基于虛擬現實技術的船舶救生培訓系統

邱紹楊， 任鴻翔， 尹金崗，2

(1.大連海事大學 航海動態仿真和控制交通行業重點實驗室， 遼寧 大連 116026;2.中國海事服務中心， 北京 100029)

船舶救生系統是為滿足船上人員在海難中自救的需要而設置在船上的專門設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備的同時，還在《船員培訓值班和發證國際公約》中要求進行船舶消防、救生艇筏操縱、海上求生和海上急救等4項專業訓練。目前的船舶救生培訓大多在真實設備上進行，危險性高。此外，受時間、設備數量和環境等因素限制，這些培訓的效率較低。

近年來,隨著虛擬現實技術的快速發展，虛擬現實在航海教學和培訓領域引起廣泛關注[1-2]，利用該技術開發具有逼真沉浸感和良好交互性的虛擬救生培訓系統可較好地解決上述問題。本文基于3ds Max和Unity 3D研發虛擬船舶救生培訓系統，提供船舶救生設備的模擬訓練功能。

1 總體設計

1.1 船舶救生培訓系統功能分析

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

本文利用虛擬現實技術開發船舶救生培訓系統，構建海況良好、船舶火災、沉船、大風浪天氣和人員落水等條件下的海上救生演習虛擬場景，在這些場景中實現救生通信和報警、救生設備操作和救生演習協同訓練;受訓人員在訓練過程中能熟悉不同情況下救生設備的操作要領和注意事項[3]，并提高團隊的緊密協作能力。

1.2 系統的結構

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

1.2.1指揮決策模塊

該模塊包括訓練任務初始化、訓練過程監管和訓練結果評判。

(1) 訓練任務初始化，包括： 訓練場景設定，即火災的位置和態勢、沉船的速度、天氣狀況、人員落水的位置和船舶狀態等； 任務的分配，即船舶遇險后每個受訓人員的任務； 救生設備的設定，即船舶遇險后需用到哪些設備。

(2) 訓練過程監管，即訓練時指揮決策模塊調整場景視角觀察救生現場情況并錄像，對整個過程進行監管并實時記錄數據。

(3) 訓練結果評判，即訓練結束之后對記錄的信息數據進行讀取和回放，根據訓練時記錄下的用戶操作順序、狀態等信息對其相應業務處理能力進行評判。

1.2.2系統交互模塊

該模塊可實現船舶主要救生設備的虛擬現實交互和相應的應急模擬，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；救生視覺信號設備的釋放和通信報警設備的使用等。

1.2.3運動模型模塊

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動模型。運動模型包括影響運動的各種效應，主要有：主機、舵、纜繩、側推對船和艇的控制；風和流對船、艇、筏及柔性繩索的影響；船與艇筏之間的效應。

1.2.4救生通信與報警系統模塊

該模塊模擬船舶救生時的通信與報警系統，主要包括全船警報、救生現場人員之間、現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。報警系統主要包括船舶VHF/MF/HF DSC和Inmarsat設備及棄船時攜帶至救生艇筏上的VHF、SART和EPIRB。

2 系統的關鍵技術

2.1 救生(助)艇的運動數學模型

為提高救生艇、救助艇水面運動仿真的逼真度，建立這2種艇的四自由度運動數學模型。

2.1.1坐標系

采用大地坐標系和附體坐標系(見圖2)，其中：O0x0y0z0為固定在地球表面的大地坐標系,O0x0軸指向正北,O0y0軸指向正東，O0z0軸指向地心；Oxyz為原點位于船上某定點O上的附體坐標系,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]，坐標原點設置在重心位置處，由于小艇的螺旋槳為導管槳，因此省去舵的力和力矩，推導出小艇四自由度動力學方程為

(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、浪的力矩；m為小艇質量；mx和my分別為縱向和橫向小艇的附加質量；Ixx和Izz分別為繞Ox軸和Oz軸的轉動慣量；Jxx和Jzz分別為繞Ox軸及Oz軸的附加轉動慣量；u、v、p和r分別為縱向、橫向和繞Ox軸、Oz軸的角速度。

運動學方程為

(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[4]～文獻[6]，波浪和風的干擾力計算見文獻[7]。利用四階龍格庫塔方法求解式(1)和式(2)。

2.2 多角色協同訓練方案

共用救生設備的操作和救生演習需多人協作完成,該系統將所需的人分為不同的角色，受訓人員先選擇角色，再進行訓練。為提高系統的靈活性，設計“真”人與虛擬人之間的協同和多人之間的協同2種工作方式。“真”人與虛擬人之間的協同是指每個受訓人員選擇一個角色，另外的角色為虛擬輔助船員，通過系統提供的命令菜單來控制輔助船員操作設備，受訓人員與輔助船員“配合”完成相關操縱；之間的協同是指系統中的角色全部為受訓人員，受訓人員通過局域網協同工作，并在虛擬場景中互見，多人協同完成相關訓練。

在多人協同操作時，同一時刻受訓人員可能同時操作并控制1臺設備，此時若處理不當，可能會給系統帶來不穩定因素，從而導致系統運行異常，因此需有一個穩健的協同仿真策略。[8]文獻[9]中的系統采用定時采集和發送數據的方法, 每隔一段時間采集一次系統中的數據，進行仿真計算。為提高系統的實時性，該系統每幀進行一次數據采集，在每次仿真計算之前依次獲取各訓練單元傳來的數據，形成一幀完整的最新數據，然后進行仿真計算。在該情況下，若系統仍出現異常，會根據訓練單元角色級別的高低，選擇一個訓練單元的操作為優先操作，優先級順序為：船長、大副、二副、三副和水手長等，直到系統異常消失。

該系統為多訓練單元系統，具有多計算機、多顯示和多音頻設備的特點，只有當受訓人員各自計算機上的場景一致時,才能進行協同操作訓練。為實現場景的一致性和“真”人與虛擬人操作流程的一致性，系統構建一個虛擬場景數據庫，各訓練單元直接與數據庫進行數據交換。當訓練單元與系統交互時，直接改變數據庫中的數據，其他訓練單元從數據庫中更新本機的數據即可實現場景的一致性。

2.3 救生艇自由降落運動模型

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，對其建立數學模型。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動分為下滑、旋轉和自由下落等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，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，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，運動方程為

(3)

式(3)中：I為轉動慣性矩；θ為救生艇軸線與水平方向的夾角。

2) 旋轉：旋轉過程是下滑結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，使救生艇發生轉動，運動方程為

(4)

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

(5)

2.4 系統的訓練與評估

系統訓練與評估的流程為:

1) 教練員在教練員站初始化訓練任務。

2) 系統將訓練任務轉換為訓練任務數據，發送到各訓練單元。

3) 學員在訓練單元按照訓練流程進行訓練，訓練單元記錄操作數據。

4) 訓練結束之后，訓練單元將操作數據傳回教練員站，教練員站根據訓練任務數據、操作數據及訓練錄像進行評判。

訓練流程包括設備操作和指揮命令，指揮命令又包含操作命令和訓練點評。訓練點評的實現方案見圖4，系統以訓練任務數據和操作記錄數據為基礎，根據系統評判或主觀判斷得出訓練過程的不足和需注意的事項，最終給出點評。點評方式為:

1) 當點評人為第一人稱時，點評人根據主觀判斷，通過語音設備和鍵盤進行語音及文字點評。

2) 當點評人為第三人稱時，系統通過評價指標進行計算，給出語音及文字點評。

對于訓練評估方案(見圖5)，評估方式包括機器評估、人工評估和專家評估等3種。機器評估和人工評估分別對應設備操作及指揮命令，專家評估起到輔助評判的作用，最終修正、完善系統的評估。當前系統的評價指標是可量化的評價指標，評估方法為專家法與隸屬度函數相結合的方法[12]，以后將采用更智能的基于云模型和機器學習的方法。

3 系統的實現

3.1 虛擬場景開發

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、個人救生設備、救生視覺信號設備、救生通信與報警系統、救生拋繩設備的模型。將模型導入到Unity 3D中，構建虛擬海上救生演習場景，利用音頻制作技術實現場景中船和艇的發動機、海水、船員行走和報警等所發出聲音的模擬；利用粒子系統實現場景中火災、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煙霧信號的模擬；利用場區網模型實現船舶火災蔓延過程模擬[13]；利用UGUI開發用戶界面。

3.2 救生設備交互和模擬訓練的實現

本文的救生培訓系統可模擬船舶火災、沉船、大風浪天氣和人員落水條件下進行海上救生演習的虛擬場景，下面以人員落水、船舶失火和大風浪天氣場景的救生演習為例進行說明。

3.2.1人員落水場景

圖6為人員落水演習。受訓人員發現有人落水之后，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出人員落水警報(三長聲)；船長到駕駛臺操縱船舶，設法接近落水者，并下達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，受訓人員依照分配的任務釋放救助艇，系統能檢測船體與救助艇艇之間的碰撞(見圖6b))，受訓人員操作失誤，導致救助艇撞到大船；救助艇釋放之后，受訓人員操救助艇，使其從落水者下風側接近落水者(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，演習結束。

3.2.2船舶失火場景

圖7為船舶失火演習。在駕駛臺發現貨艙發生大火(見圖7a))，火勢不可控，發出全船棄船警報(七短聲一長聲)；利用報警系統發出遇險警報，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，按照分配的任務釋放艇筏，隨后通過救生視覺信號設備求救(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，現場組織講評，演習結束。

3.2.3大風浪天氣場景

圖8為大風浪天氣演習。在大風浪中，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；船長操縱船舶使風舷角在30°～40°,減速，將救助艇的一舷變為下風舷，救助艇的釋放受風浪影響較大。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，可先解開艉止蕩繩索，再解開艏纜，盡快駛離大船。

4 結束語

本文將船舶救生與虛擬現實緊密結合，使船舶救生訓練不再局限于真實設備。在搭建船舶救生培訓系統過程中，為救生艇和救助艇建立運動數學模型，模型滿足系統對艇在水面運動的需求；為船舶救生訓練設計2種工作模式，提高了系統的靈活性;設計多人協同訓練的仿真策略，保證了系統的穩定性。經測試,系統的實時性和沉浸感較好，培訓效果較理想，能起到輔助訓練的作用，具有一定的價值。

以后的研究將進一步完善艇入水的數學模型、艇與大船之間的船間效應和耦合運動及多角色協同訓練的智能評估算法。

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