航海類專業船舶虛擬仿真實訓平臺建設

張如凱， 陳永利， 代廣樹， 吳澤亮

(天津海運職業學院 航海技術系， 天津 300350)

0 引 言

航海技術專業主要培養符合國家教育方針和國際國內相關法規、綜合素質好、安全與環保意識強，具有國際競爭能力的高級航海技術人才[1]，教學內容與工作實際銜接緊密，教學過程既是學歷教育又是技能培訓。相比于以英國為代表的因船設校的航海類專業教育模式，我國高職類院校普遍采用的先在校學習、獲得學位，然后上船工作的模式，使得教學過程和實船環境脫離。因學院不具備教學實習船，學院的教學器材一般均按功能分類陳設和管理，不能體現設備之間的系統性和依存性，所以當教學內容涉及船舶整體布置和設備之間的相互影響等內容時，現有的實訓條件就不能滿足教學要求。

現階段，虛擬現實技術在航海教學中的應用重點在培訓學生對避碰規則的運用和對船舶操縱性能的認識，而關于船舶結構、設備工作原理和各部件間的相互影響等相關內容的研究尚處于探索階段[2-3]。為了給學生提供一個接近實船的教學環境，利用虛擬仿真技術建立虛擬船舶實驗室，并將運用顯卡虛擬化技術搭建網絡實訓平臺，以達到降低教學難度、提高教學質量、節省教學成本和提高危險操作安全系數的目的。

虛擬船舶實訓平臺的核心內容是船舶結構模型，為了降低硬件要求，在能保證教學需求的前提下，盡可能做到模型簡化，因此選擇MultigenCreator[4]用于創建視景仿真的實時三維模型。創建好的模型可通過Unity3D[5-7]引擎驅動，并可通過VR頭盔進行呈現，以提高虛擬環境的沉浸感。顯卡虛擬化技術[8-9]可將虛擬船舶實驗室進行網絡拓展，實現在任意的PC端或移動端進行交互操作。

虛擬船舶實訓平臺建設不僅讓學生了解、參與、領會在船工作的所有內容，有效培養現代化航海所必需的基本技能，而且將學習內容完全融入船舶安全航行的全過程，直觀地為學生構建了一個身臨其境的船舶仿真環境，解決了學生理論實踐脫節，學習目標不明確的問題，也有限的彌補了學校不能為學生提供足夠多的機會赴實船學習實踐的不足。

1 側重功能的VR實訓平臺建設指導

VR實訓平臺以虛擬船舶為載體，將教學內容與船舶實際相統一，相融合。每項實訓代表實際工作的一個重要環節或一項獨立活動。所有內容劃分合理而目標統一。

為了保證虛擬船舶結構的合理性和完整性，虛擬實驗室不但要能實現船舶結構的直觀展現，使使用者能體驗登船和甲板行走的過程，還要保證結構合理，完整體現具體設備與其它船舶部件的位置關系和關聯性。為了展現船舶的多自由度運動特性，必須為船舶創建適當的水域環境。為了滿足教學需求，還必須為體現教學內容設計獨特的視角。為了解決場地對虛擬實驗室利用率的限制，應該構建虛擬船舶實訓平臺，實現虛擬實驗室的并行使用。

2 虛擬船舶實訓平臺設計

2.1 基于Multigencreator創建模型

Multigencreator是專門用于創建視景仿真的實時三維模型的軟件包。能高效、最優化地生成實時三維(RT3D)數據庫，并與后續的實時仿真軟件緊密結合，有利于節約圖形工作站的繪制開銷，保障系統的流暢性和多終端共享體驗。

(1) 資料收集。Multigencreator建模所需的主要資料包括船舶主要位置的坐標值和紋理圖。因為船舶屬于超大型運輸工具，故外形數據不方便通過測量直接獲取。船舶外形主要位置坐標值由DWG格式的船舶設計圖導入。鑒于船舶結構復雜，數據導入需要分步完成。導入過程中，先將船舶各層甲板與不同的高程值對應，在保證各層甲板邊緣連續的前提下，去掉多余的坐標信息。在將DWG格式的船舶各層甲板邊緣數據轉換為AutoCAD的交換數據格式DXF后，再使用Global Mapper轉換成USGS DEM格式的美國國家標準的地形文件，便可使用Creator的DED-BUILDER插件制作出船舶主甲板上的船舶外形[10-11]。主甲板下的船舶外形可用相同的方法，由船舶型線值轉化得到。

紋理貼圖可通過實船拍攝的方式獲取。平面圖和結構圖應采用不同的拍攝方式，平面盡可能采用背光、斜向拍攝；結構圖應該選擇能突出結構特點的角度拍攝。

(2) 模型搭建。在前期通過數據導入獲取船舶框架后，可通過實地測量獲取船舶結構細節和設備實體的尺寸，船舶結構細節和設備實體應盡可能與實船相符，在需要體現細節的位置(如：羅經花等)，可根據需要適當調整。

在將紋理貼圖導入Multigencreator前，應將紋理貼圖運用Photoshop圖形處理軟件進行處理。一方面消除紋理貼圖拍攝時點光源和明暗度對圖片的影響；另一方面需要將圖片進行拉伸裁剪，保證圖片的寬度和高度都應該是2的冪，同時將拍攝的圖片保持為RGBA格式[4,12]。

(3) 模型驅動。Multigencreator生成的OpenFlight格式的三維模型文件能夠被很多專業的虛擬現實開發軟件包調用。若僅僅處理OpenFlight格式的三維模型文件，VEGA Prime將是最好的選擇，鑒于模型中需考慮船舶和海浪的相互作用，以及虛擬船舶實訓平臺的網絡結構需求，故選擇具有豐富的開發工具、開發速度快、支持多平臺程序發布的Unity3D作為視景引擎進行驅動。

(4) 波浪系統。雖然Unity3D提供了許多水面渲染和水波特效的工具，但其主要側重視覺效果，與具體海區的波浪特性并不存在對應關系。為了保證仿真精度，船舶所處的海洋環境可通過波譜生成單向的隨機波的方式獲取[13]。

不規則波由不同振幅和相位的規則波疊加得到，其波傾角表示為：

(1)

式中：Nw為用于不規則波合成的規則波數，取值300；g為重力加速度；φi為一隨機數;ωi為波浪頻率，可表示為：

(2)

波升αi可表示為:

(3)

式中:δω表示取頻率為ωi處波譜值的波浪頻段長度;δω值取0.01。

波浪譜Swave(ωi)采用第15屆國際拖曳實驗水池會議(ITTC)推薦的如下雙參數譜[14]公式計算。

(4)

式中:

(5)

(6)

式中:H1/3為有義波高;T01為平均波浪周期。

2.2 頭盔漫游

為提供更高沉浸感的視覺體驗，實驗室配備了10副HTC-VIVE商業版3D頭盔虛擬現實眼鏡，構建了基于Unity3D 和HTC-VIVE的虛擬船舶實訓室[15]。在實訓室內HTC-VIVE商業版配備的手柄設備結合頭盔，體驗者能夠通過自己的肢體動作和瞬間移動來與虛擬場景中的船舶展開交互，既增強了沉浸感，又增加了學習過程的趣味性。

2.3 多平臺開發

海員可謂標準的“藍領”，每位海員必須從“基層”水手做起，航海人才培養講求傳幫帶，講求工匠精神，海員培養階段，更注重實踐的每個環節。為了使學生把理論和實踐結合起來，應在學生預習、集中授課、課后復習、實訓見習等各個環節為學生提供更多的接觸船舶的機會[16]。在“互聯網+”已成為國家經濟社會發展的重要戰略的新時期，虛擬船舶實訓平臺將成為航海類院校“互聯網+航海”實訓體系構建不可缺的重要組成部分，并滲透到理論教學和實訓教學的各個環節，輔助“互聯網+航海”實訓體系尋求解決航海教育質量下降和教學與人才需求相脫節的問題的方法，以及實現航海實時教育和終身教育的方法[17]。

虛擬船舶實訓平臺借助互聯網和虛擬顯卡技術，可突破實體教學設備的空間限制。在包括理論教學和實踐教學的任何教學環節中，教師均可利用任意的PC機與虛擬實訓平臺互動，進行船舶結構演示等簡單的操作。同時學員利用智能手機在移動端亦可完成與虛擬船舶的交互。

圖1 虛擬實訓平臺及應用示意圖

3 VR實驗室的應用實例

為了保證虛擬船舶實訓平臺功能的完整性，使模型建設達到預期目標，虛擬船舶模型中船體模型、駕駛臺和船尾將作為模型建設的重點。

(1) 船體模型。可實現船舶的整體展現，方便船體結構解析和船舶區域劃分，方便于宏觀了解船舶。同時為其他功能性虛擬設備的開發平臺，以及進行船舶求生、船舶消防、艇筏操作、拋起錨、貨物操作等深度開發的工作基礎和行為載體。

圖2 虛擬船舶外景圖

(2) 虛擬駕駛臺。駕駛臺作為甲板部船員工作的主要場所，是內部通訊設備、外部通訊設備、導航儀器、遇險報警設備、氣象設備、與機艙連接的操縱設備和其它必備設備的安放和存儲場所，空間相對狹小，而相關設備安放必須符合相關規定要求。VR實驗室可以靈活的方式描述相關設施設備的安置情況，可直觀體現各船舶結構對設施設備的影響，提供實船觀測不能實現的獨特視角。

圖3 虛擬駕駛臺獨特視角觀測圖

(3) 虛擬船尾。螺旋槳位于水下，將實船螺旋槳工作場景應用于教學并非易事，現有相關資源主要是通過動畫模擬或實船拍攝等途徑獲取，兩種形式的教學資源都不能實現全方位多角度觀測，同時視頻效果還會因水下環境，影響其清晰度。利用虛擬建模技術即可呈現船體-螺旋槳-舵之間的依附關系。借助Unity3D的粒子系統(ParticleSystem)可實現直觀動態表現在船體-螺旋槳-舵的共同作用下船舶尾部的水流情況，可用于形象生動的講述舵的工作原理、螺旋槳致偏效應以及船體對船舶保向性的影響等晦澀難懂的教學內容。

圖4 路徑分明的倒車排出流示意圖

4 結 語

以教學需求為指導，利用Multigen creator 完成船體及船舶設備建模，由Unity3D進行視景驅動。借助Unity3D跨平臺支持的特點，分別完成PC端和移動端程序設計，搭建互聯網+航海的VR實訓平臺。

VR實驗室是為彌補全面、真實的教學環境缺失而搭建的實訓環境，VR技術和互聯網+技術的引入，也使得VR實訓室成為教學條件完善、教學內容深度拓展的實驗平臺。VR實訓室將在教學、科研和社會服務方面發揮其作用。