船海虛擬仿真國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)淺談

孫 聰， 郭春雨， 馮 峰， 曲先強(qiáng)

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院船舶與海洋工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，哈爾濱 150001)

0 引 言

在信息化技術(shù)不斷發(fā)展和深入的今天，教育信息化越來(lái)越受到國(guó)家的重視。《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》[1]指出，“信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”；國(guó)家發(fā)改委、工信部等部門(mén)在“寬帶中國(guó)2013年專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃”“信息惠民工程”等一系列國(guó)家重大工程中，都把教育信息化列為重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容；教育部《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》[2]《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)[3]中均提出要加強(qiáng)信息化資源共享平臺(tái)建設(shè)，推動(dòng)信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作順應(yīng)了高等教育的發(fā)展趨勢(shì)[4]，是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化的最新舉措，也是我國(guó)高等教育質(zhì)量提高的必然手段[5]。

船海虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心[6]2015年獲批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。中心以“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”為指導(dǎo)思想，在原有教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步組織開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)，取得了顯著的成效。

1 建設(shè)背景

1.1 凸顯船舶與海洋工程專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和行業(yè)特色

船舶與海洋工程類(lèi)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)具有其特殊性，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨以下難題[7]：實(shí)驗(yàn)室的大型設(shè)備與特種設(shè)備多，船模拖曳水池、循環(huán)水槽以及結(jié)構(gòu)多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)等大型試驗(yàn)設(shè)備操作復(fù)雜且具有單一性，設(shè)備運(yùn)行消耗的能源大，開(kāi)展多班次大批量的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)極為不便；學(xué)校地處哈爾濱，遠(yuǎn)離船廠以及船舶設(shè)計(jì)單位，學(xué)生無(wú)法親自了解船舶設(shè)計(jì)與生產(chǎn)流程，專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)又面臨著耗費(fèi)資金大、外出時(shí)間長(zhǎng)、組織協(xié)調(diào)困難、存在不安全因素等難題，實(shí)習(xí)效果較差。因此，構(gòu)建高度虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境來(lái)解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)法開(kāi)展和具有高危險(xiǎn)性、大型、綜合的復(fù)雜系統(tǒng)以彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的不足，已經(jīng)成為船舶與海洋工程專(zhuān)業(yè)人才工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的必然要求。

1.2 緊跟船舶工業(yè)智能化發(fā)展

船舶工業(yè)正在向以智能制造、使用和管理為核心的工業(yè)4.0浪潮逐步邁進(jìn)[8]，智能化船舶已是船舶工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)不能反映現(xiàn)代船舶工業(yè)技術(shù)發(fā)展的最新趨勢(shì)。因此，開(kāi)展船舶與海洋工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)，將最新的科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，緊跟船舶工業(yè)智能化發(fā)展趨勢(shì)[9-10]，將虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心發(fā)展的必然選擇。

2 虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)

2.1 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)交互式虛擬船廠仿真教學(xué)與考核平臺(tái)

船廠實(shí)習(xí)屬于大型、綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，耗費(fèi)資金大、組織協(xié)調(diào)困難、存在不安全因素等問(wèn)題，交互式網(wǎng)絡(luò)虛擬船廠仿真系統(tǒng)使船廠近在咫尺，按照學(xué)生需要選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和親身參與，并與虛擬軟件形成互動(dòng)。交互式網(wǎng)絡(luò)虛擬船廠學(xué)習(xí)系統(tǒng)作為學(xué)生“第二學(xué)習(xí)”課堂，貫穿于學(xué)生教學(xué)環(huán)節(jié)的全過(guò)程，結(jié)合專(zhuān)業(yè)課程的推進(jìn)，隨時(shí)走入“船廠”實(shí)習(xí)。特別是在學(xué)生進(jìn)船廠實(shí)地實(shí)習(xí)前集中進(jìn)行學(xué)習(xí)，在對(duì)船舶企業(yè)有了一定了解后再進(jìn)入到船廠對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)重點(diǎn)學(xué)習(xí)，使其成為學(xué)生從校園教學(xué)到船舶制造企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的過(guò)度和銜接，在有限的時(shí)間內(nèi)向?qū)W生傳授更多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技巧。事實(shí)上，由于現(xiàn)代化船舶制造工序多、分工細(xì)，即使是身為船廠員工，也難以熟知船廠各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，而虛擬船廠軟件則以船廠漫游的表現(xiàn)形式還原并展示船廠的全貌，輕松學(xué)習(xí)船廠的生產(chǎn)過(guò)程，確保人人得到學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)見(jiàn)圖1～3。該軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用多年，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生對(duì)船廠有了身臨其境的體驗(yàn)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)效果。

圖1 車(chē)間內(nèi)漫游

圖2 分段舾裝場(chǎng)地

圖3 總組裝平臺(tái)

2.2 虛擬散貨船仿真教學(xué)系統(tǒng)

船舶工程屬于大型機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，由于實(shí)船建造成本高和占地空間大等原因，很難將整條船搬到教學(xué)課堂和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。學(xué)生在整個(gè)大學(xué)學(xué)習(xí)期間，包括大二、大四2次船廠實(shí)習(xí)，由于受船舶企業(yè)服務(wù)能力限制和出于安全因素考慮，不僅實(shí)習(xí)時(shí)間有限，而且沒(méi)有機(jī)會(huì)登上在建或完工船舶進(jìn)行參觀和學(xué)習(xí)，這不僅是一種遺憾，也使船舶工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生缺少了全面、細(xì)致、直觀認(rèn)識(shí)和了解船舶這一復(fù)雜產(chǎn)品的機(jī)會(huì)。散貨船是我國(guó)三大出口船型之一，是最常見(jiàn)和使用的船舶類(lèi)型，同時(shí)也是船舶工程專(zhuān)業(yè)本科生教學(xué)常用船型，具有典型性。

虛擬散貨船仿真教學(xué)系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的多用戶(hù)參與體驗(yàn)、學(xué)習(xí)、考評(píng)的虛擬仿真軟件?？瑟?dú)立用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)也可以?huà)炜吭谔摂M船廠仿真平臺(tái)上，重點(diǎn)教學(xué)上層建筑總布置及艙室綜合設(shè)計(jì)、甲板布置及設(shè)備、推進(jìn)和操縱設(shè)備等內(nèi)容，這些內(nèi)容是在船廠實(shí)習(xí)時(shí)較少能了解到，在課堂教學(xué)中較難以形成直觀認(rèn)識(shí)。該軟件分為教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶妥灾鲗?shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K通過(guò)語(yǔ)音教學(xué)、觸發(fā)連接、引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)(增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí))、漫游仿真、虛擬測(cè)試等方法引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，自主實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生獨(dú)立完成甲舾、防火救生設(shè)施布置、IMO標(biāo)志識(shí)別、逃生、設(shè)備使用等實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)考核系統(tǒng)將成績(jī)統(tǒng)計(jì)完成供教師評(píng)定。系統(tǒng)解決了大型裝備型實(shí)驗(yàn)難于開(kāi)展、高危實(shí)驗(yàn)無(wú)法操作、課程綜合實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題。其趣味性、沉浸感滿(mǎn)足學(xué)生學(xué)習(xí)需要，虛擬總布置設(shè)計(jì)、誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、虛擬操作、立體導(dǎo)航等視覺(jué)和環(huán)境特效的優(yōu)點(diǎn)不僅能吸引學(xué)生的興趣和注意力，還增強(qiáng)了船舶空間概念和整體布局設(shè)計(jì)的能力，達(dá)到實(shí)船學(xué)習(xí)無(wú)法比擬的效果。

圖4 碼頭

圖5 駕駛室

2.3 半潛平臺(tái)動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)

半潛平臺(tái)動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)是基于中心“深海半潛式鉆井平臺(tái)工程開(kāi)發(fā)”科研項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的一個(gè)包括HP圖形工作站、SGI圖形工作站OCATANII和開(kāi)發(fā)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，并利用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和串行通訊技術(shù)構(gòu)成的分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)以HP xw6000圖形工作站和SGI圖形工作站OCATN II為仿真中心，利用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和串行通訊技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水面艇的視景仿真、水動(dòng)力計(jì)算和風(fēng)、浪、流等外力的仿真。

系統(tǒng)可以支持作業(yè)和待機(jī)兩種工況下的風(fēng)、浪、流仿真和水動(dòng)力仿真。學(xué)生可以通過(guò)仿真系統(tǒng)單機(jī)運(yùn)行觀看演示效果，也可以同顯控臺(tái)聯(lián)機(jī)運(yùn)行分析水動(dòng)力特性和外力作用特性。在仿真系統(tǒng)中可單項(xiàng)加載風(fēng)、浪、流作用力，也可同時(shí)加載所有外力，以輔助完成各種情況的水動(dòng)力特性分析，仿真系統(tǒng)的運(yùn)行界面及操控臺(tái)如圖6、7所示。目前系統(tǒng)被應(yīng)用于浮式結(jié)構(gòu)定位系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程中。

圖6 半潛式平臺(tái)仿真系統(tǒng)界面

圖7 半潛式平臺(tái)仿真系統(tǒng)操控臺(tái)

3 建設(shè)成效

3.1 數(shù)字化虛仿資源凸顯船海行業(yè)特色

中心秉承船海特色，集成我院教學(xué)資源和科研成果，致力于開(kāi)發(fā)凸顯船海特色的虛擬仿真系統(tǒng)，構(gòu)建國(guó)內(nèi)一流的船海虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，服務(wù)于“三海一核”領(lǐng)域人才培養(yǎng)和科學(xué)研究。如某海工船作業(yè)半物理虛擬仿真系統(tǒng)，模擬海工船作業(yè)全過(guò)程(如圖8所示)；通過(guò)虛擬仿真技術(shù)為某水深鋪管起重船開(kāi)發(fā)了一套海上起重、鋪管作業(yè)半物理仿真模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工程過(guò)程預(yù)演、工藝推敲(如圖9所示)；以上虛擬仿真資源均凸顯了鮮明的船海行業(yè)特色。

3.2 科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真資主要體現(xiàn)在硬條件和軟條件兩個(gè)方面。硬條件轉(zhuǎn)化一是為滿(mǎn)足科研條件，以科研經(jīng)費(fèi)改造網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以共享；二是科研樣機(jī)轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)中心的固定資產(chǎn)。軟條件轉(zhuǎn)化則體現(xiàn)在科研資料、科研經(jīng)驗(yàn)、科研成果融入虛擬仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)創(chuàng)作中[11-13]。例如，艦船操控模擬系統(tǒng)是以科研項(xiàng)目為牽引開(kāi)發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛仿軟件，艦船操控模擬系統(tǒng)的樣機(jī)在學(xué)校船舶博物館中展出，已應(yīng)用于船舶操控實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科普教育中，現(xiàn)在已逐步形成模擬操控、模擬作業(yè)等多個(gè)型號(hào)，在國(guó)內(nèi)享有盛譽(yù)。網(wǎng)絡(luò)交互式虛擬船廠仿真系統(tǒng)是基于現(xiàn)代船舶制造企業(yè)模式建立的數(shù)字化船廠，它是在科研軟件數(shù)字化船廠仿真系統(tǒng)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理在船廠的應(yīng)用的基礎(chǔ)上面向虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，已在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和預(yù)備實(shí)習(xí)課程中應(yīng)用。先進(jìn)的科研設(shè)施和創(chuàng)新的研究成果應(yīng)用于教學(xué)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中可以接觸到先進(jìn)的設(shè)備、技術(shù)、方法和研究成果[14-16]，有助于開(kāi)拓視野，提升知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。

圖8 某海工船作業(yè)半物理虛擬仿真系統(tǒng)

圖9 深水起重鋪管船模擬器

3.3 校企合作，助力虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心發(fā)展

船海虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心與國(guó)內(nèi)船舶與海洋工程領(lǐng)域的研究院所、船企和高校建立了廣泛的合作關(guān)系，通過(guò)不同方式和不同內(nèi)容的合作，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的發(fā)展提供了有力的支持。中心每年都派出實(shí)驗(yàn)教師到船企參觀學(xué)習(xí)，通過(guò)實(shí)地考察，全面了解船企的人才需求、崗前培訓(xùn)和技能培訓(xùn)的特點(diǎn)和要求，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)提供指導(dǎo)；在船企拍攝的大量照片為開(kāi)發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)和設(shè)備的虛擬教學(xué)系統(tǒng)提供了豐富的素材。

自2008年至今，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為上海江南造船廠、中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司等提供軟件培訓(xùn)，累計(jì)培訓(xùn)1 500人次；為山海關(guān)船舶重工有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)虛擬船廠仿真系統(tǒng)，用于船廠實(shí)踐培訓(xùn)；為沈陽(yáng)軍區(qū)聯(lián)勤部開(kāi)發(fā)艦船操控模擬模型，用于實(shí)船駕控模擬訓(xùn)練；為中船工業(yè)第七〇八研究所開(kāi)發(fā)的艦船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞和振動(dòng)虛擬測(cè)試系統(tǒng)，用于艦船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞和振動(dòng)虛擬測(cè)試；通過(guò)合作既創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益又產(chǎn)生了社會(huì)效益，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

船海虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心以全面提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn)，本著虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則，將虛擬仿真技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)在現(xiàn)有教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，根據(jù)高水平專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的要求，不斷開(kāi)發(fā)出新的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，完善和提高現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的技術(shù)水平，為虛擬仿真技術(shù)在船舶與海洋工程領(lǐng)域人才培養(yǎng)中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。