航海模擬器平臺下基于VDR數據的海事碰撞事故再現技術應用

湯井勇 王藝 鄧華 薛瑞宣

摘 要：本文針對一起船舶碰撞事故，探索了基于VDR數據的海事碰撞事故再現技術應用。利用在事故船舶上VDR所采集到的船舶碰撞過程的有關航行數據（如航向、航速、船位等），結合計算機仿真技術，在航海模擬器中構建事故場景和驗證事故前船舶應急操作過程是否有效。結果表明，該技術能夠還原船舶事故經過，并可用于船舶事故當事放責任認定。

關鍵詞：VDR 事故再現 事故分析 航海模擬器

近年來，隨著我國乃至世界航運的快速發展，船舶通航密度呈快速上升趨勢，船舶大型化、船種復雜化、船舶技術狀況參差不齊等現象較為明顯，這直接導致了船舶碰撞事故的頻繁發生，從而引出了碰撞事故雙方乃至多方在碰撞責任以及過失方面存在著爭議，只有把事故過程再現并能三維可視化才能更很好地解決這一爭議。應用船舶操縱模擬器的三維仿真技術，是目前進行海上事故鑒定和事故分析的重要技術手段，利用三維仿真技術可以很好地再現出當時碰撞過程，通過可視化的方式，將事故過程“四視角”展現在海事事故調查人員眼前。將極大地提高海事事故調查人員對事故過程進行系統的分析，較正確的判斷出事故關鍵點和原因。事故證據很可能在風、浪、流等因素的作用下消失，事故現場也難以維持；而且在事故的調查取證過程中被調查一方通常會有一種自我保護意識，事故經過常被有意或無意地夸大或掩飾，這時的人證有相當大的主觀性；另外，諸如海圖、航海日志等資料也有可能在利益的驅使下人為地在事后進行修改，這樣的物證就失去了調查的價值，這些都給海事事故的分析帶來了極大的困難。此外，2010年生效實施的《國際海事安全調查規則》規定“如果存在海員自證其罪的風險，調査機關必須告知海員享有保持沉默、不自證其罪的權利”，在這種情況下，越發顯示VDR在調查取證發面的優勢和重要性。

1. 船舶黑匣子（簡稱：VDR）

如今VDR在航海中的應用已經相當廣泛，VDR在事故后能夠保存船舶的操縱等數據并恢復和再現送些數據的功能，可以非常直觀地輔助海事調查的進行。VDR所具有的實時監控、記錄功能及毫無偏差的記錄功能對事件的還原準確程度和為事故原因分析提供原始數據的程度是異常準確的。VDR能提供給海事調查官最原始最真實的船舶航行數據，海事調查官可將VDR所記錄的數據通過海圖作業再現于海圖上，真實地反映出船舶在此期間的運動過程，這樣便能更科學地分析事故發生的原因及船舶的行為，客觀公平地判明責任。因此，船載航行數據記錄儀大大推進了航海信息化和航海安全的進程，對于促進海事安全意義重大。

依據IMO的相關要求，自2002年7月1日后新建造的客船或客滾船、3000總噸以上的貨船都需強制安裝 VDR設備，2002年7月1日前建造的客船或客滾船、3000總噸以上的貨船都需強制安裝VDR設備或S-VDR設備（S-代表簡易的含義）。各個VDR生廠商都已開發出能適合回放本生廠商記錄的VDR航行數據，但是其數據只是簡單的記錄和單獨回放，不能進行合理的集成分析。目前，日本的JRC、英國的KH公司，挪威的Kongsberg公司的VDR設備都有自己的回放軟件產品。德國信息處理公司在最近幾年也提出了將所有各個生產商的VDR存儲數據進行標準化處理，便于統一其數據讀出以便進行后續的研究。

為此，本文針對一起船舶碰撞事故，提取當事船舶VDR航行數據，結合計算機仿真技術，借助航海模擬器平臺將船舶碰撞過程進行回放。

2.三維再現技術

2.1 事故海域三維實景建模

大面積三維海區數據建模的應用涉及地理信息系統、虛擬與現實、環境仿真、娛樂與游戲、地形的穿越飛行、海洋資源管理與利用、氣象數據的可視化等領域。大面積虛擬三維地形的生成和顯示方法，這是構建分布虛擬環境中的重要技術，它為模擬器系統提供了高沉浸感的可視化的地理環境。

三維實景建模，將基于電子海圖數據為依據，參照海圖數據庫中的陸地，岸線，碼頭，橋梁，等深線，水深，助航標志等信息，將其信息進行數字化提取，并進行相關的三維可視化處理。

通過現場拍照方式，將岸線、碼頭和堤岸上顯著的建筑物進行三維建模。依據國家開放地理信息高程數據，基于數字高程模型，建立事故水域陸地區域的地形，基于電子海圖中所提取的等深線和水深點，通過三維網格化處理，建立三維水下地形數據庫。

2.2事故船舶三維模型和船舶水動力模型建模

查找事故船舶的相關船舶水線圖紙，總布置圖，利用專業船舶設計軟件，還原船舶三維結構，通過后續面數優化，美工和貼圖等一系列工序建立起三維模型。同時基于船舶所采集到的車、舵、錨、纜和穩性等相關資料，利用船舶運動數學模型、船體上的水動力模型、螺旋槳推力及扭矩模型、主機扭矩模型、舵力及其力矩計算公式、風、流、浪的作用力計算公式、錨鏈、纜力計算公式等等，建立船舶在六自由度情況下的水動力模型。

2.3 航海模擬器平臺三維驅動

本文所用的航海模擬器平臺采用OpenSceneGraph作為底層的三維引擎。OpenSceneGraph是一個開源的三維引擎，被廣泛的應用在可視化仿真、虛擬現實、科學計算、三維重建、地理信息、太空探索、石油礦產等領域。OSG采用標準C++和OpenGL編寫而成，可運行在所有的Windows平臺。

3.案例應證

以英國籍D輪集裝箱船與巴拿馬籍Z輪散貨船碰撞事故為例進行相關研究成果的驗證。

3.1 事故經過

2013年3月19日凌晨英國籍D輪集裝箱船與巴拿馬籍Z輪散貨船在長江口燈船東北約124海里處發生碰撞，D號第五艙破損進水，有油污泄漏。

上海海上搜救中心立即組織救助力量趕赴現場，并就安全和污染情況展開事故調查。

據D輪報告，該船估計共泄漏燃料油674立方米，部分集裝箱損壞或移位，其中未涉及危險品集裝箱。

3.2D輪與Z輪VDR數據提取摘錄

通過對上述兩艘船舶的VDR數據進行分析，提取了其船位、航向和航速信息如表1。

3.3 基于VDR數據實現海事碰撞事故三維仿真再現過程

在航海模擬器教練站中，將兩艘船舶的VDR所記錄的關鍵點的GPS船位，時間信息，每個關鍵點的船速、航向信息輸入形成各自船舶運動路徑。如圖2所示。

將所建立的兩艘船舶和海區加載至教練站系統中，如圖3所示。

運行方案，并通過相關錄屏軟件進行錄屏，獲得相關視頻數據，如圖4所示。

通過相關的視頻編輯軟件，可以將四種不同視角的視頻文件剪輯合成，統一時間節點，形成如上圖所示效果的三維可視化視頻數據，供海事部門進行事故分析和供教師在航海教學中作為教學多媒體案例素材使用。

4.小結

海事碰撞事故三維仿真再現技術是指在船舶發生碰撞海事后， 利用在事故船舶上VDR所采集到的船舶碰撞過程的有關航行數據（ 如航向、航速、船位等），結合計算機仿真技術，三維再現船舶碰撞過程，使得人們能夠以一種直觀的方式了解船舶碰撞的全過程。由于船舶碰撞過程仿真系統對于了解船舶碰撞事故的原因、碰撞責任的認定、總結經驗教訓等方面具有重要的現實意義，找到了利用VDR數據在航海模擬器中實現三維仿真再現海事碰撞事故的技術途徑和方法，在具體應用過程中也發現了一些難點，為此后續的研究過程中將繼續在次領域進行探索。

江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目（201612679009Y）

江蘇海事職業技術學院千帆項目（ XR1501、XR1504）

江蘇高校品牌專業建設工程資助項目（ PPZY2015B177）

江蘇省高等教育教改研究重中之重課題（2017JSJG010）

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