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虚拟仿真技术在21世纪航海教育中的发展与应用
2013年8月3日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:方泉根
    单位:上海海运学院商船学院

    摘 要 简要介绍了计算机仿真技术在航海教育中的应用与发展现状, 并就这种技术在 21 世纪航海教育中的发展与应用前景进行了展望。同时, 还就如何促进计算机仿真技术在我国航海院校教学培训工作中的全面应用, 以适应 21 世纪国内外海运事业发展的需求提出了几点设想。

    0 前 言

    近年来, 随着计算机技术、信息工程与自动化等技术的迅猛发展, 计算机仿真技术也得到了快速发展。自 20 世纪 70 年代前后开始起步并用于航海教育的计算机仿真教学培训设备 ——航海模拟器, 无论在种类、功能及技术性能方面目前都处于一个崭新的阶段。鉴于现代船舶已装备了先进的导航和自动化控制设备, 为了满足现代航海事业对船舶驾驶人员在知识和技能学习训练方面的需要, 计算机仿真技术已在各国航海院校的教学培训中广泛应用。

    国际海事组织(IMO) 在 1995 年新修订的 1978 年国际海员培训、发证和值班标准公约(ST CW) 中多次强调了计算机仿真技术在航海教育中的作用, 并就其在航海专业教学培训中的具体应用作出了明确规定, 以便船舶驾驶人员通过参加这些新型的专业知识和技能的学习训练真正掌握现代航海技术, 胜任日后的专业工作。可以肯定的是, 随着现代高新科技的发展和为了满足世界航运业的新需求, 计算机仿真技术在 21 世纪的航海教育工作中将有更大的发展前景, 并将发挥更大的作用。

    1 计算机仿真技术在现有航海教育中的应用。

    1.1 雷达模拟器

    计算机仿真技术在航海教育中的应用可以追溯到 20 世纪 70 年代前后的早期雷达模拟器的研制与应用。鉴于当时这种技术的局限性和航海教育培训的需要, 这类建立在计算机仿真技术基础上的雷达模拟器只能通过小型计算机系统产生限定数量的雷达物标与岸线信号, 用在雷达真机上进行物标的观测与识别、导航与定位、危险物标的判断与避让的模拟训练。进入 20 世纪 80 年代后, 随着计算机仿真技术的发展和为了满足当时海上安全航行训练的需要, 以雷达模拟器为基础的. 雷达/ 自动雷达标绘仪(ARPA) 模拟器.和. 雷达导航模拟器.得到了大规模的发展。这类模拟器除了可用于船舶驾驶员及航海专业学生举办的. 雷达观测与标绘.及. ARPA 操作.专项实操训练外, 还可用于各种导航设备仪器的模拟操作训练, 以正确测定船舶的位置和保证船舶航行的安全。目前它已成为世界各国航海院校拥有数量最多、应用最广的模拟器。

    1.2 船舶操纵模拟器

    雷达模拟器和雷达与导航模拟器都只能通过产生雷达/ ARPA 装置和船用导航仪器的模拟信号, 用于使用雷达航行和各种不同类型导航仪器进行定位等方面的训练。由于这些部分功能(Part Task) 模拟器无法提供任何供参考的海上视景信号, 因此在实际使用中带有很大的局限性。自 20 世纪 70 年代后期起, 国外一些航海院校开始装备通过计算机控制投影光点显示夜景或直接由计算机成像显示昼/夜视景功能的船舶操纵模拟器。这种模拟器可以直观地模拟和显示船舶在海上或港内航行及操纵情境的视景, 便于受训人员接受真实感强、训练项目多的船舶航行、避碰、定位及靠离泊位操纵等方面的训练。为了综合开发各种模拟功能, 现有的船舶操纵模拟器都已将雷达、ARPA 及导航模拟器的功能与自有的功能集为一体, 成为综合(Hybrid) 航海模拟器或全功能(Full Mission) 模拟器。这些先进的航海模拟器可用于要求更多更高的综合型的航行训练。但是, 这类模拟器自 20 世纪 80 年代成为产品推向市场后, 因其价格高昂, 难以在世界上推广应用。进入 90 年代后, 随着 PC 机及图像处理技术的飞速发展和完善, 国内外研制的以多台 PC 机组成局域网为基础的船舶操纵模拟器开始投入使用。由于这种设计大大降低了成本, 又能保证各种模拟效果, 所以受到了航海院校的普遍欢迎。目前国内外已有不少航海院校装备了这类模拟器。

    1.3 其他航海模拟器

    为全面满足航海教学培训的新需求, 计算机仿真技术在航海教育的其他领域内也得到广泛应用。例如轮机模拟器的问世解决了轮机员在船舶主机操作与管理方面的训练, 以便他们能全面正确地掌握相关的实际操作程序与方法; 液货操作模拟器(槽管模拟器) 投入使用后, 由于它能真实模拟液体货物装卸作业中的实际情况, 负责这些工作的人员在接受油轮装卸与原油洗舱等方面的模拟训练后, 他们就能正确掌握液货装卸与洗舱安全操作等方面的操作规程与技能; 还有一些航海院校根据船舶交通管制(VTS) 培训课程的需要, 研制配备的 VTS 模拟器可供 VTS 的指挥和管理人员参加实际操作的训练, 以确保和提高培训质量; 又如国内外许多航海院校在20 世纪 90 年代装备的用于全球海上遇险安全系统(GMDSS) 系统模拟训练的 GMDSS 模拟器, 在开展全球性的强化船员正确使用和操作该系统的训练工作中发挥了巨大的作用。

    另外, 虽然上述这些部分、综合或全功能模拟器大都具有真实感强和模拟功能多的特点, 但是它们的计算机系统及仿真设备机构较为复杂、成本较贵、维修费用大且不太方便, 还受到专用计算机等方面的限制, 因此它们的使用和推广受到办学经费和技术人员水平的制约与影响。近年来, 由于 PC 机及网络技术的飞速发展, 国内外航海院校和科研单位又研制了以 PC 机为基础的桌面(Desktop) 航海模拟器, 或直接使用 PC 机展开计算机辅助教学(CAI)工作。由于这些模拟辅助教学培训装置具有成本低、用途广、操作使用与维修保养方便的优点, 因此它们的出现受到了世界航海教育界的欢迎和重视,并已得到推广使用。

    2 计算机仿真技术在 21 世纪航海教育中的发展与应用

    2.1 21 世纪航海教育对计算机仿真技术发展与应用的要求

    计算机仿真技术是随着科技及社会需求的发展而发展的, 其本身的功能及应用也是在这一过程中逐步得到增强 和拓宽的。IMO 1978 年 在制定STCW 公约时就采用推荐使用的方式强调了计算机仿真教学手段 ... 航海模拟器在教学培训中的作用。而今科学技术及国际航运业日新月异, 航海模拟器已在世界许多航海院校得到应用与推广, 为了在全球范围内推广现代航海教学培训方法以提高专业教学培训的质量和适应新形势的需求, 1995 年IMO 在它修订的 ST CW 公约中对航海模拟器在航海专业教学培训中的应用提出了实质性的要求, 对一些应采用或可采用航海模拟器进行教学培训的项目作出了明确的规定。修正后的 STCW 公约除规定强制性使用雷达/ARPA 模拟器进行相关的专业技术培训外, 还在其规则A 部分 ... 强制性标准中. 最低知识要求、评价适任的标准和表明精通业务的方法.的规定中提出航海模拟器应用于以下课程的训练和考核:

    a. 世界不同区域的航路设计和导航;

    b. 各种条件下的船舶定位;

    c. 罗经误差的确定与修正;

    d. 航行值班的安排和操作程序的确立;

    e. 使用雷达和ARPA 以保持航行安全;

    f. 船舶在各种情况下的操纵与操作;
   
    g. 计划和准备货物积载, 确保货物运输、装卸及堆装的安全;

    h. 控制吃水差、稳性及应力情况;

    i. 监督和控制法定要求执行的保护海上环境的措施。

    以上要求只是 IMO 根据国际上的现有情况提出的最低标准, 从目前航海高新技术的迅速发展而言, 这些最低标准不久就会被更新和修改。尽管这样, 上述这些 IMO 的规定和要求在 21 世纪将继续发挥指导性的作用。同时, 在计算机信息技术等高新科技在船舶建造、现代通信与导航和海上安全保障等系统得到更进一步快速发展的 21 世纪, 为了适应和满足新世纪航海教育的实际情况和需要, 计算机仿真技术也将在航海最新科技的推广与使用、现代船舶与货物运输管理、最佳人力资源的开发与使用、海上安全保障与控制、海上环境防污与保护等方面发挥更大的作用。

    2.2 计算机仿真技术在 21 世纪航海教育中的发展趋势与作用

    2. 2. 1 新型航海模拟设备的发展趋势

    以往国外在设计与生产大型模拟设备时, 过分强调系统规模大、模拟功能多和逼真度高, 所以往往采用计算机工作站和大型高分辨率投影装置等, 造成此类模拟器的造价过于昂贵, 只能供少量人员参加培训, 难以全面推广应用的结果。在设计与生产小型模拟设备时, 又往往只是考虑单一或部分模拟功能的需要, 因通用性差不能用于其他课程的辅助教学, 局限性较大。

    为了适应和满足现代航海教育的需要, 目前国外模拟器制造厂家在积极采用新科技和充分考虑模拟训练功能的完善与实用的基础上, 开发出造价成本低、使用范围广、功能适用性强的多单元训练系统, 打破了以往单一追求模拟环境的仿真度和系统大而全的格局。例如在新型船舶操纵模拟器设计中大多采用 PC 机局域网技术, 可提供 4 套或更多的可独立控制的各由 3 台或 5 台大屏幕彩色显示器及其他普通常用驾驶台模拟设备组成的视景船舶驾驶台以供多人同时参加训练。在轮机模拟器的设计中也采用了一些相应的办法, 以便可同时供多组人员参加训练。同时, 将船舶操纵模拟器和轮机模拟器合为一体的模拟资源综合开发与应用工作也已开始运作。另外, 采用多台普通 PC 机局域网络组成的通用型多功能桌面模拟系统已日趋完善, 一些新型航海教学软件的开发与投入运用使得这类模拟教学设备在现代航海教学中发挥越来越重要的作用。

    值得注意的是, 国外在研制新型航海模拟设备时, 已开始超前考虑 21 世纪信息技术和其他最新技术发展的需要。由于 20 世纪末人类已在计算机数据处理、多媒体视频与音频信号处理、数据通信与传输等方面取得了根本性发展与重大成就, 在新世纪,全球性的计算机网络与通信等系统将得到更快的发展。这些已经发生和潜在的新技术革命将使数据处理与传输更为快速与通畅, 其运行成本与可靠性更为理想化, 从而在视频、音频等多媒体技术运用方面有更重大的突破。这些技术的发展肯定将对日后的航海教育发生重大的影响。为此, 国外一些航海技术研究公司和人员已将模拟技术的设计与计算机远程教育方式的通用性及如何将计算机仿真技术的运用与 INTERNET 网站的作用相结合等超前问题列入研究课题和工作日程。

    2. 2. 2 计算机仿真技术在航海教育中的新应用

    随着日后航海教育的发展需要和计算机技术的发展, 计算机仿真技术在航海教育中的应用将在原有的基础上有更为广阔的前景。首先, 21 世纪高新科技知识与应用的飞速发展将使航海科技发生极大的变化。

    近年来已经开始应用并正在完善的电子海图、航海智能专家系统和船舶自动识别系统等技术和已在现有航空技术中普遍使用的计算机自动导航与操纵的控制技术的不断运用与普及将使船舶在全自动导航、自动操纵与避碰和货物装卸、运输与保管等方面的航海应用技术在新世纪中将发生根本性的变化。如何使新一代船员在有限的时间内科学和充分地掌握这些最新航海科技的实际运用技术将成为新型航海模拟器的设计与应用的基础。

    与此同时, 在航海教育与船员技能训练中, 新型模拟培训课程的设计与开发将始终围绕教学培训的要求与效果而进行。除了普通的实际操作程序及技能的训练外, 提高受训人员应付特殊环境与紧急状态的心理素质的训练也将是日后航海模拟设备的重要训练内容。目前, 世界上有些国家已开始着手对海员疲劳程度、饮食卫生、思想情绪等内在与外界因素对船员与船舶安全影响及作用的仿真模拟研究。

    这意味着计算机仿真技术在新世纪中将全面用于船员心理学和生理学等方面的教学研究工作。

    另外, 如前所述, 20 世纪末计算机数据处理、现代通信、网络及网站技术的开发将使航海计算机远程模拟教学训练在新世纪中也将得到发展与应用。

    航海院校的航海模拟中心可通过以网站技术为基础的方式为学习航海技术和更新专业技能的学生与船员提供远程教育与培训的机会。这些受训人员可直接在陆地的教室与家中或正在海上航行的船舶上,根据自己的需要在相应的计算机网站上选用自己所需的计算机仿真教学培训软件或按照计算机屏面的提示或通信对话, 参加相应的专业技术知识或技能的模拟学习与训练。当然, 以上这些最新航海教学培训方式的实施需要最新高科技的保证, 而且面临着多种因素的影响。但是, 从人类科技发展的现状和未来社会发展的需求来看, 以上提及的航海教育与培训的新方式在未来是完全可以实现的。

    3 促进新世纪计算机仿真技术在我国航海院校的应用与推广

    3.1 继续抓紧航海模拟器的教学研究工作

    我国航海院校自 20 世纪 80 年代初展开计算机仿真教学工作后, 为了促进国内航海模拟器教学工作, 在国内主要航海院校的共同发起和努力下, 于1988 年正式成立. 中国航海模拟器教学研究会.。该研究会每年召开一次年会, 共同讨论和研究航海模拟器在航海教学中的实际应用与发展, 以充分发挥航海模拟器的作用和推广航海模拟器在国内航海教学培训中的应用。在交通部和各航海院校领导的关心支持和国内各航海院校教师的积极参与下, 至今已召开了 12 次年会。研究会与国际航海模拟器教师大会保持密切的联系, 自 1988 年至今年连续有代表参加了该国际学术组织的第 5~ 11 届大会(两年召开一次) , 并参与和担任了该组织执行委员会的领导工作(执委会副主席) 。研究会在 1994 年还协助该组织在上海海运学院举办了第八届国际航海模拟器教师大会。所有这些为国内全面推进航海模拟教学和航海模拟器的研制工作打下了良好的基础,航海模拟设备已在国内各航海院校的教学培训工作中发挥了重要的作用。为了进一步做好我国新世纪的航海教育工作, 交通部和其他各级领导应继续关心、支持研究会的工作, 鼓励从事航海模拟教学工作的教师积极参与研究工作, 以进一步发挥该学术团体在 21 世纪中的作用。

    3.2 积极研制新型航海模拟设备

    我国航海院校和科研部门已在自我开发和研制航海模拟设备工作中取得了较大的成绩。国内航海院校目前配备的绝大多数航海模拟设备都已实现国产化。正因为国产模拟设备具有价格低、功能强和维修更新方便的特点, 近年来这些设备已在国内航海院校得到了推广使用。虽然这些国产模拟器能满足教学培训的需要, 但由于资金及技术上的限制, 与国外同类先进的仿真设备相比, 它们在总体设计和使用功能上还存在一定的差距。为了适应新世纪高新科技全面发展的新形势, 满足未来航海业的新需求, 我国应进一步加快开发和研制新型航海模拟设备和提高仿真技术水平。目前, 国内有关专业人员已经注意到对船舶操纵与轮机一体化模拟器的研制开发和运用的研究, 在计算机虚拟现实技术的应用方面也已进行了开发应用, 多功能桌面模拟系统也有了长足的发展。为了赶上和达到国际航海仿真技术新水平, 提高航海教学培训的质量, 有关主管部门应鼓励和动员航海教育与研究单位继续做好这方面的工作, 真正使我国的航海教育能适应和满足新世纪国际航运业大发展的需求。

    3.3 全面强化航海模拟器教练员的培训工作

    为了确保航海模拟器教学培训工作的正常展开, 交通部主管部门应进一步组织各航海院校对从事航海模拟教学工作的教练员的任职资格、培训途径、知识更新等问题进行全面认真的讨论。为了保证这些教学人员能真正掌握使用现代模拟设备的相应技术和全面发挥模拟设备的作用, 有必要通过开设航海模拟器教练员业务研讨班等形式, 对航海模拟器教练员进行必要的业务技术培训和指导, 以全面强化这些教练员本身的培训工作, 从而保证有称职的师资来从事 21 世纪航海模拟教学培训工作和不断开发新型的教学培训课程。

    3.4 认真探讨最新科技对未来航海模拟器教学培训的影响

    国内从事航海模拟技术开发的技术人员和教学人员应充分认识到计算机信息与网络等最新科技对未来航海教育的影响, 了解和掌握国外最新科技动态。同时, 应及早根据国内外航海教育的发展与需要, 结合现代科技的发展与运用的实际情况, 对如何运用新科技开发航海模拟器和运用这些模拟设备进行远程网络教学等前景进行探讨与研究, 以便能使我国的航海教育事业在 21 世纪能跟上和达到世界领先水平。

    4 结束语

    实践证明, 现代航海教育离不开计算机仿真技术。我们必须在新世纪充分认识到这一事实, 积极采取行动与措施, 认真做好这方面的教学研究与开发工作, 使计算机仿真技术在日后的航海教学培训工作中发挥更大的作用, 从而使我国航海教育在 21世纪能真正与国际接轨, 并为新世纪国际航运业的发展作出贡献。

    参考文献

    [1] 方泉根. 航海模拟器的现状与展望. 中国航海, 1996(1)

    [2] Fang Quangen. New Developments of Navigation SimulatorEducation & Training and research in China. Proceedings ofInternational Navigattion Simulator Lecturers. Conference 10(INSLC10) in Plymouth, England, 1998. 8

    [3] Peter Muirhead. Simulation, Open Learning and the world wideWEB- opportunity for a new training paradigm, Proceedings of11th International Navigational Simulator Lecturers. Conference,Sweden 2000. 8

    [4] McDermott A P, Chudley J. Internet Based Learning for MarineRelated Continuing Professional Development, Proceedings of11th Conference for International Maritime Assoication, Sweden,2000. 8

标签:航海船舶海洋轮船军舰
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