海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验

海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验

海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验实验指导书

一、实验简介

        出现于21世纪初的海底观测网是海洋探索方式的重大变革。同济大学充分发挥“海洋科学”一流学科的教学与科研综合优势,依托海底科学观测网国家重大科技基础设施这一“国之重器”的建设经验,将国际先进的海洋观测技术和高水平的科研成果转化为教学资源,科教融合,自主开发了《海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验》。
        实验课程坚持以学生为中心、立德树人为根本的教学理念,利用虚拟仿真技术构建了从岸基到海底的具有开放性、扩展性的组网观测场景,高度再现了组网观测过程,使学生能够“身临其境”地开展观测网基本组成认知、观测平台设计集成、组网观测技术应用三个环节的实验,掌握观测网基本组成和工作原理的知识,构筑根据观测需求开展观测平台设计的基础,锻炼应用理论知识解决组网观测实际问题的能力;同时,结合知识角中热点资讯和科技前沿等拓展阅读,潜移默化地激发学生的专业自豪感和投身“海洋强国”建设的使命感。本实验已被认定为上海高等学校一流本科课程,面向高校和社会免费开放。

        所属课程:《海洋技术导论》、《海上专业综合实习》等专业课程

        实验类别:综合设计型课程实验;

        实验授课课时:6学时

        面向专业:海洋类相关专业


图1-1 海底科学观测网示意图

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二、实验目的

        《海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验》课程坚持以学生为中心、以立德树人为根本的教学理念,通过虚拟仿真所营造的情景体验式的教学环境,使学生循序渐进地开展“基本原理知识学习、分析设计基础构筑、创新思维能力提升”的学习实践过程,完成“基础认知、分析设计、应用探索”三个层次的训练,实现以下具体教学目标:
        ① 在观测网基本组成认知环节:帮助学生认知岸基站、主干网系统、终端观测系统、监控与数据中心等关键组网单元的结构和功能,使学生掌握观测网基本组成和工作原理的知识。

        ② 在观测平台设计集成环节:帮助学生掌握风、浪、流等环境载荷对于坐底、潜标和浮标观测平台作用力的计算方法,引导学生探究海洋环境载荷对观测平台结构设计影响的解决方案,使学生建立从“结构组件”到“系统设计”的整体思维,构筑根据不同观测需求开展设计的基础。

        ③ 在组网观测技术应用实验环节:通过设计缺氧和藻华观测任务,引导学生开展终端观测系统配置、组网拓扑设计、海光缆选型和施工以及数据管理和应用的工作,锻炼学生应用理论知识解决实际工程问题的能力,提升创新思维能力。

        ④ 通过知识角中热点资讯和科技前沿等拓展阅读资料,结合海底科学观测网国家重大科技基础设施课程思政教育基地的实体支撑,将思政教育潜移默化地融入到实验教学过程,激发学生的专业自豪感以及投身“海洋强国”建设的情怀和使命感。


图2-1 学习实践过程图示


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三、实验环境及要求

       进入实验前,请确认您的计算机符合以下软硬件配置(图3-1), 浏览器建议优先使用Mozilla FirefoxGoogle Chrome


3-1计算机软硬件配置要求

        在浏览器中输入http://www.ilab-x.com/,进入国家虚拟仿真实验教学课程共享平台(图3-2);点击右上角注册按钮,完成账户注册并登录。

3-2  国家虚拟仿真实验教学课程共享平台

        点击实验中心,在课程名称处输入并查找:海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验;点击实验进入后再点击我要做实验(图3-3)跳转至本实验平台(图3-4),可通过观看/阅读简介视频、教学引导视频、项目描述等多种实验及教学指导资源了解本实验;然后依次点击报名参加进入实验,并参考本指导书开展实验。


3-3  点击我要做实验进入本实验平台

图3-4 课程平台界面

        您首次进入实验时,可通过新手引导(图3-5)熟悉实验界面,利用实验简介(图3-6)了解实验概况,实验过程中,您可借助知识提示、步骤引导、知识角等服务(图3-5)开展自主探究,并能够使用论坛、微信群等在线交流平台,随时与老师和同学们分享您的奇思妙想;如您遇到困难,也可随时联系在线服务人员。


图3-5 实验贴心服务


图3-6 实验简介

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四、实验内容

        本实验依据《海洋技术导论》课程大纲和关键知识点,共设置了“观测网基本组成认知”、“观测平台设计集成”和“组网观测技术应用”三个既相互独立又层层递进的实验环节,涉及21个具体的交互性操作步骤,共计16个知识点、6个学时。学生通过开展“基础认知、分析设计、应用探索”三个层次的实验,实现“基本原理知识学习、分析设计基础构筑、创新思维能力提升”的转变。
        本实验总体实验环节及实验内容如图4-1。


图4-1 实验内容

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五、实验步骤及方法

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环节一:观测网基本组成认知

        本环节包含岸基站、主干网系统、终端观测系统、监控与数据中心认知共4个子环节,对应交互步骤1~4,旨在帮助学生通过对观测网关键组网单元的认知,掌握观测网基本组成和工作原理,完成“基础认知”层面的训练。具体步骤如下:
步骤1:岸基站功能认知。掌握岸基站功能及其电力和通信等主要设备:点击场景中闪烁的岸基站(图5-1a),再点击查看主要设备(图5-1b),结合界面右侧岸基站功能和主要设备介绍,开展对岸基站功能及其中常用设备的认知。


图5-1a 岸基站认知


图5-1b 岸基站主要设备认知

步骤2:主干网系统组成和功能认知。掌握主干网系统主要组成的结构与功能:依次点击场景中闪烁的主干海缆、中继器、分支器、主基站及其相应的结构示意图(图5-2a~e),并阅读左侧的相关介绍,逐一认知主干网系统的基本组成单元,理解主干网系统的组成和功能。


图5-2a 主干网系统-海光缆认知


图5-2b 主干网系统-中继器认知


图5-2c 主干网系统-分支器认知


图5-2d 主干网系统-主基站认知


图5-2e 主干网系统-主基站结构组成认知

步骤3:终端观测系统组成和功能认知。掌握终端观测系统的主要构成,并实现对各类观测平台结构及其主要设备的认知:首先阅读终端观测系统的构成介绍(图5-3a),然后依次点击场景右侧菜单栏中的仪器适配器、坐底观测平台、潜标观测平台、浮标观测平台、观测传感器及其下一级目录(图5-3b~f),并利用鼠标滚轮对左侧模型进行360°旋转、放大、缩小观察,了解组成终端观测系统的各类观测平台及其主要设备的结构和功能。


图5-3a 终端观测系统-主要构成认知


图5-3b 终端观测系统-仪器适配器认知


图5-3c 终端观测系统-坐底观测平台认知


图5-3d 终端观测系统-潜标观测平台认知

图5-3e 终端观测系统-浮标观测平台认知

图5-3f 终端观测系统-观测传感器认知

步骤4:监控与数据中心工作原理和流程认知。了解监控与数据中心的构成及功能,并实现对缆系观测、无线观测、混合式观测三种数据传输及处理流程的认知:点击场景中闪烁的监控与数据中心,观看视频和文字介绍(图5-4a),了解其基本构成和功能;随后,点击一键展开数据中心流程,然后依次点击缆系观测、无线观测、混合式观测按钮,完成对海底观测网数据传输流程的认知(图5-4b);再逐一点击流程图中的蓝色圆形模块P1-P10并查看功能说明,实现对远程控制和数据处理过程的认知(图5-4c)。至此,观测网基本组成认知实验环节的内容全部结束。


图5-4a 监控与数据中心认知


图5-4b 数据传输流程认知


图5-4c 数据传输流程各环节功能认知

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环节二:观测平台设计集成

        本环节包括坐底观测平台、潜标观测平台以及浮标观测平台设计集成共3个子环节,对应交互步骤5~17,学生利用控制变量法、对比法、图像法等多种实验方法,开展风、浪、流等载荷对坐底、潜标、浮标观测平台设计影响的计算和评估,旨在培养学生根据实际观测需求开展终端观测平台设计的能力,实现“分析设计”层面的训练。


        √ 坐底观测平台设计集成
        本子环节中,学生根据系统提供的设计框架、步骤引导和相关参数,计算评估海流和沉积物等环境要素对坐底观测平台的影响,掌握根据不同的环境要素对坐底观测平台进行设计与优化的方法,为今后根据科学观测需求全面开展坐底观测平台的设计构筑基础。具体步骤如下:
步骤5:海流载荷响应分析。评估海流对坐底观测平台在海底环境中稳定性的影响:点击工程船上闪烁的坐底观测平台,查看单独展示的平台模型及其相关参数(图5-5a);然后点击右侧目录中“获取设计参数”,并阅读平台海流载荷分析的“知识提示”及相关资料(图5-5b),开展海流作用力和海流翻转力矩计算,完成坐底观测平台设计的海流载荷响应分析(图5-5c)。


图5-5a 坐底观测平台模型观察及设计参数获取


图5-5b 坐底观测平台海流荷载分析知识提示


图5-5c 坐底观测平台海流作用估算

步骤6:平台配载设计。通过相关计算合理设计配载铅块数量及位置,实现平台稳定性的提高:首先阅读平台稳定性设计的“知识提示”及相关资料(图5-6a),计算平台重力抗翻转力矩,并与海流作用环节中计算的海流翻转力矩进行比较,然后根据需求在平台编号1-4位置上添加配重铅块,并计算配载后的重力抗翻转力矩(图5-6b)。


图5-6a 坐底观测平台稳定性设计知识提示


图5-6b 坐底观测平台配载设计       

步骤7:防沉板配置设计。通过比较沉积物承载力与配载后的平台总重量,在平台底部合理配置活动防沉板,以达到避免平台陷入沉积物的目的:首先阅读平台沉积物承载力分析的“知识提示”及相关资料(图5-7a),计算沉积物承载力,并与平台配载环节中计算的配载后的平台总重量进行比较,确定是否需要配置防沉板;如需要,则以对称性分布的原则在平台编号1-8位置添加所需的活动防沉板,每个位置最多添加1块,然后计算配置后的沉积物承载力(图5-7b)。


图5-7a 坐底观测平台沉积物承载力知识提示


图5-7b 坐底观测平台防沉板配置

步骤8:缆绳选择及系统集成。充分考虑平台自身重力与沉积物吸附力对平台布放、回收的影响,实现对缆绳规格的科学设计:首先阅读平台吸附力分析的“知识提示”及相关资料(图5-8a),依次计算布放最小起吊力、沉积物吸附力、回收最小起吊力,并根据计算结果选择适当规格的缆绳(图5-8b)。然后,点击“查看结果”,观看坐底观测平台布放、海底稳定性及回收的虚拟仿真过程(图5-8c)。若平台布放失败,学生则需重新进行实验设计(图5-8d);若平台布放成功,学生也可参考虚拟仿真效果和评估意见进一步完善设计(图5-8e)。至此,坐底观测平台设计子环节结束。


图5-8a 坐底观测平台吸附力分析知识提示


图5-8b 坐底观测平台缆绳选择


图5-8c 坐底观测平台布放回收动画观看


图5-8d 根据布放回收结果重新设计计算


图5-8e 根据实验评估优化设计

        √  潜标观测平台设计优化
        本子环节中,学生通过开展潜标观测平台主要组件的装配训练,巩固对潜标结构的认知,并通过特定海洋环境下潜标主要组件的静力学分析和姿态计算以及海床基配重设计,初步掌握潜标结构静力学设计要素,为今后开展潜标观测平台的全面设计构筑基础。具体步骤如下:

通过开展潜标观测平台装配,实现“结构组件”训练:为便于理解潜标结构组装和系统静力学设计计算,本实验采用简化的潜标模型进行装配,仅设置1个传感器包及1条电气承力缆(图5-9)。学生需要从左侧模型库中选择主要组件,拖拽到中央空白处进行潜标组装。


图5-9 潜标观测平台组装       

步骤10:主浮体静力学及姿态分析。掌握一定海流条件下主浮体的受力状况及姿态计算及分析方法:首先阅读平台主浮体静力学及姿态分析的“知识提示”及相关资料(图5-10a),然后根据界面顶部系统所给出的环境条件及部件参数,计算输入主浮体绕流阻力、浮球下部缆与竖直方向夹角、浮球下部缆的拖拽力参数值(图5-10b),点击“确定”后,系统反馈该步骤计算结果,若结果有误则根据系统提示重新计算分析(图5-10c)。


图5-10a 潜标观测平台主浮体静力学分析及姿态计算知识提示


图5-10b 潜标观测平台结构静力学设计计算


5-10c根据提示重新进行潜标主浮体静力学及姿态分析

步骤11:传感器包静力学及姿态分析。掌握一定海流条件下传感器包的受力状况及姿态计算及分析方法:首先阅读平台传感器包静力学及姿态分析的“知识提示”及相关资料(图5-11a),然后结合步骤10计算得出的主浮体相关参数,计算传感器包绕流阻力、传感器包下部缆拖曳力、传感器包下部缆与竖直方向夹角(图5-10b),点击“确定”后,系统反馈该步骤计算结果,若结果有误则根据系统提示重新计算分析(图5-11b)。


图5-11a 潜标观测平台传感器包静力学分析及姿态计算知识提示


图5-11b 根据提示重新进行潜标传感器包静力学及姿态分析

步骤12:海床基配重计算。通过对海床基进行合理的铅块配重,实现平台稳定性设计:首先阅读平台海床基配重的“知识提示”及相关资料(图5-12a),然后根据潜标的主要部件参数,合理计算海床基配重铅块的重量(图5-10b),点击“确定”定后,系统反馈该步骤设计计算结果,并给出优化设计提示,若结果有误则根据系统提示重新开展设计(图5-12b)。


图5-12a 潜标观测平台海床基配重知识提示


图5-12b 根据提示重新设计海床基配重

步骤13:潜标观测平台优化设计。在相同的设计环境下,要求ɸ下≤13°,通过校核浮球数量n以及相应配置设计,以保障潜标在水下较好的姿态:首先阅读平台优化设计的“知识提示”及相关资料(图5-13a),然后根据系统给出的提示,重新校核浮球数量n并进行相应的配重(图5-13b),进行参数的优化设计,点击“确定”后,系统给出优化结果评判,若计算错误,则需重新优化设计(图5-13c)。


图5-13a 潜标观测平台优化设计知识提示


图5-13b 潜标观测平台优化设计


图5-13c 根据提示重新优化潜标设计

       √ 浮标观测平台集成探究
        在浮标观测平台集成探究子环节中,进一步巩固对浮标观测平台结构的认知,并通过自主选择浮标结构参数,实现不同结构尺寸条件下,风、浪、流等环境载荷响应的对比分析和评估,初步掌握海洋环境载荷设计规范和设计要素,为今后开展浮标观测平台的全面设计构筑基础。
步骤14:浮标海流载荷响应计算。通过计算和对比不同浮标结构型式下海流载荷响应结果,探究有效降低海流作用力的结构设计:自主填写浮标底板直径(1-9m范围内)、计算不同浮标(圆柱体、锥体、圆台体等)水下界面形状(长方形、锥形、梯形等)对应的迎流面积及其海流作用力(图5-14a)。完成所有结果计算后,系统给出评判结果,以红色闪烁方式指出错误结果(图5-14b),学生需要回到界面重新计算,修改错误答案。


图5-14a 浮标观测平台海流载荷响应计算


图5-14b 根据浮标海流载荷响应计算结果重新设计计算

步骤15:波浪载荷响应计算。准确计算波浪载荷,确保浮标观测平台结构设计的安全性:首先阅读平台波浪载荷响应计算的“知识提示”及相关资料(图5-15a),然后根据系统随机给出的波高和波浪周期,参照知识提示计算波浪载荷响应(图5-15b)。完成波浪作用力参数输入后,系统给出评判结果(图5-15c),针对错误结果,学生则回到界面修改。


图5-15a 浮标观测平台波浪载荷响应计算知识提示


图5-15b 浮标观测平台波浪载荷响应计算


图5-15c根据提示重新进行浮标波浪载荷响应计算

步骤16:风载荷响应计算。通过风作用力分析和力矩估算,比较不同结构参数下浮标对风载荷的响应情况,探究浮标稳定性设计:首先阅读平台风载荷响应计算的“知识提示”及相关资料(图5-16a),然后开展两种方案的设计比较:自主填写桅筒总高度、上桅筒高度,依次计算上桅筒、过渡段和下桅筒等三部分的迎风面积、水平风载荷作用力和侧倾力矩,进而获得水平风载荷的总作用力和总作用力矩(图5-16b)。点击“确定”后,系统会给出评判结果(图5-16c),如果设计方案无法满足平台设计要求,学生则需回到界面继续修改优化;完成设计后,学生利用比较法进一步探讨方案一和二的优劣,提升分析设计能力。


图5-16a浮标观测平台风载荷响应计算知识提示


图5-16b 浮标观测平台风载荷响应计算


图5-16c 根据浮标风载荷响应计算结果改进方案

步骤17:锚泊系统设计。根据系统随机给出的海水深度值并结合经济因素,确定合适的锚链长度(图5-17a):点击“确定”,获得结果评估,若设计不合理则需回到该界面再次确认锚链长度(图5-17b)。至此,浮标观测平台设计子环节结束。


图5-17a 浮标观测平台锚泊系统设计


图5-17b 根据浮标锚泊设计结果重新确定锚链长度

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环节三:组网观测技术应用

        本环节包括观测系统配置、组网设计与施工、数据管理与应用共3个子环节,对应步骤18~21,旨在锻炼学生应用所学知识、根据工程实际需求,开展海底观测网组网观测设计的能力。
步骤18:海洋缺氧、藻华观测系统配置。开展观测节点系统配置训练,培养海洋工程综合设计能力:首先阅读针对缺氧/藻华观测目标开展观测系统配置的“知识提示”及相关资料(图5-18a),了解“组网观测技术应用实验背景”(图5-18b)。然后开展范例学习,点击A3节点并查看其主要设施,了解符合科学需求的、合理且经济的终端观测系统配置方案(图5-18c)。然后,阅读A1(A4)节点的科学目标(图5-18d),根据海区实际情况和科学观测的具体任务要求,依次选定观测平台以及传感器的类型和数量,并进行试装配(图5-18e~f);系统对配置结果进行评判,若有错误则指出,要求学生返回配置界面(图5-18g),完成A1(A4)节点海洋缺氧(藻华)观测系统的正确配置。


图5-18a 针对缺氧/藻华观测目标开展观测系统配置知识提示


图5-18b 组网观测技术应用实验背景


图5-18c A3节点范例学习


图5-18d A1(A4)节点观测科学目标获取


图5-18e A1(A4)节点观测平台选择及传感器配置


图5-18f 查看仪器库并试装配


图5-18g 根据提示重新配置

步骤19:组网拓扑结构设计。根据海缆铺设推荐路由,从安全可靠、经济合理角度出发,完成海底观测网拓扑结构设计、海缆选型的工程设计训练:首先阅读海底科学观测网拓扑结构设计的“知识提示”及相关资料(图5-19a),查看东海海缆铺设“推荐路由情况”(图5-19b);然后从仪器库中选择主干网设备,并将其布设在路由线路上闪烁的虚线和方框内(图5-19c),系统会对设计实验的结果进行评判,指导学生探索完成正确的组网拓扑结构设计模拟试验。


图5-19a 海底科学观测网拓扑结构设计知识提示


图5-19b 东海海缆铺设推荐路由查看


图5-19c 网拓扑结构设计模拟试验

步骤20:埋深设计与施工。根据东海海域地形地质等实际情况开展埋深设计,理解并掌握海底科学观测网施工作业过程:首先阅读海光缆埋深设计与施工的“知识提示”及相关资料(图5-20a),然后选择海光缆埋设深度,再根据埋深设计选择施工作业方式(图5-20b)。系统对实验结果进行评判,若设计不合理,则需重新设计(图5-20c);若设计符合规范要求,则进入海底科学观测网主干网施工过程演示环节(图5-20d)。


图5-20a 海光缆埋深设计与施工知识提示

图5-20b 海光缆埋深设计与施工


图5-20c 若海光缆埋深与施工错误则重新设计


图5-20d 海光缆埋深设计与施工视频观看

步骤21:数据接收、预处理、存储和可视化方法学习。利用真实的历时观测数据开展案例学习,掌握数据管理与应用的相关知识和能力:首先阅读数据接收、预处理、存储和可视化方法的“知识提示”及相关资料(图5-21a),并结合“实验数据说明”(图5-21b),逐一选择观测平台使用的数据接收方式(图5-21c);随后逐一完成各类传感器观测数据的预处理(图5-21d)、存储(图5-21e)以及海洋缺氧、藻华观测数据的可视化操作(图5-21f)。每一步系统都会给出评判结果,指导学生掌握正确的数据接收、预处理、存储和可视化方法。至此,组网观测技术应用环节结束。


图5-21a 数据接收、预处理、存储和可视化方法知识提示


图5-21b 实验数据说明


图5-21c 数据接收


图5-21d 数据预处理


图5-21e 数据存储


图5-21f 数据可视化

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六、实验成绩

        本实验根据您在各环节的实际操作及结果,自动依据成绩评价模型(图6-1)对各环节进行单独打分,每环节按100分计算。在此基础上,系统按照30%、35%和35%的权重(图6-2)计算您的实验总成绩,合并生成最终的实验报告(表6-1)。


图6-1 实验原理及成绩评价模型



图6-2 实验评分权重图示

        完成实验操作后,请务必点击“完成并提交”,并在关闭实验界面前,点击界面右下角的“实验报告”链接,进入课程平台网页-个人中心-实验报告中查看。

表6-1 《海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验》实验报告



END

七、实验注意事项

        本实验为综合设计型课程实验,具有较强的高阶性、创新性和挑战度。为确保教学质量,提出以下实验注意事项。
        1、实验前,学生应认真阅读实验指导书,观看教学引导视频和操作视频,在教师指导下明确实验目的及各环节的知识点和重难点,奠定实验理论基础;
        2、请选择符合“实验教学相关网络”条件要求的软硬件实验环境开展实验,以保证实验操作的流畅性。
        3、实验过程中,请仔细阅读各环节任务要求,并根据步骤引导开展实验。当实验结果不理想时,请根据系统提示认真修改;同时,还可通过微信群、论坛、服务热线等方式寻求在线指导。
        4、请充分利用知识角,通过知识点课件库开展拓展阅读,扩充自己的专业知识。
        5、完成实验后,请务必点击“完成并提交”以生成实验报告,并在关闭实验界面前,点击界面右下角的“实验报告”链接进入课程平台查看,并结合实验报告认真回顾实验过程,针对不足查找原因,并积极开展互动交流,以进一步巩固理论知识、提升创新思维能力。

END