船舶三維及VR沉浸式海事監管業務培訓平臺

魯道毅 王懷宇 王君琪

1(大連海事大學輪機工程學院 遼寧 大連 116026)

2(山東海事局 山東 青島 266002)

0 引 言

危險化學品船舶的PSC檢查具有復雜性與危險性，對于執法人員的監督檢查能力也有更高的要求。因此，建立船舶三維及VR沉浸式海事監管業務培訓平臺有著重要的意義。

目前，三維訓練平臺已經廣泛應用于醫療、軍事、航空、航天以及船舶領域。通過利用三維圖形學和虛擬現實技術(VR)將船舶模型在計算機技術的支持下進行全三維再現，并針對關鍵性部位進行了虛擬現實技術(VR)還原[1]。該技術的應用在全面滿足傳統物理模型功能要求的同時，還利用計算機系統的可編程可控制特性實現更多諸如模型內部結構剖面表面、內部關鍵設備管線的布位表現、各種船舶工況狀態及設備使用方法的模擬表現等，已經能夠遠超傳統物理模型的展示說明，而且在船舶維護管理、操作培訓、安全培訓、多角度市場宣傳等很多方面發揮了更多的作用[2]。因此，許多船舶行業的廠商以及科研機構都在培訓環節中使用三維圖形學以及虛擬現實技術，在船員培養培訓過程中，例如國外KONGSBERG[3]公司應用于船員培訓的K-SIM培訓軟件以及國內大連海事大學開發的應用于船員培訓的DMS系列輪機模擬器[4]均在業務培訓的過程中使用了船舶三維模型以及虛擬現實仿真技術，并且在培訓過程中取得了良好的效果。

基于上述現狀，本文以經常停靠青島港的中海海運17.4萬立方米的“中能”系列LNG船舶為研究對象，采集了在PSC檢查中所需的LNG船舶相關數據并建立了船舶三維及VR沉浸式海事監管業務培訓平臺。

1 平臺設計及結構

1.1 系統功能

LNG船舶PSC檢查主要依據的是《散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則》(GC規則)和《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則》(IGC規則)以及國內海事部門的相關規定要求[5-6]。鑒于LNG船舶檢查項目的龐大性和檢查過程的復雜性，本文選取船舶檢查項目中較重要且具有代表性的船舶通岸接頭處應急截止閥(ESD閥)區域子模塊重點開發。該船舶三維及VR沉浸式海事監管業務培訓平臺需滿足以下要求：

(1) 三維虛擬LNG船舶模型船根據實船圖紙、照片等資料制作，按照1∶1比例高度逼真還原船舶實際，并達到精致、超清的高端視覺、聽覺效果，各項動作的動態反應、過程、發生的現象、音效與實船高度一致，確確實實具備完整、真實的物理動態效應，豐富的情景設計。

(2) 三維場景包含完整的全船整體模型和結構，實現各艙室和視景的流暢、連續、無間斷游走和自然切換。制作場景可涵蓋所有LNG船舶PSC檢查對象，如甲板、貨控室、機械間及駕駛臺等處所內的設備、管系、閥門、儀表、控制箱、控制盤臺、按鈕、指示燈、旋鈕、梯道、艙壁等，可實現虛擬場景的自動或手動漫游，可實時顯現當前鼠標捕捉設備的相關信息及檢驗要求等。

(3) 培訓平臺的三維動畫原理符合LNG船舶實際情況，可以真實地反映LNG船舶在靠泊接收檢查時的系統工況。檢查動畫可體現出設備檢查項目的檢查過程、操作步驟和方法以及語音或者文字提示的檢查操作過程注意事項。

1.2 系統結構

本文設計的船舶三維及VR沉浸式海事監管業務培訓平臺由用戶層、應用層、資源層和硬件層組成。其中用戶層包括PSCO、管理員及學員；應用層包括LNG船三維虛擬仿真、LNG船VR沉浸式漫游、PSC檢查要點與缺陷管理、虛擬操作訓練、網絡協同訓練及評估考核；資源層包括LNG船三維模型、多媒體素材庫及PSC檢查內容與缺陷；硬件層包括VR頭盔、三通道主動投影系統。管理員、PSCO、學員站及投影系統之間的通信采用UDP通信協議。管理員、PSCO站與學員站集中了二維模擬訓練軟件、LNG三維虛擬船舶與LNG設備檢驗素材庫。教練員站作為整個培訓平臺的核心運行訓練平臺的數據運算，有著監管、評分、演示等功能。學員站作為培訓的終端，配置較為靈活，既可單機訓練，也可與管理員、PSCO站鏈接進行團隊協作訓練。系統結構如圖1所示。

圖1 沉浸式海事監管業務培訓平臺系統結構

2 三維視景設計與實現

2.1 三維模型

三維模型分為：LNG船舶三維模型及LNG設備檢驗素材庫。

(1) LNG船舶三維模型。本文利用虛擬現實技術建立了船舶三維視景仿真模型，在嚴格參照實船照片、設備說明書、船體設計圖及輪機系統原理圖的基礎上，利用3D-max建模軟件按照1∶1比例高度逼真還原船舶實際，制作場景涵蓋所有LNG船舶PSC檢查對象，如完整的船舶結構、設備與管系模型等。使用Unity3D三維視景，采用材質渲染、烘焙貼圖、燈光調節等技術手段還原一個船舶檢查的虛擬場景，通過與三通道主動投影系統相互配合，極大地增強了PSC檢查訓練的沉浸感[7]。

圖2 三維虛擬LNG船舶效果圖

(2) LNG設備檢驗素材庫。LNG設備檢驗素材庫根據三維虛擬船舶中逐項制作對應的三維情景動畫，動畫包括檢查項目的檢查過程、步驟和方法。圖3為設備檢查動畫展示。動畫具有自動播放演示和學員手動操作兩種方式：自動播放情況下，學員可以根據訓練及學習需求，自行選擇需要學習的內容，播放時可以隨時停止，也可根據學員指令重復演示某一操作；手動操作情況下，學員需要根據操作規范進行操作，操作過程中如出現操作錯誤會有相應的提示，在學習模式下，可以根據提示進行更正。

圖3 設備檢查動畫展示

2.2 虛擬現實

為提升培訓學員感官體驗，提升整體的培訓效果。本文除開發了桌面級船舶三維海事監管業務培訓平臺，還將其應用于三通道立體投影環境中。三通道立體投影環境屬于沉浸式虛擬現實系統，用戶可感受到強烈的景深感。本文所開發的三通道立體投影環境的組成結構如圖4所示[8]，圖5為三通道投影系統效果圖。

圖4 三通道立體投影系統結構圖

圖5 三維虛擬機艙立體投影圖

3 LNG船PSC檢查設計與實現

3.1 PSC檢查要求

根據對LNG船的PSC檢查要求，LNG船設備系統類的檢查主要包含以下項目：液貨管線檢查，液貨艙檢查，壓力釋放系統檢查，應急截止閥檢查，貨物裝卸設備檢查，貨物區域通風系統檢查，空氣閘檢查，貨物機械室檢查，儀表檢查，可燃氣體探測裝置檢查，惰氣系統檢查，氮氣系統檢查，水霧系統檢查，干粉滅火系統檢查，消防員裝備檢查，安全設備檢查，急救設備檢查，貨物燃料燃燒系統檢查，直升飛機設施檢查[9]。

3.2 PSC檢查內容嵌入

根據國際海事組織公約強制性規定和國內海事部門的相關規定搜集整理LNG船PSC檢查內容，包括檢查要點、檢查方法、檢查依據、常見缺陷、典型案例等。文本結合船舶三維虛擬平臺，將檢查內容嵌入到相對應的虛擬設備模型中。如圖6所示，在PSC檢查中，被檢查的虛擬設備高亮顯示。學員可以通過點擊鼠標、手柄等設備進行人機交互。此外，在平臺設計中還預留了接口和權限，管理員或教練員可以對顯示的內容進行修改和編輯。

圖6 PSC檢查內容嵌入效果圖

3.3 PSC檢查缺陷嵌入與設置

為了增強PSC檢查的真實性和進一步提升學員培訓效果，在平臺系統中嵌入由管理員或教練員隨機設置的缺陷由學員去查找，并進行相應的處理。教練員可根據學員所做出操作或者結論正確與否的程度適當給出成績，以此提高學員知識體系綜合調用、現場突發情況分析和應急處理的能力。教練員引入的故障類型包括：(1) 單個隨機缺陷;(2) 連串系列的缺陷。

3.4 虛擬操作與網絡協同訓練

學員可在三維虛擬平臺上通過PC或VR設備進行虛擬操作訓練，要求與在真實船舶環境內操作完全一樣。同時，平臺具備引導功能，根據船舶安全檢查路線圖，一步一步引導學員進行訓練學習。虛擬操作訓練功能豐富、實用、易用，具有豐富的交互點信息顯示功能，快速、準確的設備和交互點定位搜索功能，同時具有豐富、美觀、實用的UI功能設計[10]。圖7為三維虛擬操作圖，在學習訓練過程中，訓練平臺會根據需求提供操作演示、錯誤提示、故障設定等操作。除了單人虛擬操作訓練，本文綜合應用信息和網絡技術，搭建了網絡協同、共享開放的實時交互海事監管虛擬實訓平臺。該平臺在廣域網及局域網中部署和應用，具有通用化設計，通過配置適于單機、團隊協作型使用，具有注冊報名、登錄管理、權限設置、出題組卷、題庫管理、題庫編輯、時間同步、操作回放、過程追溯、智能評分等功能。當按廣域網部署時，則提供WEB版的仿真平臺應用，實現網上虛擬訓練與在線學習。可以實現智能化訓練和考評，遠期可用于實現評估考試和培訓進行遠程化管理、訓練與考試[11]。

圖7 三維操作圖

3.5 教學評估

本文提供了完備的評估測試系統，學員在單機版或者網絡版上進行訓練學習后，可以進行自我評估測試或者由教練員對其評估測試。測試包括理論測試和實際測試兩部分。測試結束后，系統根據學員操作正確度和熟練度進行自動打分，給出實際操作過程和正常操作過程的對比，將培訓學員的理論知識、實際操作中出現的問題進行分析，并形成考核報告，幫助學員認識不足，提高理論和實際操作水平。如果由教練員進行評估，此考核報告可以對教練員打分起到參考作用。評估系統還包括改變訓練場景、設置缺陷、選擇操作初始狀態、快照、操作歷史回放、調節設備運行的速度、聲響控制、報警閉鎖及過程隔離等功能。

4 結 語

構建高品質的三維船舶視景仿真系統，不僅是科學技術發展的產物，更是海事監管業務培訓平臺領域的實際需求產物，本文以中海海運17.4萬立方米的“中能”系列LNG船舶為研究對象，開發了海事監管業務培訓平臺，并得到以下結論：(1) 高品質的三維虛擬船舶可以提供給使用者高度仿實船感，可極大地提高培訓效果；(2) 對“中能系列”LNG實船建立了完備的PSC設備檢驗素材庫，素材庫可以擴展到其他船舶，為建立全任務海事監管業務培訓平臺創造有利條件；(3) 將所開發的機艙三維視景系統應用于三通道立體投影環境可大幅度地提升虛擬場景的沉浸感，提高訓練效果。