi)各個組件進(jìn)行整體把握，尤其難以理清線束的連接方式，因而學(xué)習(xí)純電動汽車結(jié)構(gòu)和原理的難度大。由此可見，傳統(tǒng)教學(xué)方式最大的阻礙，是通過抽象的二維圖像和線路教學(xué)，難以使學(xué)生快速理解純電動汽車構(gòu)造和原理。

對于教師來說，傳統(tǒng)的考試方式由于考核方式單一，重題率高，批改工作量大，分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)復(fù)雜，因此在一定程度上限制了培訓(xùn)效率。

Unity3D是一款三維游戲制作軟件，其合成的場景相比于傳統(tǒng)教學(xué)中的二維圖片和實(shí)際物體，兼具二維圖片的便捷性和實(shí)際物體的真實(shí)性，將二者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的同時，還具備可交互性。對于車輛這類大型實(shí)驗(yàn)器械，采用Unity3D建立的模型，使得學(xué)生不費(fèi)吹灰之力就可從各個視角觀測車內(nèi)部件，對于知識的獲取也更加便捷。將游戲制作軟件U-nity3D用于教育行業(yè)并非首例。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展，各類教育行業(yè)中使用Unity3D生成的教具如雨后春筍般出現(xiàn)，比如：使用Unity3D構(gòu)建的化工設(shè)備虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)[3]，虛擬化學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺[4]，孤獨(dú)癥兒童認(rèn)識教育系統(tǒng)[5]。

采用理論考試和實(shí)操考核相結(jié)合的方式，在同一套系統(tǒng)中進(jìn)行操作，可以在保證教學(xué)效果的同時，降低教師的工作強(qiáng)度。

結(jié)合上述傳統(tǒng)教學(xué)的缺點(diǎn)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育行業(yè)的發(fā)展，在此提出了一種用于純電動汽車維修人員培訓(xùn)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為2個模塊：一個是基于Unity3D構(gòu)建了純電動汽車的三維模型，通過高度仿真的純電動汽車模型為學(xué)生提供純電動汽車的結(jié)構(gòu)及原理教學(xué)，另一個是基于純電動汽車實(shí)訓(xùn)臺和SQL Server 2014[6]，為師生提供實(shí)訓(xùn)及理論考核平臺。

2 純電動汽車?yán)韺?shí)一體化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

純電動汽車?yán)韺?shí)一體化系統(tǒng)是一款適用于中職學(xué)校純電動汽車檢修專業(yè)學(xué)生的軟件。根據(jù)前期調(diào)研，依照中職教育專業(yè)大綱設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的主要功能。該系統(tǒng)包括虛擬仿真模塊和考核模塊，其總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall design structure of the system

如圖1所示，虛擬仿真模塊分為結(jié)構(gòu)展示和原理展示2個部分，對所包含的11個系統(tǒng)進(jìn)行講解。

考核模塊分為理論考試和實(shí)訓(xùn)考核2個部分。理論考試按照教師設(shè)定、隨機(jī)組卷的形式，以降低題目的重復(fù)率，從而在一定程度上提高題目的難度，提升學(xué)生對知識的掌握程度。對于技能型人才的培養(yǎng)，僅僅從理論方面的考核是不夠的，因此將該系統(tǒng)與實(shí)訓(xùn)臺相結(jié)合，開發(fā)了實(shí)訓(xùn)考核功能。實(shí)訓(xùn)考核是將電腦與實(shí)訓(xùn)臺相連接，通過電腦設(shè)置線路故障，實(shí)訓(xùn)臺的測量點(diǎn)給出相應(yīng)信號，學(xué)生通過相應(yīng)信號判斷出故障原因。

3 系統(tǒng)功能

虛擬仿真模塊適用于學(xué)生初步接觸純電動汽車的階段，通過虛擬仿真所建立的場景使學(xué)生對純電動汽車的構(gòu)造及原理有一個宏觀的認(rèn)識，便于后期教師對學(xué)生進(jìn)行更加細(xì)致的講解。考核模塊適用于學(xué)生已經(jīng)具備足夠的理論知識，教師通過設(shè)置理論題目及實(shí)訓(xùn)題目，對學(xué)生進(jìn)行考核，了解其掌握程度。

電腦端的系統(tǒng)登錄界面如圖2所示。操作者在登錄界面輸入相應(yīng)的賬號和密碼后，方可進(jìn)入模塊選擇界面。

圖2 用戶登錄界面Fig.2 User login interface

3.1 虛擬仿真模塊功能

虛擬仿真模塊的場景選擇界面如圖3所示，其包含有2個模塊按鈕“整車結(jié)構(gòu)展示”“工作原理展示”。系統(tǒng)的虛擬仿真模塊主要向?qū)W生講解基礎(chǔ)知識。該模塊將純電動汽車按照標(biāo)準(zhǔn)分為11個系統(tǒng)，分別對每個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行講解，還對電機(jī)、電池、電控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺的測試進(jìn)行仿真。

圖3 虛擬仿真模塊的場景選擇界面Fig.3 Scene selection interface of virtual simulation module

3.1.1 整車結(jié)構(gòu)展示

在“整車結(jié)構(gòu)展示”中，生動形象地逐一展示了各個系統(tǒng)的部件組成、靜態(tài)參數(shù)、功能描述、內(nèi)部結(jié)構(gòu)3D展示等。對新能源汽車的11個系統(tǒng)逐一展開：整車控制器、電池及電池管理系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、高壓電氣系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、制動及制動能量回收系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)及其他部件。為了便于教學(xué)，還加設(shè)了自動展示及隱藏車殼功能。

虛擬仿真模塊結(jié)構(gòu)的整車展示如圖4所示。

圖4 虛擬仿真模塊的整車結(jié)構(gòu)展示Fig.4 Vehicle structure display of virtual simulation module

在整車結(jié)構(gòu)展示中，當(dāng)選擇其中某個系統(tǒng)時，車輛的其他部件便會透明化。所選系統(tǒng)內(nèi)各個部件名稱均有相應(yīng)的用戶界面UI（user interface）指示，以便學(xué)生對單一系統(tǒng)的整體把握。在此，以高壓電氣系統(tǒng)為例，其結(jié)構(gòu)的展示界面如圖5所示。

圖5 高壓電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的展示Fig.5 Display of high voltage electrical system structure

點(diǎn)擊系統(tǒng)內(nèi)的某一部件時，學(xué)生可以通過對仿真模型的旋轉(zhuǎn)和距離的放縮，實(shí)現(xiàn)對所選系統(tǒng)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。在此，以高壓電氣系統(tǒng)中車載充電機(jī)為例，其靜態(tài)參數(shù)界面如圖6所示。當(dāng)點(diǎn)擊界面右下角“靜態(tài)參數(shù)”“功能描述”“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”或“3D展示”等按鈕時，會顯示相應(yīng)的信息，重要部件的3D展示以3D爆炸視圖的形式展現(xiàn)出來，便于學(xué)生詳細(xì)了解重要部件的構(gòu)成。

圖6 車載充電機(jī)的靜態(tài)參數(shù)的界面Fig.6 Interface of static parameters of vehicle charger

3.1.2 整車原理展示

整車原理展示通過可交互式3D動畫的形式進(jìn)行教學(xué)。在“工作原理展示”中，當(dāng)學(xué)生選擇某一系統(tǒng)時，則開始播放所選系統(tǒng)的仿真動畫，并配以文字和語音，對該系統(tǒng)的原理進(jìn)行講解。在原理講解的過程中，學(xué)生可以使用鼠標(biāo)移動視角，近距離地觀測原理細(xì)節(jié)。高壓電器系統(tǒng)原理的展示如圖7所示。

圖7 高壓電器系統(tǒng)原理的展示Fig.7 Display of high voltage electrical system principle

對于不同工況下運(yùn)行原理不同的系統(tǒng)，獨(dú)立設(shè)定UI指示，按照工況的不同分別展示各自原理。電池及電池管理系統(tǒng)放電過程原理的展示如圖8所示。

圖8 電池及電池管理系統(tǒng)放電過程原理展示Fig.8 Display of battery and BMS discharge process principle

3.2 考核模塊功能

純電動汽車維修人才的培養(yǎng)，重在提高其知識的廣度和解決實(shí)際問題的能力，考核系統(tǒng)對學(xué)生知識的掌握情況起到督促作用。

3.2.1 實(shí)訓(xùn)考核功能

實(shí)訓(xùn)考核模塊基于純電動汽車電機(jī)實(shí)訓(xùn)臺、電池實(shí)訓(xùn)臺、主控制器實(shí)訓(xùn)臺完成。教師用教師賬號登錄，通過純電動汽車教學(xué)考試一體化系統(tǒng)為實(shí)訓(xùn)臺設(shè)定故障作為考題，共有18種斷路故障和6種短路故障可供選擇。教師可以在系統(tǒng)中設(shè)置故障，該界面如圖9所示。

圖9 教師設(shè)置故障界面Fig.9 Interface of setting fault by teacher

故障設(shè)置完成后，基于北汽EV160的實(shí)訓(xùn)臺（如圖10所示）的測量點(diǎn)數(shù)值將產(chǎn)生異常。

圖10 實(shí)訓(xùn)臺圖片F(xiàn)ig.10 Picture of training platform

學(xué)生們根據(jù)所學(xué)知識在實(shí)訓(xùn)臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對題目結(jié)果做出判斷，將其錄入系統(tǒng)。學(xué)生排查故障的界面如圖11所示。教師可以在實(shí)踐考核成績中查詢所有的實(shí)訓(xùn)結(jié)果，如圖12所示。

圖11 學(xué)生排查故障界面Fig.11 Interface of troubleshooting by student

圖12 實(shí)踐考核成績查詢界面Fig.12 Interface of practice assessment results query

3.2.2 理論考核功能

教師可以通過理論考試模塊為學(xué)生出考題，檢查學(xué)生的掌握情況。理論考試設(shè)置界面如圖13所示，教師根據(jù)需要錄入題量、總分和答題時間，系統(tǒng)在題庫中自動生成套卷，供學(xué)生在線答題。另外，教師在“查看試卷”界面將試卷輸出為PDF格式，便于打印紙質(zhì)的題目。

圖13 理論考試設(shè)置界面Fig.13 Interface of theory exam setting

學(xué)生登錄后完成答題，成績自動錄入系統(tǒng)，學(xué)生理論考試的答題情況界面如圖14所示。教師在理論成績查詢系統(tǒng)查到學(xué)生的成績，如圖15所示。

圖14 學(xué)生理論考試答題界面Fig.14 Interface of students’theory examination

圖15 理論成績查詢界面Fig.15 Interface of theoretical score query

4 系統(tǒng)的開發(fā)過程

純電動汽車?yán)韺?shí)一體化系統(tǒng)以高職院校的教學(xué)大綱為中心，按照走訪調(diào)研、查閱資料、方案設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、功能測試與完善的順序進(jìn)行。

4.1 虛擬仿真模塊開發(fā)

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與建模軟件的結(jié)合，Unity3D不僅適用于游戲制作，也適用于教學(xué)軟件的生成。該系統(tǒng)虛擬仿真模塊，使用作圖軟件建立模型；通過渲染軟件進(jìn)行模型渲染和組裝；由Unity3D設(shè)置人機(jī)交互，完成虛擬仿真模塊的制作。

SolidWorks是一款三維建模軟件，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、抽殼、陣列以及打孔等操作來實(shí)現(xiàn)物體的設(shè)計(jì)。在此，使用SolidWorks對測量完成的實(shí)體進(jìn)行建模[7]，如圖16所示。

圖16 使用SolidWorks建立模型Fig.16 Modeling with SolidWorks

3Ds Max是一款基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。在此，使用3Ds Max對SolidWorks制作的模型進(jìn)行貼圖渲染，并對車前艙內(nèi)的高低壓走線進(jìn)行繪制[8]。3Ds Max渲染如圖17所示。

圖17 使用3Ds Max渲染模型Fig.17 Rendering model with 3Ds Max

Unity3D是一個可以創(chuàng)建互動內(nèi)容的綜合型游戲開發(fā)工具，通過建立坐標(biāo)、創(chuàng)建對象、插入腳本、設(shè)置動畫及聲音、執(zhí)行生命周期及場景渲染等步驟完成場景的制作[9]。在此，使用Unity3D主要完成了場景搭建和交互設(shè)置。場景搭建如圖18所示。

圖18 使用Unity3D搭建場景Fig.18 Constructing a scene with Unity3D

4.2 考核模塊開發(fā)

為保證考試效果，達(dá)到人才培養(yǎng)的目的，故特在傳統(tǒng)考試的基礎(chǔ)上加大了難度?？己四K不僅將題目范圍放寬，同時結(jié)合了實(shí)訓(xùn)考核的內(nèi)容作為分值設(shè)定的一部分。

4.2.1 實(shí)訓(xùn)考核模塊開發(fā)

根據(jù)北汽EV160相關(guān)的電路圖、技術(shù)資料等，設(shè)計(jì)出雙面印刷電路板，如圖19所示。其上設(shè)有20路常閉繼電器和6路常開繼電器，是故障設(shè)置模塊最為核心的部分，設(shè)置故障和最終恢復(fù)正常都由它來發(fā)送相關(guān)指令。印刷電路板一端連接電腦，接收電腦發(fā)出的控制信號，另一端直接連接實(shí)訓(xùn)臺，繼電器的開合狀態(tài)會反應(yīng)到實(shí)訓(xùn)臺相應(yīng)測量點(diǎn)的數(shù)值上。

圖19 印刷電路板實(shí)物Fig.19 Printed circuit board

在此，使用USB轉(zhuǎn)485串口通信，只需要在電路上添加一個USB轉(zhuǎn)串口芯片，就可以實(shí)現(xiàn)USB通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)UART串行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。串口通信連接如圖20所示。

圖20 串口通信連接Fig.20 Serial communication connection

實(shí)訓(xùn)考核模塊的流程如圖21所示。

圖21 實(shí)訓(xùn)考核模塊流程Fig.21 Flow chart of training assessment module

4.2.2 理論考核模塊開發(fā)

理論考核模塊的答題數(shù)據(jù)庫用SQL Server 2014，題目選自全國高職院校理論考試題庫。

由于不同階段的學(xué)生對知識的理解程度參差不齊，因此不能用同一水平的題目進(jìn)行考核。全國高職院校理論考試題庫難易程度區(qū)分較大，故將其按照簡單、一般、困難的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，根據(jù)教師意愿對考題難度進(jìn)行設(shè)定。

理論考核模塊的流程如圖22所示。

圖22 理論考核模塊流程Fig.22 Flow chart of theoretical assessment module

5 結(jié)語

純電動汽車?yán)韺?shí)一體化系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對純電動汽車結(jié)構(gòu)及原理的虛擬仿真，以及對學(xué)生考核的功能，可根據(jù)高職院校的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行階段性教學(xué)。教師通過三維的形式對純電動汽車的知識進(jìn)行講述，降低了學(xué)生的理解難度；學(xué)生課后可獨(dú)立操作軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)，能夠避免在車間拆裝的繁瑣步驟，進(jìn)而提升學(xué)習(xí)效率。實(shí)訓(xùn)考核與理論考核相結(jié)合的方式，在保證檢查效果的同時，降低了教師的工作量，達(dá)到事半功倍的的效果，因此該系統(tǒng)具有良好的使用價值。該系統(tǒng)已在2019年9月由陜西天益教育科技有限公司投入使用。