基于虛擬現實技術的救助船對外消防培訓仿真系統

楊可男 張均東 葉子文 伊泓嘉

摘要：針對救助船消防訓練中存在的海況復雜，對外消防炮射流受風影響大，往往無法準確控制其射向目標區域的問題，在理想狀態下射流理論的基礎上探究風對射流軌跡的影響，建立自然風條件下射流軌跡的數學模型，模擬對外消防炮射流的運動情況。應用3ds Max構建船舶模型，用Unity 3D構建救助船在面臨大風浪、遇險船著火等狀況時對外消防系統的工作場景，提出一種精確構建粒子系統軌跡的方法，使射流模型能精確體現在場景中。通過虛擬現實設備能實現救助船對外消防培訓仿真系統的立體顯示和人機交互，起到更好的虛擬仿真和培訓效果。

關鍵詞：救助船; 水射流仿真; 對外消防系統; 虛擬現實（VR）; Unity 3D

中圖分類號：U676.8

文獻標志碼：A

收稿日期：2018-04-27

修回日期：2018-08-20

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金（3132016316）

作者簡介：

楊可男（1993—），男，浙江紹興人，碩士研究生，研究方向為輪機自動化與智能化，（E-mail）raykss@163.com;

張均東（1967—），男，浙江紹興人，教授，博導，博士，研究方向為控制與仿真、輪機自動化與智能化、輪機模擬器，

Abstract：In the fire-fighting training of rescue ships under complex sea conditions， the water jet of external fire-fighting guns is influenced greatly by wind， so that it often can not control target area accurately. In view of the problem， the influence of wind on jet trajectories is analyzed based on the jet theory of the ideal state， and the mathematical model of the jet trajectory under the condition of natural wind is established to simulate the movement of water jet of external fire-fighting guns. The ship model is constructed by 3ds Max.By Unity 3D， the working scenes of the fire-fighting system of rescue ships under the conditions of large wind-wave and fire of ships in distress are constructed， and a method for accurately constructing the trajectory of the particle system is proposed， so that the jet model can be accurately shown in the scenes.The 3D display and human-computer interaction? of external fire-fighting training simulation system of rescue ships can be realized through virtual reality devices， which improve the effect of the virtual simulation and training.

Key words：rescue ship; water jet simulation; external fire-fighting system; virtual reality （VR）; Unity 3D

0 引 言

救助打撈船及其裝備非常昂貴[1]，救助打撈工作的時效性要求也非常高。在實際救助過程中海況復雜，對外消防炮射流受風影響大，操作人員往往無法輕松地把水流準確地射向著火區域。現階段救助船對外消防訓練都在實船上進行，不僅受場地、時間等因素制約，且不存在真實著火的遇險船舶。如能建立一套救助船對外消防培訓仿真軟件，用于日常模擬演練以掌握先進的救撈技術和專業技能，以及通過對已完成任務的回放來進行修正、優化和案例學習，則不僅對整個救助打撈工作的科學化、高效化具有重要意義，也與《交通運輸部關于深化救撈系統管理體制改革的意見》中加強科研能力建設和系統裝備建設的要求相一致。2018年1月6日，巴拿馬油船“桑吉”號與中國香港散貨船“長峰水晶”號在長江口以東約160 n mile處發生碰撞，導致“桑吉”號全船失火，經過3次、長達6 d的救助滅火也未能控制火情，造成了重大人員傷亡、財產損失和環境污染。這從某方面反映了救助滅火模擬器研究的迫切性。

救助船對外消防培訓仿真系統依托于自然風條件下消防炮射流軌跡仿真、救助船六自由度運動仿真和虛擬人應用等，實現了較為真實的救助場景。孫健[2]探究了理想狀態下的射流軌跡，PRAKASH等[3]揭示了水中橫流條件下液體射流的狀態，XIA等[4]探究了空氣射流與水射流的對撞霧化。然而，這些研究未建立完整的自然風條件下的射流軌跡模型。在救助船運動建模仿真方面：陳卓等[5-6]研究了救助船模擬器原型機的關鍵技術，并提出了基于運動平臺體感模擬的救助船模擬器;張秀鳳等[7]在傅汝德-克雷諾夫假設的基礎上，探究了海浪對船舶六自由度運動的干擾;徐靜等[8]研究了船舶在波浪中的六自由度操縱運動模型。在虛擬人構建方面：戚福洲[9]提出了基于國際人體測量學數據的虛擬人構建方法;李石磊等[10]探究了虛擬人運動的生成與控制。而在虛擬現實（virtual reality， VR）方面，國內和國外的科研人員在虛擬機艙和虛擬航行領域都進行了一定的研究，但在救助船的VR模擬器領域的研究還較為欠缺，與當前海難多發的現狀不符。

1 系統功能

1.1 功能概述

本文對救助船對外消防系統關鍵技術進行深入探究：在理想狀態下射流軌跡模型的基礎上探究并建立自然風條件下消防炮射流軌跡的數學模型;利用船舶六自由度運動模型實現在波浪作用下的船舶操縱;提出一種粒子系統軌跡構建方法，使仿真射流模型能精確體現在Unity 3D引擎下;構建仿真火災場景和虛擬人，使其能完整模擬一系列對外消防系統的救助操作。受訓人員可以在沉浸式的體驗下熟悉對外消防系統的操作要領，明確救助流程規范，牢記注意事項以提高業務能力。

1.2 救助流程

救助船對外消防系統涉及船舶操縱、救助規范和對外消防系統控制。本系統以8 000 kW救助船為母船型，按照實際救助流程進行培訓，具體救助流程[11]見圖1。

2 系統中的關鍵技術

2.1 理想狀態下消防炮射流軌跡理論

在射流不受外界風力影響時，利用微元法，分析其單位體積、單位流量的微元僅在空氣阻力和重力的作用（空氣阻力方向與運動方向相反，重力豎直向下）下的狀態。將單位質量看作是1，

式中，β為速度與水平方向的夾角。因此，若要求出射流軌跡方程，首先得確定初始速度V0和消防炮出射角β0，而速度與水壓存在一定關系。依據伯努利方程，忽略內部損失，有根據上述方程，可建立理想狀態下射流軌跡模型及其初始條件模塊、運動模塊和空氣阻力模塊。

2.2 自然風條件下射流軌跡仿真

由于在自然風條件下風對射流的影響較為明顯，依據前人經驗建立射流在無風條件下的模型后，建立自然風條件下的消防炮射流軌跡模型。分析可得微元在風作用下的受力如圖2所示，其中Fw為風的阻力，α為風的阻力與水平方向右方向的夾角。應用伯努利方程可知，風壓根據上述方程，將風的作用域看作A（x），并把必要參數和公式分別加入初始條件模塊、運動模塊和空氣阻力模塊（見圖3～6），利用MATLAB/Simulink建立自然風條件下的三維射流軌跡曲線。

圖3中：P為消防炮內壓力;Q為炮內流量;A為炮口截面積;β0為出射角;Vw為正向風風速;Vzw為側向風風速;V0為出射初速度（Vx0和Vy0是其分量）;V為射流微元速度（Vx和Vy是其分量）;Pw為正向風風壓;Pzw為側向風風壓;Fx、Fy和Fz為3個方向上的阻力分量;x、y和z為3個方向上微元的位移;d0為有效截面直徑。

在空氣阻力模塊中，利用空氣阻力因數k（式（7））、有效截面積A（x）（式（9））和式（10）計算空氣阻力及其各方向上的分量。

本系統采用Runge-Kutta算法和ode45求解器，系統仿真時間為10 s。初始條件如圖3所示，即消防炮水壓為1.45 MPa，流量為1 200 m3/h，炮口截面積為50 cm2，出射角為30°。在右前方68.2°、風速為5.39 m/s的風（仿真時解算為正前方來風，風速2 m/s，正右方來風，風速5 m/s）作用下的消防炮射流軌跡見圖7。

圖8的射流軌跡的初始條件為出射角45°、側方來風-3 m/s和正向來風4 m/s。圖9的射流軌跡的初始條件為出射角60°、側方來風-10 m/s和正向來風-10 m/s。

由圖7可得，出射點坐標為（0，0，0），最高點坐標為（96.96 m， 3.13 m， 37.20 m），由于消防炮高于海平面10 m左右，在圖4運動模塊中設置了y的極限值為-10 m，所以入水點坐標為（155.10 m， 23.51 m， -10.00 m）。由于在設置仿真參數時，仿真時間設置為10 s，在射流軌跡到達入水點時（5.883 s），實際對射流軌跡的仿真已經結束了，但由于未到仿真時間，出現了在入水

點后，水平高度為-10.00 m的一段曲線，應將其忽略。圖10為該初始條件下速度隨時間的變化情況，因篇幅有限，僅列出幾組仿真數據，見表1。

2.3 仿真軌跡構建方法

由于Unity 3D中自帶的粒子系統模型并不能完全反映真實情況下水射流軌跡，為將其完整呈現于Unity 3D引擎中，在Simulink中建立模型，得到各情況下的消防炮射流軌跡后，提出一種粒子系統軌跡構建方法：由于Unity 3D引擎中默認單位為m，且不可直接獲取物體尺寸大小等有關參數，故取仿真射流軌跡上20個坐標點，利用坐標點在3ds Max中建立軌跡的精確模型，導出Fbx文件，再導入Unity 3D引擎中。為實現利用粒子系統構建消防炮射流，需要利用3ds Max模型上點的相對坐標。創建過程為：分別創建一個表示位置的數組（比如P1到P20的Position）和一個表示方向的數組;逐幀判斷每個粒子的位置，根據當前粒子的位置和下一個坐標位置來確定它的移動方向，只要還在粒子的生命周期內，就讓它移動到下一個點;當初始條件（仰角和風速）發生變化時，利用腳本依據仿真結果來控制20個坐標點移動，使水射流發生變化。該方法不僅可用于模擬水射流軌跡，也可在Unity 3D中用粒子系統精確模擬其他物體的運動。考慮到工作量，本文構建的對外消防炮仰角變化最小幅度為5°，風速方向最小變化幅度為15°，且風速在零級至十二級的13個等級內變化（救助船抗風等級為十二級）。在實際構建過程中，為使粒子系統真實美觀，結合實際工況和仿真結果，在仰角-10°～60°范圍內（超出60°時仿真結果與實際偏差會越來越大，不具參考價值，而在實際工況中幾乎不會遇到低于-10°的情況），利用iTween插件進行構建，并利用腳本修改調試粒子系統（ParticleSystem）和風域（WindZone）參數，使虛擬射流軌跡接近仿真模型。圖13為消防炮仰角與旋轉角度一定，風速大小相同、風向不同時的消防炮射流軌跡。

2.4 火焰蔓延模型

火災的發生一般分為4個階段，即著火階段、初期增長階段、充分燃燒階段、熄滅階段。本文利用元胞自動機[13]分析救助過程中面對的充分燃燒階段。選取Moore型元胞自動機模型，設中心元胞為（i，j），則元胞自動機的狀態轉換方程可表示為

式中，元胞在時刻t+1的狀態既取決于周圍8個鄰域的元胞的狀態，也取決于中心元胞在當前時刻t的狀態。火災產生的煙氣在船舶艙室內的熱傳遞過程受浮力和室內風的影響。浮力對火焰蔓延的影響概率為

式中：r為火焰蔓延的浮力影響系數，其值為格拉曉夫數與雷諾數的平方比;c1為調節系數;θ為火焰蔓延路徑方向與豎直向上方向的夾角。風對火焰蔓延的影響概率為

式中：θ1為風向與火焰蔓延方向的夾角;c2和c3為調節系數。

綜合分析這兩種因素，燃燒元胞的蔓延方向選擇為與其相鄰元胞蔓延概率最大的路徑方向，燃燒元胞與最大概率路徑上的元胞能量平衡后，元胞內的參數發生變化，可得到下一時刻的元胞的新參數，即實現火焰從時刻t向時刻t+1的蔓延。

3 系統實現

利用3ds Max建立船舶、虛擬人和場景模型，添加材質，繪制UV貼圖，在Unity 3D引擎下完成相應動畫，依據文獻[7-8]制作船舶六自由度操縱腳本。本系統可按圖1的流程進行救助操作，圖14a為出航場景，接到警報后培訓人員依據當前方向和右下角雷達搜尋遇難船。

3.1 虛擬人

利用3ds Max構建虛擬人并綁定相應骨骼，在Unity 3D中制作人物進行各項操作的骨骼動畫，在進行操縱桿等操作時，由于末端位置確定，故需利用反向動力學動畫來實現;利用A*基本尋路算法[14]，實現虛擬人在場景中的漫游，如圖14b。為達到更好的培訓效果，在進行滅火操作時，培訓人員可根據需要選擇以手動方式控制液壓消防炮滅火，或者以遙控方式控制電遙控消防炮滅火。圖14c為高海況下手動控制消防炮滅火的場景;圖14d和14e為電遙控消防炮及其控制面板。圖14e中：A和C為左、右舷離合器應急脫開按鈕，用于負荷過大時脫開泵與齒輪箱之間的離合器;E為電源開關;B和D為左、右舷自保護水霧開關;F和G為左、右舷水炮控制手柄。

3.2 火災場景

在火焰蔓延模型的基礎上，利用粒子系統，構建真實的船舶火焰效果和煙霧效果;利用碰撞檢測，根據碰撞物體標簽（Tag）實現滅火。將消防炮水射流的Tag設置為WaterJet，并設置與火焰碰撞物的標簽為WaterJet，兩者碰撞超過一定時間時，播放火焰熄滅動畫，并在系統信息窗口顯示“局部滅火”或“火情解除”。構建未在有效時間內滅火導致的船舶爆炸、沉沒場景，如圖14f。

利用UGUI系統，設計對外消防培訓仿真系統的操作界面，見圖15。實現大風浪、天氣良好等場景的隨機切換;實現風速的隨機變化，制作波浪、火焰、煙霧等隨風速變化的效果;構建用戶操作提示窗口，包括船舶控制、消防炮控制、風向風速參數設置等功能;構建系統提示窗口;實現消防視角、船舶操縱和講評視角等多視角的轉換;添加音效組件，實現各個場景和操作時的聲音效果。

4 虛擬交互系統

隨著各類船舶模擬器的普及和VR技術的不斷發展，傳統的PC端虛擬仿真系統越來越難以滿足人們的需求。為增強VR的沉浸感和真實感，實現更好的仿真效果，利用2018年4月發布的最新款HTC Vive Pro設備提供的接口擴展和代碼的二次開發功能，在PC端系統的基礎上開發了基于VR的救助船對外消防培訓仿真系統。HTC Vive Pro作為當前VR界最高性能的代表產品（見圖16a），其雙眼分辨率（像素）達到2 800×1 600，配備豪華型暢聽頭戴，并基于最新發布的SteamVR Tracking 2.0解決了第一代Vive基站振動大、吵鬧以及長時間使用后同步率降低等問題，并且提供近100 m2的追蹤空間，配套無線套件后會有非常好的體驗。

在Unity 3D中，利用SteamVR插件來構建VR場景，利用各手柄事件完成系統的各項操作，如利用TriggerClicked（扳機按鈕按下）和SteamVR提供的SteamVR_LaserPointer腳本控制射線傳送，達到人物移動的效果;利用SteamVR_LaserPointer中PointIn和PointOut事件以及SteamVR_TrackController中的PadTouched（碰到觸摸板）和PadUntouched（離開觸摸板）事件抓取消防炮操縱桿實現消防炮的相應操作。HTC Vive Pro設備使得救助船對外消防培訓仿真系統工作效果極為逼真，見圖16b。

5 結束語

本文在理想狀態下射流模型的基礎上，對自然風條件下消防炮射流軌跡進行了建模與仿真，設計的模型可模擬任意初始條件（出射角、炮口截面積、流量、風速、風向）下消防炮的射流軌跡，且提出了一種在Unity 3D中精確建立水射流軌跡的方法，即構建粒子軌跡的方法。構建的救助船對外消防培訓仿真系統提供VR場景體驗;構建的水射流粒子系統提供真實操作感，對救助船船員操作培訓有顯著幫助，為基于VR的船舶模擬器研究提供借鑒。今后的研究方向為一方面優化火焰蔓延模型，另一方面與搜救輔助決策系統相結合，最終實現對救助滅火過程的真實模擬。

參考文獻：

[1]王祖溫. 救助打撈裝備現狀與發展[J]. 機械工程學報， 2013， 49（20）：91-100.DOI：10.3901/JME.2013.20.091.

[2]孫健. 消防炮射流軌跡的研究[D]. 上海：上海交通大學， 2008.

[3]PRAKASH R S， SINHA A， TOMAR G， et al. Liquid jet in crossflow：effect of liquid entry conditions[J].Experimental Thermal and Fluid Science， 2018， 93：45-56.

[4]XIA Yakang， KHEZZAR L， ALSHEHHI M， et al. Atomization of impinging opposed water jets interacting with an air jet[J]. Experimental Thermal and Fluid Science， 2018， 93：11-22.DOI：10.1016/expthermflusci.2017.12.012.

[5]陳卓， 張曉磊， 熊偉， 等. 救助船模擬器原型機關鍵技術研究[J]. 艦船科學技術， 2016， 38（11）：114-117. DOI：10.3404/j.issn.1672-7619.2016.06.023.

[6]陳卓. 基于運動平臺體感模擬的救助船模擬器研究[D]. 大連：大連海事大學， 2016.

[7]張秀鳳， 尹勇， 金一丞. 規則波中船舶運動六自由度數學模型[J].交通運輸工程報， 2007， 7（3）：40-43.

[8]徐靜， 顧解忡， 馬寧. 規則波六自由度回轉運動預報[J]. 中國艦船研究， 2014， 9（3）：20-27. DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2014.03.003.

[9]戚福洲. 基于國標人體測量學數據的虛擬人建模技術研究[D]. 成都：西南交通大學， 2014.

[10]李石磊， 梁加紅， 吳冰， 等. 虛擬人運動生成與控制技術綜述[J]. 系統仿真學報， 2011， 23（9）：1758-1771.

[11]熊偉， 王海濤， 張會臣. 救助工程[M]. 大連：大連海事大學出版社， 2012：150-156.

[12]浦發. 外彈道學[M]. 北京：國防工業出版社， 1980：199.

[13]CHOPARD B， DROZ M. Cellular automata modeling of physical system[M]. Beijing：Tsinghua University Press， 2003：13.

[14]KLUNDER G A， POST H N. The shortest path problem on large-scale real-road networks[J]. Networks， 2010， 48（4）：182-194.DOI：10.1002/net.

（編輯 趙勉）