基于衛星寬帶通信的船校交互式遠程教學系統

郭云龍 李偉 劉芳武

摘 要：為了加強航海類專業的實踐教學，提出一種基于衛星寬帶通信的船校交互式的遠程教學系統，可以借其實現理論結合實踐的“現場式”教學。該系統包括船舶端子系統、用戶子系統和岸端信息處理子系統等三部分組成，船舶實操現場和課堂教學間可以通過衛星寬帶通信系統實現信息的交流，通過該系統可以實現課堂教學與船舶生產現場的遠程互動教學，實現理實一體化，有利于學生更好地掌握相關知識和增強實踐認知能力。

關鍵詞：衛星寬帶;第五代海事衛星;航海教育;交互式教學

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

0 引言

隨著國務院《關于發展我國現代化遠程教育的意見》的出臺，我國的遠程教育迎來了新的發展機遇。遠程教學在技術上包括多種形式，主要有電視廣播、有線電視、互聯網、衛星數字頻道等，當前以互聯網技術為主體。所謂的交互式遠程教育是指利用計算機技術、網絡技術和通信技術等實現遠程教學雙方的信息互動和交互，克服傳統遠程教學單向信息傳輸的缺點[1]。

遠程教學可以作為實操現場教學的有益補充，滿足實踐教學的需要，尤其針對航海類專業上船實踐教學的不足[2，5]，交互式遠程教學系統可以幫助課堂學生更好地了解船舶的實際生產操作情況，具有重要的教育和應用價值。但是，由于船岸通信手段的限制，采取衛星寬帶技術作為通信手段成為船校間交互式遠程教學系統的首選。

1 相關技術分析

1.1 海事衛星通信技術

衛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星作為中繼站。衛星通信具有覆蓋區域廣、靈活機動、線路穩定等優點。最初由國際海事組織（IMO）創立的Inmarsat公司現作為全球最大全球移動通信服務商，其掌握的Inmarsat海事衛星在海上安全通信領域發揮了重要作用。Inmarsat海事衛星從1979年使用至今經歷了五代的發展，其中第一代為租用衛星，第二代為自建系統（已被第三代系統替代），目前主要在用的衛星系統是第三代（L波段語音通信系統）、第四代（L波段數據通信系統）以及第五代（Ka寬帶通信系統）[3]。第四代海事衛星可為任何海域的船舶提供高速的數據傳輸和語音、圖形與視頻通信服務，然而由于上網速率最高只有492kbps，用于海上緊急、遇險和救援等情況的通信，數據傳輸速率和資費依然無法滿足遠程教學通信的要求。

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

1.2 視頻數據處理技術

由于高清攝像頭錄制的視頻數據量太大，對通信帶寬的要求太高，因此采取視頻編碼技術對其進行編碼壓縮后傳輸。視頻編碼的目的是為了降低所要傳輸數據的容量，通過將視頻像素壓縮為碼流來實現。視頻數據編碼壓縮的技術有很多，包括H.26x標準、AVS標準、H265（HEVC）標準等，由于H265標準的壓縮率和編碼質量較之其他標準具有明顯的優勢，并且是基于IP技術的，因此本系統采用H265協議下的編解碼技術。

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

2 船校交互式遠程教學系統

基于衛星寬帶的船校交互式遠程教學系統由軟件和硬件組成，其硬件系統構成如圖1所示，主要包括船舶端子系統、用戶子系統和岸端信息處理子系統三部分。

2.1 船舶端子系統

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

裝設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、羅經甲板、船尾、機艙室、集控室、貨艙、船頭等主要部位，用于收集船舶作業現場的視頻數據，攝像頭附近對應裝設麥克風來收集音頻數據。

由于收集視頻的原始數據量較大，現有海事衛星的技術和資費方面都難以滿足其傳輸需求，同時為了節省儲存空間，因此需要進行編碼壓縮處理。本子系統的處理裝置主要是指視頻/音頻編碼和解碼設備，編解碼設備是采用基于H265通信協議的編解碼設備[6]，是當前編解碼效率較高的編碼壓縮技術。

衛星寬帶通信船載裝置選用第五代Inmarsat海事衛星終端，與VSAT衛星結合用于船舶與岸上數據的雙向傳輸與接收。船載衛星通信設備通過局域網與視頻/音頻采集壓縮裝置相連接，通過衛星向岸基設備傳輸數據并接受衛星發來的岸基設備的數據。

2.2 岸端信息處理子系統

衛星寬帶通信岸端裝置負責接受船載衛星通信設備發送的數據，并將數據通過Internet進行傳輸，便于信息可以在不同場地均可被處理、儲存和使用。前期錄制的船舶業務操作和兼職教師的講解視頻被分門別類的整理和儲存，且不同船舶的上監控攝像頭的實時監控畫面也按照事先設定的程序和船舶的不同作業狀態被分類顯示。

信息的處理與存儲設備負責對接受的數據按照要求進行處理和儲存，根據教學的實際需要課件制作者有權對無用數據進行刪除，對有用數據進行編輯和分類儲存。授權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構和相關操作進行講解。

此外，該子系統還包括對通信系統和學習平臺的技術支持與維護人員，包括學習系統的安全防護、故障處理和平臺改進等[7]。

2.3 用戶子系統

系統的用戶包括教師用戶、學生用戶、管理員和企業用戶等，根據其不同的需求設置不同的權限[9]。

系統學習平臺的科目和分類由管理員確定，其他用戶無權修改。教師和船舶兼職教師用戶可以根據授課需要對相關模塊的教學內容進行添加和刪減，包括課件的錄制和資源的上傳。

學員用戶根據授權的級別通過Internet從學習平臺上獲取所需的學習內容，對學習內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行詢問，他們將進行針對性的解答或錄制新的實踐操作和講解視頻來進行補充[10]。用戶也可根據學習需要調取的船舶實時操作的現場畫面，進行理實一體的學習，或者由船舶兼職教師在船舶授課中心進行講解授課。

3 總結

航海類專業是實踐性很強的專業，然而由于船上環境和工作的特殊性，長期靈活的現場實踐教學不太現實，為了加強教學效果和提高學生的實踐能力，本文提出研制一種基于寬帶衛星的交互式遠程教學系統，實現航海類專業課程學習與船舶作業的交互就具有重要的現實意義。隨著衛星寬帶技術的發展和資費的下降，這一應用領域將得到快速的發展，也必將促進航海教育模式的重大變革。

參考文獻：

[1]徐航.船舶視頻監控方案及衛星通信網絡對比分析[J].科技傳播，2017，9（22）：114-116+131.

[2]何淋.航海實踐教學模式探索[J].廣東交通職業技術學院學報，2017，16（03）：91-94.

[3]徐航，張格森.淺析第五代海事衛星海上寬帶通信系統的應用[J].中國遠洋航務，2016（12）：60-63.

[4]徐碧越，陳紹山.國內外衛星寬帶多媒體傳輸發展[J].上海信息化，2014（05）：81-83.

[5]李冬.淺析航海實踐教學存在問題及對策[J].市場周刊（理論研究），2013（04）：144-145.

[6]胡志洪.基于視頻會議的網絡遠程教學系統的設計與實現[D].華東師范大學，2012.

[7]王硯志.面向寬帶網絡的跨平臺數字學習系統的設計與實現[D].上海交通大學，2010.

[8]馮少棟，李廣俠，張更新.全球寬帶多媒體衛星通信系統發展現狀（上）[J].衛星與網絡，2010（Z1）：57-61.

[9]丁興富，李新宇.遠程教學系統開發與網絡遠程教育課程設置[J].現代遠程教育研究，2009（04）：18-21+71.

[10]關健.交互式遠程教學系統開發[D].復旦大學，2009.