基于URWPGSim仿真平台的机器人教学探索

王梅娟，张海涛，葛武滇

（1. 陆军工程大学 指挥信息系统学院，江苏 南京 210001；2. 陆军工程大学 国防工程学院，江苏 南京 210001；3. 陆军工程大学 指挥军官基础教育学院，江苏 南京 210001）

0 引 言

随着新时代军事人才高等教育改革[1]的不断深入，创新能力在综合素质培养中的意义已成为常态化目标。创新精神不是凭空想象从无到有的简单思维[2]，而是要具体体现在真正能够理论联系实践、科学主导工程，涉及科学、技术和工程3个方面的基本要素。

然而，综合类本科院校对知识的理论传授往往占据重要比重，在缺乏技术锻炼和工程实践的情况下，学员的综合素质培养可能存在短板[2]，尤其是军队高校与地方就业和项目过程化实践的衔接更是严重脱节，学员在掌握理论知识的同时如同纸上谈兵，解决实际问题的能力尤为欠缺。实验教学改变传统的理论授课单一、单向的教学模式，在工程类训练中尤为重要。

工程教育机器人[2]是跨专业、多学科理论与技术综合的高新技术产品和系统，是进行创新教育改革的理想对象，在以工程教育机器人活动开展、机器人课程辅导交流、机器人竞赛参与等为核心的创新型人才培养模式实践中，有效地提供创新平台，实践科学的创新教学方法，可以加强以学员为主体的综合素质能力培养[3]。

1 仿真平台教学定位

随着未来战争日趋智能化、一体化，加之军队信息化的不断推进[4]，国家更注重信息化军事战场的实战模拟与战场指挥，我军的军事训练必须结合仿真技术。虽然现代社会多种系统的自身性质很难实现真实系统的仿真，但由于仿真模拟技术具有可控性与较强的实现性，利用仿真技术来进行系统的研究就具有了重要的现实意义。因此，仿真技术的学习与应用尤为迫切。

虚拟仿真实验教学在实践层面具有明显的优越性[3]：经济省钱、生动直观、安全可靠、情境再现、精确无误、客观真实。采用这种教学模式可以降低实验实践教学成本，打造多样化的教学环境，营造安全实验教学氛围，突破时间和空间的限制。

水中2D仿真机器人[5]就是在科研或军事的平台上，研究水中鱼类活动或水中舰艇、水下潜艇、协作方式的仿真技术，URWPGSim仿真机器人平台是作为水中机器人实体装置的模拟，同时也是水中2D仿真机器人的实现平台。基于URWPGSim仿真平台的实验教学[6]，不仅能提高学员对仿真技术的理论研究能力，同时也使学员掌握仿真平台实现的技术，锻炼创新能力，提高计算机编程水平，提升学员的自我能力素质，并激发学员对科学研究的浓厚兴趣。

2 URWPGSim仿真实验平台建设

URWPGSim2D[7]是Underwater Robot Water Polo Game Simulator 2 Dimension Edition的简称，最初底层来源于国际水中机器人大赛URC水球比赛仿真器2D版本，包括服务端（URWPGSim2D Server）和客户端（URWPGSim2D Client）两大部分。服务端模拟水中比赛环境，控制和呈现比赛过程及结果，向客户端发送实时比赛环境和过程信息；半分布式客户端模拟比赛队伍，全分布式客户端模拟单个水中机器人，加载比赛策略，完成计算决策过程，向服务端发送决策结果。URWPGSim2D仿真平台初始化界面如图1所示。

图1 URWPGSim 2D仿真平台初始化界面

2.1 已有项目解析

无论作为参赛平台还是教学平台，原2D仿真项目的弊端已逐渐显露出来：①由于项目历时已久，代码传承、代码复用、代码泄漏导致程序重复率高，项目最优化策略趋于稳定，全国参赛队伍排名也逐渐趋于稳定[9]；②由于系统稳定性的欠缺，仿真实体跳变导致个别项目竞技公平性失衡[8]；③由于竞赛偏重程序设计能力的养成，缺乏学员创新思维的发挥；④由于竞赛侧重竞技性、观赏性，缺乏结合实际专业训练仿真能力的培养。

因此，为更好地结合专业与职业能力培养，教学团队将竞赛平台改造重设，探讨项目，设计规则，革新底层，测试反馈，结合已有平台重新布局规划，并针对原有平台底层波动稳定进行二次开发，严谨地实现并测试新增比赛项目，逐步建设成为适应我校学员能力培养和创新激发的新URWPGSim仿真实验平台。

2.2 URWPGSim仿真平台解析

URWPGSim平台依据C/S模式搭建，采用面向对象的设计思想，基于Visual Studio 2010软件以C#开发，在PC机或工作站上运行，其软件、硬件基本配置指标见表1和表2。

表1 URWPGSim仿真平台开发配置硬件指标

表2 URWPGSim仿真平台开发配置软件指标

平台分为界面和底层两部分功能，服务器端功能主要是环境监测和仿真模块加载，客户端功能主要是人机接口和策略加载，具体功能结构[10]如图2所示。

模块化的功能结构使项目开发思路清晰，针对底层优化或针对项目模块设计实现都可以由学员自主完成，而不是仅仅停留在平台参数设置和项目策略编程的用户层面。

2.3 URWPGSim仿真项目设置

为更好地开发学员的潜能，激发其学习动力，不断改进，全面打造面向陆军工程大学指挥信息系统学院适合学员实践开发，能更好地发挥软件实力的实验平台。

图2 URWPGSim功能结构图

在参加水中机器人项目竞赛过程中，学员编程能力得到一定锻炼，但是局限在原项目设置规则层面，与计算机程序设计之外的综合素质关联不大。年轻的学员思维十分活跃，敢想敢做，因此实验平台中实体水下仿生鱼在与现实生活更贴近的范畴内，学员可以进行更多的创意设计和改进，教员将引导学员从规则中跳出来实践更完整的创意实现。

模块化设计思想和基于C#的开发使得有编程能力的学员即使没有软件开发经验，也有可能对底层进行学习和改写，不用完全依赖教员的“给”，学员可以实现具有充分创新思维的“造”。

现有项目设置体系框架如图3所示。

其中，斜体标明项目为结合特色专业和技能培养由陆军工程大学自主研发，部分提供国际水中机器人联盟ILUR作为国际性大赛的比赛项目。项目设置不仅囊括多项能力培养，更突显专业素质养成，过程化建设给学员提供了充分发散创新思维的空间。

3 基于URWPGSim平台的教学模式

3.1 运行机制

由于机器人课程设置不在各专业学科建设体系内，而是依托大学机器人俱乐部展开选修课程和自学过程，因此，基于URWPGSim平台教学考虑的原则是开放、自主、自由。

图3 URWPGSim项目设置体系图

一是打造特色鲜明、专业素质凸显的仿真实验内容，并为机器人俱乐部实体实验开发多学科融合的仿真项目体系，为有兴趣、有志向的学员提供一个标准的实验教学平台。

二是建成一个高标准、高起点、开放的、注重创新能力培养的学员科技创新基地和教员创新教学改革研究基地，开展进一步探索知识、能力、素质协调统一的教学模式。

三是建成具备创新能力、实践能力的机器人竞赛参赛团队，通过参加国际性、全国性机器人赛事，形成体系建设的良好循环运作。

四是鼓励创新思维锻炼，不断更新、提高仿真平台的模拟环境，不断创造、完善新的仿真项目融入新的血液，形成有活力、自生长的仿真实验生态平台。

3.2 教学方案

随着大学机器人俱乐部的发展壮大与完善，逐步形成连贯和系统的知识体系，在知识领域框架平台下，计划定期开展俱乐部交流学习活动，形成各院交错、各专业汇集的电路、信号、计算机、工程图学等多学科融合的讨论环境，为仿真技术学习起步、仿真项目专业规则设置、仿真平台建设提供充分的滋养。

由于仿真实验平台的学习是多个实体项目基础教学演练的特殊性，基于URWPGSim的实验课程一般在学员入门阶段集中展开，学员根据不同项目的学习和体验，再结合自身兴趣和能力发散其他类型的专攻项目。具体的教学形式分为课堂讲授、自主实验、研讨、自学、分组PK赛等多种形式。

3.3 考核机制与竞赛交流

与工程类实体教育机器人不同，URWPGSim仿真平台没有耗材消耗开支，而且是基础过渡性平台，为全局视觉水中机器人、单关节巡检机器人、BIKI自主视觉机器人等项目模拟学习，且并不是所有研发项目都列入国际性赛事，因此考核标准常采用非正规化，一般分为3个层次。

第一层，完成仿真平台基本实验内容，达到各项目预设指标要求。大部分参与教学活动的学员可以通过在这一层检验相应学习任务的成效，也存在个别放弃选修的情况。

第二层，实现竞赛交流水平的策略代码，能够达到参与国际水中机器人大赛、全国教育机器人大赛资格并取得成绩。针对基础考核的排名优秀者，遴选参加比赛交流，不仅深入策略优化，更侧重平台底层研究。

第三层，提供自主设计的仿真项目规则和平台实现。在熟悉平台基础上，个别在程序代码、软件开发方面有一定造诣的学员将根据团队创新设计的新游戏规则进行模块化项目开发，提供更多的实验项目，形成不断更新的实验平台环境。

由此，形成具备创新能力、实践能力的团队，形成检验成果、经验积累的良好循环运作。

4 成果总结与展望

URWPGSim平台以“知行合一”为建设理念，依托大学机器人俱乐部实现跨学科、跨专业、跨营区、跨年级的多元化教学融合，坚持“学为主体”的教学目标，为工程项目模拟能力训练、 创新理念发散思维训练提供一体化教学模式的基础环境。

该教学模式把理论与实践结合、全方位多层面考核、学员自主学习能力培养、团队精神培养等多元化方式融合在一起，重点突出“自己动手，丰衣足食”的教学特点，实现以学员自主学习、自主开发的教学模式推广，最终达到学员创新能力的培养和提高。

URWPGSim仿真实验平台建设与运行3年来，团队获得各项荣誉和认可，参与项目建设的学员在国际、全国大赛中获冠军3项、亚军1项、季军3项、一、二等奖多项，并发表科技成果论文4篇，获校级卓越杯一等奖1项、二等奖3项，校优秀毕业论文2人。在今后的教学实践过程中我们还将鼓励教员和学员不断扩充项目类型，结合军事训练要素、专业能力培养开发更加趣味、复杂、实用的新项目平台。

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