船舶导航设备虚拟仿真实验教学平台设计与开发

杨 晓，廉静静，任鸿翔，于佳佳

（大连海事大学航海学院，辽宁大连 116026）

0 引言

高素质航海人才的培养是适应海洋强国、交通强国建设的必然要求，打造高素质航海人才梯队才能保障交通强国和海洋强国战略有力推进实施。这就要求各航海类院校在教学中必须不断提升理论教学水平，夯实航海人才的实际动手能力，为我国培养理论丰富、实践能力强的高素质航海人才。为保证船舶在海上的航行安全，船长和驾驶员必须熟练掌握船舶综合驾驶台的各种航海仪器设备，国际海事组织IMO 在STCW 2010 国际公约中对此也做出了明确的规定和要求［1］，要求各缔约国政府在履约的过程中必须进行相关实验项目的教学和培训。为主动履行STCW 2010 国际公约，我国国家海事局也制定了相关的评估规范及培训大纲［2-3］。利用实船开展船舶综合驾驶台系统及船舶导航设备实验教学存在很大的风险，一旦发生海事，将对船舶、人命、环境造成无法估量的危害和破坏。在实验室利用真设备开展实验教学存在设备投入巨大、频繁操作导致设备损坏、设备无法呈现海上数据等问题，不利于各个层次学生的实验教学开展。自2017 年起，教育部连续颁布多个文件［4-7］提出将现代信息技术融入实验教学课程中，提高学生的实践能力和创新能力，探索课程线上／线下混合式的智能化、个性化的实验教学模式，从而引导激发学生信息探究式、自主式和个性化学习。近年来，不少高校根据自身教学科研的发展需求开发了相关虚拟仿真项目并建立了实验室［8-12］。航海教育十分重视学生实践能力的培训，航海类专业的实验实训是受国际公约规范的必需环节，由于海上船舶工作环境的特殊性，航海类专业的实验实训项目涉及高危或极端的环境、不可逆的操作、高成本、高消耗、大型或综合训练等情况，通过构建高仿真度的虚拟实验环境和实验对象为主的实验教学方式是航海教育与培训的必然趋势。基于此，依托我校航海实验实训教学中心配备的航海仪器设备，开发了船舶导航设备虚拟仿真实验教学平台。

船舶导航设备虚拟仿真实验教学平台集成了船舶罗经设备、船舶导航雷达、卫星导航仪等多种重要的船舶导航设备。目前，针对船舶导航设备的实验教学，各高校多采用真设备为主的教学方式。由于实训过程中需要频繁操作设备，很容易导致真设备损坏，且实验室缺乏海上航行真实环境和实时数据，实训效果一般，因此需要寻求一种有效的方法去解决目前所遇到的问题。针对上述问题，我校建设了国内首个虚实结合的航海仪器专用实验室，在实验教学中采用了自主研发的船舶导航设备虚拟仿真实验教学平台［13-16］。实验教学过程中，教师以真设备为切入点进行讲解，之后学生在虚拟仿真实验教学平台上进行设备的操作训练，训练中可针对仿真设备进行虚拟拆装和交互。该虚拟仿真实验教学平台有效地解决了真设备数量不足和易损坏的问题，较大地提高了学生参与实验教学的积极性和主动性，取得了良好的教学效果。

1 平台架构

船舶导航设备虚拟仿真实验教学平台的实现以计算机仿真技术、网络管理技术和多媒体技术为基础，其平台架构可分为数据层、支持层、服务层、仿真层和应用层5 个部分，如图1 所示。每一层都为其上层提供服务，直到完成虚拟实验教学平台环境的构建。

图1 仿真实验教学平台整体架构

（1）数据层。数据层主要实现相关数据的存放和管理，设置了虚拟实验的用户信息、课程库、典型实验、规则库、标准答案和实验数据等数据。

（2）支持层。支持层是整个船舶导航设备虚拟仿真实验教学平台的核心框架，负责整个基础系统的运行，维护和管理，支持层主要实现了六大功能，其中支持层的安全管理功能实现了身份认证、访问控制等，服务容器包括服务监控和服务通知等。

（3）服务层。服务层能够使用户快速地在虚拟实验环境中完成虚拟仿真实验环节，并提供虚拟实验教学环境的一些通用支持组件。通用服务包含多个功能如集成接口、实验教学效果评估、实验记录等。

（4）仿真层。仿真层主要针对虚拟仿真实验教学要求，搭建船舶驾驶台的三维模型，如场景建模和设备建模，实现虚拟车／舵交互和设备交互等。

（5）应用层。应用层包括船舶驾驶台全景漫游、船舶陀螺罗经操作、船舶磁罗经操作等，可根据教学需求，利用服务层提供的各种辅助服务和仿真层提供的三维模型和虚拟交互，设计各种需要的实验实例，面向学校和公众开展实验教学。

2 虚拟仿真实验教学平台设计

船舶导航设备虚拟仿真实验教学平台设计从航海类实训实践需求出发，通过构建高仿真度的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的认知与实验教学效果。该虚拟仿真实验教学平台构建了船舶全景漫游、船舶陀螺罗经操作、卫星导航仪操作、自动识别系统操作、回声测深仪操作、船用计程仪操作、船舶磁罗经操作等7 部分实验教学内容。通过三维建模、绘制及渲染、纹理处理等技术，搭建逼真的驾驶台场景。通过建立船舶运动数学模型，能够精确地反映出船舶姿态的变化，提高虚拟环境中船舶的行为真实感。当船舶导航设备参数发生变化时，可逼真地还原真实设备的参数变化，提升了场景的环境真实感，图2 所示为虚拟仿真实验教学平台层次结构图。

图2 船舶导航设备虚拟仿真实验教学平台层次结构图

整个平台的开发训练需要学生能够熟悉掌握以下内容：船舶导航雷达、陀螺罗经、磁罗经、卫星导航仪、自动识别系统、回声测深仪、多普勒计程仪等船舶导航设备，掌握船舶综合驾驶台系统配置和船舶车钟和舵轮的操作方法，理解操作车钟后主机转速表和计程仪的数据变化以及操作舵轮后舵角指示器和航向分罗经的数据变化，观察船舶控制设备操作及参数变化；能够熟悉掌握陀螺罗经的系统构成及各分设备的作用，能够熟练拆装主罗经，查看陀螺球状态和更换支撑液体，熟悉掌握陀螺罗经控制单元的操作步骤，能够完成速度误差和同步误差的校正；熟悉掌握船舶磁罗经的构成及各自差校正器的作用及调整，熟悉掌握船舶磁罗经半周期检测、灵敏度检测、气泡消除等设备维护过程。

3 虚拟仿真实验教学平台开发

船舶导航设备虚拟仿真实验教学平台从知识传授、航海实践和创新能力培养出发，创新性地构建了船舶全景漫游、船舶陀螺罗经操作、卫星导航仪操作、自动识别系统操作、回声测深仪操作、船用计程仪操作、船舶磁罗经操作等7 部分实验，使学生在熟悉船舶综合驾驶台配置的基础上，熟练掌握船舶导航设备的操作及维护过程，加深对理论知识的理解。下面以船舶驾驶台全景漫游、船舶陀螺罗经及磁罗经为例对开发内容进行介绍。

3.1 船舶驾驶台全景漫游

船舶驾驶台全景漫游采用了3Ds Max进行场景搭建和设备建模，集成了船舶导航雷达、陀螺罗经、磁罗经、卫星导航仪、自动识别系统、回声测深仪、多普勒计程仪、驾驶台值班报警系统等多种航海仪器设备，以及控制航向航速的车舵设备。图3 为三维虚拟船舶驾驶台，在船舶驾驶台三维场景中，可以漫游到任何导航设备并对其进行操作训练。

图3 三维虚拟船舶驾驶台

3.2 船舶陀螺罗经操作

船舶陀螺罗经系统集成了主罗经、方位分罗经、操舵分罗经、航向分罗经等子设备。若需要查看船舶陀螺罗经主罗经时，只需要漫游至综合控制台前，点击控制台体的螺丝，拆除控制台柜门，然后点击主罗经柜体上的螺丝，将主罗经的柜门螺丝拆除，拆除随动球上部的螺丝，可查看其内部结构，图4 为陀螺罗经主罗经的内部结构仿真。

图4 陀螺罗经主罗经内部结构仿真

3.3 船舶磁罗经操作

船舶磁罗经设备集成了罗盆、罗经柜、半圆自差校正器、倾斜自差校正器、象限自差校正器、佛氏铁等部件。当在三维虚拟船舶综合驾驶台内漫游时，漫游至罗经甲板，可查看船舶艏向设备磁罗经在甲板上的安装情况，点击磁罗经的罗经帽时，拆除罗经帽露出罗盆；利用工具箱中的工具，可进行半周期检测、灵敏度检测、气泡消除和自差测定等实验内容，图5 所示为磁罗经气泡消除过程仿真。

图5 磁罗经气泡消除过程仿真

4 虚拟仿真教学平台应用

基于该船舶导航设备虚拟仿真教学平台，实验教学模式由教师主导讲解、课堂辅导训练、课余自主训练3 个环节构成。3 个环节相辅相成，共同促进学生对航海仪器的理解和熟练操作。第1 环节，在实验课堂上，教师以真设备为切入点进行讲解，使得学生能直观地接触到真设备，了解真设备的构成及主要操作。由于真设备的数量限制以及频繁的操作易导致设备损坏的问题，因此以老师讲解为主，学生操作为辅。该环节是讲解引导环节，对学生消除设备的陌生感及对设备的初步理解非常关键，该环节约占实验课堂总时长的1／3。第2 环节，在实验课堂上，为每位学生分配一台实验用计算机，教师首先操作教练台计算机，并将教练台计算机的实时操作情况投屏给每位同学。教师在虚拟驾驶台软件中漫游，辅导学生认识船舶驾驶台及航海仪器在驾驶台的配置情况。然后将控制权交给每位学生，学生在虚拟驾驶台中打开仿真设备及对应的说明书，根据第1 环节中老师的讲解情况操作仿真设备，教师在教练台监控学生的操作情况。发现学生共同的操作问题后，教师再次投屏，演示仿真设备的操作。在本环节中，教师也可适当增加与学生的互动，设置小小的测试环节，也可让操作存在问题的学生获得屏幕控制权，演示给所有的学生观看，然后其他学生查找问题。该环节以学生训练为主，教师辅导为辅，保证学生在教师的辅导下有足够的训练时长，对学生熟练操作设备极其关键，该环节会占用实验课堂的剩余时长。第3 环节，离开实验课堂后，学生可线上利用手机或IPAD等移动端设备下载航海仪器仿真设备，在课余时间巩固实验课堂上的学习内容，在航海仪器设备使用评估前达到熟练使用设备的目标。该环节不限时间和地点，具有很强的适应性，图6 所示为运行于移动端的船舶自动识别系统仿真设备。

图6 移动端船舶自动识别系统仿真设备

5 结语

基于我校航海实验实训教学中心配备的航海仪器设备，设计开发了船舶导航设备虚拟仿真实验教学平台，实现了船舶导航设备虚拟拆装和交互。这种教学模式的引入，能够很好地解决设备数量不足以及频繁操作易导致设备损坏的问题。同时仿真实验教学平台的应用较大程度提升学生的学习兴趣，保证学生操作使用设备的熟练程度，调动学生参与实验教学的积极性和主动性，加深学生对船舶导航设备内部结构的理解。移动端仿真设备的开发也拓展了学生学习的空间和时间，提高了学习效果。