案例分享 | 海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验

出现于21世纪初的海底观测网被认为是继地面与海面观测、遥感遥测后人类建立的第三种观测平台，标志着海洋探索方式的变革。它利用海底光电缆和无线声通信，将安装在海底固定、移动平台上的各种观测仪器与陆基信息设备互联，具备水下大功率远程充裕电能供给、海量双向数据传输能力，可实现全天候、长期、连续、实时的高分辨率和高精度的海洋观测。

海底观测网为人类在海底装上了“眼睛”，标志着全球海洋探索方式的变革。发达国家纷纷布局海底长期观测系统，将其作为新一代海洋科学的制高点之一。

背景与痛点

建设海洋强国必须大力发展海洋高新技术，海底长期组网观测技术是关乎国家海洋环境监测、灾害预警预报、能源资源开发、海洋权益维护等方面战略需求的核心技术。这就对我国培养具备自主创新实践能力的海底观测网组网观测技术人才提出了迫切的需求。

海底观测网在设计、建设和运行管理过程中需要综合运用机械、电子、计算机、人工智能、大数据等多种海洋技术，根据科学观测需求建设的海底科学观测网还需要应用物理海洋、海洋化学、海洋生物等多种海洋科学知识，具有综合性强、复杂度高的跨学科特点，开展原理实验的难度大；且实施运行场景为广袤的海洋，内部组网观测过程不可见，真实实验成本高昂，因此，传统教学方式学生难以理解，应用虚拟仿真方法进行实验教学十分必要。

解决方案：原则与方针

为形象生动地传授海底科学观测网组网观测新知识，遵循“学生为本-循序渐进-容错优化-科教融合”的设计原则，恒点与上海同济大学联合开发了海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验。

实验基于三维虚拟仿真技术，依据《海洋技术导论》课程大纲和关键知识点建立了多层次、多模块的实验教学体系，真实还原了由海面到海底全方位、立体化、开放式、交互性的实验场景，身临其境地通过“沉浸式”交互式操作，高效有序地开展实验。

实验使学生逐步完成“基础认知、分析设计、应用探索”三个层面的实验，循序渐进地开展“基本原理知识学习、设计分析能力训练、创新工程思维培养”的实践学习过程。培养学生建立理论设计、仿真验证、反复优化的工程设计思维，以及设计计算、实践操作和工程应用的能力。

解决方案：设计亮点

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。

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。

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。

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，将思政教育融入到实验教学过程，激发学生的专业认同感以及投身“海洋强国”建设的情怀和使命感。

结语      

建设海洋强国必须大力发展海洋高新技术，海底长期组网观测技术是关乎国家海洋环境监测、灾害预警预报、能源资源开发、海洋权益维护等方面战略需求的核心技术。

本实验充分利用团队所掌握的国际上最新的海底观测网组网观测相关知识，将高水平的科研成果转化为教学资源，在传授海底观测网组网观测新知识的同时，潜移默化地激发学生投身海洋强国建设的情怀和使命感。