模拟器在航海技术专业跨课程全天时实验教学中的整合应用

张云鹏，王德龙

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

一、引言

航海技术专业涉及课程较多，包括航海、船艺、货运、仪器、气象、管理、通信、航海英语等，专业知识点较为复杂。虽然每门课程都配有相关实验教学的内容，但还是仅局限于这一课程知识点的范畴，很少能体现各课程之间的内在联系，各种航海仪器设备综合利用率不高。为了较好地提高学生上船工作的能力，使学生能够熟练使用各种航海仪器设备，利用学校现有的教学资源条件，本文提出全天时实验教学的方案，以航行任务为导向设置仿真模拟实验，在教学中让学生熟知各类航海仪器设备，观测各设备所提供的传感器数据，分析船舶当前航行的情况，根据航行任务自主操船。通过实验课程的教学，弥补学生在某一门专业课程知识点的不足，综合提升实操能力。

二、跨课程全天时实验教学的优势

跨课程实验教学与驾驶台资源管理(Bridge Resource Management，以下简称BRM)实验教学有所不同：BRM注重培养学生的团队意识，级别分工明确，要求在一定的时间内共同完成指定的航行任务；而跨课程实验教学除了注重上述要求之外，需要全方位培养学生上船的工作能力，综合梳理航海技术专业课程知识，以航行任务为驱动，还原实船工作场景，充分整合学校现有的教学资源，让学生亲自参与到实船的工作中去，并提升处理相关应急情况等的能力[1]。跨课程实验教学的优势在于以下几点。

1.虚拟仿真实船设备，实现跨课程模拟教学

现有的实验教学多数是针对航海实践中的单一模块进行的(如船舶操纵、船舶避碰、航海仪器的正确使用等)，而航海实践是围绕着航次任务进行的，船舶驾驶员需要根据航次任务，综合运用所学的航海技术专业理论，驾驶船舶完成航次任务。因此有必要设计基于虚拟仿真模拟的跨课程实验教学课程，以此让学生真正体会驾驶台航海仪器综合设备的应用、交接班的程序、白天黑夜值班中的注意事项等任务要求，能够全面培养学生独立思考的能力[2-3]。

2.虚拟仿真实船教学，综合提高动手能力

学生上船实习期间，为保证航行安全，一般被禁止操作实船设备，只能进行现场观摩，因而很难达到实习的目的，实习效果相对来说不尽如人意。而在模拟器上进行船舶操纵实验，能够让学生真正动起手来，即使出现操作失误，也不会造成无法挽回的损失，从而能真正提高学生动手实操的能力。

4.不受时空限制，实操练习更加充分

大连海事大学配备的航海模拟器可同时供120人进行实操训练，不会因实船数量少而需排队等待上船实习；不受时间限制，学生可随时随地进行实操学习，练习过程中各船之间都能进行高频互通，各种局面如对遇、追越、交叉相遇等都能遇见，学生可根据所学的专业知识，合理进行沟通避让。

5.利用模拟器集中评估，使毕业实习评估更科学

多数航海院校航海类学生在校学习时间为3年半，余下的一学期需要上船实习。部分学生由于各种原因(如读研、考公务员等)没有真正上船实习，实习报告是参考其他上船同学的实习内容修改而成；多数学生都是各公司指派到船上实习，学生过于分散，上交实习报告时间不定，学校难以对学生进行有效管理，毕业实习的重要性难以体现。为破解上述难题，学校可以利用模拟器集中评估学生上船实习的过程，并将评估结果作为毕业实习成绩的一部分。

5.虚拟仿真实船船型及视景，节约实习成本

学生上船实习相关费用不是一笔小数目，而目前国内海运院校很少有自己的实习船供学生上船实习，而对于不了解实船设备的学生来说，上船工作一切都感到无从下手。利用现有的航海模拟器，配备相应的实船设备，虚实结合，合理做到与实船设备的信号融合，可以让学生在校就能够仿真模拟上船实习，增强实践培训效果，节约实习成本。

三、跨课程全天时实验教学方案的设计与实现

本研究设计的全天时仿真实船教学，拟采用大连海事大学自主研发的V.Dragon 5000全任务型航海模拟器。本系统由教练站、一个主本船及360°视景系统、多个副本船及180°视景系统等组成。各本船均配有船舶操控系统、电子海图系统、航海仪器系统、3D视景系统、船舶通信系统等设备。模拟系统配置亚洲、欧洲、美洲、澳洲等10个典型训练海域，包括沿岸水域、狭水道、港口水域、分道通航水域等训练场景。各训练区可设置不同的通航环境条件及各种水文气象条件，各个本船可在同一海区进行对抗训练或在不同的海区单独训练。

以大连—秦皇岛航线为例，跨课程实船教学方案设计过程如下。

1.航行任务设计

船舶在海上航行过程中，主要包括以下几项任务：靠泊、装卸货、离泊、抛锚、起锚、航行(大洋航行、狭水道航行、分道通航制水域航行等)、船舶避碰等。将航海学、船舶操纵、船舶避碰、船舶结构与设备、航海气象等专业理论知识整合到每个任务之中，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力[4-6]。

2.航行环境设计

跨课程实验教学开始前，需要根据具体的航行任务布置航行环境，包括海图的选取、风流条件的设置等。以短航次为例，如大连港装货、秦皇岛港卸货。

(1)矢量海图水域拼接

航线设计为大连港18#泊位(38°56.092′N，121°39.382′E)—秦皇岛8#泊位(39°12.493′N，119°0.308′E)，转向点设计如图1所示，计划航速10kn，全程163.11nm，总用时约16h18min。学生在操作过程中采取不间断航行，合理进行交接班程序，真正做到全天时值守。为了能够实现全程的航行，需提前在模拟器上获取相应ENC海图图号进行拼接，选取海图号分别是CN312002、CN334002、CN412338、CN301302、CN321001、CN421101。

实验教学过程中，学生需要先利用航海学及航海气象的知识设计航线，并在电子海图上绘制计划航线，如图2所示，并在航线上标识转向点的名称、位置及转向角度等信息。

(2)船型及拖轮参数设置

本次航行任务选取3万吨级的散货船及3000马力的2艘拖轮进行协助，其中船舶参数见表1。

图1 大连—秦皇岛转向点编辑

图2 大连—秦皇岛航线设计

试验船名船型船长(m)船宽(m)吃水(m)排水体积(m3)3WANBulk17026.010.8(满载)331627.0(压载)20933

(3)海况设置

根据实验教学前一个月内大连—秦皇岛港的水文气象信息设置实船模拟水文气象条件。如大连水域附近风况：5级，SE；流向涨潮流NW，落潮流SE，最大流速设置为0.3m/s。秦皇岛水域附近风况：5级，SW；流向涨潮流WSW，落潮流ENE，最大流速设置为0.5m/s。

(4)船舶交通流模拟

提取实际的大连、秦皇岛附近海域的船舶交通流情况，如图3、图4所示。根据某一天该水域的实际船舶交通流图示，设置虚拟环境下的船舶交通流情况，如图5、图6所示。学生在模拟操船过程中，与他船避让时，如果用VHF沟通，则实验教师与其进行应答，并在教练站针对这个目标船做出相应的反应。

(5)应急事件设置

在模拟仿真实船过程中，合理设置一系列应急事件，如能见度不良、主机失控、舵机失灵、GPS信号丢失、人员落水等，让学生及时给出应急方案，学习各类应急事件的应对方法。正确使用相关仪器设备记录应急事件内容，并在航海日志上正确填写相应信息以备后查。应急事件设置如图7。

3.跨课程实验教学方案实施流程

(1)教师配备

每组训练配备2名专任教师和2名实验教师，均应具备师资认证资质证书，其中至少一名教师具有船长证书。专任教师负责实验教学任务的分配讲解和总结，实验教师负责分机模拟器的正确使用操作讲解、主控台的操作和分机船舶间的协调沟通，在训练过程中给予学生指导性意见。在训练结束后，对学生的操纵过程及任务完成情况进行讲评，并提出改进方案。

图3 大连港附近船舶交通流 图4 秦皇岛附近船舶交通流

图5 模拟的大连港附近船舶交通流 图6 模拟的秦皇岛附近船舶交通流

图7 模拟应急事情对话框

(2)学生任务分配方案

在全天时实验教学过程中，根据航海实践，将每组参加训练的学生均赋予相应的职务，如船长、大副、二副、三副、水手等。每个学生根据分配职务的具体要求，参照航海实践，完成航行值班、船舶避碰等航行任务。

(3)实验教学过程

本次实验教学选择大连港—秦皇岛航线，大连港离泊驶向秦皇岛港，最终靠泊秦皇岛港。学生根据分配的职务，在其值班时间内在航海模拟器中操纵船舶，完成航行值班任务。在值班期间，充分利用各种航海仪器设备，获取有效的航行信息；通过视觉瞭望，及时发现来船及船舶可能存在的潜在危险，采取相应的措施保证船舶航行安全；在沿岸航行时，应用不同的定位方法，经常核对船位，保证船舶航行在计划航线上。

航行过程中每个驾驶员(学生)完成4个小时的值班工作后，下一个值班驾驶员(学生)接班，在模拟器中完成交接班的训练，进而利用模拟器来模拟实现全天时的航行任务。

航行过程中截取了大连港18#泊位水域离泊情况、秦皇岛8#泊位水域靠泊情况的航行过程图，如图8、图9所示。

图8 大连港离泊图 图9 秦皇岛靠泊图

(4)培训效果分析

实验教学结束后，对操纵过程数据整理分析可以发现，靠泊过程中转向操作有所欠缺，转向速率波动相对较大(如图10)；离泊过程中，离开泊位后速度变化较大，到航道上才逐渐稳定下来，转向过程中对于转向速率的把握不够精准(如图11)；从船舶运行轨迹(图8、图9)上看，轨迹相对平滑，安全完成了本航次的训练任务。

综上，通过数据层面的分析可以从细微的层面找出学生在船舶操纵方面存在的不足，针对不足加强训练，不断提升船舶操纵水平。

图10 靠泊及航道航行过程中速度、航向及转向速率变化曲线

图11 离泊及航道航行过程中速度、航向及转向速率变化曲线

(5)整个实验教学方案的效果分析

在实验教学过程中，根据教学方案的设计，合理安排培训教师的数量，科学分配学生的任务方案，注重指导实验教学的整体流程，最终分析培训效果。

方案的设计与实现，能够让学生认识到全天时船上工作的整体流程，学生驾驶船舶过程中能够做出合理的预判，应急事件处理适当，实验结束后提出团队合作过程中及个人的不足之处，自我总结。整体实验教学过程效果显著，达到预期的实验教学目标。

四、模拟器实验教学与实船教学对比

航海模拟器应用于实验教学，不仅可以提高现有学校模拟设备的利用率及使用效益，还能够改善实验教学条件，丰富教学内容，提高了实验教学的质量，促进了教学的改革与创新。虽然航海模拟器可以解决实验教学的多方面问题，但与实船上的实验教学相比仍存在一些不足，主要体现在以下几点。

1.学生紧迫感认知度不够

在模拟器上进行实验教学，由于没有实船上面对各种不良环境和紧迫情况时的真实体验，因此难以形成团队协作的意识。大部分学生是为了完成任务而进行实操练习，少数学生把实操练习当作个人职责去对待，在模拟器上进行实操练习时，即使面对紧迫危险局面，如能见度不良或应急事件条件下，学生也缺乏实船上应有的团队合作意识；此外，模拟器模拟船舶在海浪中的摇摆程度不够逼真，学生在操船练习过程中体会不到实船上晕船的感觉，没有面对应急局面的紧迫感。

2.传感器信号传输失真

航海模拟器能够充分整合综合驾驶台系统设备传输的问题，让学生认知各仪器设备信号传输的过程及其互通性，但大部分都是网络型模拟系统，即使有真机设备和模拟设备连接，也只是部分实船设备的信号传输，并且传感器信号传输失真现象经常存在，误导驾驶员做出错误的判断，因此传感器信号传输存在着一定的缺陷。

3.单机设备模拟功能缺陷

目前，模拟设备实现不了各种仪器设备所有的功能。如电子海图设备，模拟器能够模拟其航行记录、检验及监控等功能，但很少有模拟器能够模拟电子海图预判船舶的运动轨迹功能，或者是雷达和电子海图叠加功能等；再如雷达设备，对假回波(旁瓣回波、多次反射假回波、同频干扰回波)的抑制效果、雷达定位、方位避险线的使用等，模拟不够逼真。因此，在模拟功能方面的相应问题还有待解决。

五、结语

航海技术专业学生上船实习至关重要，以任务为导向的跨课程全天时模拟仿真实验教学让航海技术专业学生真正了解并掌握实船操船的全部过程。利用航海模拟器可设置不同吨级船型、相应的海况以及各种应急事件等，综合体现模拟器在实验教学中的应用价值，进而对学生认识船舶及操船过程有全新的认知。全天时航行让学生自主形成交接班意识，完成值班中相应的工作，后期由教师评价总结，让每位学生真正体会实习的全部过程，为今后上船工作奠定坚实的基础。