基于衛(wèi)星寬帶通信的船校交互式遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)

郭云龍 李偉 劉芳武

摘 要：為了加強(qiáng)航海類專業(yè)的實踐教學(xué)，提出一種基于衛(wèi)星寬帶通信的船校交互式的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，可以借其實現(xiàn)理論結(jié)合實踐的“現(xiàn)場式”教學(xué)。該系統(tǒng)包括船舶端子系統(tǒng)、用戶子系統(tǒng)和岸端信息處理子系統(tǒng)等三部分組成，船舶實操現(xiàn)場和課堂教學(xué)間可以通過衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)實現(xiàn)信息的交流，通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)課堂教學(xué)與船舶生產(chǎn)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程互動教學(xué)，實現(xiàn)理實一體化，有利于學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識和增強(qiáng)實踐認(rèn)知能力。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星寬帶;第五代海事衛(wèi)星;航海教育;交互式教學(xué)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.217

0 引言

隨著國務(wù)院《關(guān)于發(fā)展我國現(xiàn)代化遠(yuǎn)程教育的意見》的出臺，我國的遠(yuǎn)程教育迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。遠(yuǎn)程教學(xué)在技術(shù)上包括多種形式，主要有電視廣播、有線電視、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星數(shù)字頻道等，當(dāng)前以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為主體。所謂的交互式遠(yuǎn)程教育是指利用計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)等實現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)雙方的信息互動和交互，克服傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教學(xué)單向信息傳輸?shù)娜秉c[1]。

遠(yuǎn)程教學(xué)可以作為實操現(xiàn)場教學(xué)的有益補(bǔ)充，滿足實踐教學(xué)的需要，尤其針對航海類專業(yè)上船實踐教學(xué)的不足[2，5]，交互式遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)可以幫助課堂學(xué)生更好地了解船舶的實際生產(chǎn)操作情況，具有重要的教育和應(yīng)用價值。但是，由于船岸通信手段的限制，采取衛(wèi)星寬帶技術(shù)作為通信手段成為船校間交互式遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的首選。

1 相關(guān)技術(shù)分析

1.1 海事衛(wèi)星通信技術(shù)

衛(wèi)星通信是一種特殊的微波中繼通信，利用外層空間的通信衛(wèi)星作為中繼站。衛(wèi)星通信具有覆蓋區(qū)域廣、靈活機(jī)動、線路穩(wěn)定等優(yōu)點。最初由國際海事組織（IMO）創(chuàng)立的Inmarsat公司現(xiàn)作為全球最大全球移動通信服務(wù)商，其掌握的Inmarsat海事衛(wèi)星在海上安全通信領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。Inmarsat海事衛(wèi)星從1979年使用至今經(jīng)歷了五代的發(fā)展，其中第一代為租用衛(wèi)星，第二代為自建系統(tǒng)（已被第三代系統(tǒng)替代），目前主要在用的衛(wèi)星系統(tǒng)是第三代（L波段語音通信系統(tǒng)）、第四代（L波段數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)）以及第五代（Ka寬帶通信系統(tǒng)）[3]。第四代海事衛(wèi)星可為任何海域的船舶提供高速的數(shù)據(jù)傳輸和語音、圖形與視頻通信服務(wù)，然而由于上網(wǎng)速率最高只有492kbps，用于海上緊急、遇險和救援等情況的通信，數(shù)據(jù)傳輸速率和資費(fèi)依然無法滿足遠(yuǎn)程教學(xué)通信的要求。

Inmarsat在2013年開始著手發(fā)射Global Xpress第五代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)定位于寬帶通信系統(tǒng)，由3顆工作衛(wèi)星和1顆備用衛(wèi)星組成，采用IP體制，具有高帶寬、高頻段、高穩(wěn)定性等特點。第五代海事衛(wèi)星采用HTS技術(shù)，Ka頻段，可以為寬帶衛(wèi)星終端用戶提供下行50Mbps，上行5Mbps的速率，相比第四代海事衛(wèi)星系統(tǒng)有了近百倍的增長[4，8]，基本可以滿足視頻數(shù)據(jù)的無障礙傳輸，因此本系統(tǒng)選用第五代海事衛(wèi)星的通信設(shè)備進(jìn)行信息傳送。

1.2 視頻數(shù)據(jù)處理技術(shù)

由于高清攝像頭錄制的視頻數(shù)據(jù)量太大，對通信帶寬的要求太高，因此采取視頻編碼技術(shù)對其進(jìn)行編碼壓縮后傳輸。視頻編碼的目的是為了降低所要傳輸數(shù)據(jù)的容量，通過將視頻像素壓縮為碼流來實現(xiàn)。視頻數(shù)據(jù)編碼壓縮的技術(shù)有很多，包括H.26x標(biāo)準(zhǔn)、AVS標(biāo)準(zhǔn)、H265（HEVC）標(biāo)準(zhǔn)等，由于H265標(biāo)準(zhǔn)的壓縮率和編碼質(zhì)量較之其他標(biāo)準(zhǔn)具有明顯的優(yōu)勢，并且是基于IP技術(shù)的，因此本系統(tǒng)采用H265協(xié)議下的編解碼技術(shù)。

音頻編碼的主要作用是將音頻采樣數(shù)據(jù)壓縮成音頻碼流，從而降低音頻的數(shù)據(jù)量。音頻編碼對于音頻信息的傳輸也很重要，但是由于音頻數(shù)據(jù)量本身不大，所以對于技術(shù)的要求不高，本系統(tǒng)選取混合編碼技術(shù)，綜合利用各種編碼技術(shù)的優(yōu)點。

2 船校交互式遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)

基于衛(wèi)星寬帶的船校交互式遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)由軟件和硬件組成，其硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，主要包括船舶端子系統(tǒng)、用戶子系統(tǒng)和岸端信息處理子系統(tǒng)三部分。

2.1 船舶端子系統(tǒng)

船舶端子系統(tǒng)包括視頻/音頻收集與處理裝置、衛(wèi)星寬帶通信船載裝置和集中授課場地等。

裝設(shè)的攝像頭為具有紅外功能的全方位云臺高清攝像頭，主要裝在駕駛臺、羅經(jīng)甲板、船尾、機(jī)艙室、集控室、貨艙、船頭等主要部位，用于收集船舶作業(yè)現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù)，攝像頭附近對應(yīng)裝設(shè)麥克風(fēng)來收集音頻數(shù)據(jù)。

由于收集視頻的原始數(shù)據(jù)量較大，現(xiàn)有海事衛(wèi)星的技術(shù)和資費(fèi)方面都難以滿足其傳輸需求，同時為了節(jié)省儲存空間，因此需要進(jìn)行編碼壓縮處理。本子系統(tǒng)的處理裝置主要是指視頻/音頻編碼和解碼設(shè)備，編解碼設(shè)備是采用基于H265通信協(xié)議的編解碼設(shè)備[6]，是當(dāng)前編解碼效率較高的編碼壓縮技術(shù)。

衛(wèi)星寬帶通信船載裝置選用第五代Inmarsat海事衛(wèi)星終端，與VSAT衛(wèi)星結(jié)合用于船舶與岸上數(shù)據(jù)的雙向傳輸與接收。船載衛(wèi)星通信設(shè)備通過局域網(wǎng)與視頻/音頻采集壓縮裝置相連接，通過衛(wèi)星向岸基設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)并接受衛(wèi)星發(fā)來的岸基設(shè)備的數(shù)據(jù)。

2.2 岸端信息處理子系統(tǒng)

衛(wèi)星寬帶通信岸端裝置負(fù)責(zé)接受船載衛(wèi)星通信設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過Internet進(jìn)行傳輸，便于信息可以在不同場地均可被處理、儲存和使用。前期錄制的船舶業(yè)務(wù)操作和兼職教師的講解視頻被分門別類的整理和儲存，且不同船舶的上監(jiān)控攝像頭的實時監(jiān)控畫面也按照事先設(shè)定的程序和船舶的不同作業(yè)狀態(tài)被分類顯示。

信息的處理與存儲設(shè)備負(fù)責(zé)對接受的數(shù)據(jù)按照要求進(jìn)行處理和儲存，根據(jù)教學(xué)的實際需要課件制作者有權(quán)對無用數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，對有用數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和分類儲存。授權(quán)操作者可以控制船舶上的攝像頭獲取需要的船舶操作視頻，并要求船舶兼職教師對船舶結(jié)構(gòu)和相關(guān)操作進(jìn)行講解。

此外，該子系統(tǒng)還包括對通信系統(tǒng)和學(xué)習(xí)平臺的技術(shù)支持與維護(hù)人員，包括學(xué)習(xí)系統(tǒng)的安全防護(hù)、故障處理和平臺改進(jìn)等[7]。

2.3 用戶子系統(tǒng)

系統(tǒng)的用戶包括教師用戶、學(xué)生用戶、管理員和企業(yè)用戶等，根據(jù)其不同的需求設(shè)置不同的權(quán)限[9]。

系統(tǒng)學(xué)習(xí)平臺的科目和分類由管理員確定，其他用戶無權(quán)修改。教師和船舶兼職教師用戶可以根據(jù)授課需要對相關(guān)模塊的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行添加和刪減，包括課件的錄制和資源的上傳。

學(xué)員用戶根據(jù)授權(quán)的級別通過Internet從學(xué)習(xí)平臺上獲取所需的學(xué)習(xí)內(nèi)容，對學(xué)習(xí)內(nèi)容有任何疑問也可以通過留言方式向教師和船舶兼職教師進(jìn)行詢問，他們將進(jìn)行針對性的解答或錄制新的實踐操作和講解視頻來進(jìn)行補(bǔ)充[10]。用戶也可根據(jù)學(xué)習(xí)需要調(diào)取的船舶實時操作的現(xiàn)場畫面，進(jìn)行理實一體的學(xué)習(xí)，或者由船舶兼職教師在船舶授課中心進(jìn)行講解授課。

3 總結(jié)

航海類專業(yè)是實踐性很強(qiáng)的專業(yè)，然而由于船上環(huán)境和工作的特殊性，長期靈活的現(xiàn)場實踐教學(xué)不太現(xiàn)實，為了加強(qiáng)教學(xué)效果和提高學(xué)生的實踐能力，本文提出研制一種基于寬帶衛(wèi)星的交互式遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)航海類專業(yè)課程學(xué)習(xí)與船舶作業(yè)的交互就具有重要的現(xiàn)實意義。隨著衛(wèi)星寬帶技術(shù)的發(fā)展和資費(fèi)的下降，這一應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫娇焖俚陌l(fā)展，也必將促進(jìn)航海教育模式的重大變革。

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