基于VR的船舶通信导航设备实训系统设计与实现

李冰蟾, 毛 波

(1. 江苏海事职业技术学院 电气与自动化工程学院, 江苏 南京 211170；2. 南京财经大学 信息工程学院, 江苏 南京 210023)

1 研究背景

“船舶通信导航设备维护与管理”是船舶电气专业学生的一门必修的专业课程。该课程以船舶电子电气员的工作职责为基础,不但讲授理论知识,而且对船舶通信导航设备的操作、故障诊断、维修保养方面开展实训教学,旨在培养学生对船舶通信导航设备的实操能力[1]。目前,船舶通信导航设备实训课程在以下几方面尚存在待解决的问题[2-3]:

(1) 船舶通信导航设备价格昂贵,不能大量购置；

(2) 设备容易磨损和老化,操作不当容易引起安全问题,设备维护要求高；

(3) 信息化程度较弱,实操方式较为单一,只能开展操作级别的实操训练,不便于进行设备内部故障检修实训,训练项目受到限制；

(4) 学生的实操训练受到时间、空间的限制,实训教学大多“足不出户”,现场教学的机会较少。

为了使船舶通信导航设备实训教学跟上现代信息化技术的发展,提高学生的实操能力,培养满足社会需要的技术人才,“船舶通信导航设备”课程教学亟需在传统实训教学的基础上开展教学改革创新的研究,将虚拟现实(virtual reality,VR)技术应用于实训教学中,使教学效果显著提高[4]。

随着科技的发展,虚拟现实技术在实训教学方面得到了越来越多的应用[5]。VR技术是用先进的硬件与软件技术,设计出用户与场景设备的感知式交互,令人产生身临其境的感受[6-8]。虚拟实训系统综合运用虚拟现实技术,在视觉、听觉、触觉等方面为用户生成一个极为逼真的虚拟环境,能够模拟各种场景。

VR技术不仅能模拟实际设备,还能模拟出实际设备内部的结构。用户借助VR眼镜、VR头盔等,以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互,使用户最大限度地贴近实际操作,提高实操能力和处理实际问题的技能[9-10]。这种创新的实训方式不仅使用户能够模块化地观察设备,更好地应用于复杂设备和危险性系数较高的操作训练,有效地克服实际装备训练受时间和场地限制、训练成本高、易损坏装备等弊端,并且使用户置身于虚拟现实环境中,大大提高了互动性与参与性[11-12]。

基于此,江苏海事职业技术学院开展了VR技术应用于船舶通信导航设备实训教学的研究,提出了一种基于VR技术的实训教学系统方案,通过构建基础模型库,实现教师对实训教学内容的自定义编辑,使该系统能够有效地应用于船舶通信导航设备的实训教学。通过VR技术,学生在逼真的虚拟场景中对船舶通信导航虚拟设备的操作使用与维修过程进行模拟演练。该系统不但能降低实训室建设成本,能避免实训教学受到设备结构、设备运行环境等硬件条件的束缚,并可针对新设备快速更新虚拟实训教学系统。学生在虚拟场景中自由地穿梭于结构零件之中,进行设备的拆分、解构,观察设备的各个细节,实现真正的无死角、无时空限制。

该系统让学生在设备结构、设备使用、设备维修3方面进行交互式VR实训,并能根据用户行为分析给出实操评价,在VR技术的基础上,提供了针对设备实训教学的演示型模板与交互型模板,将传统的教学元素(例如幻灯片的图形和数据)嵌入在虚拟环境中。针对不同学生在实操训练过程中的错误与薄弱环节,系统能智能化地推送相关理论知识与操作演示视频等多媒体资料,进行个性化的实训,比传统的实训教学方式内容更丰富、效果更佳,并能因人而异进行实训,实现了实训教学方式的创新。

2 VR实训系统分析

船舶通信导航设备VR实训教学系统包括VR编辑模块、VR实操训练模块、用户行为分析模块、VR智能推演模块和用户管理模块等功能模块。

2.1 VR编辑模块

VR编辑模块是一个虚拟现实实训课程制作平台。基于此平台,教师能够创建和定制实训教学内容。该模块提供多媒体教学资源接口,通过此接口可自由导入三维模型,并对模型添加图片、文字、声音、视频、三维动画等多媒体教学资源。通过流程编辑模块实现实训流程与实训任务的可视化创建。

通过VR编辑模块,教师或二次开发人员可以使用3D模型和视频图文等多媒体文件创建讲义,实现对不同实训内容的快速开发。VR编辑模块是船舶通信导航设备VR实训教学系统的基础支撑部分,VR实操训练模块、用户行为分析模块以及VR智能推演模块则是在本模块的基础上集成的功能模块。

VR编辑模块的核心包括船舶通信导航设备基础库与故障决策树两部分。其中船舶通信导航设备基础库包括以下3部分。

(1) 船舶通信导航设备及其零部件的三维模型库。通过三维建模技术,将船舶通信导航设备及其零部件按照实训教学要求进行三维建模,并实现零部件的排列组合与基本的配置,支持设备的三维可视化,并实现设备参数的动态显示。例如雷达的屏幕,能显示目标回波图像信息,显示扫描线、距标圈、船首线等基本信息,具有初步的交互三维可视化能力。

(2) 船舶通信导航设备故障分类体系。根据船舶通信导航设备的实际情况,将实训教学涉及的设备故障进行分类建模,并给出相对应的解决方案。对于复杂故障,要进一步细分为多个故障点,并通过故障点的并联或串联等方式实现故障的组合,从而支持复杂故障或多重故障设置。

(3) 船舶通信导航设备故障展示库。结合船舶通信导航设备零部件三维模型与故障分类体系,展示库能够反映故障特征的三维可视化效果,例如天线不转、屏幕不亮、无回波信号等,从而使得学生能够根据显示设备故障的外在表现,判定故障类型及其解决方案。

故障决策树包含以下两个部分。

(1) 设备状态节点。故障决策树的设备状态节点用于显示故障排除过程中,设备的当前状态,主要包括当前设备的基本三维模型及其可视化状态。

(2) 用户行为操作边。用户行为操作边连接相邻两个设备状态节点,是对船舶通信导航设备进行的操作,如断电、启动、重启、电流表测量、电压表测量、更换配件、旁路等。通过这些操作,使通信导航设备从当前设备状态节点进入下一个设备状态节点。

故障决策树的构建是利用船舶通信导航设备基础库(基于船舶通信导航设备故障分类体系,利用船舶通信导航设备故障展示库对故障设备进行建模),设计出设备初始故障状态的三维可视化模型。在初始状态,定义可能的操作,从而可以在不同的操作下进入新的状态,之后分析每一个新的状态并设定当前状态下的操作,从而迭代生成整棵故障决策树。在故障决策树中会有正确的操作与错误的操作,因而学生可能在培训中失败,使得整个培训更加具有灵活性。

一个船舶通信导航设备有多个故障决策树,对应多个不同的故障维修,也可以通过调整故障决策树中状态节点下操作边的个数与混淆度,改变模拟维修过程的难度。

2.2 VR实操训练模块

VR实操训练模块结合学生的交互设备及3D立体显示技术,为学生提供一个与真实环境完全一致的虚拟环境。学生可以在这个具有真实沉浸感与交互性的虚拟环境中,通过人机交互设备和场景里所有物件进行交互,体验实时的物理反馈,进行多种实训操作。该模块在船舶通信导航设备结构、设备使用、设备维修3方面给学生提供交互式VR实操训练。

2.3 用户行为分析模块

用户行为分析模块用来对学生实操行为过程中的提示使用次数、操作时长、实训项目完成度进行分析,判断学生对于相关实训内容的熟悉程度,从而给出智能分析、提供即时评价。该模块的评分比重由教师预设,并能根据实际情况调整加权。

2.4 VR智能推演模块

VR智能推演模块根据对不同学生行为的分析结果,进行个性化的理论知识、实操演示视频等多媒体资料的智能推送,实现个性化的实训教学。

2.5 用户管理模块

用户管理模块包含用户登录、用户注册、密码取回、用户VR数据库编辑、用户删除、用户退出等功能。

3 VR船舶通信导航设备实训教学系统实现

VR船舶通信导航设备实训教学系统硬件组成如图1所示。

图1 VR船舶通信导航设备实训教学系统硬件组成

系统选用HTC vive可视化系统作为仿真系统的主体,利用lighthouse激光追踪系统对15 m范围内的用户行为进行跟踪,并通过无线传输将用户行为数据传给VR主机。用户佩戴的HTC vive头显装置与VR主机无线连接,用于接收并显示VR数据；用户的控制手柄与VR主机无线连接,VR主机进行用户手势识别。

VR主机通过HDMI接口连接显示器与投影仪,投影仪与投影幕墙连接,可以显示学生目前所处虚拟现实场景及操作过程,供其他学生和教师实时观看学习。

该实训教学系统支持多台VR主机与多用户视觉沉浸。VR主机通过云端与服务器连接,服务器为多台VR主机提供数据库服务,可远程传输数据。教师、考官、管理员通过外设接入服务器,布置VR实训任务,输入考试指令、考核评分，进行系统监管。

系统支持多个用户的视觉沉浸,可以实现多个学生同时协作完成一项实训任务。不同学校的服务器可通过云端远程连接,使得本校的学生也可以参加外校课堂的实操训练,进行数据共享,大大拓展了本地课堂的学习范畴。

4 VR船舶通信导航设备实训系统场景仿真

根据系统功能需求,搭建了虚拟现实硬件平台,并在此基础上进行了VR船舶通信导航设备实训系统的软件开发。基于VR船舶通信导航设备实训教学方案,在实验平台上对部分设备进行了三维建模与仿真,供学生进行实操训练。虚拟现实船舶通信导航驾控台上的虚拟设备模拟船舶真实设备,可进行模拟操作,观察船舶通信导航设备的运行状态和信号强度。

图2为船舶甲板检修虚拟现实场景。

图2 船舶甲板检修虚拟现实场景

图3为学生利用虚拟手操作虚拟工具拆卸JRC雷达天线的交互仿真。使用虚拟工具,学生可以对船舶通信导航设备模块及零部件进行抓取、移动、旋转、测量等操作,实现人机交互控制。虚拟现实环境中提供提示按钮,按下提示按钮,可以给学生下一步操作提示,帮助学生完成实训任务。

图3 虚拟手操作虚拟工具拆卸JRC雷达天线的交互仿真

图4是学生完成雷达天线检修实操任务后,对学生实操行为的即时评价与本次实操任务相关的多媒体教学资料的智能化推送。

图4 雷达天线检修项目智能评分界面

5 结语

基于VR技术的船舶通信导航设备实训教学将图形、图像、声音和Flash动画融为一体,为学生提供了交互性强、效率高、个性化的实训教学系统,并在此平台上对部分通信导航设备进行了三维建模与仿真。实践表明:虚拟仿真实训系统安全性高、能够激发学生的学习积极性和创新思维、有利于学生进行设备内部模块的认知与操作,学习效果大幅提升。

随着现代信息化技术的不断发展,虚拟现实技术也逐渐渗透到教育教学的各个方面,虚拟现实与系统仿真实验实训教学改革是一项有益的探索。针对不同设备的特点和维修过程,建立高效率的虚拟设备实训维修平台,既可以节省设备购置费用和维护经费,也可以提高安全性、突破时间空间限制。在远程培训方面,虚拟实训维修平台也将会有很大的施展空间。本系统对学生实操行为分析也仅限于操作时长、操作完成度以及提示使用次数方面的加权分析,随着计算机仿真技术和情景认知理论的不断发展,虚拟现实用户行为分析还有许多问题有待进一步研究与探讨,而基于不同用户行为的虚拟现实实训系统的智能评分系统和个性化培训系统也会更加完善。

参考文献(References)

[1] 李繁.船舶电子电气员适任考试科目“信息技术与通信导航系统”教学改革的思考[J].武汉交通职业学院学报,2016,18(2):64-67.

[2] 杨晓,刘彤.履约背景下“航海雷达”课程教学改革探讨[J].航海教育研究,2014(1):49-51.

[3] 吴炜,冯爱国,高峰.马尼拉修正案背景下船舶电子电气专业实训教改建议[J].航海教育研究,2015(4):83-86.

[4] 孙启美.现代教育技术与学习模式[M].北京:科学出版社,2010:205-206.

[5] 吕淑平,赵琳,王科俊,等.船舶导航与控制实验教学示范中心实验教学平台建设[J].实验室研究与探索,2015,34(12):144-147.

[6] 郑军龙,罗黎,严景明,等.三维虚拟仿真技术应用于高职教学的研究[J].电子世界,2012,29(20):153-154.

[7] 杨庆,黄陈蓉.虚拟现实与系统仿真实验教学改革探讨[J].电子世界,2011,28(3):94-97.

[8] 梅雪.基于VR技术的旅游实验教学应用研究[J].实验技术与管理,2017,34(3):13-15.

[9] 张刚,李福海,蒋德志.基于VR技术的机舱资源管理课程混合式教学设计[J].航海教育研究,2017(2):65-70.

[10] 赵卿.基于VR的GPS仿真实训教学系统的研究与设计[D].大连:大连海事大学,2009.

[11] 张良力,祝贺,王斌.基于虚拟现实技术的电气工程专业实验平台开发[J].实验技术与管理,2015,32(2):123-126.

[12] 丁金华,刘畅,李明颖,等.三维虚拟现实机电设备控制仿真系统[J].实验技术与管理,2016,33(9):106-110.