基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶救生培訓(xùn)系統(tǒng)

邱紹楊， 任鴻翔， 尹金崗，2

(1.大連海事大學(xué) 航海動態(tài)仿真和控制交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116026;2.中國海事服務(wù)中心， 北京 100029)

船舶救生系統(tǒng)是為滿足船上人員在海難中自救的需要而設(shè)置在船上的專門設(shè)備及其附屬裝置的總稱。國際海事組織在《國際海上人命安全公約》中要求船舶必須配備救生設(shè)備的同時，還在《船員培訓(xùn)值班和發(fā)證國際公約》中要求進(jìn)行船舶消防、救生艇筏操縱、海上求生和海上急救等4項(xiàng)專業(yè)訓(xùn)練。目前的船舶救生培訓(xùn)大多在真實(shí)設(shè)備上進(jìn)行，危險性高。此外，受時間、設(shè)備數(shù)量和環(huán)境等因素限制，這些培訓(xùn)的效率較低。

近年來,隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)在航海教學(xué)和培訓(xùn)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注[1-2]，利用該技術(shù)開發(fā)具有逼真沉浸感和良好交互性的虛擬救生培訓(xùn)系統(tǒng)可較好地解決上述問題。本文基于3ds Max和Unity 3D研發(fā)虛擬船舶救生培訓(xùn)系統(tǒng)，提供船舶救生設(shè)備的模擬訓(xùn)練功能。

1 總體設(shè)計

1.1 船舶救生培訓(xùn)系統(tǒng)功能分析

船舶救生設(shè)備主要包括共用救生設(shè)備、個人救生設(shè)備、救生視覺信號設(shè)備和救生通信與報警系統(tǒng)。救生培訓(xùn)涉及了解救生設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)、熟悉設(shè)備的使用和操作流程及救生演習(xí)等內(nèi)容。救生演習(xí)包括棄船和人員落水，通常按照一定的流程,綜合多種救生設(shè)備的操作使用。

本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)船舶救生培訓(xùn)系統(tǒng)，構(gòu)建海況良好、船舶火災(zāi)、沉船、大風(fēng)浪天氣和人員落水等條件下的海上救生演習(xí)虛擬場景，在這些場景中實(shí)現(xiàn)救生通信和報警、救生設(shè)備操作和救生演習(xí)協(xié)同訓(xùn)練;受訓(xùn)人員在訓(xùn)練過程中能熟悉不同情況下救生設(shè)備的操作要領(lǐng)和注意事項(xiàng)[3]，并提高團(tuán)隊(duì)的緊密協(xié)作能力。

1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由1個指揮決策中心和若干個訓(xùn)練單元組成(見圖1),采用模塊化程序設(shè)計思想，分成不同模塊進(jìn)行開發(fā),包括：指揮決策模塊、系統(tǒng)交互模塊、運(yùn)動模型模塊和救生通信與報警系統(tǒng)模塊。各模塊的功能如下。

1.2.1指揮決策模塊

該模塊包括訓(xùn)練任務(wù)初始化、訓(xùn)練過程監(jiān)管和訓(xùn)練結(jié)果評判。

(1) 訓(xùn)練任務(wù)初始化，包括： 訓(xùn)練場景設(shè)定，即火災(zāi)的位置和態(tài)勢、沉船的速度、天氣狀況、人員落水的位置和船舶狀態(tài)等； 任務(wù)的分配，即船舶遇險后每個受訓(xùn)人員的任務(wù)； 救生設(shè)備的設(shè)定，即船舶遇險后需用到哪些設(shè)備。

(2) 訓(xùn)練過程監(jiān)管，即訓(xùn)練時指揮決策模塊調(diào)整場景視角觀察救生現(xiàn)場情況并錄像，對整個過程進(jìn)行監(jiān)管并實(shí)時記錄數(shù)據(jù)。

(3) 訓(xùn)練結(jié)果評判，即訓(xùn)練結(jié)束之后對記錄的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和回放，根據(jù)訓(xùn)練時記錄下的用戶操作順序、狀態(tài)等信息對其相應(yīng)業(yè)務(wù)處理能力進(jìn)行評判。

1.2.2系統(tǒng)交互模塊

該模塊可實(shí)現(xiàn)船舶主要救生設(shè)備的虛擬現(xiàn)實(shí)交互和相應(yīng)的應(yīng)急模擬，包括:救生艇筏、救助艇以多種方式釋放及回收；救生艇在水面操縱、救助艇在水中救人，并與大船互動；拋繩器的使用、救生圈的拋放；救生衣、浸水衣的穿戴；救生視覺信號設(shè)備的釋放和通信報警設(shè)備的使用等。

1.2.3運(yùn)動模型模塊

該模塊主要指虛擬母船、救生艇筏、救助艇、柔性繩索和艇架吊臂的三維運(yùn)動模型。運(yùn)動模型包括影響運(yùn)動的各種效應(yīng)，主要有：主機(jī)、舵、纜繩、側(cè)推對船和艇的控制；風(fēng)和流對船、艇、筏及柔性繩索的影響；船與艇筏之間的效應(yīng)。

1.2.4救生通信與報警系統(tǒng)模塊

該模塊模擬船舶救生時的通信與報警系統(tǒng)，主要包括全船警報、救生現(xiàn)場人員之間、現(xiàn)場人員與駕駛臺之間及救生艇筏和救助艇與大船之間的通信。報警系統(tǒng)主要包括船舶VHF/MF/HF DSC和Inmarsat設(shè)備及棄船時攜帶至救生艇筏上的VHF、SART和EPIRB。

2 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 救生(助)艇的運(yùn)動數(shù)學(xué)模型

為提高救生艇、救助艇水面運(yùn)動仿真的逼真度，建立這2種艇的四自由度運(yùn)動數(shù)學(xué)模型。

2.1.1坐標(biāo)系

采用大地坐標(biāo)系和附體坐標(biāo)系(見圖2)，其中：O0x0y0z0為固定在地球表面的大地坐標(biāo)系,O0x0軸指向正北,O0y0軸指向正東，O0z0軸指向地心；Oxyz為原點(diǎn)位于船上某定點(diǎn)O上的附體坐標(biāo)系,Ox軸指向艏部,Oy軸指向右舷,Oz軸指向船體下方。

2.1.2四自由度運(yùn)動方程的建立

基于分離模型(MMG)的思想計算力和力矩[4]，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在重心位置處，由于小艇的螺旋槳為導(dǎo)管槳，因此省去舵的力和力矩，推導(dǎo)出小艇四自由度動力學(xué)方程為

(1)

式(1)中：H和P分別為作用在小艇船體和螺旋槳的力和力矩；wind和wave分別為風(fēng)、浪的力矩；m為小艇質(zhì)量；mx和my分別為縱向和橫向小艇的附加質(zhì)量；Ixx和Izz分別為繞Ox軸和Oz軸的轉(zhuǎn)動慣量；Jxx和Jzz分別為繞Ox軸及Oz軸的附加轉(zhuǎn)動慣量；u、v、p和r分別為縱向、橫向和繞Ox軸、Oz軸的角速度。

運(yùn)動學(xué)方程為

(2)

式(2)中：x和y分別為縱向和橫向的位移;φ和ψ分別為縱向和垂向的歐拉角。

作用在小艇上的力和力矩的計算見文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[6]，波浪和風(fēng)的干擾力計算見文獻(xiàn)[7]。利用四階龍格庫塔方法求解式(1)和式(2)。

2.2 多角色協(xié)同訓(xùn)練方案

共用救生設(shè)備的操作和救生演習(xí)需多人協(xié)作完成,該系統(tǒng)將所需的人分為不同的角色，受訓(xùn)人員先選擇角色，再進(jìn)行訓(xùn)練。為提高系統(tǒng)的靈活性，設(shè)計“真”人與虛擬人之間的協(xié)同和多人之間的協(xié)同2種工作方式?！罢妗比伺c虛擬人之間的協(xié)同是指每個受訓(xùn)人員選擇一個角色，另外的角色為虛擬輔助船員，通過系統(tǒng)提供的命令菜單來控制輔助船員操作設(shè)備，受訓(xùn)人員與輔助船員“配合”完成相關(guān)操縱；之間的協(xié)同是指系統(tǒng)中的角色全部為受訓(xùn)人員，受訓(xùn)人員通過局域網(wǎng)協(xié)同工作，并在虛擬場景中互見，多人協(xié)同完成相關(guān)訓(xùn)練。

在多人協(xié)同操作時，同一時刻受訓(xùn)人員可能同時操作并控制1臺設(shè)備，此時若處理不當(dāng)，可能會給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定因素，從而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行異常，因此需有一個穩(wěn)健的協(xié)同仿真策略。[8]文獻(xiàn)[9]中的系統(tǒng)采用定時采集和發(fā)送數(shù)據(jù)的方法, 每隔一段時間采集一次系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真計算。為提高系統(tǒng)的實(shí)時性，該系統(tǒng)每幀進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，在每次仿真計算之前依次獲取各訓(xùn)練單元傳來的數(shù)據(jù)，形成一幀完整的最新數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行仿真計算。在該情況下，若系統(tǒng)仍出現(xiàn)異常，會根據(jù)訓(xùn)練單元角色級別的高低，選擇一個訓(xùn)練單元的操作為優(yōu)先操作，優(yōu)先級順序?yàn)椋捍L、大副、二副、三副和水手長等，直到系統(tǒng)異常消失。

該系統(tǒng)為多訓(xùn)練單元系統(tǒng)，具有多計算機(jī)、多顯示和多音頻設(shè)備的特點(diǎn)，只有當(dāng)受訓(xùn)人員各自計算機(jī)上的場景一致時,才能進(jìn)行協(xié)同操作訓(xùn)練。為實(shí)現(xiàn)場景的一致性和“真”人與虛擬人操作流程的一致性，系統(tǒng)構(gòu)建一個虛擬場景數(shù)據(jù)庫，各訓(xùn)練單元直接與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)訓(xùn)練單元與系統(tǒng)交互時，直接改變數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，其他訓(xùn)練單元從數(shù)據(jù)庫中更新本機(jī)的數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)場景的一致性。

2.3 救生艇自由降落運(yùn)動模型

在利用脫鉤手柄釋放救生艇之后，救生艇依靠重力沿滑道下滑;在脫離軌道之后,以拋物線的軌跡在空中滑行，最終入水。[10-11]為提高救生艇自由降落過程仿真的逼真度，對其建立數(shù)學(xué)模型。救生艇自由降落入水之前的過程見圖3。救生艇入水之前的運(yùn)動分為下滑、旋轉(zhuǎn)和自由下落等3個階段。由于整個降落過程的時間較短，因此在該段時間內(nèi)，救生艇滑道可視為是靜止不動的，救生艇所受空氣阻力對救生艇運(yùn)動的影響較小，可忽略不計。

1) 下滑：下滑過程是從救生艇被釋放到其重心靠近滑架最低點(diǎn)，由位置1到位置2的過程，此時救生艇受重力mg、滑道支持力Fn及摩擦力f=μFn的作用，μ=tanΦ為摩擦系數(shù)，運(yùn)動方程為

(3)

式(3)中：I為轉(zhuǎn)動慣性矩；θ為救生艇軸線與水平方向的夾角。

2) 旋轉(zhuǎn)：旋轉(zhuǎn)過程是下滑結(jié)束到救生艇不再接觸滑架的過程，救生艇受力與下滑過程相同。此時救生艇受的重力和滑道作用于救生艇的力的作用線不在同一條直線上，使救生艇發(fā)生轉(zhuǎn)動，運(yùn)動方程為

(4)

3) 自由下落：自由下落過程是從轉(zhuǎn)動結(jié)束到救生艇接觸水面的過程，此時救生艇只受重力，但仍保持轉(zhuǎn)動狀態(tài)，直到接觸水面，運(yùn)動方程為

(5)

2.4 系統(tǒng)的訓(xùn)練與評估

系統(tǒng)訓(xùn)練與評估的流程為:

1) 教練員在教練員站初始化訓(xùn)練任務(wù)。

2) 系統(tǒng)將訓(xùn)練任務(wù)轉(zhuǎn)換為訓(xùn)練任務(wù)數(shù)據(jù)，發(fā)送到各訓(xùn)練單元。

3) 學(xué)員在訓(xùn)練單元按照訓(xùn)練流程進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練單元記錄操作數(shù)據(jù)。

4) 訓(xùn)練結(jié)束之后，訓(xùn)練單元將操作數(shù)據(jù)傳回教練員站，教練員站根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)及訓(xùn)練錄像進(jìn)行評判。

訓(xùn)練流程包括設(shè)備操作和指揮命令，指揮命令又包含操作命令和訓(xùn)練點(diǎn)評。訓(xùn)練點(diǎn)評的實(shí)現(xiàn)方案見圖4，系統(tǒng)以訓(xùn)練任務(wù)數(shù)據(jù)和操作記錄數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)評判或主觀判斷得出訓(xùn)練過程的不足和需注意的事項(xiàng)，最終給出點(diǎn)評。點(diǎn)評方式為:

1) 當(dāng)點(diǎn)評人為第一人稱時，點(diǎn)評人根據(jù)主觀判斷，通過語音設(shè)備和鍵盤進(jìn)行語音及文字點(diǎn)評。

2) 當(dāng)點(diǎn)評人為第三人稱時，系統(tǒng)通過評價指標(biāo)進(jìn)行計算，給出語音及文字點(diǎn)評。

對于訓(xùn)練評估方案(見圖5)，評估方式包括機(jī)器評估、人工評估和專家評估等3種。機(jī)器評估和人工評估分別對應(yīng)設(shè)備操作及指揮命令，專家評估起到輔助評判的作用，最終修正、完善系統(tǒng)的評估。當(dāng)前系統(tǒng)的評價指標(biāo)是可量化的評價指標(biāo)，評估方法為專家法與隸屬度函數(shù)相結(jié)合的方法[12]，以后將采用更智能的基于云模型和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 虛擬場景開發(fā)

以巴拿馬型散貨船“長山海”輪為母型船，利用三維模型制作軟件3ds Max建立船體、駕駛臺、救生艇筏、救助艇及其存放和登乘裝置、個人救生設(shè)備、救生視覺信號設(shè)備、救生通信與報警系統(tǒng)、救生拋繩設(shè)備的模型。將模型導(dǎo)入到Unity 3D中，構(gòu)建虛擬海上救生演習(xí)場景，利用音頻制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)場景中船和艇的發(fā)動機(jī)、海水、船員行走和報警等所發(fā)出聲音的模擬；利用粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)場景中火災(zāi)、艇入水時水花、漂浮煙霧信號、手持火焰信號、火箭降落傘信號和救生圈自發(fā)煙霧信號的模擬；利用場區(qū)網(wǎng)模型實(shí)現(xiàn)船舶火災(zāi)蔓延過程模擬[13]；利用UGUI開發(fā)用戶界面。

3.2 救生設(shè)備交互和模擬訓(xùn)練的實(shí)現(xiàn)

本文的救生培訓(xùn)系統(tǒng)可模擬船舶火災(zāi)、沉船、大風(fēng)浪天氣和人員落水條件下進(jìn)行海上救生演習(xí)的虛擬場景，下面以人員落水、船舶失火和大風(fēng)浪天氣場景的救生演習(xí)為例進(jìn)行說明。

3.2.1人員落水場景

圖6為人員落水演習(xí)。受訓(xùn)人員發(fā)現(xiàn)有人落水之后，立即報告駕駛臺并拋出救生圈(見圖6a))，值班駕駛員立即向落水者一舷操滿舵并發(fā)出人員落水警報(三長聲)；船長到駕駛臺操縱船舶，設(shè)法接近落水者，并下達(dá)釋放救助艇救人的命令；大副收到命令之后組織人員到艇甲板集合，受訓(xùn)人員依照分配的任務(wù)釋放救助艇，系統(tǒng)能檢測船體與救助艇艇之間的碰撞(見圖6b))，受訓(xùn)人員操作失誤，導(dǎo)致救助艇撞到大船；救助艇釋放之后，受訓(xùn)人員操救助艇，使其從落水者下風(fēng)側(cè)接近落水者(見圖6c))；落水人員被救起之后，回收救助艇，并向船長匯報；船長解除警報，組織講評，演習(xí)結(jié)束。

3.2.2船舶失火場景

圖7為船舶失火演習(xí)。在駕駛臺發(fā)現(xiàn)貨艙發(fā)生大火(見圖7a))，火勢不可控，發(fā)出全船棄船警報(七短聲一長聲)；利用報警系統(tǒng)發(fā)出遇險警報，利用EPIRB和SART報警(見圖7b)和圖7c))；船長命令釋放救生艇和救生筏，人員集合，按照分配的任務(wù)釋放艇筏，隨后通過救生視覺信號設(shè)備求救(見圖7d))，在海面操縱救生艇(見圖7e))；回收救生艇；駕駛臺解除警報，現(xiàn)場組織講評，演習(xí)結(jié)束。

3.2.3大風(fēng)浪天氣場景

圖8為大風(fēng)浪天氣演習(xí)。在大風(fēng)浪中，采用自由降落方式釋放救生艇(見圖8a)，船舶頂流，控制航向和航速，艇長選擇合適的時機(jī)釋放救生艇;艇入水之后，小心操縱，使其頂浪航行；船長操縱船舶使風(fēng)舷角在30°～40°,減速，將救助艇的一舷變?yōu)橄嘛L(fēng)舷，救助艇的釋放受風(fēng)浪影響較大。在圖8b)中，由于救助艇未系艏纜和艉部止蕩繩索，導(dǎo)致救助艇搖晃劇烈，由于該救助艇處沒有羊角，因此只能在欄桿上綁系止蕩繩索來防止救助艇劇烈晃動。在圖8c)中，艇入水前先啟動艇機(jī)，可先解開艉止蕩繩索，再解開艏纜，盡快駛離大船。

4 結(jié)束語

本文將船舶救生與虛擬現(xiàn)實(shí)緊密結(jié)合，使船舶救生訓(xùn)練不再局限于真實(shí)設(shè)備。在搭建船舶救生培訓(xùn)系統(tǒng)過程中，為救生艇和救助艇建立運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，模型滿足系統(tǒng)對艇在水面運(yùn)動的需求；為船舶救生訓(xùn)練設(shè)計2種工作模式，提高了系統(tǒng)的靈活性;設(shè)計多人協(xié)同訓(xùn)練的仿真策略，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)測試,系統(tǒng)的實(shí)時性和沉浸感較好，培訓(xùn)效果較理想，能起到輔助訓(xùn)練的作用，具有一定的價值。

以后的研究將進(jìn)一步完善艇入水的數(shù)學(xué)模型、艇與大船之間的船間效應(yīng)和耦合運(yùn)動及多角色協(xié)同訓(xùn)練的智能評估算法。

[1] 劉晶晶,任鴻翔,尹金崗,等.多平臺的船用陀螺羅經(jīng)交互仿真系統(tǒng)[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報, 2016, 42(1):17-20.

[2] 邱紹楊,任鴻翔,尹金崗.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的自由降落式救生艇培訓(xùn)系統(tǒng)[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報,2017,43(3):14-18.

[3] 李同欽. 精通救生艇筏和救助艇[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2009:63-70.

[4] 賈欣樂,楊鹽生. 船舶運(yùn)動數(shù)學(xué)模型[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,1999:49-138.

[5] 王貴彪,謝永和,許頌捷.導(dǎo)管螺旋槳四象限水動力性能研究[J]. 船舶工程, 2015, 37(10): 26-28.

[6] LEGURSKY K. A Modified Model, Simulation, and Tests of a Full-Scale Sailing Yacht [C]//Oceans. USA: IEEE, 2012: 1-7.

[7] 張秀鳳,尹勇,金一丞.規(guī)則波中船舶運(yùn)動六自由度數(shù)學(xué)模型[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報,2007,7(3):40-43.

[8] 陳學(xué)文,劉玉慶,朱秀慶,等. 航天員太空協(xié)同操作虛擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報,2013,25(10):2348-2354.

[9] 許愛軍.多用戶協(xié)同虛擬現(xiàn)實(shí)的技能訓(xùn)練系統(tǒng)[J]. 計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用, 2016,25(2):65-70.

[10] 黃春平,陸軍,秦嘉岷. 自由降落救生艇試驗(yàn)過程探討[J]. 造船技術(shù),2012(3): 37-40.

[11] ARAI M, KHONDOKER M R H, INOUE Y. Water Entry Simulation of Free-Fall Lifeboat[J]. Journal of the Society Naval Architects of Japan, 1995,178: 193-201.

[12] 王德龍,任鴻翔,肖方兵. 船舶操縱模擬器單船避碰自動評估系統(tǒng)[J].中國航海, 2015, 38(1): 44-48.

[13] 任鴻翔,金一丞,尹勇. 船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版), 2010,34(1): 19-22.