袁兴生，牛轶峰，龚建兴，王楠

（国防科技大学 智能科学学院，湖南 长沙）

摘 要：无人系统技术的发展，推动国家经济和军队建设发展。针对无人系统态势感知系列课程建设问题，以国防科技大学智能科学学院无人装备工程专业为例，结合军队院校的特色，对无人系统态势感知系列课程建设情况以及相关实践教学设计与实施方法进行了研究分析，阐述了无人机态势感知课程建设以及与理论课程相对应的实践项目支撑情况。进一步，提出了无人系统态势感知系列课程教学需要解决的几个问题和相应的解决思路。

关键词：无人系统态势感知；课程建设；实践教学

一 引言

随着智能科学的发展进步，无人系统技术的发展成果正影响着军事、民用很多领域。在军事领域，人类战争正向信息化战争形态转变，战争无人化成为重要的发展趋势之一[1]。自1991年海湾战争起，多国在战争或军事冲突中使用无人系统装备。例如，2001年阿富汗战争中美国将捕食者无人机改装成侦察打击一体化无人机MQ-1B，摧毁塔利班坦克；2003年伊拉克战争，美国研制的REMUS无人潜航器执行了反水雷任务；2019年的俄叙战争，俄罗斯军队的“天王星”9无人战车部署到叙利亚战场进行实战运用实验。民用领域，无人系统装备在测绘、巡检、勘探、气象、物流、环境监测、灾后救援、水下打捞等等诸多方面将发挥越来越重要的作用。

无人系统是指具有一定自治能力和自主性的无人控制系统，它是人工智能与机器人技术以及实时控制决策系统的结合产物 [2]。无人系统涉及到军事及民用各个领域，包含无人机（UAV）、水下无人潜航器（UUA）、无人水面舰艇（USA）、无人驾驶汽车和无人地面车（UGV）等无人系统平台。目前，无人系统逐步由简单的遥控、程控方式向人机智能融合的交互控制方式转变，并逐步向全自主控制方式发展。《无人系统综合路线图（2017-2042）》指出无人系统自主能力和鲁棒性的提高，能够改进对环境的感知，提高目标定位的速度和精度，支持无缝、敏捷、自主的人机协作和机器相互之间的协作，预计到2034年实现在线态势感知，具有完全自主能力[3]。

无人系统技术以人工智能、自动控制等学科为基础，具体体现在无人系统的四大核心部分：感知、导航、规划、控制 [4]。无人系统态势感知技术是无人系统平台的重要支撑技术，交叉融合很多学科的研究，除了高性能传感器、嵌入式计算机等硬件设备和相关技术外，更需要包括模式识别、载荷控制、机器视觉、机器学习等在内的核心关键技术支撑，使无人系统具有像人一样感知、认知外界环境的能力，并与外界环境进行交互，完成侦察、监视甚至作战攻击任务。目前，全国有多所大学开设了无人系统技术相关专业[5]，如国防科技大学、空军工程大学、海军工程大学等设置了无人装备工程专业，北京理工大学、中北大学等大学设置了智能无人系统技术专业，还有很多高校设置机器人、无人飞行器或者无人驾驶车辆等与无人系统技术相关的专业。如何构建满足无人系统相关专业建设需要的无人系统态势感知系列课程，探索针对性的教学模式和实践教学方法，是需要解决的重要教学问题。

二 无人系统专业态势感知系列教学课程建设——以国防科技大学智能科学学院无人装备工程专业无人系统态势感知系列课程为例

（一） 态势感知系列课程建设思路

基于无人装备工程专业创新型、复合型人才培养模式的定位，需要制定出相应的多学科交叉的课程体系，包括规划理论课程体系和综合实践教学。强化创新实践能力培养，实践教学环节累计学时不少于总学时30%。智能科学学院无人装备工程（无人机技术与保障）专业，总共设置15门理论课程，包括无人机系统原理与运用、无人机飞机系统、无人机自主飞行控制技术、无人机态势感知与情报处理、无人机测控与信息传输技术、无人机系统设计综合实践项目等，共计312学时的课程安排，其中理论课程182学时，实践课程130学时。

无人机态势感知系列课程围绕无人机态势感知与情报处理技术展开，课程内容如图1所示，旨在培养学生无人机系统的目标识别与跟踪、图像情报处理、情报数据挖掘、态势可视化等核心关键技术，并结合军事或工程领域的前沿进展开展教学内容建设。其中，最主要的是无人机态势感知与情报处理课程，课程具体包括态势感知绪论、无人机感知传感器技术、无人机环境感知技术、无人机情报信息处理技术、态势感知的本质特征与分析方法、态势综合处理技术等理论内容建设，以及无人机环境感知技术和无人机情报信息处理技术的实践内容建设。课程内容贯彻厚基础、重想法、多碰撞的教学理念，以典型的无人系统或装备入题，引导学生开展深入学习思考，熟悉无人机态势感知与情报处理的关键技术，着力培养学员在无人机态势感知与情报处理领域发现问题、分析问题、解决问题的能力。

图1 无人机态势感知与情报处理课程内容

无人装备工程（无人机技术与保障）专业中的无人机载荷控制技术、无人机测控与信息传输技术为无人机态势感知与情报处理技术课程提供了传感器载荷、图像情报信息传输等知识基础。通过无人机态势感知与情报处理技术课程学习，学员了解无人机战场环境感知与情报生成的技术体系，熟悉无人机态势感知包括图像信息获取、图像处理、目标检测的各项关键技术，以及从图像数据获取到情报信息转化的流程、实现和可视化方法。

（二） 无人系统态势感知的实践教学研究与实践

2007年，国家教育部就发布了《教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》，在该意见中明确指出，要求全国的各个本科高等院校，要对实践环节高度重视，培养和提高本科生的实践能力。无人系统态势感知涉及到多个领域的知识，跨越比较大，通过几门课程中难以覆盖，所以课程内容讲授时较为抽象，理解难度大，具有较强的理论性。无人系统态势感知系列课程建设过程中，将学生通过教育过程最后所取得的学习成果作为教学设计和教学实施的目标，课程教学思路如图2所示。通过整个教学实践项目使学生更加直观、具体的学习无人机系统态势感知的相关内容，加强实践创新能力和主动思维能力[6]。

图2 无人机态势感知课程教学思路

无人机态势感知与情报处理技术课程设计的实践，以学员对无人机图像处理、目标检测、情报数据挖掘等关键技术的掌握和运用为教学实施的目标。除此之外，还有“无人机系统综合运用实践项目”作为教学支撑，通过设置无人机作战环境感知模拟（如图3所示）、无人机任务决策与规划仿真、无人机侦察打击战效评估仿真等环节，采用虚拟建模环境，使学员熟练无人机作战系统运用技术领域中的无人机环境感知、规划控制等关键技术问题，实现无人机系统的“观察-导向-决策-行动”的OODA回路的仿真运用，为培养适应复杂对抗环境的无人机系统实际应用的高端技术人才和指挥人才提供支撑。

图3 虚拟复杂环境下无人机环境感知模拟示意图

“无人机系统综合运用实践项目”，需要培养学员在面对复杂现实环境时进行无人机态势感知问题。通过构建虚拟无人机任务环境，模拟和替代复杂挑战的实际场景，可以训练无人机在各种复杂环境下执行侦察探测任务的能力，解决复杂环境中目标检测需要的大规模多样性数据集的采集和标注困难。无人机应用环境复杂多变，侦察探测目标具有各种类型、外观和运动特征，而且在雨雾等恶劣天气，以及强阴影、烟雾、夜间低照度等因素经常导致图像细节模糊，并且目标之间可能存在遮挡。人工虚拟场景可以模拟实际场景中的各种要素，包括光照时段 (白天、夜间)、天气 (晴、多云、阴雨、烟雾等)、目标类型 (坦克、车辆、建筑、行人等)等，并且可以灵活地设计各种场景类型、目标外观、目标行为、摄像机配置等。实践项目中，以目标检测模块为例，学生首先根据任务需要设置成像环境（烟雾、阴雨、光照时段等），然后选择传感器并进行参数设置；接着选择目标检测算法，提取图像中的目标，并进行身份确认；最后根据任务需要进一步开展目标跟踪或者任务规划。通过实践项目，进一步巩固学员对理论知识的掌握，提高学员对无人机感知系统的熟练程度。同时，学员对无人机系统从感知、规划、控制整个流程有了系统的认知。

三 无人系统态势感知系列课程建设问题分析

无人系统技术不断推陈出新，目前相关专业所用的教材并不能做到及时更新，授课老师仅仅按照教材内容进行理论教学的方式不能满足培养创新型人才的要求。同时，课程相关的实践教学方法也在不断探索和改进。为了进一步激发学生的主动性和自主性，提高教学质量，还需要解决以下几个问题。

第一，优化核心专业课程建设，突出专业整体特色。无人系统态势感知系列课程需结合实际应用方向分层级、按步骤开展。无人系统态势感知涉及多个领域的知识，主要包括机器学习、人工智能、模式识别、载荷控制等学科，在课程建设的时候，既要融入各学科关键理论的元素，又要避免照抄相关理论，突出无人系统态势感知与相关理论的融合应用。

第二，丰富课堂教学模式。无人系统态势感知涉及的知识从底层数据的处理，到高层的认知与预测技术，跨度比较大。优化教师团队建设能够一定程度上解决理论教学对相关知识的需求，但是实施周期比较长，采用“翻转课堂”的模式进行理论内容的教学则可起到“立竿见影”的作用。“翻转课堂”的教学模式使学生的学习过程更加主动和灵活，学生充当更加重要的角色，授课教师更多承担辅助、协作和引导的角色。

第三，培养学生兴趣。教师在设计教学内容时，事先考虑如何根据需要重点掌握的内容设计能够启发学生兴趣的教学环节，理论授课中将实际的软件或者硬件平台进行展示，结合实物讲解理论，缓解课堂压力，营造良好的学习氛围。例如，在讲解传感器成像技术时，可以将具体的传感器带到课堂，或者虚拟的传感器视频图像，这样既能加强学生对基础知识的掌握，又能够培养学生的实践兴趣。

第四，强化实践教学，并将科研成果融于课堂教学。无人系统态势感知系列课程是实践性很强的课程，更应注重理论知识向实际应用的转化。尝试采用基于OBE的工程教育模式，设计课程的实践教学方案，不但能够使学生深入理解课程的概念和理论，而且能够培养学生的创新能力[7]。同时，可以带领学生去涉及无人系统感知应用的单位参观学习，将最新的科研动态展现给学员，或者将授课老师本人在该领域的研究成果作为课堂内容展现给学员，使学员更直观地感受课程理论方法的实际价值与实践课程的意义。

四 结束语

无人系统技术的发展成果正影响着军事、民用很多领域，已经成为国家科技发展水平和军队发展信息化、智能化的重要推动力量。我们以国防科技大学智能科学学院为例，介绍了无人装备工程（无人机技术与保障）专业无人系统态势感知系列课程建设情况和综合实践教学设计，分析了无人系统态势感知系列课程建设需要解决的几个问题，为无人系统技术相关专业的人才培养、学科建设等方面，提供发展的思路。在今后的发展中，我们需要进一步立足于国防科技大学培养新型军事人才培养和国防科技自主创新高地，在师资建设、学生培养、科学研究、学科发展等方面进一步探索，为国家建设、军队发展培养更多无人系统技术优秀人才。

参考文献

[1] 2020年无人装备行业市场现状、产业链分析及技术发展趋势[EB/OL]. https://www.sohu.com/a/443549756_650579.

[2] Chinese Association for Automation (CAA). Report on Advances in Control Science and Engineering 2010-2011, China Press of Science and Technology, 2011.

[3] Department of Defense USA, FY2017–2042 Unmanned Systems Integrated Roadmap, 2017.

[4] 周浩然,俞挺挺,郅朋,等.“新工科”模式下无人驾驶教学实验平台实践与探索[J].微纳电子与智能制造,2020,2(01):116-121.

[5] 李晓东.关于智能科学与技术专业建设的几点思考——以中山大学智能科学与技术专业为例[J].计算机教育,2015(18):2-5.

[6] 秦玉鑫,刘兆瑜,陈宇.基于OBE的“无人机控制系统”工程教育模式研究[J].科教导刊(上旬刊),2018(04):102-104.

[7] 刘辉,施惠鹏,龙治豪.新工科下“人工智能与无人驾驶”教学改革探索[J].教育现代化,2019,6(A5):69-71.

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：袁兴生，牛轶峰，龚建兴，等.无人系统态势感知系列课程教学设计与实践[J].教育现代化,2021,8(58):136-139.

基金项目： 本文研究受“国防科技大学教育教学研究重点课题” （项目编号：U2018103）；湖南省普通高等学校教学改革研究项目（项目编号：HNJG-2020-0014）。

作者简介： 袁兴生，男，汉族，山东聊城，研究生，副研究员，研究方向：模式识别，智能感知与控制。