船舶導航設備虛擬仿真實驗教學平臺設計與開發

楊 曉，廉靜靜，任鴻翔，于佳佳

（大連海事大學航海學院，遼寧大連 116026）

0 引言

高素質航海人才的培養是適應海洋強國、交通強國建設的必然要求，打造高素質航海人才梯隊才能保障交通強國和海洋強國戰略有力推進實施。這就要求各航海類院校在教學中必須不斷提升理論教學水平，夯實航海人才的實際動手能力，為我國培養理論豐富、實踐能力強的高素質航海人才。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實驗項目的教學和培訓。為主動履行STCW 2010 國際公約，我國國家海事局也制定了相關的評估規范及培訓大綱［2-3］。利用實船開展船舶綜合駕駛臺系統及船舶導航設備實驗教學存在很大的風險，一旦發生海事，將對船舶、人命、環境造成無法估量的危害和破壞。在實驗室利用真設備開展實驗教學存在設備投入巨大、頻繁操作導致設備損壞、設備無法呈現海上數據等問題，不利于各個層次學生的實驗教學開展。自2017 年起，教育部連續頒布多個文件［4-7］提出將現代信息技術融入實驗教學課程中，提高學生的實踐能力和創新能力，探索課程線上／線下混合式的智能化、個性化的實驗教學模式，從而引導激發學生信息探究式、自主式和個性化學習。近年來，不少高校根據自身教學科研的發展需求開發了相關虛擬仿真項目并建立了實驗室［8-12］。航海教育十分重視學生實踐能力的培訓，航海類專業的實驗實訓是受國際公約規范的必需環節，由于海上船舶工作環境的特殊性，航海類專業的實驗實訓項目涉及高危或極端的環境、不可逆的操作、高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況，通過構建高仿真度的虛擬實驗環境和實驗對象為主的實驗教學方式是航海教育與培訓的必然趨勢。基于此，依托我校航海實驗實訓教學中心配備的航海儀器設備，開發了船舶導航設備虛擬仿真實驗教學平臺。

船舶導航設備虛擬仿真實驗教學平臺集成了船舶羅經設備、船舶導航雷達、衛星導航儀等多種重要的船舶導航設備。目前，針對船舶導航設備的實驗教學，各高校多采用真設備為主的教學方式。由于實訓過程中需要頻繁操作設備，很容易導致真設備損壞，且實驗室缺乏海上航行真實環境和實時數據，實訓效果一般，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，我校建設了國內首個虛實結合的航海儀器專用實驗室，在實驗教學中采用了自主研發的船舶導航設備虛擬仿真實驗教學平臺［13-16］。實驗教學過程中，教師以真設備為切入點進行講解，之后學生在虛擬仿真實驗教學平臺上進行設備的操作訓練，訓練中可針對仿真設備進行虛擬拆裝和交互。該虛擬仿真實驗教學平臺有效地解決了真設備數量不足和易損壞的問題，較大地提高了學生參與實驗教學的積極性和主動性，取得了良好的教學效果。

1 平臺架構

船舶導航設備虛擬仿真實驗教學平臺的實現以計算機仿真技術、網絡管理技術和多媒體技術為基礎，其平臺架構可分為數據層、支持層、服務層、仿真層和應用層5 個部分，如圖1 所示。每一層都為其上層提供服務，直到完成虛擬實驗教學平臺環境的構建。

圖1 仿真實驗教學平臺整體架構

（1）數據層。數據層主要實現相關數據的存放和管理，設置了虛擬實驗的用戶信息、課程庫、典型實驗、規則庫、標準答案和實驗數據等數據。

（2）支持層。支持層是整個船舶導航設備虛擬仿真實驗教學平臺的核心框架，負責整個基礎系統的運行，維護和管理，支持層主要實現了六大功能，其中支持層的安全管理功能實現了身份認證、訪問控制等，服務容器包括服務監控和服務通知等。

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

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

（5）應用層。應用層包括船舶駕駛臺全景漫游、船舶陀螺羅經操作、船舶磁羅經操作等，可根據教學需求，利用服務層提供的各種輔助服務和仿真層提供的三維模型和虛擬交互，設計各種需要的實驗實例，面向學校和公眾開展實驗教學。

2 虛擬仿真實驗教學平臺設計

船舶導航設備虛擬仿真實驗教學平臺設計從航海類實訓實踐需求出發，通過構建高仿真度的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的認知與實驗教學效果。該虛擬仿真實驗教學平臺構建了船舶全景漫游、船舶陀螺羅經操作、衛星導航儀操作、自動識別系統操作、回聲測深儀操作、船用計程儀操作、船舶磁羅經操作等7 部分實驗教學內容。通過三維建模、繪制及渲染、紋理處理等技術，搭建逼真的駕駛臺場景。通過建立船舶運動數學模型，能夠精確地反映出船舶姿態的變化，提高虛擬環境中船舶的行為真實感。當船舶導航設備參數發生變化時，可逼真地還原真實設備的參數變化，提升了場景的環境真實感，圖2 所示為虛擬仿真實驗教學平臺層次結構圖。

圖2 船舶導航設備虛擬仿真實驗教學平臺層次結構圖

整個平臺的開發訓練需要學生能夠熟悉掌握以下內容：船舶導航雷達、陀螺羅經、磁羅經、衛星導航儀、自動識別系統、回聲測深儀、多普勒計程儀等船舶導航設備，掌握船舶綜合駕駛臺系統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速表和計程儀的數據變化以及操作舵輪后舵角指示器和航向分羅經的數據變化，觀察船舶控制設備操作及參數變化；能夠熟悉掌握陀螺羅經的系統構成及各分設備的作用，能夠熟練拆裝主羅經，查看陀螺球狀態和更換支撐液體，熟悉掌握陀螺羅經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的構成及各自差校正器的作用及調整，熟悉掌握船舶磁羅經半周期檢測、靈敏度檢測、氣泡消除等設備維護過程。

3 虛擬仿真實驗教學平臺開發

船舶導航設備虛擬仿真實驗教學平臺從知識傳授、航海實踐和創新能力培養出發，創新性地構建了船舶全景漫游、船舶陀螺羅經操作、衛星導航儀操作、自動識別系統操作、回聲測深儀操作、船用計程儀操作、船舶磁羅經操作等7 部分實驗，使學生在熟悉船舶綜合駕駛臺配置的基礎上，熟練掌握船舶導航設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、船舶陀螺羅經及磁羅經為例對開發內容進行介紹。

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進行場景搭建和設備建模，集成了船舶導航雷達、陀螺羅經、磁羅經、衛星導航儀、自動識別系統、回聲測深儀、多普勒計程儀、駕駛臺值班報警系統等多種航海儀器設備，以及控制航向航速的車舵設備。圖3 為三維虛擬船舶駕駛臺，在船舶駕駛臺三維場景中，可以漫游到任何導航設備并對其進行操作訓練。

圖3 三維虛擬船舶駕駛臺

3.2 船舶陀螺羅經操作

船舶陀螺羅經系統集成了主羅經、方位分羅經、操舵分羅經、航向分羅經等子設備。若需要查看船舶陀螺羅經主羅經時，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，然后點擊主羅經柜體上的螺絲，將主羅經的柜門螺絲拆除，拆除隨動球上部的螺絲，可查看其內部結構，圖4 為陀螺羅經主羅經的內部結構仿真。

圖4 陀螺羅經主羅經內部結構仿真

3.3 船舶磁羅經操作

船舶磁羅經設備集成了羅盆、羅經柜、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。當在三維虛擬船舶綜合駕駛臺內漫游時，漫游至羅經甲板，可查看船舶艏向設備磁羅經在甲板上的安裝情況，點擊磁羅經的羅經帽時，拆除羅經帽露出羅盆；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容，圖5 所示為磁羅經氣泡消除過程仿真。

圖5 磁羅經氣泡消除過程仿真

4 虛擬仿真教學平臺應用

基于該船舶導航設備虛擬仿真教學平臺，實驗教學模式由教師主導講解、課堂輔導訓練、課余自主訓練3 個環節構成。3 個環節相輔相成，共同促進學生對航海儀器的理解和熟練操作。第1 環節，在實驗課堂上，教師以真設備為切入點進行講解，使得學生能直觀地接觸到真設備，了解真設備的構成及主要操作。由于真設備的數量限制以及頻繁的操作易導致設備損壞的問題，因此以老師講解為主，學生操作為輔。該環節是講解引導環節，對學生消除設備的陌生感及對設備的初步理解非常關鍵，該環節約占實驗課堂總時長的1／3。第2 環節，在實驗課堂上，為每位學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。教師在虛擬駕駛臺軟件中漫游，輔導學生認識船舶駕駛臺及航海儀器在駕駛臺的配置情況。然后將控制權交給每位學生，學生在虛擬駕駛臺中打開仿真設備及對應的說明書，根據第1 環節中老師的講解情況操作仿真設備，教師在教練臺監控學生的操作情況。發現學生共同的操作問題后，教師再次投屏，演示仿真設備的操作。在本環節中，教師也可適當增加與學生的互動，設置小小的測試環節，也可讓操作存在問題的學生獲得屏幕控制權，演示給所有的學生觀看，然后其他學生查找問題。該環節以學生訓練為主，教師輔導為輔，保證學生在教師的輔導下有足夠的訓練時長，對學生熟練操作設備極其關鍵，該環節會占用實驗課堂的剩余時長。第3 環節，離開實驗課堂后，學生可線上利用手機或IPAD等移動端設備下載航海儀器仿真設備，在課余時間鞏固實驗課堂上的學習內容，在航海儀器設備使用評估前達到熟練使用設備的目標。該環節不限時間和地點，具有很強的適應性，圖6 所示為運行于移動端的船舶自動識別系統仿真設備。

圖6 移動端船舶自動識別系統仿真設備

5 結語

基于我校航海實驗實訓教學中心配備的航海儀器設備，設計開發了船舶導航設備虛擬仿真實驗教學平臺，實現了船舶導航設備虛擬拆裝和交互。這種教學模式的引入，能夠很好地解決設備數量不足以及頻繁操作易導致設備損壞的問題。同時仿真實驗教學平臺的應用較大程度提升學生的學習興趣，保證學生操作使用設備的熟練程度，調動學生參與實驗教學的積極性和主動性，加深學生對船舶導航設備內部結構的理解。移動端仿真設備的開發也拓展了學生學習的空間和時間，提高了學習效果。