在線三維海上溢油應(yīng)急演練教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

李冰蟾，蘇文明，毛波

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.輪機(jī)電氣與工程學(xué)院 b.航海技術(shù)學(xué)院，南京 211170;2.南京財經(jīng)大學(xué) 信息工程學(xué)院，南京 210023; 3.自然資源部城市國土資源監(jiān)測與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518040)

一、引言

為應(yīng)對我國海域突發(fā)性的溢油事故，減少溢油帶來的嚴(yán)重危害，建設(shè)高素質(zhì)、專業(yè)化的溢油應(yīng)急隊(duì)伍，航海類院校船舶管理專業(yè)都開設(shè)了海上溢油應(yīng)急演練的教學(xué)項(xiàng)目[1]。通過海上溢油應(yīng)急演練，讓學(xué)生了解海上溢油的動態(tài)變化特征，掌握在溢油應(yīng)急響應(yīng)決策過程中需要考慮的因素以及應(yīng)急過程中需要注意的問題，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、解決問題的綜合能力，為學(xué)生將來從事溢油應(yīng)急工作打下基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的海上溢油應(yīng)急演練教學(xué)分為桌面演練與實(shí)戰(zhàn)演練兩種方式。其中，桌面演練的形式主要是通過文字、圖片、視頻等方式進(jìn)行，教師與學(xué)生之間缺少交互，學(xué)生進(jìn)行被動的學(xué)習(xí)和記憶，難以調(diào)動學(xué)習(xí)主動性；而對于實(shí)戰(zhàn)演練，組織學(xué)生實(shí)地進(jìn)行半真實(shí)的演習(xí)，雖然教學(xué)效果佳，但是需要投入較大的人力物力，不方便頻繁進(jìn)行，并且無法演練某些特殊情況。因此，如何利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)一種交互式的海上溢油應(yīng)急演練三維仿真線上教學(xué)系統(tǒng)，開展在線式海上溢油應(yīng)急演練與教學(xué)，成為航海院校船舶管理專業(yè)亟待解決的課題。

近年來，隨著信息化教學(xué)改革與普及，傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限性日益突出，特別是在遠(yuǎn)程教育領(lǐng)域，還面臨空間與時間上的客觀制約。隨著計算機(jī)與三維仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)用于線上教學(xué)的三維仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)正成為解決這一問題的有效途徑，它通過在線建立三維的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場景、設(shè)備、工具及操作過程，讓學(xué)生在線完成各項(xiàng)實(shí)訓(xùn)任務(wù)，突破時空限制，降低了真實(shí)設(shè)備的損耗。

國內(nèi)外多所高?；谠诰€三維仿真教學(xué)展開了相關(guān)的研究，并取得了相應(yīng)的成果。同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院開發(fā)了一種基于網(wǎng)絡(luò)的在線虛擬教學(xué)一體化平臺，可提供虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、教學(xué)輔導(dǎo)與學(xué)生評價，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平[2]；長沙學(xué)院的電子信息與電氣工程系建成了在線虛擬仿真的通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以足不出戶遠(yuǎn)程操作虛擬軟件進(jìn)行網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)，通過微信云把實(shí)驗(yàn)結(jié)果傳送給指導(dǎo)教師，這種教學(xué)方式可對真機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效補(bǔ)充[3]；上海理工大學(xué)杜寶江博士開發(fā)了一種WebGL交互操作的網(wǎng)絡(luò)化機(jī)械裝備加工模擬車間，實(shí)現(xiàn)了虛擬車間中機(jī)械冷熱加工工藝和生產(chǎn)物流設(shè)計及操作訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及移動終端遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)功能，使學(xué)生可以在任意時間和地點(diǎn)進(jìn)行在線虛擬實(shí)驗(yàn)操作[4]；杭州電子科技大學(xué)朱元龍博士開發(fā)了一種多人在線三維虛擬機(jī)器人教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)模擬了真實(shí)世界的機(jī)器運(yùn)動，并在客戶機(jī)之間傳遞該信息，從而實(shí)現(xiàn)多人在線功能[5]；杭州電子科技大學(xué)管理學(xué)院尚倩博士開發(fā)了一套三維醫(yī)學(xué)在線教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于WebGL，利用醫(yī)學(xué)影像三維重建與分割，將二維圖像轉(zhuǎn)化三維矢量模型存儲到案例庫，用戶可以通過網(wǎng)頁瀏覽查看三維醫(yī)學(xué)對象，實(shí)現(xiàn)在線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)[6]。

通過梳理目前國內(nèi)外研究成果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在有不少學(xué)科專業(yè)開展了在線仿真教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果[7-9]。本文結(jié)合航海類院校船舶管理專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，引入在線三維仿真的演練方式來替代傳統(tǒng)演練教學(xué)方法，讓學(xué)生的操作盡可能貼近真實(shí)演練情況，提高系統(tǒng)的人機(jī)交互性，學(xué)生可以在線進(jìn)行任務(wù)演練，不同學(xué)校之間可以共享任務(wù)案例，通過互聯(lián)網(wǎng)可以遠(yuǎn)程完成多人協(xié)作，在學(xué)生演練操作任務(wù)完成后，在線系統(tǒng)對其操作表現(xiàn)與指標(biāo)完成情況進(jìn)行評分，系統(tǒng)將自動根據(jù)各項(xiàng)評分生成成績單并即時反饋，強(qiáng)化教學(xué)效果。

二、模擬演練系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)計了一種基于WEB的在線教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以WEB技術(shù)為基礎(chǔ)，集成三維模型與場景，系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

(1)用戶端不需要安裝軟件，使用瀏覽器就能開展演練。WEB方式方便學(xué)生開展在線演練，多個用戶端可以進(jìn)入同一演練任務(wù)，進(jìn)行分角色協(xié)作。

(2)當(dāng)開展仿真演練時，WEB服務(wù)器端接收用戶端仿真操作指令，調(diào)用管理端程序；管理端程序用Neo框架編寫，根據(jù)實(shí)際溢油演練教學(xué)需求自主開發(fā)。

(3)管理端采用三維仿真系統(tǒng)開發(fā)溢油應(yīng)急演練任務(wù)模塊，通用瀏覽器部署所開發(fā)的任務(wù)編輯模塊，方便用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程操作；用戶端采用動態(tài)鏈接庫方式實(shí)現(xiàn)，從而確保系統(tǒng)整體的集成度與模塊化設(shè)計。

(4)服務(wù)器端采用數(shù)據(jù)庫存放演練場景地圖，存儲教學(xué)管理數(shù)據(jù)。服務(wù)端可以從本地管理端或遠(yuǎn)程管理端獲取不同演練場景地圖并用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。

教學(xué)演練系統(tǒng)包括五大功能模塊：溢油應(yīng)急資源編輯器模塊、事故場景編輯模塊、溢油事故處置推演模塊、評測考核模塊和演練模塊。其中，溢油應(yīng)急資源編輯器模塊、事故場景編輯模塊、溢油事故處置推演模塊和評測考核模塊安裝在管理端，演練模塊安裝在用戶端。

1.溢油應(yīng)急資源編輯器模塊

資源編輯模塊是實(shí)現(xiàn)三維溢油演練教學(xué)的基礎(chǔ)，溢油應(yīng)急資源編輯器結(jié)合3D模型、音頻、圖像、視頻等多媒體素材，使用3dmax、Photoshop等圖形軟件，編輯生成代表應(yīng)急設(shè)備、應(yīng)急力量的各類應(yīng)急資源，如圍油欄、溢油機(jī)械回收設(shè)備等，建立基礎(chǔ)資源庫。系統(tǒng)可增、刪、改、查各類基礎(chǔ)資源，并管理組織存儲各類基礎(chǔ)資源。后期教師可以使用添加、編輯等操作，如把模型動畫類型腳本特效等元素裝配成對象，如裝配成具有特定狀態(tài)和屬性的應(yīng)急設(shè)備，支持用戶自定義新的設(shè)備，并設(shè)置其參數(shù)。

2.事故場景編輯模塊

事故場景編輯模塊用于建立交互式的應(yīng)急演練場景，本模塊以可視化的方式對應(yīng)急演練所涉及的各類操作及其邏輯關(guān)系進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)，具備應(yīng)急設(shè)備設(shè)施布置、應(yīng)急人員布置、場景布置等功能?；谌SGIS技術(shù)，對于港口、河流、船舶、環(huán)境等建立動態(tài)的可視化模型，并建立三維場景。本模塊支持三維場景交互式修改界面，后期教師在教學(xué)中可對應(yīng)急演練的發(fā)生地點(diǎn)、發(fā)生條件、相關(guān)參數(shù)等進(jìn)行編輯，修改后的矢量信息可自動保存。

3.溢油事故處置推演模塊

本模塊應(yīng)用基于Petri網(wǎng)絡(luò)的演變狀態(tài)機(jī)，根據(jù)用戶的實(shí)時操作，以及預(yù)設(shè)的場景參數(shù)，完成溢油狀態(tài)的動態(tài)模擬，虛擬應(yīng)急物資調(diào)配、應(yīng)急隊(duì)伍人員安排、救援船只調(diào)配和人員交互，相對于單人培訓(xùn)系統(tǒng)，多人協(xié)同交互培訓(xùn)更有利于對真實(shí)操作的還原。

4.演練模塊

用戶端的演練模塊利用瀏覽器請求事故場景數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維仿真演練，用戶操作數(shù)據(jù)通過服務(wù)器傳給管理端，進(jìn)行操作評分并即時反饋給用戶端。為更加準(zhǔn)確的獲得用戶操作細(xì)節(jié)，本系統(tǒng)詳細(xì)記錄了用戶所有的交互信息及時間戳，并以此作為用戶行為分析的基礎(chǔ)。

5.評測考核模塊

構(gòu)建事件邏輯表，在學(xué)生演練操作過程中，將操作與邏輯表中數(shù)值進(jìn)行對比，生成判定結(jié)果并保存。任務(wù)完成后，系統(tǒng)根據(jù)過程判定結(jié)果對該用戶的操作表現(xiàn)與指標(biāo)完成情況進(jìn)行評分，系統(tǒng)將自動根據(jù)各項(xiàng)評分生成成績單。生成的評價結(jié)果將即時回饋給學(xué)生。

三、模擬演練系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用

本文使用海上溢油應(yīng)急演練三維仿真線上教學(xué)系統(tǒng)，開展在線海上溢油應(yīng)急演練仿真實(shí)踐教學(xué)，教學(xué)流程包括“提出任務(wù)、創(chuàng)設(shè)情景、小組任務(wù)、分工協(xié)作、解決問題、評價反饋”六個教學(xué)步驟，教學(xué)流程設(shè)計如下。

(1)提出任務(wù)

在完成線下知識學(xué)習(xí)，有了任務(wù)相關(guān)知識儲備后，教師在線發(fā)布演練任務(wù)，同時上傳任務(wù)相關(guān)教學(xué)資源供學(xué)生參考、學(xué)習(xí)、使用。

(2)創(chuàng)設(shè)情景

利用系統(tǒng)場景編輯模塊，教師根據(jù)演練任務(wù)設(shè)定事故環(huán)境，動態(tài)設(shè)置當(dāng)前氣候，洋流、溢油量等，集成不同的自然和地理環(huán)境，構(gòu)建三維海況地圖，并設(shè)定相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，模擬相應(yīng)的溢油事故狀態(tài)，設(shè)定相應(yīng)的溢油場景，方便學(xué)員對不同情況的溢油事故進(jìn)行學(xué)習(xí)和演練。

(3)小組任務(wù)、分工協(xié)作

學(xué)生根據(jù)演練任務(wù)，查閱教學(xué)資源，進(jìn)行探討與角色分配，確定污染物清除作業(yè)組人員、后勤物資保障與通信保障組人員、醫(yī)療救治組人員等，并確定執(zhí)行方案，

(4)解決問題

完成演練任務(wù)、撰寫實(shí)踐報告、記錄演練結(jié)果、在線提交實(shí)踐報告和演練結(jié)果。

(5)評價反饋

對學(xué)生實(shí)行多元化評價，包括系統(tǒng)智能評價、組間評論、組內(nèi)互評、教師評價等方式，結(jié)合任務(wù)預(yù)習(xí)情況、回答問題成績、實(shí)驗(yàn)報告、測驗(yàn)成績、教學(xué)資源在線學(xué)習(xí)時長等情況，對每個學(xué)生進(jìn)行精細(xì)化的多元評價。

在利用在線海上溢油應(yīng)急演練仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的過程中，可利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入其他院校的仿真系統(tǒng)，可以共享任務(wù)案例，進(jìn)行遠(yuǎn)程任務(wù)協(xié)同，通過遠(yuǎn)程演練他校課程任務(wù)、遠(yuǎn)程PK等，提高學(xué)生興趣，激發(fā)學(xué)生主觀能動性，通過協(xié)作對標(biāo)同專業(yè)學(xué)生演練水平，找到自身短板，以更有效地改善學(xué)習(xí)效果。

四、教學(xué)效果與價值

(1)借力現(xiàn)代化信息技術(shù)實(shí)施教學(xué)，增強(qiáng)教學(xué)效果

傳統(tǒng)的海上溢油應(yīng)急演練教學(xué)采用的桌面演練與實(shí)戰(zhàn)演練兩種方式，存在桌面演練師生缺少互動、難以調(diào)動學(xué)生積極性，實(shí)戰(zhàn)演練投入大、某些特殊情況無法演練的問題。

本文基于三維GIS研究開發(fā)一套海上溢油應(yīng)急演練仿真教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)定位于桌面演練與實(shí)戰(zhàn)演練之間，一方面將桌面演練升級為可交互的智能演練系統(tǒng)，另一方面通過三維仿真和模擬手段，營造接近實(shí)際演習(xí)的真實(shí)現(xiàn)場環(huán)境和事件，進(jìn)行海上溢油應(yīng)急演練實(shí)踐教學(xué)?；谠诰€虛擬仿真技術(shù)的現(xiàn)代化教學(xué)方式能大大提高學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生可以隨時登錄賬號進(jìn)行在線演練，不受時間、空間、人員的限制，創(chuàng)造出虛擬條件下的“實(shí)戰(zhàn)”演練環(huán)境，突破時間、空間、人員的限制，反復(fù)仿真演練，在提升應(yīng)急演練實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量的同時大大節(jié)省資金投入。

系統(tǒng)受眾面廣，通過互聯(lián)網(wǎng)可以遠(yuǎn)程完成多人協(xié)作，不同學(xué)校之間可以共享任務(wù)案例。

(2)三維仿真溢油事故全過程，全面提升學(xué)生應(yīng)急處理能力

海上溢油事故存在突發(fā)性，若不能及時有效處理，會帶來嚴(yán)重危害。傳統(tǒng)海上溢油應(yīng)急演練教學(xué)無法訓(xùn)練學(xué)生溢油事故全過程的處理能力，而通過三維仿真模擬海上溢油應(yīng)急反應(yīng)全過程，可以給學(xué)生全過程的訓(xùn)練。整個教學(xué)過程圍繞在線演練任務(wù)開展，學(xué)生根據(jù)溢油的類型、規(guī)模、溢出油的種類、溢油擴(kuò)散的方向、周圍環(huán)境等，確定應(yīng)急處理的具體作業(yè)方法，通過溢油監(jiān)視、報告報警、動態(tài)預(yù)測、海上溢油應(yīng)急設(shè)備的收放、相關(guān)船舶、清污公司的調(diào)度協(xié)調(diào)、岸線清理等，使船舶泄漏的污染物得到有效回收，在線仿真教學(xué)能增強(qiáng)學(xué)生對海上溢油應(yīng)急預(yù)案的熟悉程度，使學(xué)生了解海上溢油行為動態(tài)，掌握溢油應(yīng)急決策方案制訂過程中需要考慮的因素，熟悉溢油應(yīng)急響應(yīng)過程中應(yīng)注意的問題，有效提高學(xué)生處理海上溢油的反應(yīng)能力、決策能力和操作能力。

(3)實(shí)現(xiàn)智能評價考核，完善現(xiàn)有評價機(jī)制

傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生的實(shí)操演練評價完全依賴?yán)蠋煹挠^察與評估，主觀性因素較強(qiáng)，導(dǎo)致某些情況下評估結(jié)果不具有客觀性。本系統(tǒng)采集虛擬仿真環(huán)境中學(xué)生的操作過程數(shù)據(jù)，對學(xué)生進(jìn)行智能評價，是對現(xiàn)有評價機(jī)制的一種有效補(bǔ)充。

五、結(jié)語

本文研究并開發(fā)了一種海上溢油應(yīng)急演練在線三維教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于三維GIS，建立在線的海上溢油應(yīng)急仿真演練場景，以狀態(tài)機(jī)形式對應(yīng)急演練操作過程進(jìn)行推演與動態(tài)模擬，并在三維場景中可視化模擬結(jié)果，學(xué)生在線選擇演練場景進(jìn)行演練仿真，能進(jìn)行單人或多人協(xié)作，并得到即時評價。

本文提出的在線三維仿真教學(xué)系統(tǒng)不是單一演練平臺，而是集成演練、學(xué)習(xí)、互動、評價的一體化課程教學(xué)演練平臺，可以在智能手機(jī)、平板電腦等智能終端上登錄，不僅可以在教師組織下完成演練任務(wù)，還可以學(xué)生個人登錄，自主學(xué)習(xí)，突破傳統(tǒng)課程時間、場地的限制，系統(tǒng)受眾面廣，通過互聯(lián)網(wǎng)可以遠(yuǎn)程完成多人協(xié)作，不同學(xué)校之間可以共享任務(wù)案例，學(xué)生不僅可以操作演練本校課程任務(wù)，也可以遠(yuǎn)程演練他校課程任務(wù)，可供更多的人同時學(xué)習(xí)。在學(xué)生演練操作任務(wù)完成后，在線系統(tǒng)對其操作表現(xiàn)與指標(biāo)完成情況進(jìn)行評分，系統(tǒng)將自動根據(jù)各項(xiàng)評分生成成績單并即時反饋，強(qiáng)化教學(xué)效果。使用該系統(tǒng)進(jìn)行在線仿真實(shí)踐教學(xué)，能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足，降低演練成本，全面提升學(xué)生應(yīng)急處理能力和全局意識，鍛煉團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，經(jīng)班級試點(diǎn)應(yīng)用后，學(xué)習(xí)效果有顯著提升。

隨著未來信息化與互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在線三維仿真教學(xué)將越來越多地應(yīng)用于各個專業(yè)，成為輔助課堂教學(xué)的手段，教學(xué)引入網(wǎng)絡(luò)化是未來教育的趨勢，三維仿真教學(xué)系統(tǒng)能夠有效地解決復(fù)雜實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場工藝設(shè)計和訓(xùn)練演練等問題，而網(wǎng)絡(luò)化在線方式為學(xué)生隨時隨地實(shí)驗(yàn)、演練提供便利，有效提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣和獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力，便于實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的高效利用與安全共享，有利于混合式教學(xué)模式的推廣。