“互聯網+”時代虛擬船舶交互實驗平臺建設與實踐

劉 旸， 郭春雨， 孫 聰， 袁利毫， 高良田， 姚競爭

(哈爾濱工程大學 a. 船舶與海洋工程實驗中心; b. 船舶工程學院， 哈爾濱 150001)

0 引 言

教育部《教育信息化十年發展規劃(2011-2020)》[1]要求：推動信息技術與高等教育深度融合，創新人才培養模式。“互聯網+”時代基于信息技術的全新教學方式、學習方法使學生自主學習環境得以不斷完善，當代學生的學習方式和獲取知識的途徑變得多樣化，促使教育教學正在發生革命性的變革，因此必須拓展思維，系統地思考優質虛擬仿真實驗教學資源建設，為學生創造一個開放、便捷、安全、綠色的實驗環境。

我校是一所以船舶與海洋工程為特色的高校，是我國船舶與海洋工程領域重要的人才培養和科學研究基地，擁有國家級實驗教學示范中心和國家級虛擬仿真實驗中心。虛擬船舶交互實驗平臺是中心深入研究專業課程特點、行業需求整合構建的開放共享實驗核心平臺之一，通過該平臺將虛仿實驗、真實實驗、翻轉課堂教學、船廠實習、科技創新等融為一體，建設了互動共享、開放創新的立體實驗教學模式，力求在更大范圍、更深層次和更廣領域發揮作用。解決了大型裝備型實驗難于開展、高危實驗無法操作、外地實習不易操控，傳統實驗教學無法滿足現代船舶工業技術發展新趨勢，教學手段缺乏改革創新、學生學習興趣不高、優質教學資源匱乏等問題[2]。

1 實驗平臺構建思路與組成

依據船舶與海洋工程領域人才培養需求，瞄準船舶工業智能化發展趨勢，結合船舶與海洋工程學科與專業特色，提出了“一個導向，兩個特色，三個環境，四個階段”的虛擬船舶交互實驗平臺搭建思路，即以學生興趣為導向、以船舶海洋工程為特色、以基于互聯網具有交互功能的開放式在線學習模式為特色[3]，將虛擬現實環境、數字化環境、物理環境三者有機結合起來，配合船舶設計、船舶制造、船舶產品和船舶使用4個研究階段，形成相互銜接的船舶實驗教學體系，構建支撐自主實驗的虛擬和遠程實驗環境，建立了面向自主學習的開放、互動教學支撐平臺(見圖1)，使學生能夠便捷、靈活地獲取優質教學資源，完成高效、低耗、多樣的實驗，實現信息技術與教育教學的深度融合，使信息技術進入教學活動全過程[4-5]。

圖1 “1234”虛擬船舶交互實驗平臺資源體系

1.1 船舶設計階段實驗軟件

(1) 船舶虛擬設計軟件。針對船舶與海洋工程本科階段對船舶初步設計的要求和設計流程，中心自主研發了網絡開放共享軟件——船舶虛擬設計軟件(見圖2)，該系統由船舶總體設計、性能設計和結構設計3個部分組成，包括船型圖紙庫、典型載況重量重心計算和浮態計算、靜水力計算、阻力計算、螺旋槳設計、內河船結構設計、海船結構設計、用戶管理和教師端口等模塊，可并行設計多套船型方案。學生通過互聯網登錄賬號，在船型庫中選擇母型船圖紙，輸入船型主尺度和主要參數，即可得到相應設計結果、過程數據和智能圖表，并提示設計結果是否符合船用規范。該系統主要配合相關專業課程完成船舶設計類實驗和畢業設計的船舶設計類選題，大大縮短了船舶設計過程中數值計算時間，提高了設計效率和準確度。

(2) 船舶三維建模二次開發軟件。船舶三維建模二次開發軟件是在船舶專用設計軟件Tribon基礎上二次開發而來，這是一款由科研項目成果轉化而來應用于實驗教學的三維可視化設計軟件(見圖3)。該軟件由國外引進，國外造船流程和生產習慣不符合我國造船企業習慣，為解決造船工作量大、集成制造效率低、錯誤率高等問題，利用Tribon軟件自帶的Vitesse開發程序，在國內首次完成了舾裝件參數化建模、舾裝件制作圖、舾裝件安裝圖自動出圖和標準部件庫自動導入等功能[6]，基本實現了國外專用造船軟件的本土化，和針對國內不同造船企業的普適性研究。目前國內80%以上的造船企業和船舶設計院所應用該軟件進行數字化造船任務，其二次開發后普遍提升我國船企生產設計效率1倍以上。從2008年開始，中心基于Tribon軟件開設了船舶型線設計和生產設計類實驗課程，建立了專門的培訓教室，對所有畢業生進行輪訓，為多家造船企業和研究所培養了大批技術人員，取得了良好的效果。

圖3 船舶三維建模二次開發軟件

(3) 艦船綜合評估軟件。艦船綜合評估軟件是中心針對現階段我國艦船設計方法與評估需求自主研發的艦船多專家多方法綜合效能與風險的評估軟件(見圖4)，也是科研項目轉化而來應用于實驗教學的數值計算軟件。軟件包括專家管理、評估體系、效能評估、風險評估4個模塊，支持線性和非線性2種評估模式。根據實驗條件和目標要求，同一指標體系中可單獨或聯合應用專家評價法、公式賦權法、AHP法、效能函數法、標度法、模糊評價法等多種方法完成對多個方案及各指標要素優劣的評價和分析。針對評價結果分析，開發了敏感性和耦合性分析功能。敏感性分析著重反映方案效能對不同指標權重變化的響應情況，耦合性分析著重反映指標、評估方案的耦合關聯程度，對非線性評估意義重大[7]。該軟件配合船舶虛擬設計系統和船舶三維建模二次開發軟件，對初步設計階段和生產設計階段，以及對完工船舶產品進行多專家多任務的評價實驗，學生可對自行設計多個船型方案進行評價比較，并逐漸優化設計方案。

圖4 艦船綜合評估軟件

1.2 船舶制造階段實驗軟件

虛擬船廠交互仿真軟件是基于互聯網開發的多用戶參與體驗、學習、考評的交互式在線開放共享軟件。軟件設計了船塢、碼頭、各類車間和場地共24個場景(見圖5)，擁有廠房、設備、車輛模型近萬個。內置了與三維場景配合語音教學和考核評價系統[8]。軟件分為教師端和學生端，教師通過服務器完成實驗預設、學生用戶和成績管理。學生通過網絡使用賬號登錄軟件，完成漫游、自主學習、自我考評等環節。

虛擬船廠交互仿真實驗是船舶與海洋工程專業本科生必修的專業實踐之一，實驗開設目的是為學生建立開放式實驗教學環境，使學生通過互聯網實現虛擬船廠交互實驗資源的完全共享，在三維場景中自由體驗和探索，實現人機互動，深入了解現代化船舶制造企業全貌、布局與區域功能、制造資源用途、船舶制造生產線、建造流程與方法等知識點，并且學生能夠自行檢驗學習效果，不受時間、空間和實驗條件限制，可完成遠程實驗，實現教學資源的最大化。虛擬船廠交互仿真實驗作為課堂教學和船廠實習的輔助和補充資源，提供一種針對大型裝備、危險實驗的全新實驗教學和考核模式，同時提高了學生的學習興趣[9-10]。

圖5 虛擬船廠交互仿真實驗部分實驗場景

1.3 船舶產品階段實驗系統

(1) 虛擬船舶交互仿真系統。虛擬船舶交互仿真系統是中心為了提高船舶與海洋工程專業學生對船舶產品的深入了解和三維總布置設計能力，而自主研發的一套網絡開放共享虛擬仿真實驗系統，包括虛擬船舶交互仿真軟件、虛擬頭盔、虛擬手套、萬向跑步機、錄像和攝像設備、服務器和顯示器。虛擬船舶交互仿真軟件采用教學案例船57 000 t散貨船為實驗對象(見圖6)，基于沉浸式虛擬現實設備的高端產品HTC Vive頭盔和Omni萬向跑步機研發，實驗學生通過虛擬頭盔和手套與虛擬世界完成交互操作，通過萬向跑步機在虛擬船舶上任意活動，大大增強了實驗學生的感官體驗和學習興趣[11]。通過虛實環境融合設備將學生物理形象與虛擬場景融合，學生整個實驗過程和結果在顯示終端實時顯示出來，方便實驗教師觀察和指導實驗過程，評判實驗效果(見圖7)。該軟件包括上層建筑虛擬艙室、艙面設備虛擬操作、救生設備虛擬操作、消防設備虛擬操作、IMO安全標志學習、總布置設計、船體結構學習等模塊。

圖6 虛擬船舶交互仿真軟件部分場景

圖7 實驗環境與實驗過程指導

(2) 虛擬船舶三維校審系統。虛擬船舶三維校審系統是中心為師生提供船舶產品驗證平臺而組建的一套網絡開放共享的虛擬仿真實驗系統，包括虛擬船舶三維校審軟件、專業模型庫、虛擬頭盔和手柄、服務器和顯示器。中心在引進虛擬船舶三維校審軟件的基礎上，開發了包含各類船型的船型庫、各類分(總)段和零部件的中間產品庫、以及各類船用設備的設備庫組成的專業模型庫。

虛擬船舶三維校審系統的模型快速瀏覽功能，能夠兼容多種格式原始模型的目錄結構和屬性，并能夠對模型進行透明、隱藏、變色、局部剖切、全局剖切、測量等操作，方便學生和教師觀察(見圖8)。應用該系統模型三維校審功能，教師可在三維場景中直接使用云線批注和注釋學生設計作品，系統自動生成Excel審查意見表供學生查詢修改作品(見圖9)。系統基于人機工程學的人因視檢(Ergonomic)功能，也稱人因工程(Human Factors Engineering，HFE)，采用美國船級社(ABS)標準，固化了人體作業時常用的28種姿態，通過模擬實際操作，找出設計產品錯誤點和優化點，提高產品設計的合理性和舒適性，從而指導學生設計完成更加符合人機工程學的船舶產品。虛擬船舶三維校審系統支持沉浸式虛擬現實和非沉浸式虛擬現實兩種模式，前者支持高端虛擬現實設備HTC Vive頭盔和手柄，后者支持多人異地協同校審，即通過互聯網完成開放共享實驗。

圖8 模型瀏覽與人因視檢案例

1.4 船舶使用階段實驗系統

中心經過10余年對艦船駕控模擬技術和裝置的不斷研發與升級改造，到目前為止已設計完成了多套水面艦船和水下潛器的艦船駕控模擬系統(見圖10)，能夠支持各類水面艦艇(如驅逐艦、補給艦、巡邏艇、氣墊船等)、工程船(鋪管船、駁船、拖船等)、貨船(散貨船、油船等)、遙控無人潛水器等在正常、惡劣天氣和應急條件下模擬駕駛以及工作過程模擬，并能夠對多人協作操船團隊和個人駕駛水平和施工過程合理性進行綜合評分和評價[12-16]。艦船駕控模擬系統主要包括艦船駕控仿真軟件(教師端、學生端)、艦船駕控臺、六自由度運動平臺(氣墊船模擬使用)、投影幕(環形幕、平幕)、圖形發生器、邊緣融合器、投影儀、服務器和顯示器，以及其他輔助設施。實驗前，由教師預設實驗科目、實驗場景、選擇本船和他船，確定各船只所處狀態，設定航行時間、天氣，初始化海況等，學生在模擬器前獨立或配合完成相應實驗科目的操作。艦船駕控模擬系統是由一系列科研成果轉化而來的實驗系統，通過該系統學生可以了解艦船操縱的相關知識和方法，研究艦船水動力性能、操縱性與耐波性原理，通過實際操縱艦船航行和施工過程，提高艦船設計能力。

圖10 各類艦船駕控模擬系統

1.5 其他通用商業軟件及配套設施

除表1自主研發和二次開發軟件系統外，中心還配套了AutoCAD、CADDS、Maxsurf、Ansys、Fluent、Ug、ProE、CFX、Rhino、Catia、Delmia、ARIS、3Dmax、Creator、Vega Prime等商業軟件，虛擬現實全景攝像機、水下高速攝像機、New glass教學廣播系統等，輔助完成船舶虛擬設計與仿真實驗教學需求。虛擬仿真實驗教學中心網站擁有千兆網絡，聯接校園網與互聯網，是中心所有實驗教學平臺對外信息、實驗、資源共享的門戶網站。

表1 平臺軟件系統一覽表

2 建設成效

2.1 開設實驗課程

虛擬船舶交互實驗平臺作為船舶與海洋工程專業國家實驗教學示范中心的核心開放共享實驗平臺，目前能夠開設40多項實驗，配合30多門課程完成教學和實踐內容，輔助船舶與海洋工程專業1/3以上的主干課程，取得了良好的教學效果。

2.2 實驗教學案例

在實驗教學中，積極關注科研與教學、理論與實驗、虛擬仿真與真實實驗、教學與工程實踐、課內教學與翻轉課堂教學、考核方式與培養目標的結合，考核方式注重過程性考核、考核形式多樣化[17]，培養學生的綜合科學素質和創新精神[18]。

(1) 教學案例1。學生畢業設計課題選擇的是“基于斧式船艏的超級游艇總體設計”，該型船舶是“船舶造型與美學”翻轉課堂中學生在教師的指導下完成的創新作品，已經完成基本的造型設計和總布置設計，并獲得了當年的“海星杯”中國大學生游艇設計大賽一等獎[19](見圖11)，在畢業設計中繼續深化和優化該游艇設計。

將該游艇作為母型船，按一定步長設計幾組與母型船主尺度和主要參數相近的參數，輸入船舶虛擬設計軟件，完成性能計算，得到多組新船主要設計要素和圖表。將母型船設計參數和新船設計參數整理后輸入艦船綜合評估軟件，判斷主尺度變化對游艇性能的影響，優選出符合設計任務要求且性能最佳的船舶設計參數。游艇總布置設計通過虛擬仿真外設進入虛擬船舶交互仿真系統學習和體驗，了解各類艙室的綜合設計方法和要求、設備設施的布置，進一步按照優化的游艇設計參數改進和細化總布置設計圖紙。在船舶虛擬設計軟件結構設計模塊中，完成船舶各類結構件的設計。應用船舶三維建模二次開發軟件或其他三維建模軟件建立新船結構模型，導入到虛擬船舶三維校審系統進行人機工程分析，優化不合理設計，完成畢業設計。同時可使用艦船駕控模擬系統，選定游艇船型并按設計船初始化“本船”設計參數，體驗設計船性能。應用3D打印設備，打印制作該游艇的分層展示模型，在畢業設計答辯會上，與PPT一起輔助展示畢業設計內容、方法和作品。

圖11 “秩序號”游艇

(2) 教學案例2。在學習計算機輔助船舶設計與制造課程時，在課堂上教師講解船舶制造的中間產品——分段生產設計相關知識，包括零部件的加工方法和加工工序設計(CAPP)，零部件裝配方法和順序，零部件焊接方法，分段及其零部件的編碼原則，分段鐵舾、管舾、電裝設計與裝配，分段建造圖紙設計，零部件套料，分段吊裝方案等知識點。同時，教師使用3D打印設備將分段零件制作成裝配縮微模型教具，指導學生動手完成分段裝配實驗。如圖12所示，教師正在指導學生按裝配順序組裝雙層底平面分段。課后學生登錄開放共享軟件——虛擬船廠交互仿真軟件，在三維虛擬場景下學習船廠制造分段的車間布局、制造設備、制造流程、分段類型、分段裝配流程并回答問題，軟件自動評分。隨后，教師指導學生使用船舶三維建模二次開發軟件完成船舶某分段的三維建模、編碼、生產信息、裝配順序和相應圖紙繪制等實驗內容。再將完成的分段生產設計模型導入到虛擬船舶三維校審系統進行瀏覽，逐一審查每個構件的生產信息是否正確，并進行人因視檢，判別結構設計合理性，完成后提交作業。教師應用虛擬船舶三維校審系統對學生作業進行審核，使用三維校審功能對模型錯誤之處進行標注，并提出解決方案。學生根據教師意見修改模型，最終完成分段生產設計實驗[20]。此外，再配合船廠實地實習，為學生提供多角度的教學方式和教學環境。課程考核方式由原來的單一試卷，改為融合課堂練習、虛擬船廠交互仿真軟件答題、應用船舶三維建模二次開發軟件完成生產設計實驗、船廠實習等多項成績綜合評價。

圖12 分段裝配課堂訓練

2.3 教學實踐成果

中心教師已編寫教材10部，其中3部入選“十二五”國家重點圖書出版規劃項目，獲省部級教學成果獎8項，校級教學成果獎6項，承擔省部級教改項目4項，獲批國家級網絡視頻公開課2門，發表教學論文11篇。2009年以來，指導學生參加國家級科創比賽2 000余人次，900余人次獲獎，指導學生獲國家級科研立項80余項、校級科研立項500余項，指導學生科技創新獲國家級獎項180余項。在船舶與海洋工程領域內高層次、規模與覆蓋面大的全國海洋航行器設計與制作大賽上，中心學生連續3年獲獎數量全國第一。中心獲得工信部先鋒集體，校教育教學優秀獎集體。加拿大紐芬蘭紀念大學、英國南安普頓大學、美國加州伯克利分校、武漢理工大學、海南大學、大連海事大學、寧波大學、山東交通學院、廣東海洋大學等國內外高校數百名教師分別來我中心訪問交流，在船舶與海洋工程實驗實踐教學領域起到了良好示范和引領作用。在行業企業和研究院所起到了良好的示范輻射作用，同時為企業輸送了大批既有高科技知識又具備工程實踐能力的畢業生，受到合作單位的一致好評。

3 實驗教學特色

3.1 新技術和新媒介引入實驗教學

將虛擬現實技術、網絡技術、先進教學方法引入到虛擬仿真實驗教學中來，為師生創建了可完全共享的開放式實驗教學資源，探索一種新型的實驗教學模式和考核模式。對傳統的實驗教學理念、模式、內容、方法及手段進行改革。對學生來說，在虛擬實驗上可以直觀而準確的觀察、學習專業上復雜的結構、原理和功能，比課堂教學更加直觀和生動。而且學習方式自由、學習時間自主，更有利于安排學習計劃。

3.2 更新教育信息化意識和觀念

虛擬船舶交互實驗平臺采用多種仿真教學手段，將學習游戲化、趣味化。實現以知識傳授為主向能力素質培養為主的教學模式轉變，以傳統的教師為中心向以學生為中心的學習方式轉變。提高人才培養質量，培養企業和科研院所需求的工程人員，和具備創新能力的符合型人才，提高教育投入產出的綜合效益，促進實驗教學示范中心輻射、示范和引領作用的發揮。

3.3 四位一體，互為補充

在實踐教學中，中心在重視虛擬仿真實驗教學的同時，盡可能地讓學生接觸實際，將網絡交互虛擬仿真實驗、翻轉課堂教學、船廠實地學習、學生科技創新四位一體相結合，為學生提供安全、方便、經濟、實用的綠色實驗項目。

4 結 語

中心依托船舶與海洋國家重點學科優勢，整合信息化實驗教學資源，構建了基于互聯網信息技術的虛擬船舶交互實驗平臺，開辟了船舶與海洋工程專業實驗教學新模式，為船舶與海洋工程領域培養了大批一流工程師、行業領軍人才和科學家。在后續建設中逐漸完善平臺軟件的功能，加大開展校際合作、校企合作等項目，開發更豐富的虛擬實驗教學資源。