基于HLA 的郵輪全生命周期虛擬仿真平臺構建方法

李 震，韋乃琨，曹 磊，寧佳儀，張 磊

(1.哈爾濱工程大學 機電學院 黑龍江 哈爾濱 150001；2.上海船舶工藝研究所 上海 200032；3.船舶智能制造國家工程研究中心 上海 200032；4.中國船舶集團有限公司綜合技術經濟研究院 北京 100081)

0 引言

隨著科技的進步與數字化技術在各個領域的廣泛應用，我國造船業正面臨從傳統制造向智能制造的轉型升級，虛擬仿真技術也成為船舶工業提升核心競爭力的重要手段之一[1]。作為船舶工業“皇冠上的明珠”，郵輪產業在我國方興未艾，目前存在設計效率低、研制周期長、開發成本高等問題[2]。

虛擬仿真技術具有想象性、沉浸性、交互性等特點[3–4]。將虛擬仿真技術應用到郵輪全生命周期中的設計、建造和運營環節，可以在設計前期發現在建造或運營期間存在的各項問題，有利于在設計階段解決實體建造和運營時的回溯更改，從而更加有效地、經濟地、柔性地組織生產[5–8]。虛擬現實仿真平臺具有良好的交互性、互操作性、拓展性與移植性和全生命周期等特點，但是現今研究更多的是關于虛擬仿真分析或基于虛擬仿真技術的工程實例演示，并沒有對系統的多因素協作性、可拓展性進行研究。HLA 高級體系架構可以在同一網絡結構的不同點之間進行協調一致的數據傳輸，這些點之間沒有直接連接，處于獨立狀態其為復雜仿真系統平臺搭建提供了有效解決方案[9–10]。

本文基于虛擬仿真技術應用特點，結合郵輪虛擬仿真需求，提出一種基于HLA 的郵輪全生命周期虛擬仿真平臺系統構建解決方案，并對方案中的聯邦成員進行劃分及功能定義，給出較為詳細的設計原則及系統框架構建方案。以某郵輪內裝設計為應用實例，從系統平臺虛擬仿真功能需求出發，構建內裝設計仿真系統平臺框架，實現系統仿真功能驗證，形成對郵輪全生命周期虛擬仿真平臺構建具有一定指導性的結論。以期達到提升郵輪虛擬仿真平臺應用框架的耦合性、可拓展性、互通性及交互性，加快虛擬仿真平臺研發速度的目的。

1 系統仿真需求及設計原則

1.1 系統仿真需求

郵輪全生命周期的作業流程主要分為設計、建造和運營3 個階段，針對這3 個階段關鍵作業環節的仿真子系統種類及系統仿真功能需求進行總結梳理。

1.2 系統設計原則

根據虛擬仿真平臺的特點，在保證其交互性、內聚性、擴展性、互通性的同時，結合郵輪生命周期中關鍵作業環節的仿真需求，進行系統架構設計時，應遵循如下原則：

1）最大化服用原則。保證各組織模塊互聯互通性良好，要適應多點服用、交叉服用的基本要求，物盡其用，使得服用達到最大化。服用包括系統構件的服用和系統設計模式的使用等。

2）復雜問題簡單化原則。均衡協調各個仿真技術模塊之間的關系。

3）靈活擴展性原則。使用者能夠在初始系統架構上進行二次或多次開發及更具體深入的開發。

2 系統平臺功能模塊劃分

根據所提出的系統仿真需求及設計原則，搭建出郵輪全生命周期虛擬仿真平臺系統基本架構，如圖1所示。

圖1 郵輪全生命周期虛擬仿真平臺系統基本架構Fig.1 Basic architecture of cruise ship life cycle virtual simulation platform system

1）設計師、管理及體驗人員輸入模塊

設計師、管理及體驗人員輸入模塊主要包括郵輪全生命周期設計、建造、運營3 個階段的系統輸入接口，主要完成系統功能控制模塊、沉浸式交互模塊的交互行為。

2）實時計算模塊

實時計算模塊用于各類模型場景轉換、調用以及實時效果展示數據的實時計算，通過視景仿真模塊將計算結果可視化呈現。

表1 仿真子系統種類及系統仿真功能需求Tab.1 Types of simulation subsystems and functional requirements of system simulation

3）模型場景編輯模塊

模型場景編輯模塊主要任務是對設計師、管理人員的操作數據進行處理并實時展示操作結果。主要包含模型場景制作與修改功能，可進行繪圖、要素調用等功能操作來快速形成設計方案并展示。

設計方案評價模塊主要任務是對體驗人員的評價數據進行分析處理，形成體驗反饋結果。由評價庫與推理機構成：評價庫用于儲存內置評價標準；推理機用于判斷數據等級及結果。

5）數據處理模塊

數據處理模塊用于實現數據的接收、協同、發送功能。

6）模型數據管理模塊

模型數據管理模塊主要分為三維模型材質庫、燈光及材質庫、設備行為庫3 部分：三維模型庫用來存儲繪圖軟件生成的模型；燈光及材質庫用來存儲自主構建的內置燈光及材質信息；設備行為庫用于存儲整個管理模塊各部分模型的諸如粒子效果、基本行為運動等內容。

7）系統功能控制模塊

系統功能控制模塊主要擔任總體控制角色，主要進行模型場景編輯、動畫控制以及設計方案評價等。模型場景編輯可通過系統程序進行各類應用場景選取及模型的加載、調用、移動、刪除等功能；模型場景動畫控制是通過對場景中各類模型的回溯更改、循環調用來實現場景優化動態展示效果；設計方案評價可通過對所形成的空間設計方案進行綜合要素評估，形成用戶反饋信息，用于方案優化。

8）沉浸式交互模塊

鑒于本文研究“深港通”開通前后兩地股市動態聯動性的變化，以“深港通”正式開通的時間為分界點，將樣本數據區間劃分為兩個階段分析：

沉浸式交互模塊是通過虛擬現實手段，為使用者提供從視、聽覺到場景漫游的全方位立體沉浸式體驗感。利用VR 軟件實現三維場景渲染并投影在立體大屏上，通過軟件自帶音效插件結合音響設備輸出音效，完成視覺及聽覺效果的沉浸式真實場景氛圍營造；場景漫游依托于交互硬件設備與軟件系統連接，來實現對整個場景的漫游操作。

上述框架能夠滿足當前系統的基本功能需求，但對于層級劃分以及系統實時性與互操性還有待進一步優化。

3 系統架構設計方法研究

3.1 架構層級優化

郵輪全生命周期虛擬仿真應用系統，內部功能模塊的數量龐大、關系錯綜復雜，這對系統架構的設計提出了更高的要求，采用分層技術可以更好地解決上述問題。

針對郵輪全生命周期虛擬仿真應用系統平臺架構進行層級優化設計，如圖2 所示。該系統平臺共分為數據層、邏輯層及應用層3 個層級。數據層主要用于將邏輯層及應用層的數據計算結果以圖像的形式呈現視覺效果；邏輯層負責搭建虛擬仿真場景及場景邏輯關系控制；應用層是對郵輪全生命周期設計、建造、運營3 個關鍵階段仿真任務的功能系統集成，利用邏輯層控制各功能系統之間的關系。

圖2 架構分層優化設計Fig.2 Architecture layered optimization design

該基本架構經分層優化，整體層次分明、數據流向清晰、總體性能更佳，令該系統的二次開發性、移植拓展性得到有效增強。

3.2 總體架構設計

HLA 作為分布式交互仿真開發標準，包括規則、對象模型模板（OMT）和接口規范3 個部分，是一種支持軟件與模型重用的軟件體系架構。其中，規則是作為模擬交互依據的對聯邦及其成員責任的一種描述，以服務的形式規范接口定義了聯合會成員之間的信息交互方式，包括必須提供的呼叫和回調服務；以程序運行支撐系統（Run Time Infrastructure，RTI）實現仿真過程中，仿真應用與底層通信的信息交換。

虛擬仿真系統是基于交互行為的仿真系統，需要模擬出郵輪中復雜的艙室環境和多樣化的操作行為。通過物理仿真引擎，可以實現動力學的仿真效果，如果直接將動力學仿真與視景仿真等融合，耦合度太大，難以滿足分布式仿真系統對重用性、互操作性與擴展性的需求，因此采用HLA 架構體系搭建總體架構。

根據郵輪全生命周期虛擬仿真系統的仿真需求及架構層級優化結果，對該系統進行總體架構設計。郵輪全生命周期關鍵作業環節是多種仿真操作場景的綜合，根據作業場景不同，將系統架構劃分為22 個聯邦成員，通過RTI 中間件實現物理引擎與仿真引擎的信息交互，可實時驅動各仿真子系統的協同推進，如圖3 所示。

圖3 虛擬仿真平臺總體架構設計Fig.3 Overall architecture design of virtual simulation platform

根據仿真需求不同，可將聯邦成員具體劃分為以下不同系統模塊：

1）設計階段。將聯邦成員分為內裝設計仿真系統、船型設計仿真系統、布置設計仿真系統。該聯邦成員主要實現設計階段的關鍵業務，包括設計方案快速形成、場景編輯、交互展示等。

2）建造階段。將聯邦成員分為CAE 交互仿真系統、焊接工藝仿真系統、艙內施工工藝仿真系統、協同裝配仿真系統、管系安裝仿真系統、空間作業維護仿真系統、分段設計仿真系統、搭載作業仿真系統、模塊化艙室吊裝工藝仿真系統等。該聯邦成員主要實現建造階段的關鍵業務，包括各類施工工藝、協同裝配、維護維修、動力仿真等方案設計仿真，以及場景動畫展示、交互等。

3）運營階段。將聯邦成員分為運營管理仿真系統和服務優化仿真系統。該聯邦成員主要實現運營階段的關鍵業務，包括運維管理、服務體驗優化的方案設計仿真，以及場景動態交互體驗仿真等。

4）公用系統。方案評價仿真系統、開發管理仿真系統是總體架構中公用的子系統，可按需選擇與設計、建造、運營3 個階段的子系統進行集成，形成獨立/協同的操作系統。

5）設計師站及管理員站。該聯邦成員通過沉浸式交互方式，來進行運營管理、仿真進程控制、場景編輯、參數設置等系統功能實現，以及制定方案評分標準，并將這些信息形成內置數據庫置入到系統中。

7）體驗員站。該聯邦成員通過沉浸式交互體6驗，將評價數據錄入到系統中，形成體驗反饋。

8）作業場景仿真。該聯邦成員用于實現設計、建造、運營3 個階段的多種作業場景演示功能，并將演示結果傳送到其他訂閱成員。

9）擴展成員。該聯邦成員主要作為預留的聯邦成員來提高系統的擴展性。

4 仿真系統平臺設計實例

4.1 仿真系統構建

以某郵輪餐廳內裝設計為研究實例，構建虛擬仿真應用系統。根據郵輪全生命周期虛擬仿真系統總體架構，結合餐廳內裝設計仿真需求，通過聯邦成員的擇取與搭配，形成郵輪餐廳內裝設計虛擬仿真系統平臺架構如圖4 所示。

圖4 系統架構設計Fig.4 System architecture design

該系統的各個模塊之間具有極強的實時性、互操性，通過模塊之間的運作，能夠清楚地表達各個交互模塊之間相互交流的狀態。通過圖4 各子系統之間的信息交互過程，得出系統架構的功能數據路徑圖，如圖5 所示。

將內裝設計仿真系統按功能數據路徑分為數據處理、數據支持和數據可視化3 個系統，其中數據處理系統主要是在數學模型的基礎上，實現對音像數據的處理、仿真需求的應答、交互數據的采集和計算；數據支持系統是將已有的運動模型、家具模型、燈具模型、材質模型等模型數據等整合成系統知識庫為系統運行提供數據支持；數據可視化系統是通過主控制界面的設計以及和相關功能的關聯實現輸入輸出數據的可視化展示。

4.2 系統功能實現

本文利用UE4 虛擬引擎實現系統平臺開發及功能可視化呈現。對該郵輪餐廳內裝設計作業的仿真過程包括：設計方案快速形成、各類模型庫要素調用、場景編輯、場景動態交互、設計方案評價等。該軟件系統平臺功能的實現，是驗證郵輪內裝設計仿真系統框架設計合理性與實用性的唯一途徑。根據系統仿真需求及系統架構，主要實現該系統的開發管理、各類模型庫調用、設計方案編輯、設計方案評價、作業仿真演示等功能，具體功能展示如圖6～圖8 所示。

圖6 系統開發管理功能Fig.6 System development management function

圖6 為平臺系統開發管理功能的實現，登錄后通過用戶選擇進入作業仿真場景，可多人協同登錄。

圖7 為各類模型庫調用功能的實現。利用硬件交互設備進行場景編輯功能選擇，實現了對該場景中各類模型進行選擇、移動、刪除、重置、替換等功能操作。

圖7 各類模型庫調用功能Fig.7 Call functions of various model libraries

圖8 為系統沉浸式交互功能的實現，在仿真場景中可按需進行設計方案編輯。設計方案完成后，在系統中可進行存儲、瀏覽、體驗評價等功能操作。

圖8 系統沉浸式交互功能Fig.8 System immersive interactive function

通過系統功能測驗，該郵輪內裝設計仿真系統平臺在性能及功能上皆滿足虛擬平臺系統仿真需求，能夠有效管理、處理、操作、演示仿真平臺中的各種數據、信息等，證明了該系統架構層次結構清晰、明確，以及系統數據庫性能良好。

5 結語

本文針對郵輪全生命周期虛擬仿真平臺搭建復雜、龐大等問題，總結出系統仿真需求及設計原則，提出系統平臺模塊的劃分方案，結合分層技術，構建出一種基于HLA 的虛擬仿真平臺系統總體架構。以郵輪內裝設計仿真系統為研究實例，構建相應的系統架構，開發虛擬仿真平臺。經系統功能測試與實現，該平臺能夠滿足虛擬仿真平臺系統仿真需求，且性能更佳，證明該總體架構能夠有效提升仿真平臺的拓展性、移植性、實時性、異地協同性、人機交互性，提高了開發效率和開發過程的規范性。對此類系統平臺的搭建與二次開發具有一定指導意義與參考價值。