航海作業(yè)綜合訓(xùn)練系統(tǒng)的建立及應(yīng)用

(廣州航海高等?？茖W(xué)校，廣州 510725)

一、問題的提出

STCW78/95公約按“功能—等級—責(zé)任級別”分類，將海員適任標(biāo)準(zhǔn)歸結(jié)為7大功能和3大責(zé)任級別，強(qiáng)制性地把功能特色和適任標(biāo)準(zhǔn)劃在一起，構(gòu)成了一個責(zé)任級別具備的知識結(jié)構(gòu)，從而打破了過去的學(xué)科概念。這個知識結(jié)構(gòu)是航海教育中的一個全新概念，它強(qiáng)調(diào)的是航海教育必須以全面素質(zhì)為基礎(chǔ)、能力為本位的教育指導(dǎo)思想。

航海學(xué)既是一門綜合性的應(yīng)用學(xué)科，又是一門實(shí)踐性強(qiáng)的學(xué)科，內(nèi)容包括航?；A(chǔ)、各種航法、各種導(dǎo)航方法、航海作業(yè)等內(nèi)容，其中航海作業(yè)是課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一。目前院校在進(jìn)行航海學(xué)科教學(xué)時，大多按航海學(xué)組成內(nèi)容按“地文航海”“航海儀器”等分別授課，這對于傳授航海知識無疑有很大的益處，但對照以全面素質(zhì)為基礎(chǔ)、能力為本位的教育指導(dǎo)思想，特別是對于培養(yǎng)學(xué)生航海綜合實(shí)作能力，在某些方面還不能完全滿足實(shí)際航海工作的需要。

(1)作業(yè)內(nèi)容單一，綜合實(shí)作不強(qiáng)。由于航海課程各自實(shí)施課堂教學(xué)，往往使得航海作業(yè)內(nèi)容單一，綜合性不強(qiáng)。如“航海儀器”課僅僅進(jìn)行有關(guān)航海儀器的開關(guān)機(jī)、輸入航路點(diǎn)等基本操作，學(xué)生根本無法進(jìn)行有關(guān)航海海圖作業(yè)、航海儀器的操作、雷達(dá)導(dǎo)航與定位等的綜合操作訓(xùn)練。

(2)缺乏實(shí)際航行環(huán)境，航海作業(yè)時效性差。整個航海實(shí)踐訓(xùn)練缺乏一個動態(tài)的、實(shí)時的航行環(huán)境與觀測環(huán)境，航海作業(yè)時可快可慢，時效性差，與船舶海上實(shí)際航行時作業(yè)訓(xùn)練情況相差甚遠(yuǎn)，航海實(shí)踐訓(xùn)練效果差。

(3)實(shí)裝設(shè)備少，教學(xué)訓(xùn)練矛盾突出。院校受辦學(xué)經(jīng)費(fèi)的影響航海裝備普遍偏少；而船舶超大型化，船用設(shè)備自動化，價值昂貴，使用壽命有限，利用實(shí)船和船上設(shè)備進(jìn)行航海技能訓(xùn)練機(jī)會不多。

針對課室航海作業(yè)中存在的缺陷，為了加強(qiáng)學(xué)生的航海作業(yè)能力，提高航海教學(xué)訓(xùn)練效果，筆者提出用計(jì)算機(jī)功能模擬軟件，結(jié)合船舶實(shí)時運(yùn)動模型，虛擬海上航行環(huán)境，通過基于電子海圖技術(shù)的航海訓(xùn)練系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航海專業(yè)的綜合作業(yè)。

二、航海作業(yè)訓(xùn)練系統(tǒng)的組成與功能

1.系統(tǒng)硬件構(gòu)成及功能

系統(tǒng)主要由一個控制中心和若干個學(xué)生訓(xùn)練臺組成。控制中心一般采用一臺性能優(yōu)越的計(jì)算機(jī)，主要完成航行訓(xùn)練計(jì)劃的制訂、選擇與執(zhí)行及信息發(fā)布、實(shí)時監(jiān)控學(xué)生操作等。學(xué)生訓(xùn)練臺用矢量化電子海圖作為平臺，實(shí)時疊加顯示航行船舶及航跡，為學(xué)生提供一個操作方便、易于使用的界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互進(jìn)行航海綜合作業(yè)訓(xùn)練。

2.系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及功能

(1)電子海圖模塊。電子海圖顯示系統(tǒng)通過將紙海圖進(jìn)行數(shù)字化后，建立空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫，對信息進(jìn)行分層，并通過數(shù)據(jù)通信鏈的傳送，將船位、船舶計(jì)劃航線、實(shí)際航跡等有關(guān)信息疊加在電子海圖上。

(2)導(dǎo)航儀仿真。導(dǎo)航儀仿真是利用VC、VB軟件對GPS導(dǎo)航儀進(jìn)行仿真和功能模擬，再利用數(shù)據(jù)通信鏈將船舶運(yùn)動模型中的航向、航速等導(dǎo)航參數(shù)實(shí)時傳遞過來，使模擬導(dǎo)航儀具有航行條件下各項(xiàng)導(dǎo)航功能的操作。

(3)模擬雷達(dá)導(dǎo)航。主要是根據(jù)模擬航行海區(qū)的目標(biāo)回波顯影進(jìn)行目標(biāo)回波識別練習(xí)，通過測定出目標(biāo)方位、距離定出艦位，以及模擬北向上、航向向上的顯示方式進(jìn)行雷達(dá)導(dǎo)航與定位訓(xùn)練。

(4)數(shù)據(jù)庫管理軟件。管理與存儲航路指南、港灣錨地圖集、港口資料等航海資料有關(guān)信息。

(5)船舶運(yùn)動模型。模擬船舶航行狀態(tài)如位置、航向、航速、海況等，虛擬海上實(shí)際航行環(huán)境。

(6)航海作業(yè)訓(xùn)練軟件。制訂學(xué)生的航海訓(xùn)練計(jì)劃、訓(xùn)練內(nèi)容等。

(7)通信軟件。主要經(jīng)過相應(yīng)的通信接口接收數(shù)據(jù)并將接收到的信息進(jìn)行變換后，利用數(shù)據(jù)通信鏈傳送并疊加到電子海圖顯示系統(tǒng)。

三、航海綜合作業(yè)方法

1.航海海圖綜合作業(yè)

航海海圖綜合作業(yè)主要通過航海作業(yè)訓(xùn)練軟件調(diào)入計(jì)劃航線，根據(jù)計(jì)劃航線起點(diǎn)及計(jì)劃航線的航向、航速，選擇合適的舵角、輪轉(zhuǎn)速，由控制中心操縱船舶以模擬船舶海上實(shí)際航行。一般只控制航海計(jì)劃，設(shè)定包括風(fēng)流情況的氣象條件及海況。

每半分鐘計(jì)算一次船舶的位置(經(jīng)緯度)、航向、航速以及在風(fēng)流影響下的船舶實(shí)際航跡、實(shí)際航速，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄W(xué)生臺，供學(xué)生臺GPS導(dǎo)航儀、雷達(dá)仿真模塊使用及學(xué)生臺顯示船形和計(jì)算到選定目標(biāo)的方位、距離、水平角、垂直角等。學(xué)生在學(xué)生臺上按照船舶海上實(shí)際航行情況進(jìn)行航線標(biāo)繪、陸標(biāo)定位、航海日志填寫等，同時利用仿真導(dǎo)航儀、模擬雷達(dá)等進(jìn)行無線電導(dǎo)航與定位、雷達(dá)導(dǎo)航與定位等，同時學(xué)生也可在學(xué)生機(jī)上修正航向航速來保證船舶航行在計(jì)劃航線上，從而實(shí)現(xiàn)了海圖綜合作業(yè)訓(xùn)練。為了減少教師輔導(dǎo)的強(qiáng)度，可以在訓(xùn)練方案中加入教師提示信息、附加要求、氣象情況等信息，執(zhí)行計(jì)劃時由計(jì)算機(jī)自動播放。

2.擬定航海計(jì)劃訓(xùn)練

根據(jù)計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的電子海圖及提供的畫線、畫符號、注字、度量工具，學(xué)生根據(jù)要求直接在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)劃航線設(shè)置與航海計(jì)劃表的填寫。若擬定航行計(jì)劃考核時，可由教師按計(jì)劃航線評估規(guī)則進(jìn)行評分；平時擬定航行計(jì)劃訓(xùn)練時，學(xué)生可以選擇航線自動評估模塊進(jìn)行自動評估。自動評估時首先與計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃航線進(jìn)行比較，按偏差度進(jìn)行打分。若偏差較大則根據(jù)航線設(shè)置的合理性(主要包括航線的離岸距離、航線的水深、轉(zhuǎn)向點(diǎn)、總航程是否滿足要求等)進(jìn)行評估。根據(jù)評估結(jié)果，可以有針對性地加強(qiáng)訓(xùn)練。

3.導(dǎo)航儀綜合訓(xùn)練

人工給船舶運(yùn)動模型輸入模擬船舶航行的航向、航速，再利用數(shù)據(jù)通信鏈把航行的有關(guān)導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳送給仿真導(dǎo)航儀，使學(xué)生在學(xué)生臺上實(shí)現(xiàn)虛擬船舶航行環(huán)境下無線電導(dǎo)航儀動態(tài)綜合操作，從而有效地克服實(shí)裝導(dǎo)航儀在作業(yè)室無法進(jìn)行動態(tài)綜合操作的弊端。它既可以在航海綜合作業(yè)中進(jìn)行，也可以單獨(dú)調(diào)用仿真模塊進(jìn)行導(dǎo)航儀綜合操作。

4.雷達(dá)導(dǎo)航定位訓(xùn)練

模擬雷達(dá)導(dǎo)航就是能夠逼真模擬船舶在電子海圖海區(qū)中任何位置的物標(biāo)回影，通過船舶運(yùn)動模型的運(yùn)行，形象地顯示出雷達(dá)中目標(biāo)回影的粘連、遮擋、展寬等失真現(xiàn)象，以及雨、雪干擾等情形。通過模擬雷達(dá)回影與電子海圖的比較，訓(xùn)練學(xué)生對各種情況下目標(biāo)的分辨能力，同時通過運(yùn)用模擬雷達(dá)對目標(biāo)距離或方位的測量來提高利用雷達(dá)導(dǎo)航的能力。它既可以在設(shè)置的航海作業(yè)中進(jìn)行，也可以單獨(dú)調(diào)用模擬雷達(dá)導(dǎo)航模塊進(jìn)行操作訓(xùn)練。

四、教學(xué)方法特點(diǎn)

1.提高學(xué)生航海綜合作業(yè)技能

利用航海作業(yè)訓(xùn)練系統(tǒng)中的船舶運(yùn)動模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊等，選擇合適的舵角、輪轉(zhuǎn)速，由控制中心操縱船舶航行，讓學(xué)生利用系統(tǒng)進(jìn)行航海作業(yè)時得到一個接近實(shí)際的航行環(huán)境。在接近實(shí)際的航行環(huán)境下進(jìn)行航線設(shè)計(jì)訓(xùn)練、陸標(biāo)定位、無線電導(dǎo)航與定位、雷達(dá)導(dǎo)航與定位、綜合導(dǎo)航等，可以進(jìn)一步提高學(xué)生的航海綜合作業(yè)技能。

2.提高航海專業(yè)實(shí)踐教學(xué)效率

航海作業(yè)訓(xùn)練系統(tǒng)可以將航海學(xué)科各課程的內(nèi)容融合在一起，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)資源，使航海訓(xùn)練更接近實(shí)際工作，具有時效性、動態(tài)性及系統(tǒng)性，極大地提高了學(xué)習(xí)和教學(xué)效率。同時，學(xué)生在虛擬航海環(huán)境下進(jìn)行航海學(xué)科的綜合作業(yè)，可以縮短隨船出海實(shí)習(xí)的時間，為國家節(jié)約大量經(jīng)費(fèi)。

五、結(jié) 語

利用計(jì)算機(jī)功能模擬軟件虛擬實(shí)際環(huán)境，將航海各作業(yè)內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)航海綜合作業(yè)，既提高了航海教學(xué)訓(xùn)練效果，又可減少海上訓(xùn)練時間。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立航海作業(yè)訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合訓(xùn)練，是院校航海教育發(fā)展的方向。

[1]徐遠(yuǎn)新，周坤芳.基于電子海圖技術(shù)的航海訓(xùn)練系統(tǒng)[C]//21世紀(jì)船舶導(dǎo)航發(fā)展學(xué)術(shù)年會論文集，1999.

[2]李啟華，王桂峰.用計(jì)算機(jī)模擬雷達(dá)導(dǎo)航訓(xùn)練[J].廣州航海，1998(4).

[3]徐志剛，周坤芳.利用航海模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，提高航海綜合技能訓(xùn)練效益[C]//紀(jì)念李嘉誠先生創(chuàng)辦航海教育八十周年論文集.北京：中國文聯(lián)出版社，2000.