虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“機(jī)艙資源管理”教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用

商 蕾，程惠芳，孫 俊

(武漢理工大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院 b.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“機(jī)艙資源管理”教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用

商 蕾，程惠芳，孫 俊

(武漢理工大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院 b.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063)

考慮到船舶產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，海員的培訓(xùn)要求越來(lái)越嚴(yán)苛，針對(duì)海員對(duì)技能培訓(xùn)的需求，推出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于“機(jī)艙資源管理”課程的教學(xué)模式，分析該教學(xué)模式的可行性并介紹其模型的建立，旨在為學(xué)員建立一個(gè)與真實(shí)教學(xué)環(huán)境無(wú)差別的“機(jī)艙資源管理”虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

機(jī)艙資源管理;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

“機(jī)艙資源管理”課程已成為必備的船員培訓(xùn)及考核科目。而輪機(jī)模擬器作為這門課程實(shí)操環(huán)節(jié)的必備設(shè)備，也被研究人員廣泛關(guān)注并深度挖掘其應(yīng)用的更多可能性。由于配備輪機(jī)模擬器、主機(jī)拆裝實(shí)驗(yàn)室等硬件教學(xué)設(shè)備和設(shè)施費(fèi)用昂貴，一些擁有航海類專業(yè)的大中專院校及專職培訓(xùn)機(jī)構(gòu)沒(méi)有配備這些設(shè)施的能力。與此同時(shí)，受到硬件臺(tái)套數(shù)、教學(xué)場(chǎng)地及外界環(huán)境等的制約，機(jī)艙資源管理的培訓(xùn)效率和效果也受到一定的影響。因此，有必要提供給學(xué)生一種全新的，在電腦桌面上就可以全景展示機(jī)艙的內(nèi)部構(gòu)造、模擬實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地可完成機(jī)艙內(nèi)各項(xiàng)目和應(yīng)急演練的教學(xué)模式。

1 “機(jī)艙資源管理”課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前，“機(jī)艙資源管理”課程在實(shí)踐教學(xué)中主要有3種教學(xué)方式：理論學(xué)習(xí)、操作訓(xùn)練、團(tuán)隊(duì)練習(xí)。理論學(xué)習(xí)用以掌握機(jī)艙資源管理的基本原理和操作規(guī)程；操作訓(xùn)練用以掌握設(shè)備操作技能，進(jìn)行基礎(chǔ)的實(shí)踐訓(xùn)練;團(tuán)隊(duì)練習(xí)用以培養(yǎng)學(xué)員的團(tuán)隊(duì)合作能力和判斷處理復(fù)雜局面的綜合能力[1]。在這3種教學(xué)方式中，理論學(xué)習(xí)一直受到高通過(guò)率的青睞，但真正涉及到“機(jī)艙資源管理”實(shí)操課程的教學(xué)目標(biāo)，實(shí)際效果存在很大的差距。

本?！皺C(jī)艙資源管理”培訓(xùn)課程自2013年開設(shè)，每年都有上千人進(jìn)行這門課程的學(xué)習(xí)。2013—2014年期間機(jī)艙資源管理培訓(xùn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1[2]。

表1 武漢理工大學(xué)“機(jī)艙資源管理”培訓(xùn)統(tǒng)計(jì)

由表1可見，“機(jī)艙資源管理”的理論考試通過(guò)率都不錯(cuò)，但在實(shí)操課程上，在校學(xué)生的實(shí)操評(píng)估考試通過(guò)率明顯低于社會(huì)船員。究其原因，主要還是在校學(xué)生缺乏實(shí)際機(jī)艙管理的工作經(jīng)驗(yàn)，幾乎沒(méi)有機(jī)艙資源管理的情景意識(shí)。而“機(jī)艙資源管理”這門課程又相對(duì)來(lái)說(shuō)比較特殊，其學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)就是結(jié)合船舶機(jī)艙可能發(fā)生或遇到的緊急情況，要求機(jī)艙值班人員根據(jù)實(shí)際情況有效的利用船舶機(jī)艙現(xiàn)有的各種機(jī)械動(dòng)力設(shè)備、安全設(shè)備，合理調(diào)度人員，通過(guò)機(jī)艙組織和程序執(zhí)行發(fā)揮每個(gè)人在團(tuán)隊(duì)工作中的作用，從而有效執(zhí)行并完成相關(guān)工作的操作程序，以保證船舶的安全航行[3]，這對(duì)學(xué)員的實(shí)操技能有很高的要求。而且在“機(jī)艙資源管理”這門課程的考核中，實(shí)操技能相對(duì)來(lái)說(shuō)占的比重較大，學(xué)員如果實(shí)操考核無(wú)法通過(guò)，將影響其是否能順利拿到學(xué)位證。

針對(duì)以上情況，擬將三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入“機(jī)艙資源管理”課程教學(xué)中。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融合，提供高沉浸感的虛擬場(chǎng)景，使學(xué)生能夠身臨其境的感受船舶機(jī)艙布局，了解各個(gè)主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等，從而更好地對(duì)機(jī)艙資源進(jìn)行合理配置與管理，提升課程教學(xué)效果。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的可行性

目前，國(guó)內(nèi)外將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，大體上有以下幾種表現(xiàn)形式：其一是實(shí)驗(yàn)仿真。最具代表性的是“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”，這是一款面向物理課堂、物理教師和學(xué)生的、一個(gè)全開放性的物理實(shí)驗(yàn)仿真軟件，可以提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)器具完備的綜合性實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生不僅可以“親身體驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)操作的全過(guò)程，還可以實(shí)時(shí)獲取相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這種利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造的實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中既可以避免實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的局限性，也可以預(yù)防實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)并減少經(jīng)費(fèi)的投入。其二是工程漫游。例如，現(xiàn)在的大型網(wǎng)游，使用者通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在虛擬環(huán)境下對(duì)人物角色及場(chǎng)景按照一定的規(guī)則進(jìn)行操作以達(dá)到娛樂(lè)和互動(dòng)目的的游戲產(chǎn)品，其主要特點(diǎn)就是允許玩家對(duì)虛擬設(shè)備自行分配，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。其三是空間仿真，這一技術(shù)在建筑的教學(xué)中有著較多的應(yīng)用?，F(xiàn)在比較熱門的虛擬校園漫游系統(tǒng)，就是以真實(shí)校園為整體藍(lán)本，利用三維技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)，還原校園的地理空間，并實(shí)現(xiàn)其與校園屬性信息的融和。用戶可以利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)這個(gè)全新的校園景觀，通過(guò)終端計(jì)算機(jī)在虛擬校園中漫游，而且還可以進(jìn)行查詢、搜索等操作[4]。

但是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并非在任何課程中都適用，對(duì)于理論和計(jì)算知識(shí)相對(duì)集中(數(shù)學(xué)、會(huì)計(jì)、語(yǔ)言類等)的課程，其沒(méi)有針對(duì)性的實(shí)際意義。而“機(jī)艙資源管理”這種理論與實(shí)操相結(jié)合的特殊課程，要求學(xué)員不僅能夠熟練操作機(jī)艙內(nèi)的各項(xiàng)設(shè)備，還需根據(jù)突發(fā)狀況安排人員做好應(yīng)急處理。針對(duì)這一情況，提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，制作出可交互的“機(jī)艙資源管理”課程虛擬系統(tǒng)，與此同時(shí)，采用多種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的同步交互，使學(xué)生在課下不僅能對(duì)船舶機(jī)艙的各機(jī)械動(dòng)力設(shè)備、安全設(shè)備進(jìn)行全景展示，也可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤等操作對(duì)系統(tǒng)中預(yù)置應(yīng)用進(jìn)行實(shí)時(shí)的演練。此外，通過(guò)模擬各種對(duì)設(shè)備的錯(cuò)誤操作，不僅能讓學(xué)生客觀的感受不符合規(guī)程的操作帶來(lái)的后果，也可以讓學(xué)生綜合理解并實(shí)時(shí)反應(yīng)遇到各種緊急情況的預(yù)處理方案。通過(guò)這種預(yù)置操作的模擬方式，讓學(xué)生隨學(xué)隨用的同時(shí)，也避免了實(shí)際實(shí)踐課程中實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損耗，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)具有重要的意義。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建立

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框架

根據(jù)“機(jī)艙資源管理”課程對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的需求，收集實(shí)船數(shù)據(jù)，在通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，利用3DS Max，Photoshop等軟件制作實(shí)船實(shí)體以及內(nèi)部各系統(tǒng)的模型，Unity3D等軟件實(shí)現(xiàn)桌面虛擬實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互，建立一個(gè)可以提供給學(xué)生設(shè)備操作的練習(xí)以及預(yù)置應(yīng)急處理的多層次、多目標(biāo)可持續(xù)的模擬練習(xí)平臺(tái)。該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 1所示[5]。

圖1 “機(jī)艙資源管理”虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 平臺(tái)開發(fā)流程

為了創(chuàng)建一個(gè)與實(shí)際教學(xué)無(wú)差別的“機(jī)艙資源管理”虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從4個(gè)階段介紹該平臺(tái)開發(fā)流程。該平臺(tái)開發(fā)流程圖見圖2。

圖2 “機(jī)艙資源管理”虛擬教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)流程

第一階段。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與資料的收集與整理。根據(jù)“機(jī)艙資源管理”課程的教學(xué)目標(biāo)收集實(shí)船資料。 如船體、機(jī)艙總覽、主推進(jìn)裝置及其推進(jìn)系統(tǒng)、 發(fā)電柴油機(jī)、自動(dòng)化電站系統(tǒng)、舵機(jī)系統(tǒng)、鍋爐蒸汽系統(tǒng)、壓載水系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警和滅火系統(tǒng)(包括二氧化碳系統(tǒng))、艙底水系統(tǒng)、燃油柜系統(tǒng)(包括燃料柜、沉淀柜和日用柜)、空氣系統(tǒng)，以及冷卻水系統(tǒng)等的結(jié)構(gòu)圖和數(shù)據(jù)，對(duì)這些細(xì)節(jié)進(jìn)行真實(shí)還原使學(xué)員在實(shí)際的輪機(jī)駕駛過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)無(wú)差別操作。另一方面，還需要收集各種預(yù)置操作的數(shù)據(jù)資料。如在多人協(xié)作完成機(jī)艙各種應(yīng)急處理演練時(shí)，所設(shè)計(jì)的機(jī)艙資源管理模擬器實(shí)現(xiàn)機(jī)艙進(jìn)水時(shí)船舶吃水和橫傾變化的檢測(cè)以及設(shè)備的自動(dòng)啟停、機(jī)艙失火和全船失電的應(yīng)急處理等訓(xùn)練內(nèi)容的數(shù)據(jù)。

第二階段。制作三維模型。利用三維建模軟件3DS Max的多邊形建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景模型的制作，并結(jié)合Photoshop軟件中已有素材合成模型的固有色和3dsmax中的材質(zhì)進(jìn)行貼圖，真實(shí)還原機(jī)艙內(nèi)部構(gòu)造及各系統(tǒng)的360°全局演示。

第三階段。進(jìn)行燈光處理和貼圖的烘焙以達(dá)到模型的優(yōu)化。

第四階段。虛擬交互設(shè)計(jì)。Unity3D是利用交互的圖形化開發(fā)環(huán)境為首要方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)的呈現(xiàn)。運(yùn)用Unity3D的諸多特點(diǎn)，制作系統(tǒng)的運(yùn)行界面，包括背景界面元素、交互按鈕和背景音樂(lè)的制作，以及各預(yù)置操作流程及實(shí)現(xiàn)的代碼，并加入視頻和flash等媒體實(shí)現(xiàn)模型和按鈕的交互

鏈接，建立相關(guān)預(yù)置操作的資料庫(kù)。

第五階段。發(fā)布輸出。此階段是把最終完成的“機(jī)艙資源管理”虛擬教學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)布成網(wǎng)頁(yè)文件或者打包成可執(zhí)行文件，實(shí)現(xiàn)PC端和移動(dòng)端的同步發(fā)行，達(dá)到隨學(xué)隨用的新型教學(xué)模式。

4 虛擬教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用效果

首先，學(xué)員根據(jù)線上對(duì)這門課程的介紹以及各零部件各系統(tǒng)基本構(gòu)成的講解，從理論基礎(chǔ)開始了解其教學(xué)目標(biāo)。使學(xué)員在掌握各設(shè)備原理的同時(shí)，也能將其實(shí)際構(gòu)成對(duì)號(hào)入座。

其次，通過(guò)線上平臺(tái)提供的交互式操作，不僅可以能讓學(xué)員快速掌握各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行軌跡，實(shí)時(shí)了解整艘船的運(yùn)行布局，還能給學(xué)員想象的空間，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)掘創(chuàng)造潛力。

最后，在線下進(jìn)行實(shí)操環(huán)節(jié)的應(yīng)急演練，調(diào)動(dòng)各學(xué)員的實(shí)體感知能力和判斷處理復(fù)雜局面的綜合能力，并培養(yǎng)學(xué)員之間的團(tuán)隊(duì)合作團(tuán)隊(duì)精神。再進(jìn)行線上的補(bǔ)充練習(xí)，使學(xué)員在鞏固知識(shí)的同時(shí)，也能自主地嘗試各項(xiàng)操作，更好地掌握機(jī)艙各設(shè)備整體的配合效果。

[1] 胡賢民.基于虛擬機(jī)艙桌面系統(tǒng)的高職小班化教學(xué)實(shí)施研究[J]．船海工程，2014(1)：114-116．

[2] 成春祥.機(jī)艙資源管理的理論教學(xué)與實(shí)操培訓(xùn)[J].船海工程，2015(2):99-103.

[3] 蔣德志，趙曉玲.基于輪機(jī)模擬器的“機(jī)艙資源管理”研究與實(shí)踐[J].中國(guó)航海，2011(1)：22-25．

[4] 李建榮.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2014，17(3):98-102.

[5] 邢輝，吳建潘.機(jī)艙資源管理培訓(xùn)內(nèi)容的履約探討[J].航海教育研究，2011(1):34-37.

Application of Virtual Reality in Teaching Practice of the Engine Room Resource Management

SHANG Leia,b, CHENG Hui-fanga,b, SUN Juna,b

(a School of Engine and Power Engineering;b Engineering Research Center for Transportation Safety, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

With the rapid development of shipping industry, the training requirements of the seafarers become more and more strict. In order to meet the needs of seafarers for skills training, the virtual reality technology was applied in the course of engine room resource management. The feasibility of this teaching mode was analyzed and the establishment of the model was introduced, so as to build a virtual teaching experiment platform for the course of engine room resource management, which is indiscriminate with the real environment.

engine room resource management; virtual reality technology; virtual teaching experimental platform

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.034

2016-04-07

湖北省教研資金(2014120)

商 蕾(1974—)，女，博士，副教授

G642.0

A

1671-7953(2016)06-0144-03

修回日期：2016-05-17

研究方向:虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真

E-mail:630314449@qq.com