船舶建造仿真实训系统的设计与实现

傅晓斌

(南通航运职业技术学院，江苏 南通 226010)

船舶建造仿真实训系统的设计与实现

傅晓斌

(南通航运职业技术学院，江苏 南通 226010)

船舶建造仿真训练作为一种替代的训练方式，近些年来越来越多地应用于职业教育。应用仿真船舶建造工作场景进行训练有诸多优势，本文主要对船舶建造仿真训练系统的设计与开发进行了探讨。依据开发的目的与对象，阐述了船舶建造仿真实训系统设计思路与方法，介绍了船舶建造仿真实训系统的主要功能以及制作方法和平台，总结了该系统的特色与创新点，为其他高等职业教育专业仿真系统的开发提供一定的参考依据。

船舶建造;仿真系统;职业教育

0 引 言

随着计算机技术、多媒体技术和自动控制技术的飞速发展和广泛应用，以计算机系统为核心和操纵台为基础构成的各种仿真系统已成为各大院校实验实训室建设的目标。目前国内外船舶建造方面的仿真主要是针对船舶建造工艺流程的某个建造阶段模拟仿真，对船舶装配仿真技术的研究也开始起步。在此背景下，船舶建造仿真训练作为一种替代的训练方式，近些年来越来越多地应用于职业教育。应用仿真船舶建造工作场景进行训练有诸多优势，例如包括实训资金和时间成本、安全问题等。本文主要对船舶建造仿真训练系统的设计与开发进行了探讨，也可以为其他高等职业教育专业仿真系统开发提供一定的参考依据。

1 船舶建造仿真实训系统的研究发展现状

上海船舶工艺研究所甄希金[1]、杨润党[2]等人，在分析船舶装配需求的基础上，研究动态装配过程自动生成技术和交互式装配操作技术相结合的船舶装配工艺快速仿真验证和优化方法，并以散货船总段装配过程为例进行验证，结果表明其有效性。华中科技大学袁华[3-4]等人，给出了船舶虚拟制造系统的定义，设计了包含船舶产品虚拟开发、虚拟工艺和虚拟造船企业环境架构的体系架构，讨论了船舶虚拟制造系统与船舶实际制造系统的相关关系，对船舶虚拟制造系统实现的关键技术进行了分析。上海交通大学陈炉云[5]等人，以普通货船双层底的一个分段为例作装配工序的网络规划并进行船舶建造的仿真，据此对船舶装配工艺进行优化和评估。上述学者在研究中主要侧重于船舶装配仿真技术的理论可行性研究，均未付储于工程实践，也未通过实际工程验证船舶装配仿真技术。因此开发能基于船舶建造全过程的船舶建造仿真系统很有必要。目前在船舶与海洋相关专业教学中，对建造流程进行仿真教学，还属于相对领先阶段。

2 仿真实训系统的设计目的与对象

2.1 仿真系统开发的目的

《船舶建造工艺》是面向船舶与海洋工程系所有专业的课程。目前，在船舶工程技术、船舶检验、船舶舾装以及海洋工程等6个专业中开设有本课程。根据人才培养方案，该课程开设于大二上学期或下学期，绝大部分学生之前没有接触船舶建造，工艺实践基础较弱，课程的教学难度很大，该课程又是我系所有专业的必修课，因此在整个教学环节中地位重要。开发仿真实训系统的目的就是要通过建造仿真的方式，将真实工作场景引入教学，加深学生对船舶完整建造过程的感性认识，通过动态演示，化复杂为简单，变抽象为直观，提高学生学习兴趣和讲课效果，培养学生具有初步的实际生产能力，真正提高课堂教学质量。

2.2 仿真实训的教学对象

该课件教学对象可以是首次接触并学习船舶建造工艺学的所有学习者，包括大学、大专、职业技术学院的学生及船舶相关专业自学者。主要教学内容包括：与主教材对应，根据教学大纲要求，覆盖了所有的知识点，体现了课程中的所有主要内容。依照教学要求和对学生的技能要求，按照真实工作场景，将船舶建造过程划分为若干个工艺阶段，再将每个工艺阶段划分为若干个工艺流程，依照真实的工作任务，分别进行演示和互动训练。该系统可以满足各个不同层次教学的需要。

2.3 仿真实训的意义

船舶建造工艺作为船舶工程技术专业的一门专业核心课程，直接面向造船生产实践，通过理论知识的传授和技能的训练，使学生能够承担实际的船舶建造工作任务，培养其敬业精神和协作能力。在工学结合人才培养模式要求下，如何更好的提高船舶建造工艺课程的教学效果，对提高学生就业具有重要意义。诚然，如果能够到船舶企业一线，面对真实建造船舶过程，进行教学与训练是最有效的方法。但是，由于学院的教学条件以及企业管理规定，出于对学生安全保护等多种原因，使得船舶工程技术专业学生无法在真实工作过程中进行实际训练。仿真训练不但能够随时进行，而且可以模拟实际工作过程的状况和环境等，避免安全和学生管理方面的问题；更为重要的是，学生在接受训练时允许犯错误，在训练过程中可以逐步改正，而不必担心会对实际船舶质量造成影响。

3 实训系统的设计与实现

3.1 船舶建造仿真实训系统设计思路

船舶建造仿真实训系统由二部分组成，一是演示部分，二是模拟操作部分。主要内容包含：

(一)演示部分：通过立体效果仿真模拟演示：①船厂厂区及设施：以中等以上规模船厂，仿真模拟演示船厂的厂区布置型式、厂区各车间及主要造船设施分布，可以任意浏览。②船舶内部结构及布置演示：以常规大中型油船、集装箱船、LNG船和散货船演示整个船舶的三维结构及内部设备系统等布置。③船体建造常规工艺流程演示：按照建造工艺流程，以某典型油船(或散货船)、典型中等以上规模船厂(同船厂厂区演示部分)为例来演示。以模拟仿真的形式演示船舶从放样、号料、钢材加工(边缘加工、成形加工)、小组立、中组立、大组立或总组立、船台(或船坞)搭载、舾装和涂装、船舶下水及试验等整个建造工艺流程。

(二)模拟操作部分：本部分采用某典型散货船船型结构；中等以上规模船厂工艺流程；学生可以对其建造工艺过程进行模拟操作人机互动。①船体钢料加工仿真模拟子系统内容：本系统包含模拟钢材预处理流水线、钢材边缘加工(边缘切割及开坡口)及成形加工。此子系统使用过程中均采用人机互动形式完成。②船体装配仿真模拟子系统内容：模拟装配上述同一典型船舶为载体，并假定在具备一定造船设施(如船台或船坞及吊车等)的情况下进行。以几种典型分、总段或大型立体分段为载体来进行，这些分段或总段可选在同一船体部位。其中这些分、总段中各种部件(或选取几个典型部件)、或小分段、小组立，也可以分别做模拟装配。

3.2 制作平台与方法

首先，通过详细分析船厂生产的散货船生产工艺，并以此为基础构建仿真系统的框架。通过走访造船企业，结合船厂生产实际，确定散货船型号及建造工艺，分解建造流程并搭建仿真系统框架。

然后，结合系统设计要求，运用Quest3D虚拟现实平台软件、Unity3D等大型开发软件，从选择装配场地与设施开始，历经零件及构件安装、胎架选择与构件吊装、分段舾装与翻身、大型分段装配工艺选择、船台画线、船台吊装工艺及合拢的全过程，实现对不同阶段仿真模拟人机互动模拟训练。

表1 船体建造仿真训练系统部分功能模块描述

系统初步完成后，通过教师教学和学生自我练习使用，不断调整系统参数设置，优化仿真系统的可操作性和适用性，结合企业实际调整使用方法和流程，不断完善，最终形成合理仿真教学系统。

该系统开发完成后已在我校使用过一届学生，累计共240多人次。通过教师的教学心得和学生的反馈信息来看，有着非常好的评价，实践教学结果证明该课件的设计和使用还是比较成功的。实训仿真系统在我院也进行了公开课介绍，获得了肯定，为全校各院系课程改革起到了引领示范作用。

3.3 仿真系统的特色和创新点

该船舶仿真系统具有特色一：实训仿真系统结构完整，内容充实，满足了教学要求和对学生的技能要求，按照真实工作场景，体现了船舶建造工艺过程中的主要内容。特色二：实训仿真系统设计融入教师的实践教学经验和育人理念，通过建造过程仿真的方式，加深学生对船舶完整的建造过程的感性认识，通过动态演示，真实演示船舶建造全过程，培养学生初步的实际生产能力。特色三：界面美观简洁，操作灵活方便，生动直观；实训仿真系统的页面美观大方，色彩真实逼真，动画流畅生动。容易上手方便使用，满足教师教学和学生自我练习的要求。

船舶仿真系统具有的创新点一：船舶建造全过程仿真，真实再现工作过程；通过立体效果仿真模拟演示，完整再现了船舶企业制造环境，让学生可以在教室感受真实工作体验。创新点二：教学演示与学生互动练习统一，学做并重，不再是单一的演示或者是单向的教学灌输，通过互动训练模块达到教学目的。创新点三：体现项目化教学理念，并可以继续拓展升级；实训仿真系统设计符合人才培养模式改革的需要，体现了课程更新的需要，满足了的项目化真实教学环境的要求，并且可以根据行业发展和教学内容变化继续升级。

4 结 语

船舶建造仿真实训系统作为服务于教学和实训的课件，满足了人才培养模式和教学改革需要。船舶建造仿真实训系统在本领域内，创新的实现了船舶建造全过程仿真，还原船舶企业制造环境，真实再现工作过程，体现项目化教学理念，教学演示与学生互动练习统一，学做并重，获得了良好的教学效果，符合人才培养模式和教学改革需要。

[1]甄希金，杨润党，韦乃琨，等．面向船舶产品的装配工艺仿真技术[J]．舰船科学技术，2012,(12)：136-139.

[2]杨润党，范秀敏，王文荣．虚拟仿真技术在船舶建造过程中的研究与应用[J]．舰船科学技术,2008,(1):11-12.

[3]袁华，赵耀，严俊．船舶虚拟制造系统体系设计及关键技术[J]．华中科技大学学报:自然科学版,2009,37(4):126-129.

[4]袁华，赵耀，严俊．船舶总体装配制造物流仿真系统[J]．华中科技大学学报:自然科学版,2009,37(1):53-55.

[5]陈炉云，易宏，张裕芳．基于虚拟现实的船舶装配仿真分析[J]．武汉理工大学学报,2004,26(2):62-65.

The Design and Implementation of Shipbuilding Simulation Training System

FU Xiao-bin

(Nantong Shipping College, Nantong 226010，China)

Shipbuilding simulation training as an alternative way of training, in recent years more and more applied in vocational education. Application of the simulation of Shipbuilding scene training has many advantages. In this paper, the design of Shipbuilding simulation training system and development are discussed in this paper. According to the aim and object of the development, this paper expounds the design idea and method of Shipbuilding simulation training system, introduced the main functions of the Shipbuilding simulation training system, as well as the production methods and platforms, Summarizes the characteristics of the system and innovation points. It is to provide certain reference basis for the development simulation system in other institutions of higher vocational education professional.

shipbuilding;simulation system;vocational education

2014-05-09

江苏省交通科学研究计划项目(2012Y24-1)

傅晓斌(1981-)，男，山西太原人，讲师，硕士，E-mail：fxb@ntsc.edu.cn。

U662.9

A ?

10.3969/j.issn.1671-234X.2014.03.011

1671-234X(2014)03-0052-04