船舶導(dǎo)航設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)平臺設(shè)計與開發(fā)

楊 曉，廉靜靜，任鴻翔，于佳佳

（大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧大連 116026）

0 引言

高素質(zhì)航海人才的培養(yǎng)是適應(yīng)海洋強國、交通強國建設(shè)的必然要求，打造高素質(zhì)航海人才梯隊才能保障交通強國和海洋強國戰(zhàn)略有力推進實施。這就要求各航海類院校在教學(xué)中必須不斷提升理論教學(xué)水平，夯實航海人才的實際動手能力，為我國培養(yǎng)理論豐富、實踐能力強的高素質(zhì)航海人才。為保證船舶在海上的航行安全，船長和駕駛員必須熟練掌握船舶綜合駕駛臺的各種航海儀器設(shè)備，國際海事組織IMO 在STCW 2010 國際公約中對此也做出了明確的規(guī)定和要求［1］，要求各締約國政府在履約的過程中必須進行相關(guān)實驗項目的教學(xué)和培訓(xùn)。為主動履行STCW 2010 國際公約，我國國家海事局也制定了相關(guān)的評估規(guī)范及培訓(xùn)大綱［2-3］。利用實船開展船舶綜合駕駛臺系統(tǒng)及船舶導(dǎo)航設(shè)備實驗教學(xué)存在很大的風(fēng)險，一旦發(fā)生海事，將對船舶、人命、環(huán)境造成無法估量的危害和破壞。在實驗室利用真設(shè)備開展實驗教學(xué)存在設(shè)備投入巨大、頻繁操作導(dǎo)致設(shè)備損壞、設(shè)備無法呈現(xiàn)海上數(shù)據(jù)等問題，不利于各個層次學(xué)生的實驗教學(xué)開展。自2017 年起，教育部連續(xù)頒布多個文件［4-7］提出將現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)課程中，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，探索課程線上／線下混合式的智能化、個性化的實驗教學(xué)模式，從而引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生信息探究式、自主式和個性化學(xué)習(xí)。近年來，不少高校根據(jù)自身教學(xué)科研的發(fā)展需求開發(fā)了相關(guān)虛擬仿真項目并建立了實驗室［8-12］。航海教育十分重視學(xué)生實踐能力的培訓(xùn)，航海類專業(yè)的實驗實訓(xùn)是受國際公約規(guī)范的必需環(huán)節(jié)，由于海上船舶工作環(huán)境的特殊性，航海類專業(yè)的實驗實訓(xùn)項目涉及高危或極端的環(huán)境、不可逆的操作、高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況，通過構(gòu)建高仿真度的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象為主的實驗教學(xué)方式是航海教育與培訓(xùn)的必然趨勢?；诖?，依托我校航海實驗實訓(xùn)教學(xué)中心配備的航海儀器設(shè)備，開發(fā)了船舶導(dǎo)航設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。

船舶導(dǎo)航設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)平臺集成了船舶羅經(jīng)設(shè)備、船舶導(dǎo)航雷達、衛(wèi)星導(dǎo)航儀等多種重要的船舶導(dǎo)航設(shè)備。目前，針對船舶導(dǎo)航設(shè)備的實驗教學(xué)，各高校多采用真設(shè)備為主的教學(xué)方式。由于實訓(xùn)過程中需要頻繁操作設(shè)備，很容易導(dǎo)致真設(shè)備損壞，且實驗室缺乏海上航行真實環(huán)境和實時數(shù)據(jù)，實訓(xùn)效果一般，因此需要尋求一種有效的方法去解決目前所遇到的問題。針對上述問題，我校建設(shè)了國內(nèi)首個虛實結(jié)合的航海儀器專用實驗室，在實驗教學(xué)中采用了自主研發(fā)的船舶導(dǎo)航設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)平臺［13-16］。實驗教學(xué)過程中，教師以真設(shè)備為切入點進行講解，之后學(xué)生在虛擬仿真實驗教學(xué)平臺上進行設(shè)備的操作訓(xùn)練，訓(xùn)練中可針對仿真設(shè)備進行虛擬拆裝和交互。該虛擬仿真實驗教學(xué)平臺有效地解決了真設(shè)備數(shù)量不足和易損壞的問題，較大地提高了學(xué)生參與實驗教學(xué)的積極性和主動性，取得了良好的教學(xué)效果。

1 平臺架構(gòu)

船舶導(dǎo)航設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的實現(xiàn)以計算機仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)和多媒體技術(shù)為基礎(chǔ)，其平臺架構(gòu)可分為數(shù)據(jù)層、支持層、服務(wù)層、仿真層和應(yīng)用層5 個部分，如圖1 所示。每一層都為其上層提供服務(wù)，直到完成虛擬實驗教學(xué)平臺環(huán)境的構(gòu)建。

圖1 仿真實驗教學(xué)平臺整體架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的存放和管理，設(shè)置了虛擬實驗的用戶信息、課程庫、典型實驗、規(guī)則庫、標(biāo)準(zhǔn)答案和實驗數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。

（2）支持層。支持層是整個船舶導(dǎo)航設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的核心框架，負責(zé)整個基礎(chǔ)系統(tǒng)的運行，維護和管理，支持層主要實現(xiàn)了六大功能，其中支持層的安全管理功能實現(xiàn)了身份認證、訪問控制等，服務(wù)容器包括服務(wù)監(jiān)控和服務(wù)通知等。

（3）服務(wù)層。服務(wù)層能夠使用戶快速地在虛擬實驗環(huán)境中完成虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)，并提供虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的一些通用支持組件。通用服務(wù)包含多個功能如集成接口、實驗教學(xué)效果評估、實驗記錄等。

（4）仿真層。仿真層主要針對虛擬仿真實驗教學(xué)要求，搭建船舶駕駛臺的三維模型，如場景建模和設(shè)備建模，實現(xiàn)虛擬車／舵交互和設(shè)備交互等。

（5）應(yīng)用層。應(yīng)用層包括船舶駕駛臺全景漫游、船舶陀螺羅經(jīng)操作、船舶磁羅經(jīng)操作等，可根據(jù)教學(xué)需求，利用服務(wù)層提供的各種輔助服務(wù)和仿真層提供的三維模型和虛擬交互，設(shè)計各種需要的實驗實例，面向?qū)W校和公眾開展實驗教學(xué)。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺設(shè)計

船舶導(dǎo)航設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)平臺設(shè)計從航海類實訓(xùn)實踐需求出發(fā)，通過構(gòu)建高仿真度的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到教學(xué)大綱所要求的認知與實驗教學(xué)效果。該虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建了船舶全景漫游、船舶陀螺羅經(jīng)操作、衛(wèi)星導(dǎo)航儀操作、自動識別系統(tǒng)操作、回聲測深儀操作、船用計程儀操作、船舶磁羅經(jīng)操作等7 部分實驗教學(xué)內(nèi)容。通過三維建模、繪制及渲染、紋理處理等技術(shù)，搭建逼真的駕駛臺場景。通過建立船舶運動數(shù)學(xué)模型，能夠精確地反映出船舶姿態(tài)的變化，提高虛擬環(huán)境中船舶的行為真實感。當(dāng)船舶導(dǎo)航設(shè)備參數(shù)發(fā)生變化時，可逼真地還原真實設(shè)備的參數(shù)變化，提升了場景的環(huán)境真實感，圖2 所示為虛擬仿真實驗教學(xué)平臺層次結(jié)構(gòu)圖。

圖2 船舶導(dǎo)航設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)平臺層次結(jié)構(gòu)圖

整個平臺的開發(fā)訓(xùn)練需要學(xué)生能夠熟悉掌握以下內(nèi)容：船舶導(dǎo)航雷達、陀螺羅經(jīng)、磁羅經(jīng)、衛(wèi)星導(dǎo)航儀、自動識別系統(tǒng)、回聲測深儀、多普勒計程儀等船舶導(dǎo)航設(shè)備，掌握船舶綜合駕駛臺系統(tǒng)配置和船舶車鐘和舵輪的操作方法，理解操作車鐘后主機轉(zhuǎn)速表和計程儀的數(shù)據(jù)變化以及操作舵輪后舵角指示器和航向分羅經(jīng)的數(shù)據(jù)變化，觀察船舶控制設(shè)備操作及參數(shù)變化；能夠熟悉掌握陀螺羅經(jīng)的系統(tǒng)構(gòu)成及各分設(shè)備的作用，能夠熟練拆裝主羅經(jīng)，查看陀螺球狀態(tài)和更換支撐液體，熟悉掌握陀螺羅經(jīng)控制單元的操作步驟，能夠完成速度誤差和同步誤差的校正；熟悉掌握船舶磁羅經(jīng)的構(gòu)成及各自差校正器的作用及調(diào)整，熟悉掌握船舶磁羅經(jīng)半周期檢測、靈敏度檢測、氣泡消除等設(shè)備維護過程。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺開發(fā)

船舶導(dǎo)航設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)平臺從知識傳授、航海實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)出發(fā)，創(chuàng)新性地構(gòu)建了船舶全景漫游、船舶陀螺羅經(jīng)操作、衛(wèi)星導(dǎo)航儀操作、自動識別系統(tǒng)操作、回聲測深儀操作、船用計程儀操作、船舶磁羅經(jīng)操作等7 部分實驗，使學(xué)生在熟悉船舶綜合駕駛臺配置的基礎(chǔ)上，熟練掌握船舶導(dǎo)航設(shè)備的操作及維護過程，加深對理論知識的理解。下面以船舶駕駛臺全景漫游、船舶陀螺羅經(jīng)及磁羅經(jīng)為例對開發(fā)內(nèi)容進行介紹。

3.1 船舶駕駛臺全景漫游

船舶駕駛臺全景漫游采用了3Ds Max進行場景搭建和設(shè)備建模，集成了船舶導(dǎo)航雷達、陀螺羅經(jīng)、磁羅經(jīng)、衛(wèi)星導(dǎo)航儀、自動識別系統(tǒng)、回聲測深儀、多普勒計程儀、駕駛臺值班報警系統(tǒng)等多種航海儀器設(shè)備，以及控制航向航速的車舵設(shè)備。圖3 為三維虛擬船舶駕駛臺，在船舶駕駛臺三維場景中，可以漫游到任何導(dǎo)航設(shè)備并對其進行操作訓(xùn)練。

圖3 三維虛擬船舶駕駛臺

3.2 船舶陀螺羅經(jīng)操作

船舶陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)集成了主羅經(jīng)、方位分羅經(jīng)、操舵分羅經(jīng)、航向分羅經(jīng)等子設(shè)備。若需要查看船舶陀螺羅經(jīng)主羅經(jīng)時，只需要漫游至綜合控制臺前，點擊控制臺體的螺絲，拆除控制臺柜門，然后點擊主羅經(jīng)柜體上的螺絲，將主羅經(jīng)的柜門螺絲拆除，拆除隨動球上部的螺絲，可查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖4 為陀螺羅經(jīng)主羅經(jīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真。

圖4 陀螺羅經(jīng)主羅經(jīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真

3.3 船舶磁羅經(jīng)操作

船舶磁羅經(jīng)設(shè)備集成了羅盆、羅經(jīng)柜、半圓自差校正器、傾斜自差校正器、象限自差校正器、佛氏鐵等部件。當(dāng)在三維虛擬船舶綜合駕駛臺內(nèi)漫游時，漫游至羅經(jīng)甲板，可查看船舶艏向設(shè)備磁羅經(jīng)在甲板上的安裝情況，點擊磁羅經(jīng)的羅經(jīng)帽時，拆除羅經(jīng)帽露出羅盆；利用工具箱中的工具，可進行半周期檢測、靈敏度檢測、氣泡消除和自差測定等實驗內(nèi)容，圖5 所示為磁羅經(jīng)氣泡消除過程仿真。

圖5 磁羅經(jīng)氣泡消除過程仿真

4 虛擬仿真教學(xué)平臺應(yīng)用

基于該船舶導(dǎo)航設(shè)備虛擬仿真教學(xué)平臺，實驗教學(xué)模式由教師主導(dǎo)講解、課堂輔導(dǎo)訓(xùn)練、課余自主訓(xùn)練3 個環(huán)節(jié)構(gòu)成。3 個環(huán)節(jié)相輔相成，共同促進學(xué)生對航海儀器的理解和熟練操作。第1 環(huán)節(jié)，在實驗課堂上，教師以真設(shè)備為切入點進行講解，使得學(xué)生能直觀地接觸到真設(shè)備，了解真設(shè)備的構(gòu)成及主要操作。由于真設(shè)備的數(shù)量限制以及頻繁的操作易導(dǎo)致設(shè)備損壞的問題，因此以老師講解為主，學(xué)生操作為輔。該環(huán)節(jié)是講解引導(dǎo)環(huán)節(jié)，對學(xué)生消除設(shè)備的陌生感及對設(shè)備的初步理解非常關(guān)鍵，該環(huán)節(jié)約占實驗課堂總時長的1／3。第2 環(huán)節(jié)，在實驗課堂上，為每位學(xué)生分配一臺實驗用計算機，教師首先操作教練臺計算機，并將教練臺計算機的實時操作情況投屏給每位同學(xué)。教師在虛擬駕駛臺軟件中漫游，輔導(dǎo)學(xué)生認識船舶駕駛臺及航海儀器在駕駛臺的配置情況。然后將控制權(quán)交給每位學(xué)生，學(xué)生在虛擬駕駛臺中打開仿真設(shè)備及對應(yīng)的說明書，根據(jù)第1 環(huán)節(jié)中老師的講解情況操作仿真設(shè)備，教師在教練臺監(jiān)控學(xué)生的操作情況。發(fā)現(xiàn)學(xué)生共同的操作問題后，教師再次投屏，演示仿真設(shè)備的操作。在本環(huán)節(jié)中，教師也可適當(dāng)增加與學(xué)生的互動，設(shè)置小小的測試環(huán)節(jié)，也可讓操作存在問題的學(xué)生獲得屏幕控制權(quán)，演示給所有的學(xué)生觀看，然后其他學(xué)生查找問題。該環(huán)節(jié)以學(xué)生訓(xùn)練為主，教師輔導(dǎo)為輔，保證學(xué)生在教師的輔導(dǎo)下有足夠的訓(xùn)練時長，對學(xué)生熟練操作設(shè)備極其關(guān)鍵，該環(huán)節(jié)會占用實驗課堂的剩余時長。第3 環(huán)節(jié)，離開實驗課堂后，學(xué)生可線上利用手機或IPAD等移動端設(shè)備下載航海儀器仿真設(shè)備，在課余時間鞏固實驗課堂上的學(xué)習(xí)內(nèi)容，在航海儀器設(shè)備使用評估前達到熟練使用設(shè)備的目標(biāo)。該環(huán)節(jié)不限時間和地點，具有很強的適應(yīng)性，圖6 所示為運行于移動端的船舶自動識別系統(tǒng)仿真設(shè)備。

圖6 移動端船舶自動識別系統(tǒng)仿真設(shè)備

5 結(jié)語

基于我校航海實驗實訓(xùn)教學(xué)中心配備的航海儀器設(shè)備，設(shè)計開發(fā)了船舶導(dǎo)航設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，實現(xiàn)了船舶導(dǎo)航設(shè)備虛擬拆裝和交互。這種教學(xué)模式的引入，能夠很好地解決設(shè)備數(shù)量不足以及頻繁操作易導(dǎo)致設(shè)備損壞的問題。同時仿真實驗教學(xué)平臺的應(yīng)用較大程度提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，保證學(xué)生操作使用設(shè)備的熟練程度，調(diào)動學(xué)生參與實驗教學(xué)的積極性和主動性，加深學(xué)生對船舶導(dǎo)航設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解。移動端仿真設(shè)備的開發(fā)也拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)的空間和時間，提高了學(xué)習(xí)效果。