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“看得见”的海上通信实验设计——以AIS虚拟仿真实验为例

2024-08-21 27 上传者：管理员

摘要：实验案例对应的理论课是“船舶自动识别系统”，课程讲述船舶自动识别系统(AIS)进行海上通信与船舶识别的工作原理及信息传输过程中的编解码等关键技术，旨在培养交通运输领域的创新型人才。真实AIS设备价格昂贵，仅限于界面操作，接收到的船舶数据种类有限，理论课中的难点未能在实验中解决，大大降低了学生学习的主动性。另外考虑到未来虚拟仿真实验室的建设，课程组设计了AIS信号源模拟器实验平台，可实时发送AIS各种类型的报文数据，让学生能够“看得见”船舶发送的二进制暗码数据，“看得见”船舶的位置和航速、航向等信息，提高了学生学习兴趣，解决了理论课难点；同时学生基于模拟器数据进行二次开发，提高了自身学习的主动性和创新性。

关键词：
创新型人才
海上通信
电子信息专业
自动识别系统
虚拟仿真
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大连海事大学电子信息工程专业积极探索具有海事特色的教学体系，将国家重大战略、行业发展趋势、前沿科研成果融入教学，深入推进科教融合，为建设交通强国、海洋强国当好先行[1]。“船舶自动识别系统”(Automatic Identification System，AIS)作为大四电子信息专业课，是大连海事大学电子信息工程专业本科特色专业课，主要讲述船舶之间通信及自动识别的关键技术，旨在培养具有创新能力的交通运输业尤其是航运领域的有力后备军。“新工科”背景下的人才培养目标要求学生不仅具备丰富知识，还应当具备创新意识；不仅要具备实践动手能力，还要具有创新创造能力[2]；不仅能够解决实际问题，还能够提出新的解决问题的思路，找出新的解决问题的方法。因此，“新工科”背景下的人才培养需要构建以工程创新实践能力培养为核心的培养模式，结合专业特色展开工作。倡导启发式教学、任务驱动式教学，使学生能够不断提高自身的实践能力和工程创新能力[3-4]。

1、实验背景

“船舶自动识别系统”课程开设8学时的实验课，目前实验课程存在的问题如下。①由于实验室AIS设备数量只有两台(AIS通信网络必须由两台以上设备构成)，而每组学生不超过10名，当选课人数为60时，至少需要6组分别完成2学时的实验，大大增加了实验教学工作量。②AIS设备天线安装在教学楼顶，距离海港较远，能够接收的船舶信息有限，有时候在实验过程中船舶一直处于锚泊状态，学生看不到船舶动态航迹信息，降低了学生学习兴趣，不利于学生对课程的深入理解和掌握。③符合IMO规范的A级AIS设备层出不穷，还有一些非IMO规范的B级AIS设备也被越来越多地应用在我国内河船舶上，目前实验室AIS设备还是早期的SAAB公司研发的产品，属于A级AIS设备，不能完整地提供AIS设备各种类型的信息，不利于学生对快速发展的新型AIS系统进行了解。④学生只能操作AIS电子海图界面，对AIS关键技术、通信协议、信息编码及解码等原理的了解仅限于理论课堂，实际实验中不能深入体会。

近年来，课程组设计并开发AIS信号源模拟器仿真实验教学平台(以下简称“平台”)，在实验教学中可代替或辅助真实的AIS设备，大大节省了购置实验设备的费用[5-6]。平台不仅提供模拟的AIS船舶信息显示界面，还连接真实AIS设备，实时提取AIS动静态数据作为后台数据资源库。实际AIS设备的运行需要一定的海上船舶通信环境的支持，而平台模拟船舶AIS在航行中的实际运行情况。为了让学生在有限的实验教学环境中能够“看得见”船舶通信协议的工作过程，能够“看得见”船舶发送的二进制数据，能够“看得见”船舶的位置和航速航向等信息，通过平台提供的实验模块自主开发，实现AIS的信息编、解码分析与显示处理等实验，学生在平台进行实践操作，能够更好地掌握AIS理论课程的原理与方法。基于此平台，课程组设计了自动识别技术实验教学案例，该案例结合硬件和软件设计，从基本操作到设计分析，从进阶实验到扩展、选做实验等，形成不同难度系数的小实验，供不同能力的学生自主选做完成实验[7-9]。

2、案例设计目的

实验案例基于ODAIC(Operation-Design-Analysis-Innovation-Challenge)理念，实验案例设计总体架构如图1所示。实验的基本操作旨在激发学生的好奇心和求知欲，学生自主进行模拟信号源软件设计，通过实验对接收到的AIS电文进行分析，解码得到真实船舶的位置、航速、航向等信息，对实验产生浓厚兴趣，大大提高自身学习主动性，完成进阶版的自主创新实验。至此学生对AIS通信原理及信息传输已经有了深入了解，教师引导学生选做挑战实验，了解船舶自动识别系统AIS在船舶交通管理、航标管理、助航服务等领域的实际功能，通过该实验案例进行自主开发设计，实现AIS的信息编码、解码分析与显示等实验，满足不同能力学生的要求，锻炼学生专业知识的应用和创新能力，满足“新工科”背景下的人才培养目标要求。

图1 实验案例设计总体架构

3、案例设计内容

实验共8学时，本案例设计4类实验，从易到难分别为基础实验、设计实验、进阶实验和选做实验。

(1)基础实验。

基础实验为AIS设备实操，为必做实验。学生依据操作手册都可自行完成。通过基实验，学生对实际AIS设备有了一定的了解，而且能够“看得见”真实的船舶海上航行轨迹，激发了学生的好奇心，学习兴趣大大提高。AIS岸基和船台设备如图2所示。AIS天线包括VHF天线和GPS天线，架设在实验室所在教学楼顶，如图3所示。接收端显示的操作界面，学生可以“看得见”大连港真实船舶的航行轨迹和基本航行信息。

图2 AIS设备

图3 AIS天线架设

(2)设计实验。

由于真实AIS设备天线安装在教学楼顶，距离海港较远，实际接收到的船舶数据相对较少，种类也不全，课程组自行设计了AIS信号源模拟器，学生可设计AIS发送的各种类型电文数据，并在接收端实现接收信息的解码，这部分实验需要学生自主分析，根据理论课所学的AIS通信协议和信息编解码格式，进行设计与分析[10]。设计实验促进了学生对理论课所学内容的进一步理解。学生在AIS接收端能够“看得见”模拟器生成的二进制暗码数据，提升了学习兴趣。“这些数据看起来像乱码，应该如何解码才能显示成船舶信息呢?”带着这样的问题，笔者引导学生做下一个设计实验，学生根据参考流程图自行编程，设计AIS接收信息的解码，培养学生主动思考和分析能力。

(3)进阶实验。

在完成以上两部分实验的基础上，学生已经具备对AIS数据接收与编解码专业知识的深入了解，笔者引导学生做进阶实验，学生根据参考流程图自行编程，解决AIS接收信息解码问题和基于海图的简单显示界面。学生根据解码流程和显示流程，用自己学过的C语言、Python或MATLAB等软件来实现，每组2～3名学生，开展各组成果竞赛，这样既培养了学生的团队合作精神，又能够提高学生主动学习的积极性和创新性。

(4)选做实验。

学生在完成上述3个实验的基础上，有感兴趣的少数学生想继续深入学习AIS的应用，则进行选做实验。这部分主要利用教师提供的AIS大数据(已经解码初步处理好)和算法，进行一些大数据处理的研究，如简单的船舶轨迹提取，实现船舶碰撞危险预测或者目的港预测等功能。这部分实验主要适用于能力较强、学习主动性高或者将来想继续深造的学生，通常这部分实验在课后完成，或者在接下来的课程设计中继续深入研究。例如，学生设计的山东威海港AIS大数据分析后的船舶典型轨迹如图4所示。

图4 山东威海港AIS大数据分析后的船舶典型轨迹

4、实验考核方案

实验考核采用“依据大纲、全面评价、注重细节、鼓励创新”的原则，针对学生的每项实验对应的能力进行考核[11]。①实验预习：实验前1周下发实验指导书，鼓励学生进行预习，查阅资料，充分做好实验准备，形成预习报告，教师根据预习情况进行抽检。②设计实操：实验过程中，随时观察学生的独立思考能力和动手能力，根据不同实验阶段提出问题并进行抽检，形成考核评价依据。③实验总结：实验后结合设计结果和实验报告，对学生的各项实验及综合能力进行考核评价。教师根据每名学生成绩生成相应的能力画像，给出今后在学习中的建议，部分学生能力画像如图5所示。

图5 部分学生能力画像

5、实验效果与分析

以2023年课程实验为例，电子信息专业选课学生83名，课程组给学生发放了自评问卷，调查结果如表1所示，其中基础实验和设计实验学生掌握较好，掌握程度达到90%以上；进阶实验有72%以上的学生能够较好掌握，选做实验有少数学生感兴趣并能够较好掌握。实验总体效果非常好，实现了预期设计目标。

表1 学生自评

教学效果有明显提升，具体包括如下3个方面。①课前学生参与度大幅提升：根据雨课堂记录数据，大部分学生课前主动完成实验预习，并且准备方案充分。②学习主动性、积极性大幅提升：实验过程中学生积极思考，提出问题，并主动解决问题，大部分学生能够独立完成实验任务。③逐步形成创新探索思维方式：学生能够独立分析问题并尝试创新性研究，在后续的相关课程设计中表现出了一定的解决实际问题的能力，达到了学以致用的效果。

6、结语

课题组基于ODAIC理念，利用自主研发的AIS信号源模拟器，让学生能够“看得见”海上船舶通信中的协议、编解码信息及船舶真实航行动态，激发学生学习的主动性。以培养学生的操作、设计、分析、创新、挑战等5个能力为目标，设计了相应的逐级进阶实验，使学生掌握基础实验操作，能够独立设计实验方案，对比分析设计方法的差异，提出创新设计方案，并能够自主开发。通过实验，学生对专业课实验从最初的被动接受，到现在的主动学习，再到积极探索与创新，实现了电子信息专业课程教学目标和能力目标，为“新工科”背景下的电子信息类专业人才培养奠定基础[12]。

参考文献:

[1]刘畅,胡青,张晶泊,等.“新工科”背景下电子信息类专业课教学改革与实践[J].中国现代教育装备,2024(5):68-70.

[2]燕丽红,张党锋,陈虎虎.“新工科”背景下面向产出的信息类专业建设与实践:以电子信息工程专业为例[J].物联网技术,2023,13(12):160-162.

[3]周耀胜.基于创新创业人才培养的多学科融合虚拟仿真实验教学资源建设[J].科技风,2023(34):25-27.

[4]赵晓军.“新工科”建设背景下基础力学课程体系改革与应用型人才培养的路径[J].甘肃教育研究,2024(3):40-42.

[5]刘畅,柳晓鸣,索继东.AIS实验教学平台:编解码练习模块设计[J].中国现代教育装备,2017(5):9-11.

[6]刘畅,那振宇,柳晓鸣,等.AIS实验教学平台:信道监控子模块设计[J].中国现代教育装备,2015(3):15-16.

[7]冼灿娇,郑鑫.基于线上虚拟仿真的数字电子技术实验教学改革与实践[J].中国设备工程,2023(23):254-257.

[8]廉静静,杨晓.基于虚拟现实技术的船用陀螺罗经实验教学模式研究[J].船舶职业教育,2023,11(6):47-49.

[9]路涵铭,孟令辉,李永乐,等.通信原理虚拟仿真实验平台的设计与实现[J].科技创新与应用,2024,14(8):106-109.

[10]于光峰.船载AIS信息采集与解码技术研究[J].电子技术与软件工程,2013(21):91-92.

[11]王世蓉,安会玲,崔冲.“新工科”应用型人才培养背景下“电力系统分析”课程教学改革探索[J].贵州农机化,2024(1):50-54.