在线三维海上溢油应急演练教学系统的开发与应用

李冰蟾，苏文明，毛波

(1.江苏海事职业技术学院 a.轮机电气与工程学院 b.航海技术学院，南京 211170;2.南京财经大学 信息工程学院，南京 210023; 3.自然资源部城市国土资源监测与仿真重点实验室，深圳 518040)

一、引言

为应对我国海域突发性的溢油事故，减少溢油带来的严重危害，建设高素质、专业化的溢油应急队伍，航海类院校船舶管理专业都开设了海上溢油应急演练的教学项目[1]。通过海上溢油应急演练，让学生了解海上溢油的动态变化特征，掌握在溢油应急响应决策过程中需要考虑的因素以及应急过程中需要注意的问题，培养学生观察、分析、解决问题的综合能力，为学生将来从事溢油应急工作打下基础。

传统的海上溢油应急演练教学分为桌面演练与实战演练两种方式。其中，桌面演练的形式主要是通过文字、图片、视频等方式进行，教师与学生之间缺少交互，学生进行被动的学习和记忆，难以调动学习主动性；而对于实战演练，组织学生实地进行半真实的演习，虽然教学效果佳，但是需要投入较大的人力物力，不方便频繁进行，并且无法演练某些特殊情况。因此，如何利用现代信息技术，开发一种交互式的海上溢油应急演练三维仿真线上教学系统，开展在线式海上溢油应急演练与教学，成为航海院校船舶管理专业亟待解决的课题。

近年来，随着信息化教学改革与普及，传统教学模式的局限性日益突出，特别是在远程教育领域，还面临空间与时间上的客观制约。随着计算机与三维仿真技术的飞速发展，应用于线上教学的三维仿真实验实训系统正成为解决这一问题的有效途径，它通过在线建立三维的虚拟实验实训场景、设备、工具及操作过程，让学生在线完成各项实训任务，突破时空限制，降低了真实设备的损耗。

国内外多所高校基于在线三维仿真教学展开了相关的研究，并取得了相应的成果。同济大学软件学院开发了一种基于网络的在线虚拟教学一体化平台，可提供虚拟网络实验、教学辅导与学生评价，提高了实验教学水平[2]；长沙学院的电子信息与电气工程系建成了在线虚拟仿真的通信工程专业实验室，学生可以足不出户远程操作虚拟软件进行网上实验，通过微信云把实验结果传送给指导教师，这种教学方式可对真机实验进行有效补充[3]；上海理工大学杜宝江博士开发了一种WebGL交互操作的网络化机械装备加工模拟车间，实现了虚拟车间中机械冷热加工工艺和生产物流设计及操作训练的实验内容以及移动终端远程实验功能，使学生可以在任意时间和地点进行在线虚拟实验操作[4]；杭州电子科技大学朱元龙博士开发了一种多人在线三维虚拟机器人教学系统，该系统模拟了真实世界的机器运动，并在客户机之间传递该信息，从而实现多人在线功能[5]；杭州电子科技大学管理学院尚倩博士开发了一套三维医学在线教学系统，该系统基于WebGL，利用医学影像三维重建与分割，将二维图像转化三维矢量模型存储到案例库，用户可以通过网页浏览查看三维医学对象，实现在线网络教学[6]。

通过梳理目前国内外研究成果发现，现在有不少学科专业开展了在线仿真教学，取得了良好的教学效果[7-9]。本文结合航海类院校船舶管理专业人才培养目标，引入在线三维仿真的演练方式来替代传统演练教学方法，让学生的操作尽可能贴近真实演练情况，提高系统的人机交互性，学生可以在线进行任务演练，不同学校之间可以共享任务案例，通过互联网可以远程完成多人协作，在学生演练操作任务完成后，在线系统对其操作表现与指标完成情况进行评分，系统将自动根据各项评分生成成绩单并即时反馈，强化教学效果。

二、模拟演练系统构成

本文设计了一种基于WEB的在线教学系统，该系统以WEB技术为基础，集成三维模型与场景，系统的整体框图如图1所示。

图1 系统框图

(1)用户端不需要安装软件，使用浏览器就能开展演练。WEB方式方便学生开展在线演练，多个用户端可以进入同一演练任务，进行分角色协作。

(2)当开展仿真演练时，WEB服务器端接收用户端仿真操作指令，调用管理端程序；管理端程序用Neo框架编写，根据实际溢油演练教学需求自主开发。

(3)管理端采用三维仿真系统开发溢油应急演练任务模块，通用浏览器部署所开发的任务编辑模块，方便用户进行远程操作；用户端采用动态链接库方式实现，从而确保系统整体的集成度与模块化设计。

(4)服务器端采用数据库存放演练场景地图，存储教学管理数据。服务端可以从本地管理端或远程管理端获取不同演练场景地图并用数据库进行存储。

教学演练系统包括五大功能模块：溢油应急资源编辑器模块、事故场景编辑模块、溢油事故处置推演模块、评测考核模块和演练模块。其中，溢油应急资源编辑器模块、事故场景编辑模块、溢油事故处置推演模块和评测考核模块安装在管理端，演练模块安装在用户端。

1.溢油应急资源编辑器模块

资源编辑模块是实现三维溢油演练教学的基础，溢油应急资源编辑器结合3D模型、音频、图像、视频等多媒体素材，使用3dmax、Photoshop等图形软件，编辑生成代表应急设备、应急力量的各类应急资源，如围油栏、溢油机械回收设备等，建立基础资源库。系统可增、删、改、查各类基础资源，并管理组织存储各类基础资源。后期教师可以使用添加、编辑等操作，如把模型动画类型脚本特效等元素装配成对象，如装配成具有特定状态和属性的应急设备，支持用户自定义新的设备，并设置其参数。

2.事故场景编辑模块

事故场景编辑模块用于建立交互式的应急演练场景，本模块以可视化的方式对应急演练所涉及的各类操作及其逻辑关系进行设计与开发，具备应急设备设施布置、应急人员布置、场景布置等功能。基于三维GIS技术，对于港口、河流、船舶、环境等建立动态的可视化模型，并建立三维场景。本模块支持三维场景交互式修改界面，后期教师在教学中可对应急演练的发生地点、发生条件、相关参数等进行编辑，修改后的矢量信息可自动保存。

3.溢油事故处置推演模块

本模块应用基于Petri网络的演变状态机，根据用户的实时操作，以及预设的场景参数，完成溢油状态的动态模拟，虚拟应急物资调配、应急队伍人员安排、救援船只调配和人员交互，相对于单人培训系统，多人协同交互培训更有利于对真实操作的还原。

4.演练模块

用户端的演练模块利用浏览器请求事故场景数据，进行三维仿真演练，用户操作数据通过服务器传给管理端，进行操作评分并即时反馈给用户端。为更加准确的获得用户操作细节，本系统详细记录了用户所有的交互信息及时间戳，并以此作为用户行为分析的基础。

5.评测考核模块

构建事件逻辑表，在学生演练操作过程中，将操作与逻辑表中数值进行对比，生成判定结果并保存。任务完成后，系统根据过程判定结果对该用户的操作表现与指标完成情况进行评分，系统将自动根据各项评分生成成绩单。生成的评价结果将即时回馈给学生。

三、模拟演练系统在教学中的应用

本文使用海上溢油应急演练三维仿真线上教学系统，开展在线海上溢油应急演练仿真实践教学，教学流程包括“提出任务、创设情景、小组任务、分工协作、解决问题、评价反馈”六个教学步骤，教学流程设计如下。

(1)提出任务

在完成线下知识学习，有了任务相关知识储备后，教师在线发布演练任务，同时上传任务相关教学资源供学生参考、学习、使用。

(2)创设情景

利用系统场景编辑模块，教师根据演练任务设定事故环境，动态设置当前气候，洋流、溢油量等，集成不同的自然和地理环境，构建三维海况地图，并设定相应的运行参数，模拟相应的溢油事故状态，设定相应的溢油场景，方便学员对不同情况的溢油事故进行学习和演练。

(3)小组任务、分工协作

学生根据演练任务，查阅教学资源，进行探讨与角色分配，确定污染物清除作业组人员、后勤物资保障与通信保障组人员、医疗救治组人员等，并确定执行方案，

(4)解决问题

完成演练任务、撰写实践报告、记录演练结果、在线提交实践报告和演练结果。

(5)评价反馈

对学生实行多元化评价，包括系统智能评价、组间评论、组内互评、教师评价等方式，结合任务预习情况、回答问题成绩、实验报告、测验成绩、教学资源在线学习时长等情况，对每个学生进行精细化的多元评价。

在利用在线海上溢油应急演练仿真系统进行实践教学的过程中，可利用互联网进入其他院校的仿真系统，可以共享任务案例，进行远程任务协同，通过远程演练他校课程任务、远程PK等，提高学生兴趣，激发学生主观能动性，通过协作对标同专业学生演练水平，找到自身短板，以更有效地改善学习效果。

四、教学效果与价值

(1)借力现代化信息技术实施教学，增强教学效果

传统的海上溢油应急演练教学采用的桌面演练与实战演练两种方式，存在桌面演练师生缺少互动、难以调动学生积极性，实战演练投入大、某些特殊情况无法演练的问题。

本文基于三维GIS研究开发一套海上溢油应急演练仿真教学系统，系统定位于桌面演练与实战演练之间，一方面将桌面演练升级为可交互的智能演练系统，另一方面通过三维仿真和模拟手段，营造接近实际演习的真实现场环境和事件，进行海上溢油应急演练实践教学。基于在线虚拟仿真技术的现代化教学方式能大大提高学习兴趣，学生可以随时登录账号进行在线演练，不受时间、空间、人员的限制，创造出虚拟条件下的“实战”演练环境，突破时间、空间、人员的限制，反复仿真演练，在提升应急演练实训教学质量的同时大大节省资金投入。

系统受众面广，通过互联网可以远程完成多人协作，不同学校之间可以共享任务案例。

(2)三维仿真溢油事故全过程，全面提升学生应急处理能力

海上溢油事故存在突发性，若不能及时有效处理，会带来严重危害。传统海上溢油应急演练教学无法训练学生溢油事故全过程的处理能力，而通过三维仿真模拟海上溢油应急反应全过程，可以给学生全过程的训练。整个教学过程围绕在线演练任务开展，学生根据溢油的类型、规模、溢出油的种类、溢油扩散的方向、周围环境等，确定应急处理的具体作业方法，通过溢油监视、报告报警、动态预测、海上溢油应急设备的收放、相关船舶、清污公司的调度协调、岸线清理等，使船舶泄漏的污染物得到有效回收，在线仿真教学能增强学生对海上溢油应急预案的熟悉程度，使学生了解海上溢油行为动态，掌握溢油应急决策方案制订过程中需要考虑的因素，熟悉溢油应急响应过程中应注意的问题，有效提高学生处理海上溢油的反应能力、决策能力和操作能力。

(3)实现智能评价考核，完善现有评价机制

传统教学模式下，学生的实操演练评价完全依赖老师的观察与评估，主观性因素较强，导致某些情况下评估结果不具有客观性。本系统采集虚拟仿真环境中学生的操作过程数据，对学生进行智能评价，是对现有评价机制的一种有效补充。

五、结语

本文研究并开发了一种海上溢油应急演练在线三维教学系统，该系统基于三维GIS，建立在线的海上溢油应急仿真演练场景，以状态机形式对应急演练操作过程进行推演与动态模拟，并在三维场景中可视化模拟结果，学生在线选择演练场景进行演练仿真，能进行单人或多人协作，并得到即时评价。

本文提出的在线三维仿真教学系统不是单一演练平台，而是集成演练、学习、互动、评价的一体化课程教学演练平台，可以在智能手机、平板电脑等智能终端上登录，不仅可以在教师组织下完成演练任务，还可以学生个人登录，自主学习，突破传统课程时间、场地的限制，系统受众面广，通过互联网可以远程完成多人协作，不同学校之间可以共享任务案例，学生不仅可以操作演练本校课程任务，也可以远程演练他校课程任务，可供更多的人同时学习。在学生演练操作任务完成后，在线系统对其操作表现与指标完成情况进行评分，系统将自动根据各项评分生成成绩单并即时反馈，强化教学效果。使用该系统进行在线仿真实践教学，能有效弥补传统教学的不足，降低演练成本，全面提升学生应急处理能力和全局意识，锻炼团队协作能力，经班级试点应用后，学习效果有显著提升。

随着未来信息化与互联网的发展，在线三维仿真教学将越来越多地应用于各个专业，成为辅助课堂教学的手段，教学引入网络化是未来教育的趋势，三维仿真教学系统能够有效地解决复杂实验、现场工艺设计和训练演练等问题，而网络化在线方式为学生随时随地实验、演练提供便利，有效提升了学生的自主学习兴趣和独立解决实际问题的能力，便于实现教学资源的高效利用与安全共享，有利于混合式教学模式的推广。