實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介：

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程是南京郵電大學(xué)基于多年物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論、車聯(lián)網(wǎng)概論等理論實(shí)踐課程的教學(xué)成果，運(yùn)用三維仿真技術(shù)開發(fā)的，以幫助學(xué)生了解5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信原理、掌握車輛網(wǎng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)配置、優(yōu)化、安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技能為目的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)本著“寧實(shí)不虛”的設(shè)計(jì)理念，圍繞5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)基本通信原理認(rèn)知和安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估原則，可用于網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)不同培養(yǎng)方向的課程實(shí)驗(yàn)，滿足包括物聯(lián)網(wǎng)概論、車聯(lián)網(wǎng)概論、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多課程的實(shí)驗(yàn)需求。實(shí)驗(yàn)總體框架設(shè)計(jì)共包括5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、通信網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)估設(shè)計(jì)、車載環(huán)境感知設(shè)計(jì)、導(dǎo)航定位評(píng)估設(shè)計(jì)四大模塊，旨在對(duì)5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的通信網(wǎng)絡(luò)配置與安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提綜合性、強(qiáng)交互性的情景模擬。今后，隨著我國(guó)車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，車聯(lián)網(wǎng)及其基礎(chǔ)設(shè)施將大幅度提升用戶網(wǎng)絡(luò)通信體驗(yàn)與交通出行效率，本項(xiàng)目模擬仿真車聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)境與安全評(píng)估，為5G物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人才培養(yǎng)提供支持。

實(shí)驗(yàn)背景：

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程是南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院基于多年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的教學(xué)科研成果，尤其是車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成果，運(yùn)用三維虛擬仿真技術(shù)開發(fā)而成，以幫助學(xué)生了解和掌握我國(guó)主導(dǎo)蜂窩車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本組成和原理，掌握對(duì)區(qū)域級(jí)智能車輛協(xié)同組網(wǎng)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估設(shè)計(jì)技能，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力和自主探索的創(chuàng)新能力為目標(biāo)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

1.實(shí)驗(yàn)的必要性及實(shí)用性

隨著汽車產(chǎn)業(yè)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的發(fā)展驅(qū)動(dòng)，全球主要強(qiáng)國(guó)均將智能網(wǎng)聯(lián)汽車(ICV)列為國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展方向。作為5G和汽車領(lǐng)域最具潛力的應(yīng)用之一，5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)在我國(guó)已上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程具有重要的建設(shè)意義與必要性：

（1）面向國(guó)家新基建重大戰(zhàn)略，培養(yǎng)車聯(lián)網(wǎng)緊缺專業(yè)人才

基于國(guó)家“新基建”重大戰(zhàn)略，結(jié)合電子信息類人才培養(yǎng)迫切需求，搭建虛擬仿真平臺(tái)，加深學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合理解，強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

（2）響應(yīng)國(guó)家5G建設(shè)人才需求，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感

始終秉持“立德樹人”的教育理念，響應(yīng)國(guó)家5G建設(shè)需求，引導(dǎo)學(xué)生用智慧和能力服務(wù)于國(guó)家和民族，提升社會(huì)責(zé)任意識(shí)與建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)的時(shí)代使命。

（3）緊扣學(xué)科前沿，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)與探索式鉆研能力

對(duì)區(qū)域級(jí)智能車輛協(xié)同組網(wǎng)場(chǎng)景進(jìn)行模擬，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)與探索式鉆研設(shè)計(jì)的能力；并通過(guò)可視化評(píng)價(jià)指標(biāo)，幫助學(xué)生制定更合理的組網(wǎng)方案。

因此，培養(yǎng)5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)研究方面的高層次人才，對(duì)5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)起著關(guān)鍵的基礎(chǔ)作用。然而，開展5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的研究卻面臨著現(xiàn)實(shí)不可及、實(shí)驗(yàn)不可逆和危險(xiǎn)程度高等困難，目前多數(shù)高校均難以開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致了理論教學(xué)與實(shí)踐的脫節(jié)。

（1）現(xiàn)實(shí)不可及。智能車輛V2X通信鏈路看不見摸不著，實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)無(wú)法讓學(xué)生直觀地觀察和理解V2X鏈路對(duì)車聯(lián)網(wǎng)協(xié)同組網(wǎng)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響，同時(shí)實(shí)測(cè)組織難度大。

（2）實(shí)驗(yàn)不可逆。智能車輛的局域自組網(wǎng)，豐富了車云、路云和車路云協(xié)同場(chǎng)景，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中各個(gè)對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)分析，有利于安全駕駛和區(qū)域交通的優(yōu)化和管理。實(shí)驗(yàn)中的車輛都處在高速移動(dòng)中，外部環(huán)境變化迅速，難以重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

（3）危險(xiǎn)程度高。智能車輛采用無(wú)人自動(dòng)駕駛模式，區(qū)域級(jí)智能車輛的協(xié)作駕駛運(yùn)行于高速高路和特定路段，因此學(xué)生進(jìn)行實(shí)景實(shí)驗(yàn)時(shí)危險(xiǎn)度高，不適合在真實(shí)場(chǎng)地開展實(shí)踐教學(xué)。

2.教學(xué)設(shè)計(jì)的合理性

鑒于以上原因，開發(fā)5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以擺脫車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)的時(shí)空限制，滿足工程實(shí)踐人才的培養(yǎng)需求。采用三維虛擬仿真、多維時(shí)空數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)可視化等技術(shù)，通過(guò)5G與車聯(lián)網(wǎng)融合組網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)演進(jìn)，讓學(xué)生認(rèn)知到5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)估的必要性，通過(guò)5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的車路協(xié)同場(chǎng)景建模，顯著提高學(xué)生對(duì)車路協(xié)同組網(wǎng)、入網(wǎng)切換等知識(shí)的認(rèn)知，通過(guò)完成車輛配置，讓學(xué)生掌握車載環(huán)境感知技術(shù)的類別及工作原理，完成自主開展單車通信安全、多車通信安全、車路協(xié)同安全的規(guī)劃和安全評(píng)估模型的設(shè)計(jì)，從而激發(fā)學(xué)生開發(fā)5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的興趣，提升學(xué)生網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能力，增強(qiáng)學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的車聯(lián)網(wǎng)高層次緊缺專業(yè)人才。

3.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的先進(jìn)性

本實(shí)驗(yàn)適應(yīng)于智能物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域人才培養(yǎng)的需要，堅(jiān)持“問(wèn)題導(dǎo)向、方法創(chuàng)新”的教學(xué)理念和“多方聯(lián)動(dòng)、以虛補(bǔ)實(shí)”的原則，以5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信組網(wǎng)與安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為主題，模擬城市大腦基于智能車輛組網(wǎng)通信并行為分析過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)專業(yè)前言問(wèn)題進(jìn)行探索研究。同時(shí)，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)這一新穎的授課方式，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程核心知識(shí)的掌握，包括車輛協(xié)同組網(wǎng)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本流程、原理、方法等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程是以解決問(wèn)題為導(dǎo)向以及驅(qū)動(dòng)探究式教學(xué)模式為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。

本仿真系統(tǒng)的先進(jìn)性體現(xiàn)在：

（1）虛實(shí)結(jié)合：包括虛擬仿真顯示真實(shí)場(chǎng)景、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)際模型，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)仿真設(shè)定，以車身姿態(tài)同步、多傳感器分信號(hào)注入和不同組網(wǎng)協(xié)議下測(cè)試場(chǎng)景導(dǎo)入進(jìn)行對(duì)比分析，可使學(xué)生深入掌握智能車輛的環(huán)境感知、組網(wǎng)控制與協(xié)作機(jī)制等抽象的技術(shù)原理和實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合能力。

（2）科研成果轉(zhuǎn)換教學(xué)資源：本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將教學(xué)團(tuán)隊(duì)多年來(lái)自主開發(fā)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目科研成果“V2X組網(wǎng)模型”和“網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估策略”轉(zhuǎn)換為本科教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)智能車輛組網(wǎng)的可視化，使得學(xué)生能直觀地理解，掌握看不見摸不著的鏈路模型和車-車、車-路以及局部組網(wǎng)的關(guān)系。

（3）教評(píng)融合：實(shí)驗(yàn)教學(xué)基于形成性過(guò)程評(píng)價(jià)：本實(shí)驗(yàn)將基于能力培養(yǎng)的考核評(píng)價(jià)有機(jī)融入教學(xué)全過(guò)程，創(chuàng)造性地構(gòu)建了效率評(píng)價(jià)與成本評(píng)價(jià)相結(jié)合的評(píng)價(jià)體系，體現(xiàn)了科學(xué)性與經(jīng)濟(jì)性并重的專業(yè)特點(diǎn)。

（4）本仿真系統(tǒng)采用云部署架構(gòu)，編輯界面提供智能車輛、傳感器、地圖和場(chǎng)景編輯功能，同時(shí)提供測(cè)試案例庫(kù)的功能，仿真實(shí)驗(yàn)在云服務(wù)器運(yùn)行，完成實(shí)驗(yàn)后自動(dòng)生成評(píng)價(jià)報(bào)告。

設(shè)計(jì)原則：

在充分掌握5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)原理與安全評(píng)估原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際部署的車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景與網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)值模擬和網(wǎng)絡(luò)通訊等信息化技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，展示5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)部署與相應(yīng)安全評(píng)估等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的操作要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)情況下5G車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)由于相對(duì)成本較高導(dǎo)致難以完成的教學(xué)功能。結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)的人機(jī)交互功能，促使學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到所要求的認(rèn)知與實(shí)踐教學(xué)效果。

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：

《車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課，課程以車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為研究對(duì)象，是融合信息通信、汽車與交通等領(lǐng)域交叉形成的一門學(xué)科，同時(shí)也是與傳感技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、決策控制技術(shù)等密切相關(guān)的學(xué)科。課程主要介紹車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境感知、導(dǎo)航定位、智能決策、協(xié)同控制與網(wǎng)絡(luò)安全等內(nèi)容。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)以及V2X等車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，能夠加深對(duì)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在推動(dòng)智能化道路升級(jí)中作用的理解。5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)安全與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是《車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》課程中的前沿內(nèi)容之一。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)安全與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的虛擬仿真，使學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，了解我國(guó)主導(dǎo)蜂窩車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本組成和原理，并通過(guò)區(qū)域級(jí)智能車輛協(xié)同組網(wǎng)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估設(shè)計(jì)的綜合訓(xùn)練，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)協(xié)同組網(wǎng)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估設(shè)計(jì)能力，從而較好的解決了現(xiàn)有教學(xué)中因蜂窩車聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目?jī)?nèi)容抽象、實(shí)踐成本高且不可逆、危險(xiǎn)程度高等諸多限制。有利于學(xué)生掌握最前沿的車輛通信、車路協(xié)同安全的規(guī)劃和安全評(píng)估方法，培養(yǎng)能勝任在各類科研單位及組織中從事車聯(lián)網(wǎng)通信組網(wǎng)與安全評(píng)估的高級(jí)專門人才。

實(shí)驗(yàn)要求：

實(shí)驗(yàn)后應(yīng)達(dá)到的知識(shí)水平：

1、熟悉5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)與V2X技術(shù)融合的發(fā)展特點(diǎn)；

2、熟悉5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)基本組網(wǎng)及其網(wǎng)絡(luò)配置原理；

3、掌握5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)中的V2X通信網(wǎng)絡(luò)與路損模型；

4、掌握車聯(lián)網(wǎng)與車輛的協(xié)同組網(wǎng)模式以及智能車輛基本配置要素；

5、掌握5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)中的安全評(píng)估與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化原理；

實(shí)驗(yàn)后應(yīng)達(dá)到的能力水平：

1、掌握車路協(xié)同基本場(chǎng)景與基本配置要素；

2、能夠依據(jù)毫米波雷達(dá)以及5G蜂窩基站等工作特性，構(gòu)建車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；

3、能夠根據(jù)已構(gòu)建的車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)調(diào)整參數(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信鏈路；

4、掌握車聯(lián)網(wǎng)下車輛自主駕駛以及道路參數(shù)和車輛協(xié)同配置要素，以測(cè)試蜂窩車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全；

5、能夠通過(guò)單車/多車通信安全、車路協(xié)同安全的規(guī)劃和安全評(píng)估模型，對(duì)區(qū)域智能車輛的安全評(píng)估；

掌握不同策略下的車聯(lián)網(wǎng)拓?fù)渑c網(wǎng)絡(luò)通信鏈路變化，完成對(duì)區(qū)域智能車輛的安全性進(jìn)行優(yōu)化整改；