陳宇里

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海 201306)

航海儀器的發(fā)展及其課程教學(xué)改革

陳宇里*

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海 201306)

在界定航海儀器概念的基礎(chǔ)上,闡述基于直接型導(dǎo)航信息的新型航海儀器、間接型導(dǎo)航信息的新型儀器及集成型航海儀器系統(tǒng)等三個方面航海儀器的最新發(fā)展,根據(jù)現(xiàn)有“航海儀器”課程教學(xué)難點,合理更新課程教學(xué)內(nèi)容,提出基于課堂理論教學(xué)、模擬器教學(xué)和實驗室教學(xué)的三級教學(xué)模式。

航海儀器;導(dǎo)航信息;課程內(nèi)容;教學(xué)方式;模擬器

一、航海儀器的最新發(fā)展

從廣義上講,航海儀器是指在航行船舶過程中有助于駕駛員操縱和管理船舶的一切電子或機械儀器和設(shè)備,包括導(dǎo)航儀器、通信設(shè)備、消防救生設(shè)備、錨系泊設(shè)備和貨物積配載設(shè)備等;而狹義上的航海儀器概念是專指船舶駕駛臺中為駕駛員提供導(dǎo)航功能的電子或機械儀器,即SOLAS公約第五章航行安全中所要求的船舶必須配備的各種導(dǎo)航設(shè)備[1]。作為教育與培訓(xùn)遠洋船舶駕駛員必修的專業(yè)主干課程,“航海儀器”課程的教學(xué)范圍就是屬于后者,也即本文所探討的內(nèi)容。

航海儀器,是船舶駕駛臺的重要組成部分。在船舶營運的過程中,特別是在當(dāng)今港口越來越繁忙、航路越來越擁擠的情況下,駕駛員正確掌握和使用航海儀器對于提高船舶操縱、避讓、導(dǎo)航的可靠性,減輕船員的工作量和保障人命、財產(chǎn)安全,具有十分重要的意義。航海儀器的發(fā)展可以說是航海技術(shù)發(fā)展的里程碑。綜觀航海科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史,往往一種新的航海儀器的出現(xiàn)和成功應(yīng)用,不僅是高新科學(xué)技術(shù)在航海上應(yīng)用的重要體現(xiàn),而且也會給船舶駕駛理念和技術(shù)帶來新的革新。從20世紀的雷達、自動標(biāo)繪儀(ARPA)、全球定位系統(tǒng)(GPS),到本世紀逐漸開始廣泛應(yīng)用的自動識別系統(tǒng)(AIS)、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(ECDIS)、航行數(shù)據(jù)記錄儀(VDR)和綜合導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)等新航海儀器和系統(tǒng),無不展示著航海的最新發(fā)展和新型船舶駕駛理念。如雷達與ARPA,是計算機技術(shù)應(yīng)用于航海儀器中的先例,使駕駛員可以在能見度不良的情況下,依然能夠了解到本船附近的物標(biāo)動態(tài)(Where are they?);GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使船舶駕駛員可以快速準確地清楚本船的位置(Where am I?);AIS無線電識別技術(shù)使駕駛員可以在一定范圍內(nèi)了解本船附近物標(biāo)的具體信息(Who and how are they?);ECDIS地理信息系統(tǒng)概念在航海上的具體應(yīng)用,在提高定位精度和效率的同時,也大大減輕了駕駛員航海圖書資料更新的工作量;VDR“黑匣子”事故取證技術(shù)為提高海事事故數(shù)據(jù)的準確性和可靠性以及監(jiān)督船舶操縱性能等提供了有效依據(jù);INS多傳感器信息融合技術(shù)極大地提高了駕駛員收集導(dǎo)航信息的有效性,為進行有效操縱船舶提供了決策依據(jù)等。

二、航海儀器發(fā)展的具體體現(xiàn)

1.基于直接型導(dǎo)航信息的新型航海儀器

通常認為船舶的首向、航向、船位、速度、富余水深、舵角、周圍目標(biāo)的動態(tài)等導(dǎo)航信息是駕駛員進行有效操縱和避讓船舶所必需的基本導(dǎo)航信息。由于這類導(dǎo)航信息能夠直接輔助駕駛員進行相關(guān)態(tài)勢的判斷和操縱,因此這類基本導(dǎo)航信息也稱為直接型導(dǎo)航信息,與之相關(guān)的航海儀器也成為基于直接型導(dǎo)航信息的航海儀器。雖然至20世紀末,船舶上這一類型航海儀器已能夠為駕駛員提供滿足航海精度要求的基本導(dǎo)航信息,然而,目前一些新型航海儀器的出現(xiàn)和應(yīng)用,雖然其目的也是為駕駛員提供上述基本導(dǎo)航信息之一,但與提供相同導(dǎo)航信息的原航海儀器相比,有的則采用完全不同工作原理,有的工作原理相似,但實現(xiàn)方式有所突破,這些都大大提高了駕駛員獲得相關(guān)導(dǎo)航信息的精確性和有效性。如傳統(tǒng)的基于陀螺效應(yīng)原理的機械或電磁式陀螺羅經(jīng)是船舶上獲得船首向?qū)Ш叫畔⒌闹饕胶x器,但目前逐漸受到船員青睞的基于Segnac效應(yīng)原理的光纖陀螺羅經(jīng)以及基于 GPS信號和載波相位差技術(shù)的 GPS羅經(jīng),與傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)相比,不僅工作原理完全不同,而且在羅經(jīng)的啟動穩(wěn)定時間和首向精度等方面,都有所改善。又如,基于多普勒效應(yīng)的多普勒計程儀是用于測量船舶航速的主要設(shè)備之一。然而,多普勒計程儀的測速精度始終受到聲速在水中傳播速度的影響。新型的多普勒陣列計程儀,雖然依然應(yīng)用多普勒效應(yīng)基本原理,但在實現(xiàn)測量速度的方式上采用了換能器陣列的方式,很好地消除了聲速在水中傳播速度對測速精度的影響[2]。類似的例子還有新型數(shù)字雷達和ARPA、聲相關(guān)計程儀、北斗和 Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航接收儀等。這種基于直接型導(dǎo)航信息的新型航海儀器的發(fā)展始終是航海儀器發(fā)展的主流。

2.基于間接型導(dǎo)航信息的新型儀器的發(fā)展

為了滿足航運界安全、防恐、防污染和高效的要求,船舶導(dǎo)航信息類型也在不斷更新與發(fā)展之中,與之伴隨的就是新導(dǎo)航信息航海儀器的出現(xiàn)和應(yīng)用。船舶航行數(shù)據(jù)記錄儀(VDR)以及近期SOLAS第五章航行安全中采納的船舶遠程識別與跟蹤系統(tǒng)(LRIT)和駕駛臺航行值班報警系統(tǒng)(BNWAS),就是基于新導(dǎo)航信息的新型航海儀器。雖然船舶實際營運中,VDR、LRIT和BNWAS所記錄或提供的信息與船員駕駛船舶所需的導(dǎo)航信息表面上看并無直接的關(guān)系,故稱為間接型導(dǎo)航信息,與之相關(guān)的航海儀器也成為基于間接型導(dǎo)航信息的航海儀器,但這些航海儀器卻反映了一些新的船舶駕駛理念。VDR和LRIT實際是擴充了船舶導(dǎo)航信息應(yīng)用范圍,即當(dāng)今航海儀器所提供的導(dǎo)航信息,不再只是為船舶駕駛員所用,還必須為岸上有關(guān)管理部門所用,也賦予駕駛員新的責(zé)任——確保這種新的船舶導(dǎo)航信息功能應(yīng)用的實現(xiàn),即要確保這些設(shè)備的正常運行。而BNWAS的強制實行標(biāo)志著駕駛員值班監(jiān)督機制的開始正規(guī)化,同時也要求駕駛員必須要培養(yǎng)規(guī)范值班職責(zé)的意識。

3.基于集成型航海儀器系統(tǒng)的發(fā)展

如果把20世紀造船的駕駛臺看成是“分離型”,即每種航海儀器在駕駛臺上單獨分開設(shè)置和清楚標(biāo)志,那么,21世紀以及未來船舶的駕駛臺則可以認為是“集成型”,即把駕駛臺的航海儀器信息集成在一個或幾個控制臺中,達到設(shè)備和資源共享。集成型航海儀器系統(tǒng)有局部集成和綜合集成之分。局部集成型航海儀器系統(tǒng)是指只把兩個或多個航海儀器的導(dǎo)航信息集成到一個航海儀器系統(tǒng)中,如船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(ECDIS)和新型的數(shù)字雷達就是局部集成型航海儀器的示例。而綜合集成型航海儀器系統(tǒng)就是盡可能把駕駛臺中所有的航海儀器導(dǎo)航信息都集成在一起,以真正實現(xiàn)軟件和硬件的資源共享。如一個顯示屏,可以根據(jù)駕駛員的需要,只顯示雷達圖像或只顯示電子海圖圖像,也可以同時顯示雷達和電子海圖的疊加圖像;駕駛員要獲得船位信息,不再只能從 GPS接收機屏幕上獲得,甚至可以從測深儀屏幕上讀取。與“分離型”駕駛臺相比,“集成型”駕駛臺最大優(yōu)點在于大大縮短了駕駛員獲取必要信息的時間,為進行決策(如避讓)留有更多的時間。這同時也是國際海事組織(IMO)提出的“單人駕駛臺”理念的初衷,反映在具體的航海儀器上就是“綜合導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)”。船舶駕駛臺發(fā)展的最終目標(biāo)是實現(xiàn)智能化駕駛臺,但集成化是智能化的基礎(chǔ),因此,未來幾十年船舶航海儀器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢必將是INS。

三、“航海儀器”課程教學(xué)改革

基于上述航海儀器的最新發(fā)展概況,作為教育與培訓(xùn)遠洋船舶駕駛員必修的專業(yè)主干內(nèi)容,“航海儀器”課程在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式上也應(yīng)進行適當(dāng)?shù)母母?以滿足新版STCW78/95公約的要求。

1.教學(xué)內(nèi)容改革

新型航海儀器的出現(xiàn)和應(yīng)用,往往會淘汰一些原有的航海儀器。如衛(wèi)星導(dǎo)航接收機在船上的成功應(yīng)用使得無線電定位設(shè)備,如Loran C接收機等逐漸退出航海歷史舞臺。與其他航海技術(shù)專業(yè)課程相比,“航海儀器”課程教學(xué)內(nèi)容具有較強的動態(tài)更新性,這也是這門課程的教學(xué)難點之一。特別是近20年,科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展促使航海儀器不斷發(fā)展和更新,也使得“航海儀器”課程教學(xué)內(nèi)容必須不斷更新,即刪除過時航海儀器的內(nèi)容,介紹新的儀器內(nèi)容和理念,才能滿足航運發(fā)展對培養(yǎng)合格人才的要求。

綜觀目前我國有關(guān)“航海儀器”課程的教學(xué)大綱和教材[3-5],主要涉及測深儀、計程儀、陀螺羅經(jīng)、磁羅經(jīng)、Loran C、GPS、AIS、雷達與 ARPA,少許涉及 ECDIS、VDR、INS、Galileo 導(dǎo)航系統(tǒng)、光纖陀螺羅經(jīng),基本沒有涉及北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS羅經(jīng)、LRIT和BNWAS。從中可以看出,少許和基本沒有涉及的內(nèi)容均是近10年來出現(xiàn)的新型航海儀器或系統(tǒng),這也反映了目前“航海儀器”課程教學(xué)具有一定的滯后性,即一些新型航海儀器在船上應(yīng)用若干年之后,才逐漸被正式引入課程教學(xué)之中。當(dāng)然這種課程教學(xué)的滯后性往往也是在所難免的,因為一種新型的航海儀器在被廣泛應(yīng)用之前,是需要經(jīng)過一定時間的實踐驗證,在沒有確保新型的航海儀器能夠滿足航海航行要求之前,航海院校往往不會投入過多的資源來規(guī)范化其教學(xué)。然而,光纖陀螺羅經(jīng)和 GPS羅經(jīng)已經(jīng)開始安裝在船舶上,ECDIS、LRIT和BNWAS已被 SOLAS公約所采納,在未來數(shù)年內(nèi)將陸續(xù)廣泛安裝使用,因此,這些內(nèi)容應(yīng)納入主要教學(xué)內(nèi)容之列。而INS、Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng),雖然未正式投入服務(wù)階段,但卻是可預(yù)見的未來新型航海儀器,因此也應(yīng)該納入教學(xué)內(nèi)容之列,以替代已不再被廣泛使用的Loran C系統(tǒng)。

在實際教學(xué)中,若一門“航海儀器”課程就包含這么多內(nèi)容,會影響教學(xué)管理和教學(xué)效果。因此,筆者認為可以根據(jù)航海儀器的最新發(fā)展情況,把航海儀器內(nèi)容進行適當(dāng)分類,分成三門課程分別進行教學(xué),具體教學(xué)內(nèi)容如表1所示。保留“航海儀器”課程名稱,但其內(nèi)容只涉及船舶指向儀器和水聲導(dǎo)航儀器等傳統(tǒng)意義上的航海儀器課程內(nèi)容;“船舶導(dǎo)航系統(tǒng)”課程則包括衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和集成型導(dǎo)航系統(tǒng)等新型航海儀器系統(tǒng);而考慮到雷達和ARPA的特殊性和重要性,依然有必要單獨設(shè)立一門“雷達與ARPA”課程。

表1 “航海儀器”課程和教學(xué)內(nèi)容分類

2.教學(xué)方式改革

航海是公認的實踐性很強的學(xué)科,“航海儀器”課程的教學(xué)更是體現(xiàn)出理論和實踐相結(jié)合的教學(xué)模式在航海專業(yè)教學(xué)中的重要性。目前,采用課堂理論講授和實驗室試驗的二級教學(xué)方式是“航海儀器”教學(xué)的主要教學(xué)手段。其中,由于航海儀器的種類繁多,更新較快且價格不菲,往往造成實驗室中航海儀器數(shù)量相對學(xué)員數(shù)量而言明顯不足。為解決教學(xué)的必要性和設(shè)備數(shù)量有限這一矛盾,可以把航海儀器模擬器引入教學(xué)之中,即在課堂理論講授和實驗室試驗教學(xué)環(huán)節(jié)之間,新增航海儀器模擬器教學(xué)環(huán)節(jié),擴展為三級教學(xué)方式。航海儀器模擬器并不是單指船舶操縱模擬器,而是指對每一類型航海儀器,都對其典型型號開發(fā)各自的模擬器,而船舶操縱模擬器可以視為航海儀器模擬器中的一種。利用分布于計算機終端的航海儀器模擬器,不僅可以解決學(xué)生多、設(shè)備少的矛盾,而且還有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,節(jié)省設(shè)備費用,保障設(shè)備操作安全。

四、結(jié) 語

船舶航海儀器的發(fā)展要求現(xiàn)行的“航海儀器”課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式也必須進行相應(yīng)的改革,以適應(yīng)即將采納的新版STCW78/95公約和滿足培養(yǎng)高素質(zhì)船員的要求。課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)更新為包含測深儀、計程儀、陀螺羅經(jīng)、磁羅經(jīng)、Loran C、GPS、AIS、雷達與 ARPA、ECDIS、VDR、INS、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS羅經(jīng)、LRIT和BNWAS。課程教學(xué)改革方式可以新增航海儀器模擬器教學(xué)環(huán)節(jié),采用課堂理論教學(xué)、模擬器教學(xué)和實驗室教學(xué)的新型三級教學(xué)模式。當(dāng)然,課程的教學(xué)改革應(yīng)因地制宜,還要綜合考慮師資力量、學(xué)生規(guī)模、教學(xué)管理和資金資源等因素。

[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]楊在金.航海儀器[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,1998.

[4]洪德本.航海儀器[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2003.

[5]中華人民共和國海事局.中華人民共和國海船船員適任考試大綱[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2006.

U676.2

A

1006-8724(2010)03-0055-03

2010-04-05

陳宇里(1979-),男,講師,主要從事船舶導(dǎo)航方面的研究。