基于VR技術的船舶監控系統分析

李聚保,席小洋,陳新恩

(廣州航海學院, 廣州 510725)

新的航運規范等市場環境逼迫著船舶實際運營者必須利用新技術才能實現細化管理、精度管理，才能在激烈的競爭中生存。

1 VR技術的優勢

船舶行業創新發展需要快速吸收其他高新技術。在民用生活和工業生產領域，VR(Virtual Reality)虛擬現實技術緊密結合各自行業的需求，不斷推陳出新，產品不斷更新換代，極大地促進了行業的發展。VR是一種可以創建和體驗虛擬仿真世界的計算機交互式系統，VR系統需要融合多源信息、采用高速計算機軟硬件和先進的傳感器技術，并生成交互式三維動態視景和實體行為。VR帶來全新的、真實的參與感，用戶可以全身心投入，借助聽覺、嗅覺、觸覺、視覺等感官獲得更加真實的、身臨其境的體驗。

現代的船舶監控系統早就擺脫了傳統的繼電器接觸器控制技術，也不再實行簡單的微機控制或PLC控制，而更趨于網絡化、智能化。高速控制決策單元、FCS高速現場總線、智能化儀器儀表等極大地提高了監控系統的智能化水平和響應速度。

北斗衛星系統覆蓋全球，目前已經在國內各個行業得到廣泛應用，其突出用途是利用超遠距離通信能力建立數據快速準確的壓縮傳輸，能滿足大部分遠程監控系統的要求。北斗衛星系統在我國的海洋漁業監控等部分領域已經有實際的產品應用。船舶由于遠離陸地，采用基站、無線電臺、無線網橋等常規的數據采集傳輸方式肯定無法滿足要求, 北斗衛星系統沒有盲區、不易丟失目標，對其進行一些深入開發能夠滿足船舶監控的需要。為了發展現代綜合交通運輸，我國采用了多種措施，通過制定專項發展規劃、提供專項發展資金等手段促進北斗衛星系統在航運領域的廣泛應用。將海上安全監管平臺跟北斗衛星通信系統相結合，充分發揮海事共享數據庫的功能，提高海事管理的智能性，豐富拓展其功能。

2 基于VR的船舶監控系統

應用C#程序設計語言、借助Microsoft Visual Studio 2018集成開發環境、結合第三方提供的豐富的虛擬儀表控件進行工控開發，可以創建SCADA系統，實現實時數據采集、數據儲存、設備控制、數據顯示、VR場景展示等自動化控制功能。

2.1 船舶監控系統的VR應用

很多船舶領域的VR產品都使用MultiGen Creator來建模，如大連海事大學的新型輪機模擬器、某軍用登陸艇模擬器等。在VR應用領域中，Creator是最為常用的三維建模軟件。對低精度要求的模型如普通的虛擬現實模型場景構建，Creator能實現快速建模；對復雜高精細模型的創建如復雜零構件、復雜人物模型，Creator也優于其他建模軟件，能很精確展示局部細膩的外觀細節和連貫的動作細節。

作為開源的高速渲染引擎，OSG (Open Scene Graph)具有各種高級渲染特性：能夠提供眾多提升系統性能的算法；進行三維世界的管理；支持各種開發平臺；提供豐富的控制接口。OSG已經在虛擬現實系統開發中得到廣泛應用。采用OSG技術進行深度二次開發能夠驅動顯示船用設備監控系統的場景，并完成場景的存儲。OSG對船舶內的各種設備3D模型進行數據結構化的組織管理，利用數據樹狀形態把各個場景和它的屬性鏈接起來。OSG還可以實現更好的場景管理，實時高速動態地進行集合體更新、揀選、排序、高效率渲染繪制。對于碰撞問題處理，OSG則采用最近線段探測的碰撞檢測算法，避免多個物體之間發生接觸、穿透。

在監控系統中，VR場景展示模塊需要底層調用OSG技術展示設備3D模型，再借助專用的VR外接式頭顯設備、感應設備，方便操作人員進行船舶內主要場所的交互式漫游、設備操作管理。

2.2 船舶監控系統的數據收集

實際運營船舶上安裝有船舶綜合監控系統，其通常基于FCS技術的管理系統，能實時收集機艙各種信息。監控系統通過OPC、CAN、PROFIBUS、TCP/IP、MODBUS 、RS232/485等通信方式實現對傳感器、執行器、各個設備的軟硬件集成，進而監控主機、發電機等各種機械設備的參數測量、監測報警、遠程控制、安全保護、數據記錄等功能。機艙監控系統的總線系統，分為幾個模塊，包括機艙監測報警系統、主機遙控系統、自動化電站系統、各個輔機控制系統。例如柴油機船舶可以觀察柴油機基本參數，將本地報警和遠程報警相結合，對油液消耗量和存儲量進行實時監測，實時觀察油耗，反饋機器故障，提醒油量低位報警。電力推進船舶可以監測電動機和電池電量，預測航程，進入省電模式，提醒充電。

船舶綜合監控系統收集到的數據還可以通過北斗衛星系統傳輸給陸地的監控系統，在系統中實時顯示船舶的運營數據，方便進行常規的管理，也可為監控系統VR模塊的模型提供狀態顯示參數。

3 VR應用船舶監控系統的特點

在應用VR技術之前，船舶監控系統只能依靠拍攝的圖片、記錄的文字、建造時的CAD圖紙去了解船舶內部場景和設備信息，信息查找麻煩、記錄跟實際不符。應用VR技術，不僅可以讓用戶全方位地觀看船舶內部和設備機械內部結構，還有各種語音視頻提示和數字文檔，用戶能夠快捷地找到船舶內各種艙室、各種設備的物理分布位置，有利于設備檢修保養、故障判斷檢修、備件管理、岸上提供技術支持。VR技術也方便用戶在短時間內了解船舶設備，減少使用故障，提高管理效率。

北斗衛星系統不僅能壓縮傳輸實時監控數據，還可以集成北斗衛星導航系統為船舶提供導航、自動駕駛、緊急救援等常規服務，并提供衛星電話、海況、航海通告、港口信息等多功能信息服務。

VR技術還可以應用于對船舶操作人員的業務培訓，方便船員提前熟悉船舶和設備，做好接班準備，減少船務公司的用人成本，有利于船舶的運營管理。

4 結語

新型船岸一體化VR現場設備監測系統具有遠程實時監測監控船舶設備的功能。采用VR新技術，克服了常規監控系統只有數據參數顯示的缺點，也克服了遠程CCTV視頻監控系統傳輸數量大、延時嚴重等缺點。采用最新的北斗衛星系統，能夠實現高速超遠距離傳輸壓縮后監控信息，提高了實時性、準確性，有利于船舶遠洋安全航行和船舶防污染管理監控，為海洋環境保駕護航。