2025年大学《系统科学与工程》专业题库- 智能车辆系统设计与控制

2025年大学《系统科学与工程》专业题库——智能车辆系统设计与控制考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填在题后括号内）1.在智能车辆系统设计中，将感知、决策、执行等子系统有机整合在一起，强调系统整体最优而非单一模块最优的设计思想，最符合系统科学中的（）原则。A.分解协调B.整体优化C.动态适应D.开放互联2.对于智能车辆的感知系统，其传感器（如摄像头、激光雷达、毫米波雷达）信息的融合，从系统科学角度看，主要是为了解决（）问题，提高系统的（）。A.可靠性；精度B.实时性；鲁棒性C.容错性；冗余度D.准确性；效率3.在建立智能车辆纵向控制（如自适应巡航）的数学模型时，若采用状态空间法，通常需要选择的状态变量可能包括（）。A.车辆速度、目标车辆速度、相对距离B.油门开度、刹车压力、方向盘转角C.发动机转速、变速箱档位、轮胎滑移率D.车辆高度、横滚角、侧倾角4.系统工程中的V模型（验证与确认模型）强调了测试活动与开发活动的（）关系，这对于确保复杂智能车辆系统的（）至关重要。A.顺序对应；经济性B.并行交叉；安全性C.顺序对应；可靠性D.反馈迭代；可维护性5.当智能车辆在高速公路上行驶，需要同时考虑保持车距和跟随速度时，该问题本质上是一个典型的（）问题。A.线性规划B.非线性规划C.动态规划D.整数规划6.在智能车辆的控制系统设计中，采用冗余设计的主要目的是提高系统的（）。A.效率B.成本C.可靠性D.处理速度7.对智能车辆行驶过程中的能量消耗进行建模与优化，属于系统科学中的（）应用范畴。A.系统仿真B.系统优化C.系统辨识D.系统控制8.采用PID控制算法对智能车辆的横向稳定性（如车道保持辅助系统）进行控制，其核心思想是利用（）来修正车辆的航向偏差。A.误差、误差变化率、误差积分B.速度、加速度、位置C.功率、扭矩、角度D.频率、幅度、相位9.智能车辆车联网（V2X）系统的设计，体现了系统科学中（）的特点。A.封闭性B.开放性C.静态性D.线性性10.在进行智能车辆控制系统设计时，需要考虑系统响应的快速性、平稳性和准确性，这直接关系到控制系统的（）。A.稳定性B.鲁棒性C.抽象性D.精度二、简答题（每小题5分，共25分）1.简述系统建模在智能车辆系统设计与分析中的作用。2.解释什么是系统工程，并简述其在智能车辆开发项目中的主要阶段。3.简述传感器融合技术在智能车辆感知系统中的基本原理及其优势。4.什么是系统冗余？请列举智能车辆系统中至少两种采用冗余设计的具体实例。5.从系统控制理论的角度，简述PID控制算法的三个主要分量分别起到什么作用。三、分析题（每小题10分，共30分）1.假设一个智能车辆横向控制系统，其目标是保持车辆在车道中心行驶。简述采用系统思维分析该控制问题时应考虑的关键因素。2.分析将多个独立的子系统（感知、决策、执行）集成为一个复杂的智能车辆系统时，可能面临的主要挑战。3.选择一个具体的智能车辆应用场景（如城市自动驾驶、高速公路自动驾驶），简述系统科学的方法论（如系统建模、系统分析、系统优化）如何应用于该场景的设计与评估。四、设计题（15分）考虑一个简化的智能车辆纵向控制系统，其目标是根据前方车辆的速度和距离调整本车的速度，以保持安全距离。请简述设计该系统时需要考虑的关键要素，包括需要哪些输入信息，可能采用哪种基本的控制策略（如简单的比例控制），以及需要评估哪些性能指标（如超车时间、加减速平滑度）。试卷答案一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填在题后括号内）1.B解析：智能车辆系统设计强调将各部分整合，追求整体最优，体现了系统科学中的整体优化原则。2.C解析：传感器融合通过组合不同传感器的信息，提高系统在部分传感器失效或环境恶劣时的可靠性和容错能力。3.A解析：车辆速度、目标车辆速度、相对距离是描述车辆纵向运动关系和进行控制所需的基本状态变量。4.C解析：V模型测试阶段与开发阶段严格对应，按顺序进行，是确保系统最终符合需求、保证可靠性的关键。5.B解析：同时考虑保持车距（随时间变化）和调整速度，属于典型的非线性约束下的优化问题，常采用非线性规划解决。6.C解析：冗余设计通过提供备用系统或组件，确保在部分失效时系统仍能正常运行，从而提高可靠性。7.B解析：对能量消耗进行建模并寻找最优策略（如节能驾驶模式），是系统优化的典型应用。8.A解析：PID控制的核心是基于误差（当前值）、误差变化率（趋势）和误差积分（累积偏差）来进行比例、微分、积分调节。9.B解析：V2X系统涉及车辆与外界（其他车辆、基础设施等）的交互，信息流动，具有明显的开放性特征。10.A解析：快速性、平稳性、准确性是评价控制系统动态性能和稳态性能的指标，直接反映了系统的稳定性。二、简答题（每小题5分，共25分）1.系统建模在智能车辆系统设计与分析中的作用：将复杂的智能车辆系统及其环境抽象化为可处理的模型（如数学模型、逻辑模型、仿真模型），以便于理解系统结构、行为和特性；为系统分析提供基础，如性能评估、故障诊断；为系统设计提供工具，如方案验证、参数优化；支持系统仿真，预测系统在不同条件下的表现，降低开发风险和成本。2.系统工程是是一门跨学科工程学科，它运用系统思维和工程方法，组织管理大型复杂系统的规划、设计、开发、实施、运行和维护的全体活动，旨在以最优的方式实现系统的目标。其在智能车辆开发项目中的主要阶段通常包括：需求分析（明确系统应满足的功能和性能要求）；系统建模与设计（构建系统模型，进行概念设计、详细设计）；系统集成与测试（将各子系统组合，进行联合测试，验证系统功能与性能）；系统部署与运行（将系统投入实际使用，进行监控与维护）；系统更新与改进（根据运行反馈和新技术发展，对系统进行迭代优化）。3.传感器融合技术在智能车辆感知系统中的基本原理是将来自不同类型传感器（如摄像头、雷达、激光雷达等）的信息进行组合或融合，以获得比单一传感器更全面、准确、可靠的环境感知信息。其优势包括：提高感知精度和分辨率（融合多源数据克服单一传感器局限）；增强感知的鲁棒性和可靠性（当部分传感器失效或受环境干扰时，系统仍能提供有效信息）；扩展感知范围和维度（结合不同传感器的特性，获取更丰富的环境信息）；降低对单一高性能传感器的依赖，可能降低成本。4.系统冗余是指在一个系统中包含多个备份或替代的子系统或组件，当主系统或组件发生故障时，备份系统能够接替工作，从而保证整个系统的继续运行或关键功能的实现。智能车辆系统中采用冗余设计的实例：①关键传感器冗余，如同时部署多个摄像头或激光雷达，确保一个失效时仍能进行环境感知；②关键执行器冗余，如制动系统或转向系统有备份电机或液压单元；③供电系统冗余，如采用双电源线路或备用电池，确保关键部件供电不中断；④计算核心冗余，如使用双CPU或具有故障切换功能的主控制器。5.PID控制算法的三个主要分量作用：①比例（P）分量：根据当前误差（系统输出与期望输出的差值）的大小进行调节，误差越大，输出调整量越大。其作用是提供基本的控制作用，使系统输出趋向于期望值，但对误差的消除速度和超调量有影响。②积分（I）分量：根据误差随时间的累积值进行调节，只要存在误差，积分项就会持续增加或减少，推动系统输出进一步修正。其作用是消除稳态误差，使系统在设定点附近稳定。③微分（D）分量：根据误差的变化率进行调节，预测误差的未来趋势。其作用是抑制系统的超调和振荡，提高系统的响应速度和稳定性，使系统输出更加平滑。三、分析题（每小题10分，共30分）1.采用系统思维分析智能车辆横向控制系统（保持车道中心）时应考虑的关键因素：①系统边界与环境：明确系统包含哪些部件（感知、决策、执行），与哪些环境因素交互（车道线、其他车辆、道路几何形状、天气条件等）；②系统目标：核心目标是精确保持车道中心，同时可能涉及安全性、舒适性、效率等子目标；③子系统交互：分析感知系统如何提供车道信息，决策系统如何解算控制指令，执行系统（转向）如何响应；④系统动态特性：考虑车辆模型（如转向角与侧偏角关系）、控制延迟、执行器限制等对系统行为的影响；⑤鲁棒性与安全性：分析系统在恶劣天气、车道线模糊、其他车辆干扰等异常情况下的表现和防护措施；⑥人机交互：如果涉及驾驶员监控系统，需考虑人机分工与接管。2.将感知、决策、执行等多个独立子系统集成为复杂的智能车辆系统时可能面临的主要挑战：①数据融合与一致性：来自不同传感器的数据存在时间戳不同、精度不一、信息冗余等问题，如何有效融合并保证信息一致性是一个难点；②算法集成与兼容性：各子系统的算法（如感知算法、规划算法、控制算法）可能有不同的开发背景和实现方式，如何将它们无缝集成并保证协同工作是个挑战；③系统级性能优化：集成后的系统整体性能（如响应速度、精度、能耗、安全性）可能无法达到各子系统单独最优的简单叠加，需要进行系统级的权衡与优化；④硬件资源分配与瓶颈：多任务、多传感器数据处理的计算和通信需求巨大，如何合理分配硬件资源，避免出现计算或通信瓶颈；⑤测试验证复杂度：集成后的系统测试需要覆盖更广泛的场景和交互模式，难度和成本显著增加，特别是安全相关测试；⑥异常处理与容错：集成系统更容易出现级联故障，需要设计更复杂的异常检测和处理机制，确保系统在部分子系统失效时仍能安全运行或优雅降级。3.选择场景：城市自动驾驶。系统科学的方法论应用：①系统建模：建立城市环境的模型（高精地图、动态障碍物模型、交通规则模型），建立车辆自身动力学和控制模型。②系统分析：分析城市道路复杂、交通参与者行为多样、非结构化环境等带来的挑战（如感知难度大、决策复杂度高、安全要求极高），进行风险分析与评估。③系统设计：采用系统工程方法进行顶层设计、模块化设计，划分感知、预测、规划、决策、控制等子系统，并定义它们之间的接口。④系统集成与测试：通过仿真和实际道路测试，对集成后的系统进行验证与确认（V&V），确保满足所有功能和安全规范。⑤系统优化：对能耗、通行效率、舒适度等进行多目标优化，并考虑系统可扩展性和可维护性。⑥运行与维护：建立基于数据的系统健康监控和持续改进机制，确保系统在长期运行中的可靠性和安全性。四、设计题（15分）设计一个简化的智能车辆纵向控制系统（保持安全距离）时需要考虑的关键要素：①输入信息：主要输入包括本车当前速度、前方车辆速度、与本车之间的相对距离（或时间间隔）。可能还需要考虑本车最大加减