袁興生，牛軼峰，龔建興，王楠

（國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙）

摘 要：無人系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，推動國家經(jīng)濟(jì)和軍隊建設(shè)發(fā)展。針對無人系統(tǒng)態(tài)勢感知系列課程建設(shè)問題，以國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院無人裝備工程專業(yè)為例，結(jié)合軍隊院校的特色，對無人系統(tǒng)態(tài)勢感知系列課程建設(shè)情況以及相關(guān)實踐教學(xué)設(shè)計與實施方法進(jìn)行了研究分析，闡述了無人機(jī)態(tài)勢感知課程建設(shè)以及與理論課程相對應(yīng)的實踐項目支撐情況。進(jìn)一步，提出了無人系統(tǒng)態(tài)勢感知系列課程教學(xué)需要解決的幾個問題和相應(yīng)的解決思路。

關(guān)鍵詞：無人系統(tǒng)態(tài)勢感知；課程建設(shè)；實踐教學(xué)

一 引言

隨著智能科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，無人系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展成果正影響著軍事、民用很多領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域，人類戰(zhàn)爭正向信息化戰(zhàn)爭形態(tài)轉(zhuǎn)變，戰(zhàn)爭無人化成為重要的發(fā)展趨勢之一[1]。自1991年海灣戰(zhàn)爭起，多國在戰(zhàn)爭或軍事沖突中使用無人系統(tǒng)裝備。例如，2001年阿富汗戰(zhàn)爭中美國將捕食者無人機(jī)改裝成偵察打擊一體化無人機(jī)MQ-1B，摧毀塔利班坦克；2003年伊拉克戰(zhàn)爭，美國研制的REMUS無人潛航器執(zhí)行了反水雷任務(wù)；2019年的俄敘戰(zhàn)爭，俄羅斯軍隊的“天王星”9無人戰(zhàn)車部署到敘利亞戰(zhàn)場進(jìn)行實戰(zhàn)運(yùn)用實驗。民用領(lǐng)域，無人系統(tǒng)裝備在測繪、巡檢、勘探、氣象、物流、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)后救援、水下打撈等等諸多方面將發(fā)揮越來越重要的作用。

無人系統(tǒng)是指具有一定自治能力和自主性的無人控制系統(tǒng)，它是人工智能與機(jī)器人技術(shù)以及實時控制決策系統(tǒng)的結(jié)合產(chǎn)物 [2]。無人系統(tǒng)涉及到軍事及民用各個領(lǐng)域，包含無人機(jī)（UAV）、水下無人潛航器（UUA）、無人水面艦艇（USA）、無人駕駛汽車和無人地面車（UGV）等無人系統(tǒng)平臺。目前，無人系統(tǒng)逐步由簡單的遙控、程控方式向人機(jī)智能融合的交互控制方式轉(zhuǎn)變，并逐步向全自主控制方式發(fā)展。《無人系統(tǒng)綜合路線圖（2017-2042）》指出無人系統(tǒng)自主能力和魯棒性的提高，能夠改進(jìn)對環(huán)境的感知，提高目標(biāo)定位的速度和精度，支持無縫、敏捷、自主的人機(jī)協(xié)作和機(jī)器相互之間的協(xié)作，預(yù)計到2034年實現(xiàn)在線態(tài)勢感知，具有完全自主能力[3]。

無人系統(tǒng)技術(shù)以人工智能、自動控制等學(xué)科為基礎(chǔ)，具體體現(xiàn)在無人系統(tǒng)的四大核心部分：感知、導(dǎo)航、規(guī)劃、控制 [4]。無人系統(tǒng)態(tài)勢感知技術(shù)是無人系統(tǒng)平臺的重要支撐技術(shù)，交叉融合很多學(xué)科的研究，除了高性能傳感器、嵌入式計算機(jī)等硬件設(shè)備和相關(guān)技術(shù)外，更需要包括模式識別、載荷控制、機(jī)器視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)等在內(nèi)的核心關(guān)鍵技術(shù)支撐，使無人系統(tǒng)具有像人一樣感知、認(rèn)知外界環(huán)境的能力，并與外界環(huán)境進(jìn)行交互，完成偵察、監(jiān)視甚至作戰(zhàn)攻擊任務(wù)。目前，全國有多所大學(xué)開設(shè)了無人系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)專業(yè)[5]，如國防科技大學(xué)、空軍工程大學(xué)、海軍工程大學(xué)等設(shè)置了無人裝備工程專業(yè)，北京理工大學(xué)、中北大學(xué)等大學(xué)設(shè)置了智能無人系統(tǒng)技術(shù)專業(yè)，還有很多高校設(shè)置機(jī)器人、無人飛行器或者無人駕駛車輛等與無人系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)的專業(yè)。如何構(gòu)建滿足無人系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)建設(shè)需要的無人系統(tǒng)態(tài)勢感知系列課程，探索針對性的教學(xué)模式和實踐教學(xué)方法，是需要解決的重要教學(xué)問題。

二 無人系統(tǒng)專業(yè)態(tài)勢感知系列教學(xué)課程建設(shè)——以國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院無人裝備工程專業(yè)無人系統(tǒng)態(tài)勢感知系列課程為例

（一） 態(tài)勢感知系列課程建設(shè)思路

基于無人裝備工程專業(yè)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才培養(yǎng)模式的定位，需要制定出相應(yīng)的多學(xué)科交叉的課程體系，包括規(guī)劃理論課程體系和綜合實踐教學(xué)。強(qiáng)化創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)累計學(xué)時不少于總學(xué)時30%。智能科學(xué)學(xué)院無人裝備工程（無人機(jī)技術(shù)與保障）專業(yè)，總共設(shè)置15門理論課程，包括無人機(jī)系統(tǒng)原理與運(yùn)用、無人機(jī)飛機(jī)系統(tǒng)、無人機(jī)自主飛行控制技術(shù)、無人機(jī)態(tài)勢感知與情報處理、無人機(jī)測控與信息傳輸技術(shù)、無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計綜合實踐項目等，共計312學(xué)時的課程安排，其中理論課程182學(xué)時，實踐課程130學(xué)時。

無人機(jī)態(tài)勢感知系列課程圍繞無人機(jī)態(tài)勢感知與情報處理技術(shù)展開，課程內(nèi)容如圖1所示，旨在培養(yǎng)學(xué)生無人機(jī)系統(tǒng)的目標(biāo)識別與跟蹤、圖像情報處理、情報數(shù)據(jù)挖掘、態(tài)勢可視化等核心關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合軍事或工程領(lǐng)域的前沿進(jìn)展開展教學(xué)內(nèi)容建設(shè)。其中，最主要的是無人機(jī)態(tài)勢感知與情報處理課程，課程具體包括態(tài)勢感知緒論、無人機(jī)感知傳感器技術(shù)、無人機(jī)環(huán)境感知技術(shù)、無人機(jī)情報信息處理技術(shù)、態(tài)勢感知的本質(zhì)特征與分析方法、態(tài)勢綜合處理技術(shù)等理論內(nèi)容建設(shè)，以及無人機(jī)環(huán)境感知技術(shù)和無人機(jī)情報信息處理技術(shù)的實踐內(nèi)容建設(shè)。課程內(nèi)容貫徹厚基礎(chǔ)、重想法、多碰撞的教學(xué)理念，以典型的無人系統(tǒng)或裝備入題，引導(dǎo)學(xué)生開展深入學(xué)習(xí)思考，熟悉無人機(jī)態(tài)勢感知與情報處理的關(guān)鍵技術(shù)，著力培養(yǎng)學(xué)員在無人機(jī)態(tài)勢感知與情報處理領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

圖1 無人機(jī)態(tài)勢感知與情報處理課程內(nèi)容

無人裝備工程（無人機(jī)技術(shù)與保障）專業(yè)中的無人機(jī)載荷控制技術(shù)、無人機(jī)測控與信息傳輸技術(shù)為無人機(jī)態(tài)勢感知與情報處理技術(shù)課程提供了傳感器載荷、圖像情報信息傳輸?shù)戎R基礎(chǔ)。通過無人機(jī)態(tài)勢感知與情報處理技術(shù)課程學(xué)習(xí)，學(xué)員了解無人機(jī)戰(zhàn)場環(huán)境感知與情報生成的技術(shù)體系，熟悉無人機(jī)態(tài)勢感知包括圖像信息獲取、圖像處理、目標(biāo)檢測的各項關(guān)鍵技術(shù)，以及從圖像數(shù)據(jù)獲取到情報信息轉(zhuǎn)化的流程、實現(xiàn)和可視化方法。

（二） 無人系統(tǒng)態(tài)勢感知的實踐教學(xué)研究與實踐

2007年，國家教育部就發(fā)布了《教育部關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》，在該意見中明確指出，要求全國的各個本科高等院校，要對實踐環(huán)節(jié)高度重視，培養(yǎng)和提高本科生的實踐能力。無人系統(tǒng)態(tài)勢感知涉及到多個領(lǐng)域的知識，跨越比較大，通過幾門課程中難以覆蓋，所以課程內(nèi)容講授時較為抽象，理解難度大，具有較強(qiáng)的理論性。無人系統(tǒng)態(tài)勢感知系列課程建設(shè)過程中，將學(xué)生通過教育過程最后所取得的學(xué)習(xí)成果作為教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施的目標(biāo)，課程教學(xué)思路如圖2所示。通過整個教學(xué)實踐項目使學(xué)生更加直觀、具體的學(xué)習(xí)無人機(jī)系統(tǒng)態(tài)勢感知的相關(guān)內(nèi)容，加強(qiáng)實踐創(chuàng)新能力和主動思維能力[6]。

圖2 無人機(jī)態(tài)勢感知課程教學(xué)思路

無人機(jī)態(tài)勢感知與情報處理技術(shù)課程設(shè)計的實踐，以學(xué)員對無人機(jī)圖像處理、目標(biāo)檢測、情報數(shù)據(jù)挖掘等關(guān)鍵技術(shù)的掌握和運(yùn)用為教學(xué)實施的目標(biāo)。除此之外，還有“無人機(jī)系統(tǒng)綜合運(yùn)用實踐項目”作為教學(xué)支撐，通過設(shè)置無人機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境感知模擬（如圖3所示）、無人機(jī)任務(wù)決策與規(guī)劃仿真、無人機(jī)偵察打擊戰(zhàn)效評估仿真等環(huán)節(jié)，采用虛擬建模環(huán)境，使學(xué)員熟練無人機(jī)作戰(zhàn)系統(tǒng)運(yùn)用技術(shù)領(lǐng)域中的無人機(jī)環(huán)境感知、規(guī)劃控制等關(guān)鍵技術(shù)問題，實現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)的“觀察-導(dǎo)向-決策-行動”的OODA回路的仿真運(yùn)用，為培養(yǎng)適應(yīng)復(fù)雜對抗環(huán)境的無人機(jī)系統(tǒng)實際應(yīng)用的高端技術(shù)人才和指揮人才提供支撐。

圖3 虛擬復(fù)雜環(huán)境下無人機(jī)環(huán)境感知模擬示意圖

“無人機(jī)系統(tǒng)綜合運(yùn)用實踐項目”，需要培養(yǎng)學(xué)員在面對復(fù)雜現(xiàn)實環(huán)境時進(jìn)行無人機(jī)態(tài)勢感知問題。通過構(gòu)建虛擬無人機(jī)任務(wù)環(huán)境，模擬和替代復(fù)雜挑戰(zhàn)的實際場景，可以訓(xùn)練無人機(jī)在各種復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行偵察探測任務(wù)的能力，解決復(fù)雜環(huán)境中目標(biāo)檢測需要的大規(guī)模多樣性數(shù)據(jù)集的采集和標(biāo)注困難。無人機(jī)應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，偵察探測目標(biāo)具有各種類型、外觀和運(yùn)動特征，而且在雨霧等惡劣天氣，以及強(qiáng)陰影、煙霧、夜間低照度等因素經(jīng)常導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)模糊，并且目標(biāo)之間可能存在遮擋。人工虛擬場景可以模擬實際場景中的各種要素，包括光照時段 (白天、夜間)、天氣 (晴、多云、陰雨、煙霧等)、目標(biāo)類型 (坦克、車輛、建筑、行人等)等，并且可以靈活地設(shè)計各種場景類型、目標(biāo)外觀、目標(biāo)行為、攝像機(jī)配置等。實踐項目中，以目標(biāo)檢測模塊為例，學(xué)生首先根據(jù)任務(wù)需要設(shè)置成像環(huán)境（煙霧、陰雨、光照時段等），然后選擇傳感器并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；接著選擇目標(biāo)檢測算法，提取圖像中的目標(biāo)，并進(jìn)行身份確認(rèn)；最后根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)一步開展目標(biāo)跟蹤或者任務(wù)規(guī)劃。通過實踐項目，進(jìn)一步鞏固學(xué)員對理論知識的掌握，提高學(xué)員對無人機(jī)感知系統(tǒng)的熟練程度。同時，學(xué)員對無人機(jī)系統(tǒng)從感知、規(guī)劃、控制整個流程有了系統(tǒng)的認(rèn)知。

三 無人系統(tǒng)態(tài)勢感知系列課程建設(shè)問題分析

無人系統(tǒng)技術(shù)不斷推陳出新，目前相關(guān)專業(yè)所用的教材并不能做到及時更新，授課老師僅僅按照教材內(nèi)容進(jìn)行理論教學(xué)的方式不能滿足培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的要求。同時，課程相關(guān)的實踐教學(xué)方法也在不斷探索和改進(jìn)。為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的主動性和自主性，提高教學(xué)質(zhì)量，還需要解決以下幾個問題。

第一，優(yōu)化核心專業(yè)課程建設(shè)，突出專業(yè)整體特色。無人系統(tǒng)態(tài)勢感知系列課程需結(jié)合實際應(yīng)用方向分層級、按步驟開展。無人系統(tǒng)態(tài)勢感知涉及多個領(lǐng)域的知識，主要包括機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、模式識別、載荷控制等學(xué)科，在課程建設(shè)的時候，既要融入各學(xué)科關(guān)鍵理論的元素，又要避免照抄相關(guān)理論，突出無人系統(tǒng)態(tài)勢感知與相關(guān)理論的融合應(yīng)用。

第二，豐富課堂教學(xué)模式。無人系統(tǒng)態(tài)勢感知涉及的知識從底層數(shù)據(jù)的處理，到高層的認(rèn)知與預(yù)測技術(shù)，跨度比較大。優(yōu)化教師團(tuán)隊建設(shè)能夠一定程度上解決理論教學(xué)對相關(guān)知識的需求，但是實施周期比較長，采用“翻轉(zhuǎn)課堂”的模式進(jìn)行理論內(nèi)容的教學(xué)則可起到“立竿見影”的作用。“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程更加主動和靈活，學(xué)生充當(dāng)更加重要的角色，授課教師更多承擔(dān)輔助、協(xié)作和引導(dǎo)的角色。

第三，培養(yǎng)學(xué)生興趣。教師在設(shè)計教學(xué)內(nèi)容時，事先考慮如何根據(jù)需要重點掌握的內(nèi)容設(shè)計能夠啟發(fā)學(xué)生興趣的教學(xué)環(huán)節(jié)，理論授課中將實際的軟件或者硬件平臺進(jìn)行展示，結(jié)合實物講解理論，緩解課堂壓力，營造良好的學(xué)習(xí)氛圍。例如，在講解傳感器成像技術(shù)時，可以將具體的傳感器帶到課堂，或者虛擬的傳感器視頻圖像，這樣既能加強(qiáng)學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握，又能夠培養(yǎng)學(xué)生的實踐興趣。

第四，強(qiáng)化實踐教學(xué)，并將科研成果融于課堂教學(xué)。無人系統(tǒng)態(tài)勢感知系列課程是實踐性很強(qiáng)的課程，更應(yīng)注重理論知識向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。嘗試采用基于OBE的工程教育模式，設(shè)計課程的實踐教學(xué)方案，不但能夠使學(xué)生深入理解課程的概念和理論，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[7]。同時，可以帶領(lǐng)學(xué)生去涉及無人系統(tǒng)感知應(yīng)用的單位參觀學(xué)習(xí)，將最新的科研動態(tài)展現(xiàn)給學(xué)員，或者將授課老師本人在該領(lǐng)域的研究成果作為課堂內(nèi)容展現(xiàn)給學(xué)員，使學(xué)員更直觀地感受課程理論方法的實際價值與實踐課程的意義。

四 結(jié)束語

無人系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展成果正影響著軍事、民用很多領(lǐng)域，已經(jīng)成為國家科技發(fā)展水平和軍隊發(fā)展信息化、智能化的重要推動力量。我們以國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院為例，介紹了無人裝備工程（無人機(jī)技術(shù)與保障）專業(yè)無人系統(tǒng)態(tài)勢感知系列課程建設(shè)情況和綜合實踐教學(xué)設(shè)計，分析了無人系統(tǒng)態(tài)勢感知系列課程建設(shè)需要解決的幾個問題，為無人系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)等方面，提供發(fā)展的思路。在今后的發(fā)展中，我們需要進(jìn)一步立足于國防科技大學(xué)培養(yǎng)新型軍事人才培養(yǎng)和國防科技自主創(chuàng)新高地，在師資建設(shè)、學(xué)生培養(yǎng)、科學(xué)研究、學(xué)科發(fā)展等方面進(jìn)一步探索，為國家建設(shè)、軍隊發(fā)展培養(yǎng)更多無人系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)秀人才。

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Teaching Design and Practice of Unmanned System Situational Awareness Series Courses

YUAN Xingsheng, NIU Yifeng, GONG Jianxing, WANG Nan
(College of Intelligent Science, National University of Defense Technology, Changsha Hunan)

Abstract: The development of unmanned system technology promotes the development of national economy and army building. Aiming at the construction of unmanned system situational awareness series courses, taking unmanned equipment engineering major of Intelligent Science College of National University of Defense Technology as an example, combined with the characteristics of military academies, this paper studies and analyzes the construction of unmanned system situational awareness series courses and related practical teaching design and implementation methods, and expounds the construction of unmanned system situational awareness courses and the support of practical projects corresponding to theoretical courses.Furthermore, it puts forward several problems to be solved in the teaching of unmanned system situational awareness series courses and corresponding solutions.

Keywords: unmanned system situational awareness; curriculum construction; practice teaching

本文引用格式：袁興生，牛軼峰，龔建興，等.無人系統(tǒng)態(tài)勢感知系列課程教學(xué)設(shè)計與實踐[J].教育現(xiàn)代化,2021,8(58):136-139.

基金項目： 本文研究受“國防科技大學(xué)教育教學(xué)研究重點課題” （項目編號：U2018103）；湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目（項目編號：HNJG-2020-0014）。

作者簡介： 袁興生，男，漢族，山東聊城，研究生，副研究員，研究方向：模式識別，智能感知與控制。