直升機救助與水下逃生虛擬仿真實驗教學項目建設與實踐

熊 偉, 潘 濤, 王海濤

(大連海事大學 船舶與海洋工程學院, 遼寧 大連 116026)

1 虛擬仿真實驗建設背景

隨著世界航運事業(yè)和海洋漁業(yè)的發(fā)展,海上船舶的數(shù)量越來越多,海上應急保障任務變得更加艱巨,對海上救助與打撈專業(yè)人才的培養(yǎng)愈加受到重視。大連海事大學救助與打撈工程專業(yè)是交通運輸部救助打撈局與大連海事大學合作共建的國內(nèi)首個救撈領域的專業(yè),2011年獲批進入教育部卓越工程師教育培養(yǎng)計劃。救助與打撈工程實驗室依托救助與打撈工程專業(yè),擁有國內(nèi)先進的救撈實驗實踐教學設備[1]。實驗室的建設與救助打撈行業(yè)緊密結合,積極服務于我國海上交通運輸安全,成為我國救撈先進技術和行業(yè)標準推廣的研究與應用示范基地[2]。

直升機救助是海上事故中反應最迅速、效率最高的救助方式,其存在與發(fā)展有著極其重要的作用。然而由于直升機構造復雜、飛行環(huán)境多變、操作難度大、事故突發(fā)性強等特點,因此事故率較固定翼飛機高,在水面發(fā)生事故后更容易下沉翻轉,使機上乘員逃生困難[3-4]。為保障直升機乘員安全,進行直升機水下逃生訓練十分必要。然而在高校救助與打撈工程專業(yè)實踐教學中面臨4方面難題。

(1) 實驗室的大型設備與特種設備多,造浪模擬水池、直升機救助訓練模擬平臺、直升機水下逃生模擬器等大型實驗設備操作復雜,數(shù)量少,設備運行成本高,每次上課之前都要花費較多的時間向?qū)W生講解如何操作設備。使用直升機水下逃生模擬器對于初次參加訓練的人員也具有一定的危險性,特別是直升機救助高空訓練和直升機水下逃生冬季低溫訓練,以及兩者共同存在的夜間訓練等涉及高危和極端環(huán)境訓練,難度更大。

(2) 救撈專業(yè)學生通過校企合作,每年要赴煙臺、上海、廣州進行救撈專業(yè)實習,面臨著資金耗費多、外出時間長、組織協(xié)調(diào)困難、存在不安全因素等,實習效果不盡如人意。

(3) 救助任務、打撈作業(yè)案例各不相同,授課教師需要搜集很多的資料,講解內(nèi)容的操作性、靈活性和可遷移性都不夠好,而且對于學生來說不夠形象、生動。

(4) 從事直升機救助工作的相關的企事業(yè)單位、民間公益救援組織,對直升機救助模擬訓練需求大,目前國內(nèi)卻沒有全面、專業(yè)的網(wǎng)絡在線學習平臺。

通過虛擬仿真實驗項目的建設,可重點解決直升機絞車手和救生員訓練、直升機水下逃生和夜間訓練等高危和極端環(huán)境訓練,降低培訓成本、提高培訓效率。利用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通信等技術,將教學實驗形象、生動地展示在學生面前,使學生方便、快捷、高效地了解救助打撈專業(yè)領域的最新技術與裝備,提高教學質(zhì)量。虛擬仿真實驗教學項目的建設易于實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實驗教學資源共享,可為從事直升機運輸、救助的相關行業(yè)人員提供虛擬仿真實驗資源,產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益[5]。

2 開發(fā)虛擬仿真實驗項目的必要性

大連海事大學基于直升機救助與水下逃生兩項實驗,在國家科研項目支撐下,研發(fā)了國內(nèi)先進的直升機救助訓練模擬器和直升機水下逃生訓練模擬器。這些訓練模擬實驗設備能夠滿足實驗教學的要求,但數(shù)量遠遠不能滿足教學和培訓的需求。為此,我們將科研成果進行虛擬化,通過網(wǎng)絡平臺,線上開發(fā)直升機救助與水下逃生虛擬仿真實驗項目,目的是將直升機救助與水下逃生訓練相關實驗共享給全國高校學生、企事業(yè)單位以及民間從事直升機海上救助與運輸作業(yè)的人員,讓他們能夠直觀、形象地接受直升機救助和水下逃生訓練。

虛擬仿真實驗是信息技術與實際操作深度融合的產(chǎn)物,極大地拓展了學生的學習資源和學習空間,特別適應現(xiàn)代教育的發(fā)展,豐富了學生的學習方式[6]。特別是對于直升機救助及直升機水下逃生這樣具有高危險性、大型綜合的實踐性培訓項目,可以彌補無法多次實際操作的弊端。基于上述問題,大連海事大學將虛擬仿真技術引入實驗教學,開發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)[7],開創(chuàng)了線上與線下教學相結合的個性化、智能化、形象化的直升機救助訓練和水下逃生訓練,使學生更容易掌握直升機救助和水下逃生的過程以及步驟,提高學生實際操作的技能。

通過開發(fā)直升機救助與水下逃生虛擬仿真實驗,使得學生初步了解直升機救助的相關步驟與操作方法；熟悉直升機救助裝備,包括救援套裝以及個人防護裝備等；使學員體驗直升機空中救助,對海上救助方法和技能有一定的認識；了解直升機水下逃生訓練的重要性；了解直升機水下逃生訓練的過程,包括入水體驗、正艙位逃生體驗、翻轉艙位逃生體驗,掌握水下逃生的步驟；提高培訓人員應對直升機落水突發(fā)事件的應急處置能力,為學員從事海上救助活動、海洋平臺相關工作提供安全保障。

3 虛擬仿真實驗建設方法

在直升機救助與水下逃生虛擬仿真平臺上,虛擬仿真實驗教學設置了學習和考核兩個系統(tǒng)。

(1) 學習系統(tǒng)。學生在電腦屏幕文字、畫面等提示下,通過人機交互,學習全部訓練過程。該系統(tǒng)為學生展示了直升機救助和直升機水下逃生訓練的每一個操作步驟,每一步操作都有文字和角色高亮提示,重點操作步驟還有語音提示。當學生在實驗過程中遇到難點時,可以查看“幫助”得到常見問題的解決方法,也可切換至“演示”系統(tǒng)觀看正確的操作視頻。

(2) 考核系統(tǒng)。學生在電腦操作界面無任何文字提示下進行實驗操作,操作結束后,系統(tǒng)自動給出考核分數(shù)。學生先進行理論課程學習,完成學習模塊后,方可取得考核資格?？己讼到y(tǒng)對不符合操作流程的動作進行糾錯和減分[8]。

3.1 直升機救助虛擬仿真實驗

直升機救助虛擬仿真實驗分為學習模式和考核模式。結合真實的直升機救助訓練中的人員分工,在兩種模式下又各自可以選擇絞車手和救生員身份進行訓練和考核。

絞車手在救助中主要責任是：(1)操作絞車系統(tǒng),控制鋼索的收放,協(xié)助救生員完成救助任務；(2)與直升機駕駛員協(xié)同,指示駕駛員操控飛機,配合救生員完成出艙救助遇險人員。

救生員角色的主要任務是利用相關救援設備出艙直接救助遇險人員,并將遇險人員安全轉移到直升機艙內(nèi)。

作為救助與打撈工程專業(yè)領域首個申報的虛擬仿真實驗教學項目,前期在線上測試了學生使用情況和實際教學效果。目前已開發(fā)了直升機單套吊運和雙套吊運兩種救助方式的虛擬仿真實驗。根據(jù)學生體驗的效果,后續(xù)將增加高繩吊運、擔架吊運等救助方式的仿真實驗,完整地仿真直升機救助的所有方式,使得學生能夠全面學習到直升機救助的訓練科目,對于救撈專業(yè)“救助工程”課程中的理論知識有更加直觀、形象、深入的理解和掌握。

直升機救助虛擬仿真實驗界面如圖1所示。

圖1 直升機救助虛擬仿真實驗界面

3.2 直升機水下逃生虛擬仿真實驗

直升機水下逃生虛擬仿真實驗也分為學習模式和考核模式,兩種模式下各包含3個訓練科目：入水體驗、入水逃生訓練和翻轉逃生訓練。

(1) 入水體驗設定目的是使首次參加訓練的學員感受訓練場地的水溫,在淺水區(qū)練習水中憋氣和應急呼吸氣瓶的使用,適應在逃生訓練艙中入水后被水淹沒的感覺和口鼻進水的不適感,為后續(xù)的逃生體驗奠定訓練基礎。

(2) 入水逃生訓練是為了訓練學員體驗訓練艙沉入水中的過程中,在被水淹沒的場景下正確判斷出口位置,迅速解開安全帶,從最近出口逃生的能力。

(3) 翻轉逃生體驗訓練是為了訓練在直升機落水翻轉的真實情況下,克服體位倒置的不適感,準確判斷逃生出口位置,迅速解開安全帶從合理出口逃生。

在入水體驗科目中,學生通過鍵盤和鼠標按鍵操控人物角色進入訓練水池中。首先通過屏幕提示按鈕進行水下憋氣訓練,隨后選擇正確入口進入直升機逃生模擬器內(nèi)并選擇正確座椅坐下。先點擊畫面中的安全帶,練習系上和解開安全帶,然后點擊模擬器艙門,將一只手把住門板作為逃生出口參考位置,另一只手放在安全帶系扣處。隨后在學習模式中根據(jù)屏幕文字提示操作其他人物角色(例如教練員和吊機操作員)開始訓練。學生通過電腦屏幕前彈出的按鈕點擊人物角色,在水面淹沒胸部之前進行憋氣。在后續(xù)的模擬器正艙位和翻轉艙位的逃生訓練科目中,學生等待模擬器運動停止后,屏幕會彈出倒計時5 s的操作,學生根據(jù)提示選擇逃生出口并解開安全帶游出模擬艙,完成直升機水下逃生訓練虛擬仿真實驗。

直升機水下逃生虛擬仿真實驗界面如圖2所示。

圖2 直升機水下逃生虛擬仿真實驗界面

3.3 虛擬仿真實驗網(wǎng)絡架構

直升機救助與水下逃生虛擬仿真實驗項目的開放運行依托于開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺的支撐。二者通過數(shù)據(jù)接口無縫對接,保證用戶能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問該實驗項目[9],并通過平臺提供的面向用戶的智能指導、自動批改服務功能,幫助用戶實現(xiàn)自主實驗。

開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺以計算機仿真技術、多媒體技術和網(wǎng)絡技術為依托[10],采用面向服務的軟件架構開發(fā),集實物仿真、創(chuàng)新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動評價和教學管理于一體,是具有良好自主性、交互性和可擴展性的虛擬實驗教學平臺。該平臺的總體架構如圖3所示。

直升機救助與水下逃生虛擬仿真實驗平臺可支持近百名學生同時在線訪問,如果某個實驗被占用,則提示在線等待,等待前面預約實驗結束后,自動進入下一個預約隊列[11]。平臺采用B/S架構,計算機操作系統(tǒng)為Windows7及以上。用戶使用時需要下載專門的插件,保證信息的安全。虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)主要包括多媒體資源制作和軟件編程兩部分工作[12]。采用3D仿真開發(fā)技術和Unity3D、3ds Max、Maya、Visual Studio、Photoshop等開發(fā)工具,構建了交互式虛擬仿真實驗平臺。網(wǎng)站平臺采用JAVA開發(fā)語言、Eclipse開發(fā)工具以及MySQL數(shù)據(jù)庫構建集成化管理模式,使得客戶端可以通過瀏覽器高效、快捷地訪問虛擬仿真實驗平臺[13]。

4 虛擬仿真實驗特色創(chuàng)新

由于學生在進行實際的直升機救助和水下逃生訓練時需要較多的專業(yè)培訓教員,加上設備的頻繁使用,使得訓練和設備維護成本提高。為了使實驗更加安全可靠,并以較低的培訓成本讓學員掌握直升機救助和水下逃生技能,通過三維仿真技術,再現(xiàn)了直升機救助過程,包括救助吊運前救助機組人員的準備工作、絞車手操縱下放救生員至水面、給遇險人員穿戴裝備、起吊返回機艙的全過程,同時再現(xiàn)了直升機落水的真實場景,還原了直升機在正艙位和翻轉時人員逃生訓練的全過程。

圖3 虛擬仿真平臺總體架構圖

虛擬仿真實驗讓學員了解直升機救助的步驟,學習在單套、雙套救助科目中,絞車手、救生員應該采取的行動步驟以及相關的動作要領,從而使得學員在實際訓練之前能夠熟悉訓練流程、了解所需裝備,體驗直升機水下正艙位和翻轉艙位的逃生過程,了解各種逃生設備的工作原理和使用方法,掌握必要的海上求生技能。該實驗項目解決了大量學員不能現(xiàn)場實踐的問題,為學員提供了學習單套、雙套兩種救助方式步驟和相關裝備使用方法的機會,同時也為學員提供了水下逃離直升機艙的學習機會。

該項目采用線下與線上結合的方式進行。線下主要由學員根據(jù)教師要求進行仿真練習,熟悉整套仿真系統(tǒng)的使用方法及步驟,而線上主要由專業(yè)教師進行集中教學管理、資源管理和考核管理[14]。目前,該實驗項目已應用到救助與打撈工程專業(yè)本科生和研究生實驗教學,以及交通運輸部救助飛行隊、金匯通航、藍天救援隊等單位,每年節(jié)省數(shù)百萬的培訓費用,降低了學員在實際培訓過程中發(fā)生安全事故的風險。

5 結語

直升機救助與水下逃生虛擬仿真實驗項目依托于交通運輸部救助打撈局開展的救撈專業(yè)領域人才培養(yǎng)和培訓基地建設計劃,以培養(yǎng)掌握先進的救撈技術和專業(yè)技能的高級工程技術人才為宗旨,借助先進的虛擬現(xiàn)實技術與計算機網(wǎng)絡通信技術等現(xiàn)代信息化技術,開發(fā)多元化虛擬仿真教學資源并實現(xiàn)共享。該實驗項目在促進救撈專業(yè)人才培養(yǎng)、科技研發(fā)和成果轉化,應對重大海上突發(fā)事件方面發(fā)揮重要作用。