用于船舶損管決策的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究

胡治宇，利 莉

(景德鎮(zhèn)學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn)333000)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，不僅僅是通過合理的設(shè)計(jì)來保證船舶的耐用性，更合理的方式是通過加強(qiáng)船舶的損管系統(tǒng)，準(zhǔn)確地找到損傷，快速排除險(xiǎn)情，是保證船舶安全和人民生命安全的重要途徑。近年來伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，船舶的發(fā)展趨勢(shì)是大、豪華、價(jià)格不菲，若要進(jìn)行實(shí)地的船舶損管演練會(huì)耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力、物力，而通過虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行場(chǎng)景的模擬能夠極大地節(jié)省成本，降低危險(xiǎn)性，提高工作效率。

本文鑒于Virtools 的靈活性和可擴(kuò)展性選用此軟件進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究。其次，利用Maya 制作的船舶三維模型，并且賦予模型材質(zhì)和為模型打燈光，最終將渲染完成的船舶模型導(dǎo)入Virtools 建立的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)船舶損管訓(xùn)練。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是多媒體技術(shù)發(fā)展的更高境界，是多種技術(shù)高層次的集成和滲透;它給用戶帶來切身體驗(yàn)，幫助人們積極地去探索宏觀世界和微觀世界，打破了因?yàn)榄h(huán)境等外因以及人類自身極限所帶來的不便［1-2］。以其沉浸性、逼真性魅力，一經(jīng)問世就立即受到人們的高度重視。熱門的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件有VRML，Vega，Unity3D，Virtools 等。

VRML 將人的行為作為瀏覽主題，所有的表現(xiàn)都隨操作者行為的改變而改變，有很好的交互性。Vega 用于虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)視景仿真、聲音仿真以及其他可視化領(lǐng)域的世界領(lǐng)先級(jí)應(yīng)用軟件工具。它支持快速?gòu)?fù)雜的視覺仿真程序，能為用戶提供—種處理復(fù)雜仿真事件的便捷手段［3-4］。Unity3D 是一個(gè)強(qiáng)大的游戲引擎，能夠?yàn)橛脩籼峁┯螒驁?chǎng)景創(chuàng)建、編輯、可視化，三維動(dòng)畫等諸多內(nèi)容的交互。Virtools提供了實(shí)時(shí)的3D 虛擬環(huán)境編輯，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行模塊組裝，具有很大的靈活性。鑒于Virtools 的靈活性和可擴(kuò)展性，本文選用此軟件進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的船舶損管訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)

船舶損管系統(tǒng)主要包括排水系統(tǒng)和滅火損管系統(tǒng)，本文主要就船舶滅火損管系統(tǒng)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究。首先利用Maya 建立船舶三維模型，然后將模型導(dǎo)入Virtools，利用Virtools 搭建的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行船舶火災(zāi)損管訓(xùn)練，具體流程如圖1 所示。

圖1 船舶火災(zāi)損管訓(xùn)練仿真流程圖Fig.1 The flow chart of ship fire damage control training simulation

2.1 利用Maya 建立船舶三維模型

1)船舶三維模型的建立

圖2 Maya 建立船舶三維模型Fig.2 A three-dimensional model of the ship build by Maya

2)賦予模型材質(zhì)

材質(zhì)是材料和質(zhì)感的結(jié)合，它是表面可視屬性的結(jié)合，這些可視屬性是指表面的色彩、紋理、光滑度、透明度、反射率、折射率、發(fā)光度等。在建立船舶模型時(shí)需要大量的貼圖，如顏色貼圖、紋理貼圖、環(huán)境貼圖等。

圖3 Maya 材質(zhì)編輯器Fig.3 Maya Material Editor

3)為模型打燈光

在三維世界中，為了烘托渲染畫面的氣氛和物體材質(zhì)的表現(xiàn)效果，結(jié)合場(chǎng)景、景別要求，最大限度的模擬自然界的光線類型和人工光線類型，實(shí)現(xiàn)具有豐富色彩光線環(huán)境的過程。主要包括環(huán)境光(Ambient Light)、平行光(Directional Light)、點(diǎn)光源(Point Light)、聚燈光 (Spot Light)、區(qū)域光(Area Light)和體積光(Volume Light)的設(shè)置。

4)模型渲染

根據(jù)場(chǎng)景的設(shè)置以及所賦予物體的材質(zhì)、貼圖和設(shè)置燈光等。

2.2 虛擬環(huán)境中船舶火災(zāi)損管訓(xùn)練

船舶火災(zāi)損管訓(xùn)練的原理是:火災(zāi)探測(cè)器源源不斷地將獲得的火警信息傳送給火災(zāi)報(bào)警裝置，通過集中控制器的CPU 狀態(tài)得到目前船舶的損管狀態(tài)，若獲得火災(zāi)和停止工作狀態(tài)，則報(bào)警控制裝置會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，一般情況下火災(zāi)時(shí)紅燈亮，工作異常時(shí)黃燈亮，并且這種報(bào)警信號(hào)會(huì)持續(xù)5 s 一個(gè)周期不斷的響，直到船員聽到這是火災(zāi)報(bào)警，以連續(xù)不斷的響告知目前船舶的處于異常工作狀態(tài)，同時(shí)，發(fā)生狀態(tài)時(shí)顯示器上會(huì)顯示出火災(zāi)區(qū)域、發(fā)生時(shí)間等，并能開啟消防裝備進(jìn)行滅火。船舶的火災(zāi)損管控制系統(tǒng)如圖4 所示。

1)火災(zāi)探索器

有效控制火災(zāi)的方式是將險(xiǎn)情消滅在萌芽之中，可以通過船艙溫度的升高、產(chǎn)生了嗆人的煙霧和紅外輻射［5］等方式快速探測(cè)到異常情況。

圖4 船舶火災(zāi)損管系統(tǒng)組成圖Fig.4 Ship fire damage control system components chart

產(chǎn)生嗆人的煙霧是發(fā)生火災(zāi)的一個(gè)重要指示標(biāo)志，同時(shí)會(huì)伴隨著溫度的升高，下面將簡(jiǎn)略介紹離子感煙探測(cè)器和溫度探測(cè)器如何及時(shí)探測(cè)到火災(zāi)。

離子感煙探測(cè)器，是通過煙霧來探測(cè)火災(zāi)。它的內(nèi)外兩室中含有Am241 這種微量放射源，由于α放射的原因產(chǎn)生正負(fù)離子，正常情況下，探測(cè)器探測(cè)到內(nèi)外兩室的電流為I1，當(dāng)火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生煙霧，由于煙霧的附著使得離子的運(yùn)動(dòng)變慢所以此時(shí)產(chǎn)生的電流小于I2，從而使得內(nèi)外2 個(gè)室之間形成電壓，煙霧越大，壓力差越大，通過處理2 個(gè)室的壓力差能快速準(zhǔn)確地判斷火災(zāi)。

溫度探測(cè)器就是通過判斷是否在較短的時(shí)間內(nèi)船艙溫度驟燃，若突然間上升到60℃～90℃說明產(chǎn)生火災(zāi)。

在虛擬現(xiàn)實(shí)中通過傳感器進(jìn)行信號(hào)的傳遞，經(jīng)過軟件程序處理獲取接受到信號(hào)的狀態(tài)，可以有效地得到探測(cè)器的地址和輸出量，極大地提高了偵測(cè)速率和報(bào)警準(zhǔn)確率。雖然準(zhǔn)確率提高，但是探索更加智能、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的火災(zāi)探測(cè)器非常必要，一般都是將外界的火災(zāi)信號(hào)傳遞給感煙器等器件，然后經(jīng)過模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字脈沖信號(hào)的過程，發(fā)送給火災(zāi)控制端。

2)火災(zāi)控制

火災(zāi)控制區(qū)是整個(gè)船舶損管系統(tǒng)的“心臟”，在接收到火災(zāi)探測(cè)器發(fā)出的火災(zāi)信號(hào)后，火災(zāi)控制中心經(jīng)過PLC 控制中心的處理，給出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，同時(shí)各個(gè)區(qū)域的消防人員看到所管轄顯示器上的狀態(tài)，立刻做出相應(yīng)的救災(zāi)措施。

3)聯(lián)動(dòng)控制及聲光報(bào)警裝置

聯(lián)動(dòng)控制裝置的主要作用是在接受到火災(zāi)報(bào)警信號(hào)后，對(duì)所控制的消防栓、防火門窗、消防泵、噴淋泵、廣播等啟動(dòng)。

當(dāng)前船舶上一般使用固定滅火方式，如利用水進(jìn)行救災(zāi)，此時(shí)需要有必要的系統(tǒng)為滅火行為提供滅火水和火災(zāi)后的冷卻水;利用氣體滅火，需要在船舶上安裝CO2滅火系統(tǒng)或HFC -227ea 滅火系統(tǒng)等;針對(duì)船舶的貨油艙等地方可以采用泡沫滅火;對(duì)于使用液化氣作為燃料的船舶可以使用水噴霧或者干粉進(jìn)行滅火。

針對(duì)船艙不同的部位，使用不同的滅火方式:

機(jī)艙中包含鍋爐、機(jī)電、配電器等裝置一旦起火會(huì)使整個(gè)船舶因?yàn)閱适?dòng)力而無法行進(jìn)，嚴(yán)重到危害整個(gè)船舶的安危。起火時(shí)，濃煙、熱浪不斷產(chǎn)生，此時(shí)，消防人員應(yīng)打開機(jī)艙的天窗，用泡沫、水霧等從上面往下噴。若封艙，需提前發(fā)出警報(bào)，通知人員撤離，并且關(guān)閉一切正在運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，在艙頂快準(zhǔn)地投放較多的滅火劑，不可多次重復(fù)投入，以免滅不了火還產(chǎn)生其他危險(xiǎn)。

貨艙滅火一定要充分考慮所運(yùn)貨物的性質(zhì)，如不易用水撲滅的物體，若使用水進(jìn)行滅火，會(huì)使船艙因?yàn)樽⑺^多而產(chǎn)生下沉造成船舶不穩(wěn)定。在救火時(shí)，對(duì)于臨艙要冷卻，對(duì)易燃物品進(jìn)行轉(zhuǎn)移，以免造成二次火災(zāi)。

船頭部位一般是雜物間，往往含有易燃物品，并且船頭處于風(fēng)向來襲的部位，所以火勢(shì)很容易蔓延，所以要封鎖船頭的通風(fēng)和電源，利用干粉或CO2進(jìn)行撲火。同時(shí)要注意觀察風(fēng)向，一直迎風(fēng)時(shí)要調(diào)轉(zhuǎn)船向。

起居室發(fā)生火災(zāi)時(shí)第一時(shí)間要進(jìn)行人員撤離。為了防止因?yàn)轱L(fēng)的原因造成火勢(shì)蔓延，滅火時(shí)要立刻關(guān)閉門窗、電源，有效地控制火勢(shì)在一個(gè)空間中，使用水槍進(jìn)行撲火，同時(shí)也要對(duì)周邊的艙壁進(jìn)行降溫，防止因?yàn)檫^熱而燃燒。

2.3 火災(zāi)發(fā)生時(shí)變化狀態(tài)

描述火災(zāi)發(fā)生的狀態(tài)變化非常困難，很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型進(jìn)行表述。本文利用火災(zāi)時(shí)的溫度變化來模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的情景。

圖5 展示了火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)平均溫度的變化規(guī)律［6］。按照時(shí)間的變化，整個(gè)過程分為:開始的引燃、點(diǎn)燃、燃燒、完全燃燒、火勢(shì)得以控制。

引燃:在燃料在熱源的刺激下達(dá)到點(diǎn)燃點(diǎn)的時(shí)候會(huì)發(fā)生火災(zāi)，在這個(gè)動(dòng)態(tài)變化中，所處環(huán)境很大程度影響了產(chǎn)生的熱量是否全部散發(fā)出去。

圖5 火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)平均溫度的變化情況Fig.5 Changes in the average temperature of the fire scene

點(diǎn)燃:高溫、煙霧、有害氣體三者之間的隨機(jī)相互影響將決定火災(zāi)造成何種程度的傷害。

燃燒:當(dāng)在有限空間中溫度達(dá)到一定程度，任何材料都有可能燃燒。

完全燃燒:當(dāng)溫度達(dá)到1 000℃甚至更高時(shí)的狀態(tài)。

火勢(shì)得以控制:當(dāng)燃料燒完，或者溫度被降下來時(shí)說明火勢(shì)得以控制。

2.4 訓(xùn)練過程實(shí)現(xiàn)

用戶要和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的虛擬人、場(chǎng)景產(chǎn)生互動(dòng)，需要腳本控制行為交互模塊，從而實(shí)現(xiàn)模型的平移、選擇、縮放等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中的仿真。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過對(duì)現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的研究，選中Virtools 來搭建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，是因?yàn)閂irtools 具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性。其次，利用Maya 制作的船舶三維模型，并且賦予模型材質(zhì)和為模型打燈光，最終將渲染完成的船舶模型導(dǎo)入Virtools 建立的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)船舶損管訓(xùn)練。研究說明，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行火災(zāi)損管的訓(xùn)練，能夠極大地節(jié)省成本，降低實(shí)地風(fēng)險(xiǎn)，有效保護(hù)了人員安全。

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