船舶三維及VR沉浸式海事監(jiān)管業(yè)務(wù)培訓(xùn)平臺(tái)

魯?shù)酪?王懷宇 王君琪

1(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 遼寧 大連 116026)

2(山東海事局 山東 青島 266002)

0 引 言

危險(xiǎn)化學(xué)品船舶的PSC檢查具有復(fù)雜性與危險(xiǎn)性，對(duì)于執(zhí)法人員的監(jiān)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(jiān)管業(yè)務(wù)培訓(xùn)平臺(tái)有著重要的意義。

目前，三維訓(xùn)練平臺(tái)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、航空、航天以及船舶領(lǐng)域。通過利用三維圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)將船舶模型在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下進(jìn)行全三維再現(xiàn)，并針對(duì)關(guān)鍵性部位進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)還原[1]。該技術(shù)的應(yīng)用在全面滿足傳統(tǒng)物理模型功能要求的同時(shí)，還利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可編程可控制特性實(shí)現(xiàn)更多諸如模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面表面、內(nèi)部關(guān)鍵設(shè)備管線的布位表現(xiàn)、各種船舶工況狀態(tài)及設(shè)備使用方法的模擬表現(xiàn)等，已經(jīng)能夠遠(yuǎn)超傳統(tǒng)物理模型的展示說明，而且在船舶維護(hù)管理、操作培訓(xùn)、安全培訓(xùn)、多角度市場(chǎng)宣傳等很多方面發(fā)揮了更多的作用[2]。因此，許多船舶行業(yè)的廠商以及科研機(jī)構(gòu)都在培訓(xùn)環(huán)節(jié)中使用三維圖形學(xué)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在船員培養(yǎng)培訓(xùn)過程中，例如國(guó)外KONGSBERG[3]公司應(yīng)用于船員培訓(xùn)的K-SIM培訓(xùn)軟件以及國(guó)內(nèi)大連海事大學(xué)開發(fā)的應(yīng)用于船員培訓(xùn)的DMS系列輪機(jī)模擬器[4]均在業(yè)務(wù)培訓(xùn)的過程中使用了船舶三維模型以及虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，并且在培訓(xùn)過程中取得了良好的效果。

基于上述現(xiàn)狀，本文以經(jīng)常停靠青島港的中海海運(yùn)17.4萬立方米的“中能”系列LNG船舶為研究對(duì)象，采集了在PSC檢查中所需的LNG船舶相關(guān)數(shù)據(jù)并建立了船舶三維及VR沉浸式海事監(jiān)管業(yè)務(wù)培訓(xùn)平臺(tái)。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能

LNG船舶PSC檢查主要依據(jù)的是《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(GC規(guī)則)和《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(IGC規(guī)則)以及國(guó)內(nèi)海事部門的相關(guān)規(guī)定要求[5-6]。鑒于LNG船舶檢查項(xiàng)目的龐大性和檢查過程的復(fù)雜性，本文選取船舶檢查項(xiàng)目中較重要且具有代表性的船舶通岸接頭處應(yīng)急截止閥(ESD閥)區(qū)域子模塊重點(diǎn)開發(fā)。該船舶三維及VR沉浸式海事監(jiān)管業(yè)務(wù)培訓(xùn)平臺(tái)需滿足以下要求：

(1) 三維虛擬LNG船舶模型船根據(jù)實(shí)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(shí)際，并達(dá)到精致、超清的高端視覺、聽覺效果，各項(xiàng)動(dòng)作的動(dòng)態(tài)反應(yīng)、過程、發(fā)生的現(xiàn)象、音效與實(shí)船高度一致，確確實(shí)實(shí)具備完整、真實(shí)的物理動(dòng)態(tài)效應(yīng)，豐富的情景設(shè)計(jì)。

(2) 三維場(chǎng)景包含完整的全船整體模型和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各艙室和視景的流暢、連續(xù)、無間斷游走和自然切換。制作場(chǎng)景可涵蓋所有LNG船舶PSC檢查對(duì)象，如甲板、貨控室、機(jī)械間及駕駛臺(tái)等處所內(nèi)的設(shè)備、管系、閥門、儀表、控制箱、控制盤臺(tái)、按鈕、指示燈、旋鈕、梯道、艙壁等，可實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的自動(dòng)或手動(dòng)漫游，可實(shí)時(shí)顯現(xiàn)當(dāng)前鼠標(biāo)捕捉設(shè)備的相關(guān)信息及檢驗(yàn)要求等。

(3) 培訓(xùn)平臺(tái)的三維動(dòng)畫原理符合LNG船舶實(shí)際情況，可以真實(shí)地反映LNG船舶在靠泊接收檢查時(shí)的系統(tǒng)工況。檢查動(dòng)畫可體現(xiàn)出設(shè)備檢查項(xiàng)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(xiàng)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的船舶三維及VR沉浸式海事監(jiān)管業(yè)務(wù)培訓(xùn)平臺(tái)由用戶層、應(yīng)用層、資源層和硬件層組成。其中用戶層包括PSCO、管理員及學(xué)員；應(yīng)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(diǎn)與缺陷管理、虛擬操作訓(xùn)練、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同訓(xùn)練及評(píng)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(nèi)容與缺陷；硬件層包括VR頭盔、三通道主動(dòng)投影系統(tǒng)。管理員、PSCO、學(xué)員站及投影系統(tǒng)之間的通信采用UDP通信協(xié)議。管理員、PSCO站與學(xué)員站集中了二維模擬訓(xùn)練軟件、LNG三維虛擬船舶與LNG設(shè)備檢驗(yàn)素材庫。教練員站作為整個(gè)培訓(xùn)平臺(tái)的核心運(yùn)行訓(xùn)練平臺(tái)的數(shù)據(jù)運(yùn)算，有著監(jiān)管、評(píng)分、演示等功能。學(xué)員站作為培訓(xùn)的終端，配置較為靈活，既可單機(jī)訓(xùn)練，也可與管理員、PSCO站鏈接進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作訓(xùn)練。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 沉浸式海事監(jiān)管業(yè)務(wù)培訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 三維視景設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 三維模型

三維模型分為：LNG船舶三維模型及LNG設(shè)備檢驗(yàn)素材庫。

(1) LNG船舶三維模型。本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了船舶三維視景仿真模型，在嚴(yán)格參照實(shí)船照片、設(shè)備說明書、船體設(shè)計(jì)圖及輪機(jī)系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上，利用3D-max建模軟件按照1∶1比例高度逼真還原船舶實(shí)際，制作場(chǎng)景涵蓋所有LNG船舶PSC檢查對(duì)象，如完整的船舶結(jié)構(gòu)、設(shè)備與管系模型等。使用Unity3D三維視景，采用材質(zhì)渲染、烘焙貼圖、燈光調(diào)節(jié)等技術(shù)手段還原一個(gè)船舶檢查的虛擬場(chǎng)景，通過與三通道主動(dòng)投影系統(tǒng)相互配合，極大地增強(qiáng)了PSC檢查訓(xùn)練的沉浸感[7]。

圖2 三維虛擬LNG船舶效果圖

(2) LNG設(shè)備檢驗(yàn)素材庫。LNG設(shè)備檢驗(yàn)素材庫根據(jù)三維虛擬船舶中逐項(xiàng)制作對(duì)應(yīng)的三維情景動(dòng)畫，動(dòng)畫包括檢查項(xiàng)目的檢查過程、步驟和方法。圖3為設(shè)備檢查動(dòng)畫展示。動(dòng)畫具有自動(dòng)播放演示和學(xué)員手動(dòng)操作兩種方式：自動(dòng)播放情況下，學(xué)員可以根據(jù)訓(xùn)練及學(xué)習(xí)需求，自行選擇需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，播放時(shí)可以隨時(shí)停止，也可根據(jù)學(xué)員指令重復(fù)演示某一操作；手動(dòng)操作情況下，學(xué)員需要根據(jù)操作規(guī)范進(jìn)行操作，操作過程中如出現(xiàn)操作錯(cuò)誤會(huì)有相應(yīng)的提示，在學(xué)習(xí)模式下，可以根據(jù)提示進(jìn)行更正。

圖3 設(shè)備檢查動(dòng)畫展示

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)

為提升培訓(xùn)學(xué)員感官體驗(yàn)，提升整體的培訓(xùn)效果。本文除開發(fā)了桌面級(jí)船舶三維海事監(jiān)管業(yè)務(wù)培訓(xùn)平臺(tái)，還將其應(yīng)用于三通道立體投影環(huán)境中。三通道立體投影環(huán)境屬于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，用戶可感受到強(qiáng)烈的景深感。本文所開發(fā)的三通道立體投影環(huán)境的組成結(jié)構(gòu)如圖4所示[8]，圖5為三通道投影系統(tǒng)效果圖。

圖4 三通道立體投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 三維虛擬機(jī)艙立體投影圖

3 LNG船PSC檢查設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 PSC檢查要求

根據(jù)對(duì)LNG船的PSC檢查要求，LNG船設(shè)備系統(tǒng)類的檢查主要包含以下項(xiàng)目：液貨管線檢查，液貨艙檢查，壓力釋放系統(tǒng)檢查，應(yīng)急截止閥檢查，貨物裝卸設(shè)備檢查，貨物區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)檢查，空氣閘檢查，貨物機(jī)械室檢查，儀表檢查，可燃?xì)怏w探測(cè)裝置檢查，惰氣系統(tǒng)檢查，氮?dú)庀到y(tǒng)檢查，水霧系統(tǒng)檢查，干粉滅火系統(tǒng)檢查，消防員裝備檢查，安全設(shè)備檢查，急救設(shè)備檢查，貨物燃料燃燒系統(tǒng)檢查，直升飛機(jī)設(shè)施檢查[9]。

3.2 PSC檢查內(nèi)容嵌入

根據(jù)國(guó)際海事組織公約強(qiáng)制性規(guī)定和國(guó)內(nèi)海事部門的相關(guān)規(guī)定搜集整理LNG船PSC檢查內(nèi)容，包括檢查要點(diǎn)、檢查方法、檢查依據(jù)、常見缺陷、典型案例等。文本結(jié)合船舶三維虛擬平臺(tái)，將檢查內(nèi)容嵌入到相對(duì)應(yīng)的虛擬設(shè)備模型中。如圖6所示，在PSC檢查中，被檢查的虛擬設(shè)備高亮顯示。學(xué)員可以通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)、手柄等設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互。此外，在平臺(tái)設(shè)計(jì)中還預(yù)留了接口和權(quán)限，管理員或教練員可以對(duì)顯示的內(nèi)容進(jìn)行修改和編輯。

圖6 PSC檢查內(nèi)容嵌入效果圖

3.3 PSC檢查缺陷嵌入與設(shè)置

為了增強(qiáng)PSC檢查的真實(shí)性和進(jìn)一步提升學(xué)員培訓(xùn)效果，在平臺(tái)系統(tǒng)中嵌入由管理員或教練員隨機(jī)設(shè)置的缺陷由學(xué)員去查找，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。教練員可根據(jù)學(xué)員所做出操作或者結(jié)論正確與否的程度適當(dāng)給出成績(jī)，以此提高學(xué)員知識(shí)體系綜合調(diào)用、現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)情況分析和應(yīng)急處理的能力。教練員引入的故障類型包括：(1) 單個(gè)隨機(jī)缺陷;(2) 連串系列的缺陷。

3.4 虛擬操作與網(wǎng)絡(luò)協(xié)同訓(xùn)練

學(xué)員可在三維虛擬平臺(tái)上通過PC或VR設(shè)備進(jìn)行虛擬操作訓(xùn)練，要求與在真實(shí)船舶環(huán)境內(nèi)操作完全一樣。同時(shí)，平臺(tái)具備引導(dǎo)功能，根據(jù)船舶安全檢查路線圖，一步一步引導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)。虛擬操作訓(xùn)練功能豐富、實(shí)用、易用，具有豐富的交互點(diǎn)信息顯示功能，快速、準(zhǔn)確的設(shè)備和交互點(diǎn)定位搜索功能，同時(shí)具有豐富、美觀、實(shí)用的UI功能設(shè)計(jì)[10]。圖7為三維虛擬操作圖，在學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程中，訓(xùn)練平臺(tái)會(huì)根據(jù)需求提供操作演示、錯(cuò)誤提示、故障設(shè)定等操作。除了單人虛擬操作訓(xùn)練，本文綜合應(yīng)用信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，搭建了網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、共享開放的實(shí)時(shí)交互海事監(jiān)管虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該平臺(tái)在廣域網(wǎng)及局域網(wǎng)中部署和應(yīng)用，具有通用化設(shè)計(jì)，通過配置適于單機(jī)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作型使用，具有注冊(cè)報(bào)名、登錄管理、權(quán)限設(shè)置、出題組卷、題庫管理、題庫編輯、時(shí)間同步、操作回放、過程追溯、智能評(píng)分等功能。當(dāng)按廣域網(wǎng)部署時(shí)，則提供WEB版的仿真平臺(tái)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上虛擬訓(xùn)練與在線學(xué)習(xí)。可以實(shí)現(xiàn)智能化訓(xùn)練和考評(píng)，遠(yuǎn)期可用于實(shí)現(xiàn)評(píng)估考試和培訓(xùn)進(jìn)行遠(yuǎn)程化管理、訓(xùn)練與考試[11]。

圖7 三維操作圖

3.5 教學(xué)評(píng)估

本文提供了完備的評(píng)估測(cè)試系統(tǒng)，學(xué)員在單機(jī)版或者網(wǎng)絡(luò)版上進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)后，可以進(jìn)行自我評(píng)估測(cè)試或者由教練員對(duì)其評(píng)估測(cè)試。測(cè)試包括理論測(cè)試和實(shí)際測(cè)試兩部分。測(cè)試結(jié)束后，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)員操作正確度和熟練度進(jìn)行自動(dòng)打分，給出實(shí)際操作過程和正常操作過程的對(duì)比，將培訓(xùn)學(xué)員的理論知識(shí)、實(shí)際操作中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，并形成考核報(bào)告，幫助學(xué)員認(rèn)識(shí)不足，提高理論和實(shí)際操作水平。如果由教練員進(jìn)行評(píng)估，此考核報(bào)告可以對(duì)教練員打分起到參考作用。評(píng)估系統(tǒng)還包括改變訓(xùn)練場(chǎng)景、設(shè)置缺陷、選擇操作初始狀態(tài)、快照、操作歷史回放、調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行的速度、聲響控制、報(bào)警閉鎖及過程隔離等功能。

4 結(jié) 語

構(gòu)建高品質(zhì)的三維船舶視景仿真系統(tǒng)，不僅是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，更是海事監(jiān)管業(yè)務(wù)培訓(xùn)平臺(tái)領(lǐng)域的實(shí)際需求產(chǎn)物，本文以中海海運(yùn)17.4萬立方米的“中能”系列LNG船舶為研究對(duì)象，開發(fā)了海事監(jiān)管業(yè)務(wù)培訓(xùn)平臺(tái)，并得到以下結(jié)論：(1) 高品質(zhì)的三維虛擬船舶可以提供給使用者高度仿實(shí)船感，可極大地提高培訓(xùn)效果；(2) 對(duì)“中能系列”LNG實(shí)船建立了完備的PSC設(shè)備檢驗(yàn)素材庫，素材庫可以擴(kuò)展到其他船舶，為建立全任務(wù)海事監(jiān)管業(yè)務(wù)培訓(xùn)平臺(tái)創(chuàng)造有利條件；(3) 將所開發(fā)的機(jī)艙三維視景系統(tǒng)應(yīng)用于三通道立體投影環(huán)境可大幅度地提升虛擬場(chǎng)景的沉浸感，提高訓(xùn)練效果。