郭云龙 李伟 刘芳武

摘 要：为了加强航海类专业的实践教学，提出一种基于卫星宽带通信的船校交互式的远程教学系统，可以借其实现理论结合实践的“现场式”教学。该系统包括船舶端子系统、用户子系统和岸端信息处理子系统等三部分组成，船舶实操现场和课堂教学间可以通过卫星宽带通信系统实现信息的交流，通过该系统可以实现课堂教学与船舶生产现场的远程互动教学，实现理实一体化，有利于学生更好地掌握相关知识和增强实践认知能力。

关键词：卫星宽带;第五代海事卫星;航海教育;交互式教学

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

0 引言

随着国务院《关于发展我国现代化远程教育的意见》的出台，我国的远程教育迎来了新的发展机遇。远程教学在技术上包括多种形式，主要有电视广播、有线电视、互联网、卫星数字频道等，当前以互联网技术为主体。所谓的交互式远程教育是指利用计算机技术、网络技术和通信技术等实现远程教学双方的信息互动和交互，克服传统远程教学单向信息传输的缺点[1]。

远程教学可以作为实操现场教学的有益补充，满足实践教学的需要，尤其针对航海类专业上船实践教学的不足[2，5]，交互式远程教学系统可以帮助课堂学生更好地了解船舶的实际生产操作情况，具有重要的教育和应用价值。但是，由于船岸通信手段的限制，采取卫星宽带技术作为通信手段成为船校间交互式远程教学系统的首选。

1 相关技术分析

1.1 海事卫星通信技术

卫星通信是一种特殊的微波中继通信，利用外层空间的通信卫星作为中继站。卫星通信具有覆盖区域广、灵活机动、线路稳定等优点。最初由国际海事组织（IMO）创立的Inmarsat公司现作为全球最大全球移动通信服务商，其掌握的Inmarsat海事卫星在海上安全通信领域发挥了重要作用。Inmarsat海事卫星从1979年使用至今经历了五代的发展，其中第一代为租用卫星，第二代为自建系统（已被第三代系统替代），目前主要在用的卫星系统是第三代（L波段语音通信系统）、第四代（L波段数据通信系统）以及第五代（Ka宽带通信系统）[3]。第四代海事卫星可为任何海域的船舶提供高速的数据传输和语音、图形与视频通信服务，然而由于上网速率最高只有492kbps，用于海上紧急、遇险和救援等情况的通信，数据传输速率和资费依然无法满足远程教学通信的要求。

Inmarsat在2013年开始着手发射Global Xpress第五代海事卫星通信系统定位于宽带通信系统，由3颗工作卫星和1颗备用卫星组成，采用IP体制，具有高带宽、高频段、高稳定性等特点。第五代海事卫星采用HTS技术，Ka频段，可以为宽带卫星终端用户提供下行50Mbps，上行5Mbps的速率，相比第四代海事卫星系统有了近百倍的增长[4，8]，基本可以满足视频数据的无障碍传输，因此本系统选用第五代海事卫星的通信设备进行信息传送。

1.2 视频数据处理技术

由于高清摄像头录制的视频数据量太大，对通信带宽的要求太高，因此采取视频编码技术对其进行编码压缩后传输。视频编码的目的是为了降低所要传输数据的容量，通过将视频像素压缩为码流来实现。视频数据编码压缩的技术有很多，包括H.26x标准、AVS标准、H265（HEVC）标准等，由于H265标准的压缩率和编码质量较之其他标准具有明显的优势，并且是基于IP技术的，因此本系统采用H265协议下的编解码技术。

音频编码的主要作用是将音频采样数据压缩成音频码流，从而降低音频的数据量。音频编码对于音频信息的传输也很重要，但是由于音频数据量本身不大，所以对于技术的要求不高，本系统选取混合编码技术，综合利用各种编码技术的優点。

2 船校交互式远程教学系统

基于卫星宽带的船校交互式远程教学系统由软件和硬件组成，其硬件系统构成如图1所示，主要包括船舶端子系统、用户子系统和岸端信息处理子系统三部分。

2.1 船舶端子系统

船舶端子系统包括视频/音频收集与处理装置、卫星宽带通信船载装置和集中授课场地等。

装设的摄像头为具有红外功能的全方位云台高清摄像头，主要装在驾驶台、罗经甲板、船尾、机舱室、集控室、货舱、船头等主要部位，用于收集船舶作业现场的视频数据，摄像头附近对应装设麦克风来收集音频数据。

由于收集视频的原始数据量较大，现有海事卫星的技术和资费方面都难以满足其传输需求，同时为了节省储存空间，因此需要进行编码压缩处理。本子系统的处理装置主要是指视频/音频编码和解码设备，编解码设备是采用基于H265通信协议的编解码设备[6]，是当前编解码效率较高的编码压缩技术。

卫星宽带通信船载装置选用第五代Inmarsat海事卫星终端，与VSAT卫星结合用于船舶与岸上数据的双向传输与接收。船载卫星通信设备通过局域网与视频/音频采集压缩装置相连接，通过卫星向岸基设备传输数据并接受卫星发来的岸基设备的数据。

2.2 岸端信息处理子系统

卫星宽带通信岸端装置负责接受船载卫星通信设备发送的数据，并将数据通过Internet进行传输，便于信息可以在不同场地均可被处理、储存和使用。前期录制的船舶业务操作和兼职教师的讲解视频被分门别类的整理和储存，且不同船舶的上监控摄像头的实时监控画面也按照事先设定的程序和船舶的不同作业状态被分类显示。

信息的处理与存储设备负责对接受的数据按照要求进行处理和储存，根据教学的实际需要课件制作者有权对无用数据进行删除，对有用数据进行编辑和分类储存。授权操作者可以控制船舶上的摄像头获取需要的船舶操作视频，并要求船舶兼职教师对船舶结构和相关操作进行讲解。

此外，该子系统还包括对通信系统和学习平台的技术支持与维护人员，包括学习系统的安全防护、故障处理和平台改进等[7]。

2.3 用户子系统

系统的用户包括教师用户、学生用户、管理员和企业用户等，根据其不同的需求设置不同的权限[9]。

系统学习平台的科目和分类由管理员确定，其他用户无权修改。教师和船舶兼职教师用户可以根据授课需要对相关模块的教学内容进行添加和删减，包括课件的录制和资源的上传。

学员用户根据授权的级别通过Internet从学习平台上获取所需的学习内容，对学习内容有任何疑问也可以通过留言方式向教师和船舶兼职教师进行询问，他们将进行针对性的解答或录制新的实践操作和讲解视频来进行补充[10]。用户也可根据学习需要调取的船舶实时操作的现场画面，进行理实一体的学习，或者由船舶兼职教师在船舶授课中心进行讲解授课。

3 总结

航海类专业是实践性很强的专业，然而由于船上环境和工作的特殊性，长期灵活的现场实践教学不太现实，为了加强教学效果和提高学生的实践能力，本文提出研制一种基于宽带卫星的交互式远程教学系统，实现航海类专业课程学习与船舶作业的交互就具有重要的现实意义。随着卫星宽带技术的发展和资费的下降，这一应用领域将得到快速的发展，也必将促进航海教育模式的重大变革。

参考文献：

[1]徐航.船舶视频监控方案及卫星通信网络对比分析[J].科技传播，2017，9（22）：114-116+131.

[2]何淋.航海实践教学模式探索[J].广东交通职业技术学院学报，2017，16（03）：91-94.

[3]徐航，张格森.浅析第五代海事卫星海上宽带通信系统的应用[J].中国远洋航务，2016（12）：60-63.

[4]徐碧越，陳绍山.国内外卫星宽带多媒体传输发展[J].上海信息化，2014（05）：81-83.

[5]李冬.浅析航海实践教学存在问题及对策[J].市场周刊（理论研究），2013（04）：144-145.

[6]胡志洪.基于视频会议的网络远程教学系统的设计与实现[D].华东师范大学，2012.

[7]王砚志.面向宽带网络的跨平台数字学习系统的设计与实现[D].上海交通大学，2010.

[8]冯少栋，李广侠，张更新.全球宽带多媒体卫星通信系统发展现状（上）[J].卫星与网络，2010（Z1）：57-61.

[9]丁兴富，李新宇.远程教学系统开发与网络远程教育课程设置[J].现代远程教育研究，2009（04）：18-21+71.

[10]关健.交互式远程教学系统开发[D].复旦大学，2009.