海上无线通信虚拟仿真实训平台建设研究

林 彬 宋晨晨 闫秋娜 滕君华

(大连海事大学 信息科学技术学院， 大连 116026)

进入21 世纪，海洋在国家经济与国防安全中发挥着越来越重要的作用。随着“海洋强国”战略的提出，如何开发海洋、利用海洋、保护海洋、管控海洋成为提高综合国力的重要命题。海上无线通信是海上船舶航行安全的首要保障技术。在《全球海事专业人员知识体系》中计算与信息学成为影响从业者长期发展的知识因素之一，在自主船舶发展阶段，“岸基”加“随船”模式的变化急需船员提升与计算与信息学相关的知识结构和能力[1]。

现阶段，我国通信行业发展迅速，海洋设备更新快，但海洋信息类人才却相对稀缺。此外，受新冠肺炎疫情的影响，教育部要求各大高校借助互联网平台开展在线教学工作，传统的通信教学方式已满足不了现阶段的发展需求。目前，海上通信教学面临的挑战主要有[2-4]：

(1)因高校延期开学，学生居家无法按照培养要求完成实验教学环节；

(2)海上实验危险性大、成本高、周期长、具有不可及性，这些实验教学难题使得高校在开展海上通信类实验时望而却步。学生多是基于教材进行理论知识的学习，导致面对复杂多变与高危的海况等真实环境无法快速准确应对；

(3)高校经费有限，无法保证每个学生亲自动手实践，限制了学生对新技术的掌握能力与实践能力；

(4)学生对于海上通信领域的最新技术认知深度浅显，无法真正掌握技术核心；

(5)高校的教学大纲与实际涉海单位的需求相差甚远，导致人才与市场的不匹配。

受疫情以及海上航行与通信环境特殊性的影响，人们对线上教学方式有了全新的认识。虚拟仿真技术以其可靠、安全、经济等优势在众多领域被广泛应用。根据国家和教育部有关文件精神，要深化信息技术与教育教学深度融合，我们将虚拟可视化技术与通信教学相结合，以“虚实结合，持续发展”为指导思想，组织开展海上无线通信虚拟仿真实训平台(以下简称平台)资源建设[5]。平台优势主要有三个方面：

(1)提供通信设备虚拟模型，实现交互操作，提高学生动手实践能力；

(2)搭建虚拟的海上通信实验环境，学生可以验证所学的理论知识，同时激发其创新性思维；

(3)涵盖海上无线通信学科相关课程实验，为海洋信息人才实践能力的培养发挥积极作用。

1 平台建设目标与特色

大连海事大学信息科学技术学院拥有国家级电子信息技术实验教学示范中心，该中心由国家级电工电子实验教学示范中心、省级计算机实验教学示范中心、船舶电子信息专业实验室群及信息与通信工程学科实验室群组成，主要承担4个专业类课程的理论教学和实验教学任务、40个本科专业计算机基础课程实验教学和所有电类11个本科专业电工电子类基础课程实验教学。

平台以上述中心为基础，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，高度模拟仿真虚拟实验环境和实验对象[6]。平台“坚持学生中心，全面发展”，开展实验实践教学，让学生在虚拟环境中自主学习、自主探索。平台不仅提供了一种可靠、安全和经济的实验方式，而且能与教学大纲充分结合，为培养具有高素质强能力的现代化海洋信息人才提供了保障[7]。平台建设目标是：通过本实验平台，使学生理解和掌握无线通信、卫星通信、信息安全基础知识；掌握典型船用应急通信设备的原理、结构组成和应用背景；掌握甚高频VHF(Very High Frequency)电台、卫星通信F船站(Inmarsat-F)、甚小口径卫星终端站VSAT(Very Small Aperture Terminal)、紧急无线电示位标EPEEPIRB(Emergency Position Indicating Radio Beacon)的操作方法和应用特点；具备利用所学设备，准确解决安全、紧急和遇险场景中通信问题的能力；培养知识应用能力、综合实践能力、思维判断与分析能力、对新技术的学习能力；培养在海上极端复杂环境下，对突发情况的判断和决策能力，建立安全通信保障的社会责任感。

平台的特色如下：

(1)高度模拟真实的海上通信实验环境，充分调动学生学习的自主性。平台不仅能模拟真实的实验环境、实验设备、实验操作和通信过程，而且能够改善传授式的“教”与“学”，充分发挥学生的主体作用[8]。教师在实验过程中作为引导者，引导学生自主学习认知模块、典型系统模块及综合场景实验模块，使学生自行操作并学习知识从而形成自己的知识体系结构，培养学生自主学习、动手操作及独立思考的能力。

(2)层次化教学体系。在教学大纲的指导下，设计与培养目标相匹配的教学课程体系。平台面向高校电子信息类与航海类本科人才教育教学，知识结构安排合理，模块设计由浅入深，循序渐进，因材施教，使学生在实验实践中逐步提升掌握知识的能力。

(3)虚实结合，凸显海事通信特点。将虚拟仿真实训平台与海上常用通信设备相结合，开展线上线下，课内课外实验操作模式，丰富教学形式，提升教学质量，促进学生全面发展，实现资源共享[9]。

通过将海事特色融入虚拟仿真实训平台，创新实验实践教学方式，旨在保证疫情防控期间教学进度和教学质量，促进学生全面发展，面向实现海洋强国战略的人才需求，实现现代化海洋人才培养与国家需求的有机统一。

2 平台设计

针对海上无线通信相关课程实验，大连海事大学海上无线通信教学团队与北京润尼尔网络科技有限公司联合，通过将3ds Max和Unity 3D相结合，进行三维建模、交互设计和场景开发，构建了海上无线通信虚拟仿真实训平台。以“认知实验-典型系统实验-综合场景实验”为主线，从认知到设计，在虚拟环境下学生可进行各类虚拟仿真实验，全方位提升学生自主学习、独立思考及创新实践能力。平台整体架构图如图1所示。

图1 平台整体架构图

2.1 认知实验模块

认知实验模块作为基础实验，以知识学习为导向，通过多样化知识展现形式、交互式学习模式激发学生学习潜能，提升本科教学培养质量。

认知实验模块涉及知识面广，涵盖海上无线通信相关课程中无线通信方式、无线通信频率、舰船天线、通信卫星、舰船通信网络安全等多方面知识。学生通过该模块，可温习课上讲解内容，便捷地、快速地巩固所学知识，加深理解程度。

2.2 典型系统实验模块

针对海上通信常用的紧急无线示位标(EPIRB)、甚高频(VHF)电话、甚小口径卫星终端站(VSAT)和Inmarsat-F77四种通信设备系统，组成典型系统实验模块，并分别构建其三维模型，辅助实物实验教学。学生在模型上，可通过360°旋转、平移、缩放等操作进行设备拆解、按键功能学习，自由方便地完成实验[10]。同时模块还介绍了每种通信设备的工作原理，例如收发信机、控制单元等，以及每种通信设备分别对应的通信系统，包括与天基、岸基通信过程，展现形式集图像、视频、动画和文字为一体，实现交互实验教学，营造课堂有趣氛围。

2.3 综合场景实验模块

综合场景实验模块包含理论知识考核与实验考核两大部分。

理论知识考核主要围绕前两模块学习内容，考核形式有填空、简答、设备操作等，平台有计时功能并能自动判决学生答题情况，系统自动对结果进行统计分析，教师有权限评阅每个学生考核结果并给出建议。此模块可检测学生学习的深度与广度，方便教师把握整个教学进度，评价学生学习效果，提高教学效率。

实验考核为综合场景实验，学生需要在掌握基础知识的前提下，具备应对海上遇险时及时做出正确操作的能力，从而降低安全事故发生的可能性，在整个实验过程中，锻炼学生创新设计实验能力，最终达到培养目标与社会需求有机结合的目的。

2.4 功能模块

平台功能模块设计如图2所示。登录系统与管理系统，可实现操作者的个人信息管理与实验数据管理，操作者凭借学号与密码登录系统进行实验操作；操作者登录系统之后，可进行虚拟场景观察、实验环境配置和通信组网仿真，多样化的功能保障操作者对实验过程的理解与课程知识的掌握；考核测评系统、实验报告管理系统和成绩管理系统，便于记录操作者的实验过程，分析操作者掌握知识的情况，促进教学工作的开展[11]。

图2 平台功能模块图

3 平台开发关键技术

3.1 场景搭建与渲染

平台搭建的系统需高度模拟空基、天基、岸基和海基真实场景，其中空基包含平流层及高空飞艇，天基包含卫星及其轨道，岸基包含岸台基站及地面控制中心，海基包含海洋环境及海面舰艇。通过采用建模、纹理贴图、渲染等技术对平台进行开发，可还原逼近真实的海上实验场景，增强实验者的代入沉浸感。

3.2 3D通信设备与通信场景建模

平台研制过程中，基于海上通信常用的设备根据其型号与图纸，根据1:1比例采用Discreet公司开发的三维动画渲染和制作软件3Dmax构建其三维模型，先将场景中的元素看作是简单的多面体，创建多个点、线、面；再使用多边形拉伸等工具，初步画出三维主体模型；之后在此基础上进行精细处理，搭建主体以外的设施；最后进行材质贴图、光线渲染等处理，还原逼真的设备模型[12]。其中，典型海上通信设备模型如图3(a)和3(b)所示。

此外，虚拟仿真实验逼真地模拟了海上航行中遇到的起火、爆炸、急症医疗、障碍物避让和远洋护航等安全、紧急和遇险等突发状况，可以训练学生对应急场景下通信设备的使用，判断实验对象每步操作是否正确合理、关键步骤是否遗漏，让学生不断改正完善操作技能，增加了实验场景与过程的真实感与临场感。图4 (a)和4(b)分别显示了海上船舶起火不同的仿真场景。

(a)VHF设备模型

(b)EPIRB 设备模型图3 通信设备模型

(a)船舶起火仿真场景1

(b)船舶起火仿真场景2图4 海上船舶起火的仿真场景

3.3 交互实现与逻辑控制

模型构建完成后导出为.FBX格式文件，便可直接在Unity 3D中拖入模型。对于已导入的3D模型，首先完成对模型行为属性的定义，然后通过调整模型的大小和位置等属性、添加逻辑和行为等控制脚本，以实现人机交互。操作者可以通过鼠标控制场景的距离和旋转，还可以通过键盘控制船只的移动和转向。操作者根据导航条对每个界面的按钮进行操作，来完成整个平台的知识学习与实验操作。

4 平台应用案例

平台包含认知实验、典型系统实验和综合实验模块，下面将分别介绍这三大模块在可视化教学中的应用案例。

4.1 认知实验案例

系统界面是整个可视化教学系统的重要组成部分，为用户提供方便的交互窗口。用户在系统界面进行操作，系统界面及时的向使用者反馈相关信息，引导用户完成相应的学习任务。在认知实验主界面中，操作者通过对功能按钮的点击操作，可以进入下一级的学习界面。

卫星通信作为天基通信的重要角色，可为全球海上用户提供移动语音和高速数据接入服务。以天基舰船通信实验为例，卫星轨道与卫星波束是卫星通信的基础知识，操作者需掌握卫星的分类、卫星在太空中运行的位置、形状和取向，以及由发射天线决定的电磁波在地球表面上形成的形状，进而了解卫星通信手段对舰船通信发挥的重大作用。天基卫星通信实验操作界面如图5所示。

图5 天基卫星通信实验操作界面

4.2 典型系统实验案例

根据海上无线通信常用的四种设备分别建立其对应的典型通信系统。以Inmarsat-F通信系统为例，Inmarsat-F系统由空间段、地面站和移动站组成，Inmarsat-F77通信系统实验操作界面如图6所示。F77系统船站的工作过程涉及低噪声放大器、高功率放大器、天线控制、变频器、调制/解调器、基带处理等单元，操作者需掌握每种通信系统中各部分的主要功能、作用、工作过程及其工作原理，深入学习整个通信系统。

图6 Inmarsat-F77通信系统实验操作界面

4.3 综合场景实验案例

虚拟仿真综合实验逼真地模拟了海上航行中遇到的起火、爆炸、急症医疗、障碍物避让和远洋护航等安全、紧急和遇险的突发状况，可以训练学生对海上应急通信等设备的使用、判断实验对象每步操作是否正确合理、关键步骤是否遗漏，让学生不断改正完善操作技能，增加了实验场景与过程的真实感与临场感。图7显示了海上船舶起火场景VHF通信的实验仿真。

图7 海上VHF通信综合场景实验仿真

5 结语

本文将虚拟仿真技术融入实验实践教学，结合我校信息与通信工程专业实验教学现状，构建的虚拟仿真实训平台是教学改革的一次探索与实践。本文设计的平台涵盖海洋信息类学科的相关课程实验，将通信专业特色与航海院校特色紧密结合，采用线上实验教学方式，拓展了学生的学习资源，拓宽了学生实验的时间和空间，丰富了学生的学习模式，激发了学生兴趣，保障海上通信类实践教学的安全的同时，提升了教学质量，适应了现代教学的发展，将在海洋信息人才实践能力、科研和社会服务方面发挥积极作用。