基于VR的船舶通信導航設備實訓系統設計與實現

李冰蟾, 毛 波

(1. 江蘇海事職業技術學院 電氣與自動化工程學院, 江蘇 南京 211170；2. 南京財經大學 信息工程學院, 江蘇 南京 210023)

1 研究背景

“船舶通信導航設備維護與管理”是船舶電氣專業學生的一門必修的專業課程。該課程以船舶電子電氣員的工作職責為基礎,不但講授理論知識,而且對船舶通信導航設備的操作、故障診斷、維修保養方面開展實訓教學,旨在培養學生對船舶通信導航設備的實操能力[1]。目前,船舶通信導航設備實訓課程在以下幾方面尚存在待解決的問題[2-3]:

(1) 船舶通信導航設備價格昂貴,不能大量購置；

(2) 設備容易磨損和老化,操作不當容易引起安全問題,設備維護要求高；

(3) 信息化程度較弱,實操方式較為單一,只能開展操作級別的實操訓練,不便于進行設備內部故障檢修實訓,訓練項目受到限制；

(4) 學生的實操訓練受到時間、空間的限制,實訓教學大多“足不出戶”,現場教學的機會較少。

為了使船舶通信導航設備實訓教學跟上現代信息化技術的發展,提高學生的實操能力,培養滿足社會需要的技術人才,“船舶通信導航設備”課程教學亟需在傳統實訓教學的基礎上開展教學改革創新的研究,將虛擬現實(virtual reality,VR)技術應用于實訓教學中,使教學效果顯著提高[4]。

隨著科技的發展,虛擬現實技術在實訓教學方面得到了越來越多的應用[5]。VR技術是用先進的硬件與軟件技術,設計出用戶與場景設備的感知式交互,令人產生身臨其境的感受[6-8]。虛擬實訓系統綜合運用虛擬現實技術,在視覺、聽覺、觸覺等方面為用戶生成一個極為逼真的虛擬環境,能夠模擬各種場景。

VR技術不僅能模擬實際設備,還能模擬出實際設備內部的結構。用戶借助VR眼鏡、VR頭盔等,以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互,使用戶最大限度地貼近實際操作,提高實操能力和處理實際問題的技能[9-10]。這種創新的實訓方式不僅使用戶能夠模塊化地觀察設備,更好地應用于復雜設備和危險性系數較高的操作訓練,有效地克服實際裝備訓練受時間和場地限制、訓練成本高、易損壞裝備等弊端,并且使用戶置身于虛擬現實環境中,大大提高了互動性與參與性[11-12]。

基于此,江蘇海事職業技術學院開展了VR技術應用于船舶通信導航設備實訓教學的研究,提出了一種基于VR技術的實訓教學系統方案,通過構建基礎模型庫,實現教師對實訓教學內容的自定義編輯,使該系統能夠有效地應用于船舶通信導航設備的實訓教學。通過VR技術,學生在逼真的虛擬場景中對船舶通信導航虛擬設備的操作使用與維修過程進行模擬演練。該系統不但能降低實訓室建設成本,能避免實訓教學受到設備結構、設備運行環境等硬件條件的束縛,并可針對新設備快速更新虛擬實訓教學系統。學生在虛擬場景中自由地穿梭于結構零件之中,進行設備的拆分、解構,觀察設備的各個細節,實現真正的無死角、無時空限制。

該系統讓學生在設備結構、設備使用、設備維修3方面進行交互式VR實訓,并能根據用戶行為分析給出實操評價,在VR技術的基礎上,提供了針對設備實訓教學的演示型模板與交互型模板,將傳統的教學元素(例如幻燈片的圖形和數據)嵌入在虛擬環境中。針對不同學生在實操訓練過程中的錯誤與薄弱環節,系統能智能化地推送相關理論知識與操作演示視頻等多媒體資料,進行個性化的實訓,比傳統的實訓教學方式內容更豐富、效果更佳,并能因人而異進行實訓,實現了實訓教學方式的創新。

2 VR實訓系統分析

船舶通信導航設備VR實訓教學系統包括VR編輯模塊、VR實操訓練模塊、用戶行為分析模塊、VR智能推演模塊和用戶管理模塊等功能模塊。

2.1 VR編輯模塊

VR編輯模塊是一個虛擬現實實訓課程制作平臺。基于此平臺,教師能夠創建和定制實訓教學內容。該模塊提供多媒體教學資源接口,通過此接口可自由導入三維模型,并對模型添加圖片、文字、聲音、視頻、三維動畫等多媒體教學資源。通過流程編輯模塊實現實訓流程與實訓任務的可視化創建。

通過VR編輯模塊,教師或二次開發人員可以使用3D模型和視頻圖文等多媒體文件創建講義,實現對不同實訓內容的快速開發。VR編輯模塊是船舶通信導航設備VR實訓教學系統的基礎支撐部分,VR實操訓練模塊、用戶行為分析模塊以及VR智能推演模塊則是在本模塊的基礎上集成的功能模塊。

VR編輯模塊的核心包括船舶通信導航設備基礎庫與故障決策樹兩部分。其中船舶通信導航設備基礎庫包括以下3部分。

(1) 船舶通信導航設備及其零部件的三維模型庫。通過三維建模技術,將船舶通信導航設備及其零部件按照實訓教學要求進行三維建模,并實現零部件的排列組合與基本的配置,支持設備的三維可視化,并實現設備參數的動態顯示。例如雷達的屏幕,能顯示目標回波圖像信息,顯示掃描線、距標圈、船首線等基本信息,具有初步的交互三維可視化能力。

(2) 船舶通信導航設備故障分類體系。根據船舶通信導航設備的實際情況,將實訓教學涉及的設備故障進行分類建模,并給出相對應的解決方案。對于復雜故障,要進一步細分為多個故障點,并通過故障點的并聯或串聯等方式實現故障的組合,從而支持復雜故障或多重故障設置。

(3) 船舶通信導航設備故障展示庫。結合船舶通信導航設備零部件三維模型與故障分類體系,展示庫能夠反映故障特征的三維可視化效果,例如天線不轉、屏幕不亮、無回波信號等,從而使得學生能夠根據顯示設備故障的外在表現,判定故障類型及其解決方案。

故障決策樹包含以下兩個部分。

(1) 設備狀態節點。故障決策樹的設備狀態節點用于顯示故障排除過程中,設備的當前狀態,主要包括當前設備的基本三維模型及其可視化狀態。

(2) 用戶行為操作邊。用戶行為操作邊連接相鄰兩個設備狀態節點,是對船舶通信導航設備進行的操作,如斷電、啟動、重啟、電流表測量、電壓表測量、更換配件、旁路等。通過這些操作,使通信導航設備從當前設備狀態節點進入下一個設備狀態節點。

故障決策樹的構建是利用船舶通信導航設備基礎庫(基于船舶通信導航設備故障分類體系,利用船舶通信導航設備故障展示庫對故障設備進行建模),設計出設備初始故障狀態的三維可視化模型。在初始狀態,定義可能的操作,從而可以在不同的操作下進入新的狀態,之后分析每一個新的狀態并設定當前狀態下的操作,從而迭代生成整棵故障決策樹。在故障決策樹中會有正確的操作與錯誤的操作,因而學生可能在培訓中失敗,使得整個培訓更加具有靈活性。

一個船舶通信導航設備有多個故障決策樹,對應多個不同的故障維修,也可以通過調整故障決策樹中狀態節點下操作邊的個數與混淆度,改變模擬維修過程的難度。

2.2 VR實操訓練模塊

VR實操訓練模塊結合學生的交互設備及3D立體顯示技術,為學生提供一個與真實環境完全一致的虛擬環境。學生可以在這個具有真實沉浸感與交互性的虛擬環境中,通過人機交互設備和場景里所有物件進行交互,體驗實時的物理反饋,進行多種實訓操作。該模塊在船舶通信導航設備結構、設備使用、設備維修3方面給學生提供交互式VR實操訓練。

2.3 用戶行為分析模塊

用戶行為分析模塊用來對學生實操行為過程中的提示使用次數、操作時長、實訓項目完成度進行分析,判斷學生對于相關實訓內容的熟悉程度,從而給出智能分析、提供即時評價。該模塊的評分比重由教師預設,并能根據實際情況調整加權。

2.4 VR智能推演模塊

VR智能推演模塊根據對不同學生行為的分析結果,進行個性化的理論知識、實操演示視頻等多媒體資料的智能推送,實現個性化的實訓教學。

2.5 用戶管理模塊

用戶管理模塊包含用戶登錄、用戶注冊、密碼取回、用戶VR數據庫編輯、用戶刪除、用戶退出等功能。

3 VR船舶通信導航設備實訓教學系統實現

VR船舶通信導航設備實訓教學系統硬件組成如圖1所示。

圖1 VR船舶通信導航設備實訓教學系統硬件組成

系統選用HTC vive可視化系統作為仿真系統的主體,利用lighthouse激光追蹤系統對15 m范圍內的用戶行為進行跟蹤,并通過無線傳輸將用戶行為數據傳給VR主機。用戶佩戴的HTC vive頭顯裝置與VR主機無線連接,用于接收并顯示VR數據；用戶的控制手柄與VR主機無線連接,VR主機進行用戶手勢識別。

VR主機通過HDMI接口連接顯示器與投影儀,投影儀與投影幕墻連接,可以顯示學生目前所處虛擬現實場景及操作過程,供其他學生和教師實時觀看學習。

該實訓教學系統支持多臺VR主機與多用戶視覺沉浸。VR主機通過云端與服務器連接,服務器為多臺VR主機提供數據庫服務,可遠程傳輸數據。教師、考官、管理員通過外設接入服務器,布置VR實訓任務,輸入考試指令、考核評分，進行系統監管。

系統支持多個用戶的視覺沉浸,可以實現多個學生同時協作完成一項實訓任務。不同學校的服務器可通過云端遠程連接,使得本校的學生也可以參加外校課堂的實操訓練,進行數據共享,大大拓展了本地課堂的學習范疇。

4 VR船舶通信導航設備實訓系統場景仿真

根據系統功能需求,搭建了虛擬現實硬件平臺,并在此基礎上進行了VR船舶通信導航設備實訓系統的軟件開發。基于VR船舶通信導航設備實訓教學方案,在實驗平臺上對部分設備進行了三維建模與仿真,供學生進行實操訓練。虛擬現實船舶通信導航駕控臺上的虛擬設備模擬船舶真實設備,可進行模擬操作,觀察船舶通信導航設備的運行狀態和信號強度。

圖2為船舶甲板檢修虛擬現實場景。

圖2 船舶甲板檢修虛擬現實場景

圖3為學生利用虛擬手操作虛擬工具拆卸JRC雷達天線的交互仿真。使用虛擬工具,學生可以對船舶通信導航設備模塊及零部件進行抓取、移動、旋轉、測量等操作,實現人機交互控制。虛擬現實環境中提供提示按鈕,按下提示按鈕,可以給學生下一步操作提示,幫助學生完成實訓任務。

圖3 虛擬手操作虛擬工具拆卸JRC雷達天線的交互仿真

圖4是學生完成雷達天線檢修實操任務后,對學生實操行為的即時評價與本次實操任務相關的多媒體教學資料的智能化推送。

圖4 雷達天線檢修項目智能評分界面

5 結語

基于VR技術的船舶通信導航設備實訓教學將圖形、圖像、聲音和Flash動畫融為一體,為學生提供了交互性強、效率高、個性化的實訓教學系統,并在此平臺上對部分通信導航設備進行了三維建模與仿真。實踐表明:虛擬仿真實訓系統安全性高、能夠激發學生的學習積極性和創新思維、有利于學生進行設備內部模塊的認知與操作,學習效果大幅提升。

隨著現代信息化技術的不斷發展,虛擬現實技術也逐漸滲透到教育教學的各個方面,虛擬現實與系統仿真實驗實訓教學改革是一項有益的探索。針對不同設備的特點和維修過程,建立高效率的虛擬設備實訓維修平臺,既可以節省設備購置費用和維護經費,也可以提高安全性、突破時間空間限制。在遠程培訓方面,虛擬實訓維修平臺也將會有很大的施展空間。本系統對學生實操行為分析也僅限于操作時長、操作完成度以及提示使用次數方面的加權分析,隨著計算機仿真技術和情景認知理論的不斷發展,虛擬現實用戶行為分析還有許多問題有待進一步研究與探討,而基于不同用戶行為的虛擬現實實訓系統的智能評分系統和個性化培訓系統也會更加完善。

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