航海仪器的发展及其课程教学改革

陈宇里

(上海海事大学商船学院,上海 201306)

航海仪器的发展及其课程教学改革

陈宇里*

(上海海事大学商船学院,上海 201306)

在界定航海仪器概念的基础上,阐述基于直接型导航信息的新型航海仪器、间接型导航信息的新型仪器及集成型航海仪器系统等三个方面航海仪器的最新发展,根据现有“航海仪器”课程教学难点,合理更新课程教学内容,提出基于课堂理论教学、模拟器教学和实验室教学的三级教学模式。

航海仪器;导航信息;课程内容;教学方式;模拟器

一、航海仪器的最新发展

从广义上讲,航海仪器是指在航行船舶过程中有助于驾驶员操纵和管理船舶的一切电子或机械仪器和设备,包括导航仪器、通信设备、消防救生设备、锚系泊设备和货物积配载设备等;而狭义上的航海仪器概念是专指船舶驾驶台中为驾驶员提供导航功能的电子或机械仪器,即SOLAS公约第五章航行安全中所要求的船舶必须配备的各种导航设备[1]。作为教育与培训远洋船舶驾驶员必修的专业主干课程,“航海仪器”课程的教学范围就是属于后者,也即本文所探讨的内容。

航海仪器,是船舶驾驶台的重要组成部分。在船舶营运的过程中,特别是在当今港口越来越繁忙、航路越来越拥挤的情况下,驾驶员正确掌握和使用航海仪器对于提高船舶操纵、避让、导航的可靠性,减轻船员的工作量和保障人命、财产安全,具有十分重要的意义。航海仪器的发展可以说是航海技术发展的里程碑。综观航海科学技术的发展史,往往一种新的航海仪器的出现和成功应用,不仅是高新科学技术在航海上应用的重要体现,而且也会给船舶驾驶理念和技术带来新的革新。从20世纪的雷达、自动标绘仪(ARPA)、全球定位系统(GPS),到本世纪逐渐开始广泛应用的自动识别系统(AIS)、电子海图显示与信息系统(ECDIS)、航行数据记录仪(VDR)和综合导航系统(INS)等新航海仪器和系统,无不展示着航海的最新发展和新型船舶驾驶理念。如雷达与ARPA,是计算机技术应用于航海仪器中的先例,使驾驶员可以在能见度不良的情况下,依然能够了解到本船附近的物标动态(Where are they?);GPS卫星导航系统使船舶驾驶员可以快速准确地清楚本船的位置(Where am I?);AIS无线电识别技术使驾驶员可以在一定范围内了解本船附近物标的具体信息(Who and how are they?);ECDIS地理信息系统概念在航海上的具体应用,在提高定位精度和效率的同时,也大大减轻了驾驶员航海图书资料更新的工作量;VDR“黑匣子”事故取证技术为提高海事事故数据的准确性和可靠性以及监督船舶操纵性能等提供了有效依据;INS多传感器信息融合技术极大地提高了驾驶员收集导航信息的有效性,为进行有效操纵船舶提供了决策依据等。

二、航海仪器发展的具体体现

1.基于直接型导航信息的新型航海仪器

通常认为船舶的首向、航向、船位、速度、富余水深、舵角、周围目标的动态等导航信息是驾驶员进行有效操纵和避让船舶所必需的基本导航信息。由于这类导航信息能够直接辅助驾驶员进行相关态势的判断和操纵,因此这类基本导航信息也称为直接型导航信息,与之相关的航海仪器也成为基于直接型导航信息的航海仪器。虽然至20世纪末,船舶上这一类型航海仪器已能够为驾驶员提供满足航海精度要求的基本导航信息,然而,目前一些新型航海仪器的出现和应用,虽然其目的也是为驾驶员提供上述基本导航信息之一,但与提供相同导航信息的原航海仪器相比,有的则采用完全不同工作原理,有的工作原理相似,但实现方式有所突破,这些都大大提高了驾驶员获得相关导航信息的精确性和有效性。如传统的基于陀螺效应原理的机械或电磁式陀螺罗经是船舶上获得船首向导航信息的主要航海仪器,但目前逐渐受到船员青睐的基于Segnac效应原理的光纤陀螺罗经以及基于 GPS信号和载波相位差技术的 GPS罗经,与传统陀螺罗经相比,不仅工作原理完全不同,而且在罗经的启动稳定时间和首向精度等方面,都有所改善。又如,基于多普勒效应的多普勒计程仪是用于测量船舶航速的主要设备之一。然而,多普勒计程仪的测速精度始终受到声速在水中传播速度的影响。新型的多普勒阵列计程仪,虽然依然应用多普勒效应基本原理,但在实现测量速度的方式上采用了换能器阵列的方式,很好地消除了声速在水中传播速度对测速精度的影响[2]。类似的例子还有新型数字雷达和ARPA、声相关计程仪、北斗和 Galileo卫星导航接收仪等。这种基于直接型导航信息的新型航海仪器的发展始终是航海仪器发展的主流。

2.基于间接型导航信息的新型仪器的发展

为了满足航运界安全、防恐、防污染和高效的要求,船舶导航信息类型也在不断更新与发展之中,与之伴随的就是新导航信息航海仪器的出现和应用。船舶航行数据记录仪(VDR)以及近期SOLAS第五章航行安全中采纳的船舶远程识别与跟踪系统(LRIT)和驾驶台航行值班报警系统(BNWAS),就是基于新导航信息的新型航海仪器。虽然船舶实际营运中,VDR、LRIT和BNWAS所记录或提供的信息与船员驾驶船舶所需的导航信息表面上看并无直接的关系,故称为间接型导航信息,与之相关的航海仪器也成为基于间接型导航信息的航海仪器,但这些航海仪器却反映了一些新的船舶驾驶理念。VDR和LRIT实际是扩充了船舶导航信息应用范围,即当今航海仪器所提供的导航信息,不再只是为船舶驾驶员所用,还必须为岸上有关管理部门所用,也赋予驾驶员新的责任——确保这种新的船舶导航信息功能应用的实现,即要确保这些设备的正常运行。而BNWAS的强制实行标志着驾驶员值班监督机制的开始正规化,同时也要求驾驶员必须要培养规范值班职责的意识。

3.基于集成型航海仪器系统的发展

如果把20世纪造船的驾驶台看成是“分离型”,即每种航海仪器在驾驶台上单独分开设置和清楚标志,那么,21世纪以及未来船舶的驾驶台则可以认为是“集成型”,即把驾驶台的航海仪器信息集成在一个或几个控制台中,达到设备和资源共享。集成型航海仪器系统有局部集成和综合集成之分。局部集成型航海仪器系统是指只把两个或多个航海仪器的导航信息集成到一个航海仪器系统中,如船舶自动识别系统(AIS)、电子海图显示与信息系统(ECDIS)和新型的数字雷达就是局部集成型航海仪器的示例。而综合集成型航海仪器系统就是尽可能把驾驶台中所有的航海仪器导航信息都集成在一起,以真正实现软件和硬件的资源共享。如一个显示屏,可以根据驾驶员的需要,只显示雷达图像或只显示电子海图图像,也可以同时显示雷达和电子海图的叠加图像;驾驶员要获得船位信息,不再只能从 GPS接收机屏幕上获得,甚至可以从测深仪屏幕上读取。与“分离型”驾驶台相比,“集成型”驾驶台最大优点在于大大缩短了驾驶员获取必要信息的时间,为进行决策(如避让)留有更多的时间。这同时也是国际海事组织(IMO)提出的“单人驾驶台”理念的初衷,反映在具体的航海仪器上就是“综合导航系统(INS)”。船舶驾驶台发展的最终目标是实现智能化驾驶台,但集成化是智能化的基础,因此,未来几十年船舶航海仪器系统的发展趋势必将是INS。

三、“航海仪器”课程教学改革

基于上述航海仪器的最新发展概况,作为教育与培训远洋船舶驾驶员必修的专业主干内容,“航海仪器”课程在教学内容和教学方式上也应进行适当的改革,以满足新版STCW78/95公约的要求。

1.教学内容改革

新型航海仪器的出现和应用,往往会淘汰一些原有的航海仪器。如卫星导航接收机在船上的成功应用使得无线电定位设备,如Loran C接收机等逐渐退出航海历史舞台。与其他航海技术专业课程相比,“航海仪器”课程教学内容具有较强的动态更新性,这也是这门课程的教学难点之一。特别是近20年,科学技术的快速发展促使航海仪器不断发展和更新,也使得“航海仪器”课程教学内容必须不断更新,即删除过时航海仪器的内容,介绍新的仪器内容和理念,才能满足航运发展对培养合格人才的要求。

综观目前我国有关“航海仪器”课程的教学大纲和教材[3-5],主要涉及测深仪、计程仪、陀螺罗经、磁罗经、Loran C、GPS、AIS、雷达与 ARPA,少许涉及 ECDIS、VDR、INS、Galileo 导航系统、光纤陀螺罗经,基本没有涉及北斗导航系统、GPS罗经、LRIT和BNWAS。从中可以看出,少许和基本没有涉及的内容均是近10年来出现的新型航海仪器或系统,这也反映了目前“航海仪器”课程教学具有一定的滞后性,即一些新型航海仪器在船上应用若干年之后,才逐渐被正式引入课程教学之中。当然这种课程教学的滞后性往往也是在所难免的,因为一种新型的航海仪器在被广泛应用之前,是需要经过一定时间的实践验证,在没有确保新型的航海仪器能够满足航海航行要求之前,航海院校往往不会投入过多的资源来规范化其教学。然而,光纤陀螺罗经和 GPS罗经已经开始安装在船舶上,ECDIS、LRIT和BNWAS已被 SOLAS公约所采纳,在未来数年内将陆续广泛安装使用,因此,这些内容应纳入主要教学内容之列。而INS、Galileo导航系统和北斗导航系统,虽然未正式投入服务阶段,但却是可预见的未来新型航海仪器,因此也应该纳入教学内容之列,以替代已不再被广泛使用的Loran C系统。

在实际教学中,若一门“航海仪器”课程就包含这么多内容,会影响教学管理和教学效果。因此,笔者认为可以根据航海仪器的最新发展情况,把航海仪器内容进行适当分类,分成三门课程分别进行教学,具体教学内容如表1所示。保留“航海仪器”课程名称,但其内容只涉及船舶指向仪器和水声导航仪器等传统意义上的航海仪器课程内容;“船舶导航系统”课程则包括卫星导航系统和集成型导航系统等新型航海仪器系统;而考虑到雷达和ARPA的特殊性和重要性,依然有必要单独设立一门“雷达与ARPA”课程。

表1 “航海仪器”课程和教学内容分类

2.教学方式改革

航海是公认的实践性很强的学科,“航海仪器”课程的教学更是体现出理论和实践相结合的教学模式在航海专业教学中的重要性。目前,采用课堂理论讲授和实验室试验的二级教学方式是“航海仪器”教学的主要教学手段。其中,由于航海仪器的种类繁多,更新较快且价格不菲,往往造成实验室中航海仪器数量相对学员数量而言明显不足。为解决教学的必要性和设备数量有限这一矛盾,可以把航海仪器模拟器引入教学之中,即在课堂理论讲授和实验室试验教学环节之间,新增航海仪器模拟器教学环节,扩展为三级教学方式。航海仪器模拟器并不是单指船舶操纵模拟器,而是指对每一类型航海仪器,都对其典型型号开发各自的模拟器,而船舶操纵模拟器可以视为航海仪器模拟器中的一种。利用分布于计算机终端的航海仪器模拟器,不仅可以解决学生多、设备少的矛盾,而且还有助于提高学生的学习效率,节省设备费用,保障设备操作安全。

四、结 语

船舶航海仪器的发展要求现行的“航海仪器”课程教学内容和教学方式也必须进行相应的改革,以适应即将采纳的新版STCW78/95公约和满足培养高素质船员的要求。课程教学内容应更新为包含测深仪、计程仪、陀螺罗经、磁罗经、Loran C、GPS、AIS、雷达与 ARPA、ECDIS、VDR、INS、北斗导航系统、Galileo导航系统、GPS罗经、LRIT和BNWAS。课程教学改革方式可以新增航海仪器模拟器教学环节,采用课堂理论教学、模拟器教学和实验室教学的新型三级教学模式。当然,课程的教学改革应因地制宜,还要综合考虑师资力量、学生规模、教学管理和资金资源等因素。

[1]IMO.International convention for the safety of life at sea(SOLAS)[R].Chapter V,Navigation of Safety,1974.

[2]TETLEY L,CALCUTT D.Electronic navigation systems[M].3th ed.Oxford:Butterworth-Heinemann,2001.

[3]杨在金.航海仪器[M].大连:大连海事大学出版社,1998.

[4]洪德本.航海仪器[M].大连:大连海事大学出版社,2003.

[5]中华人民共和国海事局.中华人民共和国海船船员适任考试大纲[M].大连:大连海事大学出版社,2006.

U676.2

A

1006-8724(2010)03-0055-03

2010-04-05

陈宇里(1979-),男,讲师,主要从事船舶导航方面的研究。