基于虛擬現(xiàn)實的船舶消防多人協(xié)同訓(xùn)練平臺

曲峰德,劉晶晶,王煥新

(1. 大連海事大學(xué)航海學(xué)院,遼寧 大連 116026;2. 大連海事大學(xué)航海動態(tài)仿真和控制交通行業(yè)重點實驗室,遼寧 大連 116026)

1 引言

船舶火災(zāi)事故是威脅船舶安全最重要的因素之一,不僅危及人員和船舶安全,甚至造成船毀人亡的嚴(yán)重事故。為保證船舶和人員安全,國際海事組織不斷對《國際海上人命安全公約》中有關(guān)防火內(nèi)容進(jìn)行修正,對船舶結(jié)構(gòu)、設(shè)施和配備消防設(shè)備的要求不斷提高[1]。《STCW公約》對高級消防培訓(xùn)制訂了最低的訓(xùn)練要求,包括消防組織、戰(zhàn)術(shù)及指揮方面等。我國海事局為履行《STCW公約》,也強制要求船舶高級消防的適任崗位培訓(xùn)。但是,目前現(xiàn)有的船舶消防訓(xùn)練多基于真實設(shè)備開展,實船環(huán)境、船舶結(jié)構(gòu)、火災(zāi)程序等無法真實展現(xiàn),主要是受制于時間、空間、成本等因素[2];多人協(xié)同訓(xùn)練效率低,難以針對性地評估學(xué)員的火災(zāi)處置能力和協(xié)作能力。因而,本文提出將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于消防培訓(xùn)中,搭建船舶消防多人協(xié)同訓(xùn)練仿真平臺。

虛擬現(xiàn)實(VR)[3],指通過運用計算機(jī)建模和仿真,使人能夠與人工三維視覺或其它感官環(huán)境交互。虛擬現(xiàn)實應(yīng)用程序可以讓用戶沉浸在一個計算機(jī)生成的環(huán)境中,通過使用交互設(shè)備來模擬現(xiàn)實,包括護(hù)目鏡、頭戴顯示器、手套或緊身衣佩戴等。近年來,虛擬現(xiàn)實技術(shù)在航海教學(xué)和培訓(xùn)領(lǐng)域備受關(guān)注。蔣效彬等[4]運用虛擬現(xiàn)實技術(shù),設(shè)計了一套船用錨機(jī)交互仿真系統(tǒng)。通過計算實現(xiàn)并控制虛擬人的運動,并完成虛擬人與錨機(jī)之間的交互響應(yīng)。該套船用錨機(jī)交互系統(tǒng)已應(yīng)用于航海模擬器中,能夠?qū)崿F(xiàn)模擬錨機(jī)系統(tǒng)的各種操作,達(dá)到教學(xué)和培訓(xùn)的要求;孫佳文等[5]將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于整船仿真訓(xùn)練平臺。建立船舶運動數(shù)學(xué)模型,并實現(xiàn)了船舶場景漫游和船用設(shè)備交互。該平臺可操作性強,場景沉浸感真實,可用于航海類學(xué)生的教學(xué)與培訓(xùn);Tan等[6]使用HTC Vive Pro設(shè)備,研發(fā)了一款頭戴顯示器的沉浸式虛擬現(xiàn)實輪機(jī)模擬器訓(xùn)練系統(tǒng)。和傳統(tǒng)的輪機(jī)模擬器訓(xùn)練系統(tǒng)相同,該系統(tǒng)具有訓(xùn)練和自動評估功能。此外,還可以再現(xiàn)真實船舶機(jī)艙的所有細(xì)節(jié),具有高度的沉浸感,并能夠生動地模擬火災(zāi)等緊急場景,讓教練員可以像在真實環(huán)境中一樣進(jìn)行各種操作;Markopoulos等[7]提出了一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的海事安全教育系統(tǒng),可用于學(xué)員和專業(yè)人員在各種沉浸式場景內(nèi)的訓(xùn)練。該系統(tǒng)由一個多學(xué)科團(tuán)隊開發(fā),并正在測試階段,可以在船上、訓(xùn)練中心甚至家庭環(huán)境中使用。該系統(tǒng)訓(xùn)練的時間靈活,可以提高船舶航行中駕駛員的情景意識。同時,還給出了可衡量的訓(xùn)練進(jìn)度指標(biāo)。

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建的仿真訓(xùn)練平臺逼真度高、沉浸感強、并且易于交互,有效地避開實際消防訓(xùn)練中的局限性[3]。為了提高學(xué)員培訓(xùn)效率,滿足船舶消防組織與訓(xùn)練、船舶消防安全管理體系等的要求,本文采用基于廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)的多人協(xié)同機(jī)制,對完整消防演練進(jìn)行角色和流程劃分。建立評估數(shù)學(xué)模型,學(xué)員訓(xùn)練自動評估,并記錄訓(xùn)練結(jié)果用于教學(xué)分析。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

船舶消防多人協(xié)同訓(xùn)練平臺由服務(wù)器、教師端、若干學(xué)員端、若干人機(jī)交互接口設(shè)備、若干顯示設(shè)備組成[8],如圖1所示。服務(wù)器承擔(dān)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、同步、維護(hù)等功能;教師端主要進(jìn)行訓(xùn)練任務(wù)的設(shè)置、訓(xùn)練角色的分配、訓(xùn)練過程的監(jiān)控、訓(xùn)練結(jié)果的分析與評價評、訓(xùn)練學(xué)員的管理等功能;學(xué)員端包括虛擬全船環(huán)境、虛擬火災(zāi)場景、虛擬人物對象、交互處理邏輯、信息同步接口、多人協(xié)同數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容;訓(xùn)練人員由學(xué)員端進(jìn)入虛擬三維場景,通過外接輸入設(shè)備(手柄等)獲取訓(xùn)練指令信息,經(jīng)處理后呈現(xiàn)在虛擬三維場景中,并同步狀態(tài)信息至其它學(xué)員端;訓(xùn)練人員借助VR頭戴顯示器等顯示設(shè)備實現(xiàn)完全沉浸式虛擬訓(xùn)練。

圖1 平臺整體設(shè)計

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 火焰、煙霧、消防水柱可視化模擬

火焰、煙霧、消防水柱的可視化將通過粒子運動機(jī)理和視覺表現(xiàn)相結(jié)合的方式實現(xiàn),從而表現(xiàn)出火焰、煙霧、水柱等流動性的實體,如圖2所示。粒子為流動性實體中的組成,所有粒子共同形成完整火焰、煙霧、水柱效果。粒子系統(tǒng)可在任何空間區(qū)域內(nèi)隨機(jī)位置發(fā)射粒子,當(dāng)發(fā)射后,粒子生命周期開始計時,直到預(yù)設(shè)生命周期結(jié)束,粒子消失[9]。

圖2 火焰、煙霧效果

通過改變粒子數(shù)量模擬密度不同的流動性實體,同時隨機(jī)改變粒子發(fā)射時間和位置,以增加模擬對象的自然效果。每個粒子均被賦以速度矢量,用于決定每一幀粒子的移動方位。當(dāng)有力作用時,相應(yīng)速度矢量發(fā)生改變。在生命周期內(nèi),粒子顏色、尺寸、方位實時改變。在粒子產(chǎn)生和消失時機(jī),通過控制粒子顏色實現(xiàn)淡入淡出效果。

3.2 網(wǎng)絡(luò)同步

平臺采用Client-Sever模式,由服務(wù)器和多客戶端組成,服務(wù)器用于完成數(shù)據(jù)同步、補償和傳遞等功能。為保證多客戶端訓(xùn)練場景的一致性,采用狀態(tài)同步網(wǎng)絡(luò)模型,服務(wù)器定時收集和處理客戶端數(shù)據(jù),發(fā)送到其它客戶端。客戶端只負(fù)責(zé)接收狀態(tài)結(jié)果[10],而后在訓(xùn)練場景中展示。

通過webSocket協(xié)議實現(xiàn)平臺的即時通訊能力以及客戶端與服務(wù)器的全雙工通信,如圖3所示。簡化客戶端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換,允許服務(wù)端主動向客戶端推送消息,并建立永久性連接,進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸,提高webSocket資源的利用率和實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

圖3 網(wǎng)絡(luò)同步原理

3.3 多人協(xié)同機(jī)制

為滿足船舶消防組織訓(xùn)練的需求,平臺采用多人協(xié)同機(jī)制,參照實船應(yīng)變部署表將人員劃分為船長、大副、探火隊員、滅火隊員、隔離隊員、技術(shù)隊員、救護(hù)隊員等角色,并對整個消防演練過程進(jìn)行流程性劃分。學(xué)員根據(jù)所分配或者選擇的角色,完成對應(yīng)的消防流程訓(xùn)練。

其它角色以虛擬人的形式在當(dāng)前客戶端場景中展示,多虛擬人之間信息共享、動作配合完成消防訓(xùn)練任務(wù)[11],如圖4所示。當(dāng)前客戶端場景中其它角色虛擬人通過網(wǎng)絡(luò)同步接收狀態(tài),角色虛擬人可一一對應(yīng)學(xué)員客戶端,當(dāng)客戶端不足或網(wǎng)絡(luò)丟失時,對應(yīng)角色任務(wù)由當(dāng)前客戶端系統(tǒng)自動完成,保證了多人協(xié)同訓(xùn)練的靈活性和穩(wěn)定性[12]。

圖4 協(xié)同原理

3.4 訓(xùn)練內(nèi)容

基于虛擬現(xiàn)實的船舶消防多人協(xié)同訓(xùn)練平臺主要包括實操基本技能訓(xùn)練、單流程任務(wù)訓(xùn)練和全流程綜合演練訓(xùn)練等。實操基本技能訓(xùn)練包括:便攜式滅火器的使用、測氧測爆儀的使用、消防服的穿戴、固定式水滅火系統(tǒng)的使用、固定式二氧化碳滅火系統(tǒng)的使用、船舶消防的應(yīng)變部署以及人員的組織與溝通;單流程任務(wù)訓(xùn)練包括:值班報警、全員行動、二氧化碳的檢測、通風(fēng)、測氧測爆、探火、滅火、冷卻、艙室燒損檢查等任務(wù);全流程綜合演練主要為滿足船舶消防組織訓(xùn)練需求,參照實船應(yīng)變部署表對人員角色進(jìn)行劃分,并由教練員設(shè)定火災(zāi)場景,確定火災(zāi)位置、火災(zāi)類型等,學(xué)員可自主組隊或由教練員指定組隊,完成角色任務(wù)和消防行動。

3.5 訓(xùn)練評估

該訓(xùn)練平臺可分為訓(xùn)練和評估兩種模式。訓(xùn)練模式下,由教練員根據(jù)訓(xùn)練計劃進(jìn)行角色和訓(xùn)練內(nèi)容的指定或由學(xué)員自主選擇。教練員以總指揮角色實時監(jiān)督訓(xùn)練過程,或以演練角色實際參與訓(xùn)練。該模式下,平臺提供專業(yè)提示庫,輔助學(xué)員完成訓(xùn)練。

評估模式下,教練員對當(dāng)前考試學(xué)員進(jìn)行分組,每組協(xié)作完成一套消防演練流程。并為組內(nèi)學(xué)員分配角色和考試內(nèi)容。學(xué)員接收指定考試內(nèi)容后進(jìn)行答題,由客戶端上傳學(xué)員操作步驟、操作結(jié)果、操作時長等數(shù)據(jù)至服務(wù)器。評估單元采用專家法與隸屬度函數(shù)相結(jié)合的方法,設(shè)定可量化的評價指標(biāo)體系,對學(xué)員操作內(nèi)容進(jìn)行評估。記錄并統(tǒng)計學(xué)員訓(xùn)練結(jié)果,用于船舶消防教學(xué)分析。

考核評估模塊由出題端、答題端、評估端、管理端四部分組成,如圖5所示。其中,出題端用于教練員出題、組卷、發(fā)布考試、設(shè)置考試條件、設(shè)定評估要素權(quán)重、評估參數(shù)門限、考試時長、考核人員選擇、設(shè)定補考等;答題端用于學(xué)員答題;評估端為后臺實現(xiàn)學(xué)員答題步驟、答題過程、答題結(jié)果、答題時長等的實時記錄,并借助評估數(shù)學(xué)模型計算學(xué)員成績。管理端主要實現(xiàn)學(xué)員成績記錄、統(tǒng)計、分析、查詢及題庫管理等。

圖5 評估框架

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)以船長190m、船寬32m、吃水9.6m、壓載排水量23000.35m3、滿載排水量53600.18m3的散貨船為母船,利用混合建模技術(shù)和3D Max建模工具建立船體、甲板設(shè)備、機(jī)艙、消防設(shè)備、二氧化碳間、駕駛臺、集控中心、虛擬人等三維模型[13],如圖6、7、8所示。添加天空、海浪等因子構(gòu)建全船消防虛擬場景,實現(xiàn)全船消防設(shè)備及角色虛擬人的交互[14]。

圖6 全船結(jié)構(gòu)

圖7 機(jī)艙模型

圖8 二氧化碳間

C/S(Client/Server)架構(gòu),即客戶端/服務(wù)器架構(gòu),其可以充分利用客戶端和服務(wù)器端的硬件條件優(yōu)勢,將任務(wù)合理地分配至客戶端和服務(wù)器端,以達(dá)到降低系統(tǒng)通訊銷耗的目的。該構(gòu)架具有顯示界面豐富、操作系統(tǒng)流暢、安全性高、響應(yīng)速度快等特點。因而,本系統(tǒng)將采用C/S架構(gòu),并基于廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)進(jìn)行仿真訓(xùn)練與評估。服務(wù)器接收和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)同步數(shù)據(jù),并存儲任務(wù)角色、消防流程、訓(xùn)練題庫、學(xué)員信息、考試試題、評價指標(biāo)、評估結(jié)果、學(xué)員操作等內(nèi)容。教練員根據(jù)任務(wù)角色、消防流程、訓(xùn)練題庫組成考試試題,發(fā)布考試,并查看學(xué)員評估結(jié)果。學(xué)員端借助VR頭戴顯示器、手柄等輸入設(shè)備完成對應(yīng)角色任務(wù),學(xué)員端之間狀態(tài)信息同步,實現(xiàn)多人協(xié)同的仿真訓(xùn)練,如圖9。

圖9 VR訓(xùn)練

5 結(jié)束語

本文通過整理分析船舶消防演練與教學(xué)的特點,將虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多人協(xié)同機(jī)制應(yīng)用于船舶消防訓(xùn)練,滿足船舶防火、消防設(shè)施檢查和使用、消防組織與訓(xùn)練、火情控制、撲救及火災(zāi)戰(zhàn)術(shù)與指揮的要求。建立評估數(shù)學(xué)模型,對學(xué)員操作自動評估。搭配VR頭戴顯示器,提供完全沉浸式虛擬訓(xùn)練。經(jīng)試驗,平臺能較好地滿足了訓(xùn)練的逼真度、實效性、協(xié)同性及評估合理性的要求,可用于實際的教學(xué)和培養(yǎng)中。