船舶救生設備安全檢查仿真訓練與評估系統

劉辰童，李 萌，張 波，周 毅，王驥飛

(中海油能源發展采油服務公司 天津 300452)

船舶的安全檢查是指海事管理部門每隔一段時間定期對船舶的狀態、防污染能力、船員配套設施、適任能力等進行的安全檢查。船員的救生設備是船舶能否正常運行的關鍵，救生設備是否完好無損、船員是否熟練掌握且正確使用救生設備，這些都與船員的生命息息相關。從目前的統計來看，救生設備缺失的比例還是相當高的。主要是船上救生設備的維護受時間、環境、安全等因素的影響，導致部分救生設備缺乏及時有效的維護保養。

近年來，虛擬現實技術在船員培訓領域和航海知識教學領域引起廣泛關注[1-3]，但船舶救生設備仿真訓練的研究文獻相對較少，僅有邱紹楊等[4-5]對船舶救生培訓系統進行了研究，且沒有涉及船舶安全管理和培訓評估。本文主要面向普通船員和船舶安全檢查人員，應用虛擬現實技術開發船舶救生設備安全檢查仿真訓練與評估系統。一方面，可較好地解決普通船員的救生設備日常保養、操作訓練問題，在一定程度上可減少實船救生設備的缺陷；另一方面，培訓船舶檢查員不再受到地區和船舶的限制，提高了靈活性，培訓效果更加明顯。

1 系統總體設計

1.1 主要研究內容

船舶安全檢查包含船旗國和港口國的檢查，檢查的對象主要包括證書、船舶船體、船上設備功能、船舶整體狀況和船員對設備的熟練度等[6]。本文開發的系統功能需要包括救生設備安全檢查相關的內容，即救生設備操作仿真訓練、救生設備安全檢查仿真訓練及上述2 種仿真訓練后的自動評估，主要用戶是普通船員和船舶安全檢查人員。系統運行時，普通船員可通過鼠標鍵盤或VR 外接設備等在三維虛擬場景中進行救生設備的日常保養、操作訓練和自動評估；安全檢查人員可以模擬實際安全檢查并打分評估。

為實現船舶救生設備安全檢查仿真訓練與評估系統，需要重點研究以下6 項內容：第一，根據船舶圖紙及救生設備的實際外觀建立整船和救生設備的三維模型；第二，利用碰撞檢測、路徑規劃等技術實現船舶模型的虛擬漫游；第三，搭建救生設備運動模型，通過人機交互技術開發船舶救生設備操作仿真訓練功能，并用于普通船員的培訓；第四，收集和整理國際公約、國內法律和實際檢查數據，建立船舶救生設備安全檢查數據庫；第五，設置并呈現設備缺陷，依據船旗國監督管理和港口國監督管理的實際檢查情況，模擬船舶安全檢查過程，用于船舶安全檢查官的培訓；第六，利用專家法配合隸屬函數對救生設備的訓練或救生設備的安全檢查過程進行綜合評價。圖1 為系統總體框架。

圖1 系統總體框架Fig.1 Overall system framework

1.2 系統組成

船舶救生設備安全檢查仿真訓練與評估系統需要以一條船舶為母型船進行船舶三維場景建模。本系統以“海洋石油301”輪為母型船構建船舶三維虛擬場景。“海洋石油301”作為國內首艘配置雙燃料主機、全回轉電力推進系統的LNG 船舶，是高技術、高難度、高附加值船舶的典型代表，也是開發船舶救生設備安全檢查仿真訓練的絕佳載體。

如圖2 所示，教練站能為受訓人員設置操作訓練和檢查訓練科目，考核人員根據安全檢查標準程序、各類公約和法規要求操作救生設備進行訓練。基于船舶數據庫，在教練站設置訓練、檢查場景及科目，并將設置好的科目發到訓練端，系統會根據科目自動啟動相應的訓練場景和訓練內容，培訓人員在三維虛擬船舶中進行訓練，系統綜合評估培訓人員的表現得出最終成績。

圖2 系統組成Fig.2 System composition

2 關鍵技術及系統實現

2.1 三維船舶及設備建模

整個系統的基礎工作是建立船舶和救生設備三維模型。模型的比例和結構要與船舶的實際設備相一致，建模的主要步驟如下：

①前期數據的收集，包括“海洋石油301”的圖像數據、關鍵設備布置、設備使用說明和系統工作原理圖；

②建立模型庫，通過分析“海洋石油301”的相關數據，選擇外觀或結構相似的較為常用的設備，建立高精度模型，并形成系統模型庫，以便建立模型時隨時使用；

③將船舶的結構建模和關鍵設備建模分開進行，船舶的結構建模完成后對照之前采集的設備布置圖將設備放在正確位置；

④采用樹狀結構組織管理，命名三維模型時，交互實體之間通過標識字段區分它們的種類，交互實體和非交互實體也需要添加來進行區分。

本系統以“海洋石油301”為目標船構建船舶三維虛擬場景。船舶建模各個階段的效果如圖3 所示。先收集整理船舶資料后制作船體白模，當白模制作完成后，根據每個模型的具體特征單獨為白模模型制作材質和貼圖，然后設置燈光位置、強度等，對模型進行渲染，最后將所有模型進行匯總和整合。

圖3 船舶整體建模的各個階段效果Fig.3 Effect of each stage of ship overall modeling

2.2 救生設備仿真交互操作

救生設備三維模型構建完成后，需要開發仿真交互操作功能，用于普通船員的培訓。為此，本文重點對救生艇吊艇臂的運動模型、柔性繩索的模擬等關鍵技術進行了研究。

2.2.1 吊艇臂的運動模型

圖4 為艇架結構和其運動示意圖。液壓頂柱用來支撐吊艇臂的轉動，吊艇臂用來收放救生艇，液壓頂柱的運動與吊艇臂有關。因此，能否準確地模擬艇架起吊下放和救生艇回收仿真的過程，關鍵就看能不能建立精確的模型。各個參數之間的關系如式(1)、(2)所示。

圖4 艇架運動模型Fig.4 Boat frame

設l = a +x ，根據余弦定理可得：

式中：θ、ψ待求，a 為液壓頂柱初始長度，m；x 為液壓支柱伸展長度，m；L、a、b 大小已知。

2.2.2 柔性繩索的模擬

救生設備中有大量的柔性繩索，如測試鏈、充電電纜等，為了使訓練更接近真實的訓練環境，要對繩索模擬仿真。模擬繩索等柔性物體一直是計算機圖形學的難點。由于基于位置動力學(Position Based Dynamic，PBD)方法具有較強的穩定性、允許較大的時間步長和較好的可控性等優點[7]，本文采用PBD方法來模擬仿真柔性繩索。

在PBD 方法中，繩索用約束耦合的粒子表示，在每個時間步長中迭代地求解這些約束條件[8]。對繩索粒子的模擬迭代計算分為3 個步驟：①根據速度和外力移動繩索粒子；②使得繩索粒子滿足約束條件；③執行時間積分。基于給定數據和時間步長△t，繩索粒子模擬流程如圖5 所示，繩索的模擬截圖如圖6所示。

圖5 柔性繩索模擬流程圖Fig.5 Flow chart of flexible rope simulation

圖6 繩索模擬效果Fig.6 Rope simulation effect

此外，系統還對虛擬化身技術、協同交互技術進行了研究，在此受篇幅限制不予贅述。

2.3 數據庫設計

本系統通過數據庫來管理船舶救生設備的操作訓練科目、安全檢查要點、公約法規、典型缺陷、試題庫和成績庫等數據信息。數據庫分為練習模式和考核模式。在練習模式中，學員可以通過翻閱設備使用說明書、船舶安全檢驗知識等更好地加深印象；但在考核模式中，學員無法查看數據庫。

對救生設備的檢查要點、典型缺陷等進行了分析和整理。以救生艇缺陷為例，對收集到的近5 年救生艇安全檢查的原始數據[9]進行預處理，去除不正確的數據記錄，整合類似的缺陷描述，統計同一種缺陷的發生概率。表1 為救生艇檢查要點數據表，表2 為救生艇常見缺陷數據表。

表1 救生艇檢查要點Tab.1 Key points of lifeboat inspection

表2 救生艇常見缺陷Tab.2 Common defects of lifeboat

2.4 安全檢查流程模擬

系統依據船旗國監督管理和港口國監督管理的實際檢查過程模擬船舶安全檢查流程。這里僅以港口國監督管理為例來介紹。

救生設備的港口國監督管理包括初始檢查和詳細檢查，初始檢查主要檢查船體外觀和證書等是否滿足要求。詳細檢查主要檢查救生設備的完整性和船員使用的熟練度。通過教練站可以設置船員的證書問題、外觀缺陷和操作缺陷等科目；設置好后，訓練端啟動相應科目，并呈現所訓練的缺陷。

如圖7 所示，檢查文件和證書時，安全員在菜單中選擇的證書和文件可以直接呈現在三維場景中。

圖7 證書檢查Fig.7 Certificate inspection

在進行救生設備詳細檢查時，可以觀察救生仿真設備的外觀，如圖8 為救生艇艇體破損的缺陷，也可以讓船員操作救生設備；當發現缺陷項或疑似缺陷項時，可以啟用照相機功能，將有缺陷的設備或場景拍照并保存到本地，還可以啟用記事本功能，見圖9，將缺陷記錄保存。

圖8 缺陷設置與呈現Fig.8 Defect setting and presentation

圖9 記事本功能Fig.9 Notepad function

2.5 評估模塊實現

本系統采用專家法和隸屬度函數相結合的模糊綜合評估方法[10-11]，并根據專家經驗細分問題類型和操作流程提取評價要素，以及設置合理的權重、閾值和隸屬函數，進而形成完整的評價模型。通過操作時間和操作結果2 個維度來評價檢驗考生的學習成果[10]，操作時間計算采用式(3)，操作結果計算采用式(4)：

式中：SA表示最終成績，ST表示操作時間的分數，時間越少表示考生操作的熟練程度越高，該項分值越高；SR為操作結果的分數，表示考生操作的精準度，該項分值越高表示考生的精準度越高；WT為時間分的權重，WR為操作結果的權重。

時間得分ST如式(5)所示，操作結果得分SR如式(6)所示：

式中：STS表示操作時間分的標準分，f(t)為操作時間的隸屬度函數，i 表示仿真系統的評估要素，SRi表示評估要素i 的操作分值，f(i)表示評估要素的i 隸屬度函數。

3 結 論

本文介紹了面向普通船員和船舶安全檢查官應用虛擬現實技術開發的船舶救生設備安全檢查仿真訓練與評估系統。普通船員可在三維虛擬場景中進行救生設備的日常保養、操作訓練及自動評估；船舶安全檢查人員可以對船舶安全進行模擬檢查，并進行評估和評分。解決了普通船員和船舶安全檢查人員的培訓和考核問題。

后續可進一步研究救生艇入水模型，以提高入水模擬的精度和擴大仿真救生設備的種類，同時可采用深度學習的方法來提高評估的準確度。■