0 引言

大型仪器设备是高校实验室资源的重要组成部分，在高等院校科学研究和实验教学中发挥了重要作用。然而，目前我国高校大型仪器设备仍然存在重复购置、建设分散、使用封闭、缺乏共享机制、教学与科研使用不协调等问题，导致设备利用率偏低^[1-2]；有些昂贵的设备缺乏前期调研和分析，以致自购置以来鲜有开机运行，成为名副其实的“高科技废铁”。因此，如何更好地发挥高校大型仪器设备在科学研究、实验教学、社会咨询与企业服务等方面的作用和效益，提高设备的综合利用率，是高校值得深入研究和探讨的问题。本研究以电动汽车综合测试平台为例，分析了大型仪器设备在科研与教学等方面的应用与定位，并探讨了其在科研及教学中的共享应用机制。

近年来，随着能源危机和环保压力日益加剧，电动汽车发展迅猛，成为未来汽车的主流发展方向。电动汽车关键技术及其相关领域已成为许多高校竞相研究的热点方向，如电机驱动系统及其优化控制、动力电池及其管理系统、整车能量管理与优化等^[3]，其涉及了多个学科中的多个专业，如自动化、电气工程、汽车工程、电池技术、材料学、物理学等。

破解电动汽车关键技术难题离不开高性能测试仪器与大量实验验证。与传统内燃汽车不同，电动汽车尤其是混合动力电动汽车的测试更为复杂。由于实车测试需配备熟练的驾驶员、标准测试场地等，测试周期长、成本高，目前广泛采用台架测试的方式^[4]。为满足科学研究的测试需求，兼顾本科实验教学，为此设计、购置和搭建了电动汽车能量与驱动系统硬件在环综合测试平台，实现了半实物仿真测试，将虚拟驾驶环境与实际被控对象完美结合，提高了测试精度和控制器研发速度。

1 电动汽车综合测试平台

电动汽车，尤其是混合动力电动汽车，是一类复杂高阶非线性系统，其直接建模难度很大，纯数学仿真的精确度和准确度难以保证，仿真结果缺乏说服力；而物理仿真或实车测试，由于需要配备熟练的驾驶员、试验车辆和标准测试场地等，因此安全性要求较高，测试周期长、成本高。传统的电动汽车测试台架的功能单一、开发周期长、测量精度低，无法进行模拟真实路况行驶下的测试等，已经难以满足当前电动汽车驱动电机的测试需求。因此半实物仿真测试及其技术迅速发展，成为目前汽车行业广泛采用的测试方式。以电动汽车电机驱动系统的测试为例，如图 1所示，按所用模型的类型(包括物理模型、数学模型、物理-数学模型)，可划分为数学仿真(计算机仿真)、半实物仿真和物理仿真(实时控制)^[5-6]，而半实物仿真又可分为快速控制原型半实物仿真和硬件在环半实物仿真^[7]。

本研究提出的电动汽车综合测试平台是基于V模式开发流程设计的一种半实物仿真平台，采用了硬件在环、代码自动生成等先进技术，实现了驱动电机及其控制器、动力电池及其控制器等被测实物与虚拟车辆、驾驶环境等仿真模型相结合的半实物仿真测试，从而将部分实车测试提前到台架上完成，大大缩短了开发周期和降低了测试成本。V模式开发流程，如图 2所示，是在避免传统开发模式众多缺陷的基础上，探索发展而来的一种基于模型的设计方法，主要包括需求分析与建模仿真、快速控制原型、代码自动生成、硬件在环测试和在线标定等五个阶段，各个阶段是相互关联在一起的，在开发过程中使用统一的软硬件平台，任何错误都能在同一平台解决，减少冗余工作和降低开发成本，加快开发进程，避免了传统开发模式(如图 3所示)的一些缺陷，如一般只能在最后测试阶段发现功能需求分析阶段引入的错误，此时再返回重新规划和设计，将会严重影响产品的研发效率。目前，V模式开发流程已经成为现代企业广泛采用的一种开发模式，在汽车工业、航空航天和军工等行业得到了广泛的应用。

自动代码生成技术是实现从控制原型算法到真实控制器产品级代码转变的关键技术，代码可采用Targetlink^[8]、Code Generator^TM、RTI等代码生成工具自动生成，开发者可以把主要的精力放在算法和测试用例的建模研究上^[9]。作为一种新的软件开发技术，还在不断发展中，尽管目前仍然存在着许多不足，如代码可读性不强，但其大大缩减了手工编程所需的人力、物力和时间，提高了系统开发效率。

本研究搭建的电动汽车综合测试平台几乎包含了实现完整V模式开发流程的所有软硬件设备，如图 4所示，该平台主要包括前期需求分析与建模仿真的Matlab/Simulink、AVL Cruise、IPG CarMaker等软件，快速控制原型开发dSPACE系统，代码自动生成Targetlink软件，硬件在环测试AVL Inmotion实时系统，以及由AVL电力测功机、动力电池模拟器及被测设备等组成的硬件平台。

电动汽车硬件在环综合测试平台，以奥地利AVL公司的驱动电机测试台架为主体，基本结构和实物构成如图 5所示。平台主要分为测试台架和监控系统两个部分，其中台架部分主要包括电池模拟测试器、交流测功机及其控制系统、车用电机及其控制器、动力电池及其管理系统、水冷循环机、功率分析仪、温控箱、数据采集模块等；监控部分则主要包括集成了CarMaker虚拟驾驶环境的硬件在环测试系统AVL Inmotion和PUMA OPEN、AVL Lynx等监控软件。监控软件编辑灵活、功能强大，实现了交流测功机和电池模拟测试系统的自动化控制，通过集成CarMaker虚拟车辆、3D路况、交通环境和驾驶员等模型，能够实现电动汽车用电机及驱动系统的性能测试，及基于虚拟驾驶的硬件在环测试，在电机测试、新能源汽车等领域等得到了广泛的应用。

2 大型仪器设备在科研和教学中的应用与定位 2.1 科学研究的应用与定位

高校实验室一方面承担了大学实验教学的主要任务，另一方面又是大学科学研究的主战场。高校实验室的软硬件建设，尤其是大型仪器设备，一定要兼顾当前需求和长远效益，技术超前，应用全面。考虑高校大型仪器设备在高校科研中的作用与定位，大型仪器设备必须着重考虑以下3个方面：(1)设备要与科研项目密切相关，满足课题研究所需的实验条件，同时兼顾实验教学需求；(2)设备技术要先进，功能要全面，能够解决关键科学问题，并保证从广度和深度上，可长期满足科研需求；(3)设备的开放性要好，易于扩展；既能满足基本测试需求，又能移植或集成自主研发内容。

正如本研究涉及的电动汽车综合测试平台大型仪器设备，聚焦于电动汽车电机驱动与控制优化、动力电池及管理系统设计、整车建模与能量管理策略等主要研究方向，因此，平台必须满足多方面的测试需求和功能。同时，该测试平台既能独立测试电机本体和控制器的性能，又能独立测试动力电池充放电性能；该测试平台结合硬件在环系统，既能实现基于虚拟驾驶的整车路况测试，又能实现电机或动力电池的整车半实物仿真测试。总之，电动汽车综合测试平台通过系统的软硬件集成，实现了平台的易扩展性和功能测试的综合性。

2.2 实验教学的应用与定位

大学的本质是教书育人，在高校，尤其是理工科专业院校，实验教学与实践是本科教学中不可缺少的重要环节。实验室仪器设备资源的数量、种类和级别，以及实验教学水平等都直接影响教学效果。除了与课程教学配套的基本实验仪器，目前高校的大型仪器设备主要作为综合性的科研平台，在实验教学中的作用还未完全得到体现，因此有必要结合本科教学大纲，通过实验设计与指导、仪器开发与功能扩展等，使其在实验教学中得到更好地应用与推广，发挥应有的价值和功效，实现科研平台与实验教学的开放共享。

例如，电机是工业应用最多的电气设备之一，是现代工业的动力基础，所消耗的电量能占到全部用电量的60%。目前，大学专业基础课程“电机与拖动”“现代交流变频调速”“自动控制系统”“电力电子技术”等均与电机驱动系统密切相关^[10]，并专门配置了实验课程。然而，限于实验室硬件条件，目前用于实验教学的设备一般比较老旧，并不能代表当前电机系统数字化、智能化、集成化的发展方向和趋势，而且操作过于简化，实践性较差，因此难以使学生对当前技术有直观感性的认识。与普通工业电机不同，电动汽车由于存在频繁起停、上下坡加减速、回馈制动等多种工况^[11]，因此驱动电机的运行环境复杂多变，且空间有限，故电动汽车对电机驱动系统的要求很高。而本电动汽车综合测试平台采用的永磁同步电机及其逆变器控制系统，是电动汽车专用的电机驱动系统，代表了当前电动汽车电机驱动系统的发展方向，其数字化的控制方式、智能化的控制方法、集成化的设计方式，可以让学生更直观的了解当前的科技水平，是目前现有实验仪器和设备所不能展现的，而且控制系统先进，自定义化的监控界面设计和操作，实践性高，因此，在电机相关的实验教学中更具代表性。

实际上，大型仪器设备在高校本科实验教学中除了基本的实验课程需求外，还应该着重考虑以下3个方面的应用和定位：(1)平台工作原理应易于理解，学生能够通过设计基本的简单实验，深化课程理论知识，理论联系实践，对高精尖的测试有一个感性认识；(2)平台应与专业课程密切相关，能够为本科生提供课程设计和毕业设计所需的硬件条件和实验环境；(3)平台应具有先进技术的代表性，能够让学生提前了解工业现状，了解先进的工业技术与发展趋势，为未来更好地从事研发工作和就业打下基础。

3 大型仪器设备的共享应用机制研究 3.1 大型仪器设备的应用现状

大型仪器设备往往投资巨大，购置成本高，但有时难以保证运行效率而未发挥应有效益。随着国家对教育和科研投入的持续加大，高性能大型仪器设备的数量和价值也在不断攀升。然而，有些单位在购置这些设备之前，并没有对设备的全生命周期予以规划和充分论证，导致仪器的利用率不高，同时又缺乏有效的共享机制，使其成为名副其实沉睡的“高科技废铁”^[12]。此外，有些单位，在购置一些昂贵的大型仪器设备时，缺乏长远规划，导致后续配套经费严重不足，从而后期缺少维修维护、功能开发、配件升级等工作，导致设备无法满足日后需求而导致利用率偏低。

见微知著，目前我国大型科研仪器设备经常存在重复购置、建设分散、使用封闭、利用率低等现象。为避免资源浪费，资源开放共享是提高大型仪器设备利用率的必要途径和重要手段。

3.2 大型仪器设备的科研及教学共享应用机制

目前，许多高校、政府技术服务机构等都在积极或探索大型仪器设备的共享机制，有的单位已构建了网络信息共享平台，实现了高校、测试机构、企业之间的资源共享；哪些高校拥有哪些大型仪器、能够完成哪些测试，都可以在线查询。通过设备共享，企业不再需要投入巨资去重复购置大型设备，只需通过租赁或合作的方式，实现对设备的使用，实现了高校和企业双赢。首先，企业大幅降低了研发成本、缩短了研发周期；其次，对于高校来说，通过对外咨询指导，服务社会和企业，实现了资源和技术创收，更重要的是，树立和提升了高校品牌；此外，企业需求往往不是单纯的测试，更多涉及实验方案的设计和创新，通过校企合作，有助于解决成果转化难题。

对高校来说，如何更好地实现大型仪器设备的资源共享，要从仪器设备的开放共享机制入手，不仅面向不同的科研任务，还要面向不同的实验课程，是一个科研及教学共享应用的综合性难题，结合电动汽车综合测试平台的建设经验，具体应该做好以下4个方面。

(1)在制度层面，要建立合理规范的大型仪器设备资源共享机制，要面向不同的科研任务和不同的实验课程，从规章制度上规范设备共享流程，保障共享设备的权益；在信息层面，要建立网络化的信息共享平台，实现查询、申请、预约等操作，科学管理。对电动汽车综合测试平台而言，电动汽车不同课题组(电机驱动课题组、动力电池课题组、整车能量管理课题组等)和教学组(电机与拖动、交流电机变频调速、电力电子仿真技术等实验课程)在使用电动汽车综合测试平台时，首先需要查询该平台是否已被占用，如未使用，则需要预约并提交书面申请，申请内容包括提供实验项目名称或课程名称、实验人员、所用设备和使用期限，并在实验结束后，提交相关的课程使用报告或实验报告。

(2)形成合理的设备共享综合评价体系^[13]。设备共享后，要做阶段性的总结和评估，科学评价共享前后各种有形与无形的投入和产出；除公益性外，高校设备对外开放共享过程中，还要考虑设备的损耗、维护等费用。如电动汽车综合测试平台属于高压大功率、高散热的电气化设备，其使用中设备损耗严重，无论是科学研究还是对外测试服务，都要合理设计实验流程，科学评价实验的投入和产出，如使用的电费、水费、设备维修费和人力资源等，因此要科学定价，实行有偿服务。

(3)要积极关注国家、地方和高校政策，在保障科研和教学需求的前提下，积极对外推广应用，提高实验室品牌和效益；如目前山东大学倡导校内科研机构和大型平台要积极加入山东大学国家科技园，积极加入地方性技术支持服务咨询中心等，以实现科研成果的转化，服务地方企业和社会。

(4)要强化实验队伍建设，提升设备管理水平。高校也要加强对实验技术人员的专业知识、管理知识和操作技能等方面的培训使其能够提供高质量和高水平的服务；实验技术人员要认真做好大型仪器的管理和维护、开放共享和服务等工作，同时要紧密结合教学，通过实验设计与指导、功能开发与扩展等，实现科研平台与本科实验教学的开放共享^[14]。

4 结语

实验教学是高校本科教学的重要组成部分，高校大型仪器设备的建设，必须兼顾科研项目和实验教学的双重需求，做好前期的调研和规划，保证后续的维护投入，并形成良好的开放和共享机制，提高设备的综合利用率。本研究结合电动汽车综合测试平台大型设备的建设经验，分析了大型仪器设备在科研和教学中的应用与定位；针对高校大型仪器设备，研究了切实可行的开发共享机制，为发挥高校大型仪器设备的最大潜能和使用效益，提出了具体可行的方法和措施，以期为实现教学方法改革与创新提供一条新思路，对科学研究和实验教学均提供指导。