基于虚拟现实技术的船舶救生培训系统

邱绍杨， 任鸿翔， 尹金岗，2

(1.大连海事大学 航海动态仿真和控制交通行业重点实验室， 辽宁 大连 116026;2.中国海事服务中心， 北京 100029)

船舶救生系统是为满足船上人员在海难中自救的需要而设置在船上的专门设备及其附属装置的总称。国际海事组织在《国际海上人命安全公约》中要求船舶必须配备救生设备的同时，还在《船员培训值班和发证国际公约》中要求进行船舶消防、救生艇筏操纵、海上求生和海上急救等4项专业训练。目前的船舶救生培训大多在真实设备上进行，危险性高。此外，受时间、设备数量和环境等因素限制，这些培训的效率较低。

近年来,随着虚拟现实技术的快速发展，虚拟现实在航海教学和培训领域引起广泛关注[1-2]，利用该技术开发具有逼真沉浸感和良好交互性的虚拟救生培训系统可较好地解决上述问题。本文基于3ds Max和Unity 3D研发虚拟船舶救生培训系统，提供船舶救生设备的模拟训练功能。

1 总体设计

1.1 船舶救生培训系统功能分析

船舶救生设备主要包括共用救生设备、个人救生设备、救生视觉信号设备和救生通信与报警系统。救生培训涉及了解救生设备的主要结构、熟悉设备的使用和操作流程及救生演习等内容。救生演习包括弃船和人员落水，通常按照一定的流程,综合多种救生设备的操作使用。

本文利用虚拟现实技术开发船舶救生培训系统，构建海况良好、船舶火灾、沉船、大风浪天气和人员落水等条件下的海上救生演习虚拟场景，在这些场景中实现救生通信和报警、救生设备操作和救生演习协同训练;受训人员在训练过程中能熟悉不同情况下救生设备的操作要领和注意事项[3]，并提高团队的紧密协作能力。

1.2 系统的结构

系统由1个指挥决策中心和若干个训练单元组成(见图1),采用模块化程序设计思想，分成不同模块进行开发,包括：指挥决策模块、系统交互模块、运动模型模块和救生通信与报警系统模块。各模块的功能如下。

1.2.1指挥决策模块

该模块包括训练任务初始化、训练过程监管和训练结果评判。

(1) 训练任务初始化，包括： 训练场景设定，即火灾的位置和态势、沉船的速度、天气状况、人员落水的位置和船舶状态等； 任务的分配，即船舶遇险后每个受训人员的任务； 救生设备的设定，即船舶遇险后需用到哪些设备。

(2) 训练过程监管，即训练时指挥决策模块调整场景视角观察救生现场情况并录像，对整个过程进行监管并实时记录数据。

(3) 训练结果评判，即训练结束之后对记录的信息数据进行读取和回放，根据训练时记录下的用户操作顺序、状态等信息对其相应业务处理能力进行评判。

1.2.2系统交互模块

该模块可实现船舶主要救生设备的虚拟现实交互和相应的应急模拟，包括:救生艇筏、救助艇以多种方式释放及回收；救生艇在水面操纵、救助艇在水中救人，并与大船互动；抛绳器的使用、救生圈的抛放；救生衣、浸水衣的穿戴；救生视觉信号设备的释放和通信报警设备的使用等。

1.2.3运动模型模块

该模块主要指虚拟母船、救生艇筏、救助艇、柔性绳索和艇架吊臂的三维运动模型。运动模型包括影响运动的各种效应，主要有：主机、舵、缆绳、侧推对船和艇的控制；风和流对船、艇、筏及柔性绳索的影响；船与艇筏之间的效应。

1.2.4救生通信与报警系统模块

该模块模拟船舶救生时的通信与报警系统，主要包括全船警报、救生现场人员之间、现场人员与驾驶台之间及救生艇筏和救助艇与大船之间的通信。报警系统主要包括船舶VHF/MF/HF DSC和Inmarsat设备及弃船时携带至救生艇筏上的VHF、SART和EPIRB。

2 系统的关键技术

2.1 救生(助)艇的运动数学模型

为提高救生艇、救助艇水面运动仿真的逼真度，建立这2种艇的四自由度运动数学模型。

2.1.1坐标系

采用大地坐标系和附体坐标系(见图2)，其中：O0x0y0z0为固定在地球表面的大地坐标系,O0x0轴指向正北,O0y0轴指向正东，O0z0轴指向地心；Oxyz为原点位于船上某定点O上的附体坐标系,Ox轴指向艏部,Oy轴指向右舷,Oz轴指向船体下方。

2.1.2四自由度运动方程的建立

基于分离模型(MMG)的思想计算力和力矩[4]，坐标原点设置在重心位置处，由于小艇的螺旋桨为导管桨，因此省去舵的力和力矩，推导出小艇四自由度动力学方程为

(1)

式(1)中：H和P分别为作用在小艇船体和螺旋桨的力和力矩；wind和wave分别为风、浪的力矩；m为小艇质量；mx和my分别为纵向和横向小艇的附加质量；Ixx和Izz分别为绕Ox轴和Oz轴的转动惯量；Jxx和Jzz分别为绕Ox轴及Oz轴的附加转动惯量；u、v、p和r分别为纵向、横向和绕Ox轴、Oz轴的角速度。

运动学方程为

(2)

式(2)中：x和y分别为纵向和横向的位移;φ和ψ分别为纵向和垂向的欧拉角。

作用在小艇上的力和力矩的计算见文献[4]～文献[6]，波浪和风的干扰力计算见文献[7]。利用四阶龙格库塔方法求解式(1)和式(2)。

2.2 多角色协同训练方案

共用救生设备的操作和救生演习需多人协作完成,该系统将所需的人分为不同的角色，受训人员先选择角色，再进行训练。为提高系统的灵活性，设计“真”人与虚拟人之间的协同和多人之间的协同2种工作方式。“真”人与虚拟人之间的协同是指每个受训人员选择一个角色，另外的角色为虚拟辅助船员，通过系统提供的命令菜单来控制辅助船员操作设备，受训人员与辅助船员“配合”完成相关操纵；之间的协同是指系统中的角色全部为受训人员，受训人员通过局域网协同工作，并在虚拟场景中互见，多人协同完成相关训练。

在多人协同操作时，同一时刻受训人员可能同时操作并控制1台设备，此时若处理不当，可能会给系统带来不稳定因素，从而导致系统运行异常，因此需有一个稳健的协同仿真策略。[8]文献[9]中的系统采用定时采集和发送数据的方法, 每隔一段时间采集一次系统中的数据，进行仿真计算。为提高系统的实时性，该系统每帧进行一次数据采集，在每次仿真计算之前依次获取各训练单元传来的数据，形成一帧完整的最新数据，然后进行仿真计算。在该情况下，若系统仍出现异常，会根据训练单元角色级别的高低，选择一个训练单元的操作为优先操作，优先级顺序为：船长、大副、二副、三副和水手长等，直到系统异常消失。

该系统为多训练单元系统，具有多计算机、多显示和多音频设备的特点，只有当受训人员各自计算机上的场景一致时,才能进行协同操作训练。为实现场景的一致性和“真”人与虚拟人操作流程的一致性，系统构建一个虚拟场景数据库，各训练单元直接与数据库进行数据交换。当训练单元与系统交互时，直接改变数据库中的数据，其他训练单元从数据库中更新本机的数据即可实现场景的一致性。

2.3 救生艇自由降落运动模型

在利用脱钩手柄释放救生艇之后，救生艇依靠重力沿滑道下滑;在脱离轨道之后,以抛物线的轨迹在空中滑行，最终入水。[10-11]为提高救生艇自由降落过程仿真的逼真度，对其建立数学模型。救生艇自由降落入水之前的过程见图3。救生艇入水之前的运动分为下滑、旋转和自由下落等3个阶段。由于整个降落过程的时间较短，因此在该段时间内，救生艇滑道可视为是静止不动的，救生艇所受空气阻力对救生艇运动的影响较小，可忽略不计。

1) 下滑：下滑过程是从救生艇被释放到其重心靠近滑架最低点，由位置1到位置2的过程，此时救生艇受重力mg、滑道支持力Fn及摩擦力f=μFn的作用，μ=tanΦ为摩擦系数，运动方程为

(3)

式(3)中：I为转动惯性矩；θ为救生艇轴线与水平方向的夹角。

2) 旋转：旋转过程是下滑结束到救生艇不再接触滑架的过程，救生艇受力与下滑过程相同。此时救生艇受的重力和滑道作用于救生艇的力的作用线不在同一条直线上，使救生艇发生转动，运动方程为

(4)

3) 自由下落：自由下落过程是从转动结束到救生艇接触水面的过程，此时救生艇只受重力，但仍保持转动状态，直到接触水面，运动方程为

(5)

2.4 系统的训练与评估

系统训练与评估的流程为:

1) 教练员在教练员站初始化训练任务。

2) 系统将训练任务转换为训练任务数据，发送到各训练单元。

3) 学员在训练单元按照训练流程进行训练，训练单元记录操作数据。

4) 训练结束之后，训练单元将操作数据传回教练员站，教练员站根据训练任务数据、操作数据及训练录像进行评判。

训练流程包括设备操作和指挥命令，指挥命令又包含操作命令和训练点评。训练点评的实现方案见图4，系统以训练任务数据和操作记录数据为基础，根据系统评判或主观判断得出训练过程的不足和需注意的事项，最终给出点评。点评方式为:

1) 当点评人为第一人称时，点评人根据主观判断，通过语音设备和键盘进行语音及文字点评。

2) 当点评人为第三人称时，系统通过评价指标进行计算，给出语音及文字点评。

对于训练评估方案(见图5)，评估方式包括机器评估、人工评估和专家评估等3种。机器评估和人工评估分别对应设备操作及指挥命令，专家评估起到辅助评判的作用，最终修正、完善系统的评估。当前系统的评价指标是可量化的评价指标，评估方法为专家法与隶属度函数相结合的方法[12]，以后将采用更智能的基于云模型和机器学习的方法。

3 系统的实现

3.1 虚拟场景开发

以巴拿马型散货船“长山海”轮为母型船，利用三维模型制作软件3ds Max建立船体、驾驶台、救生艇筏、救助艇及其存放和登乘装置、个人救生设备、救生视觉信号设备、救生通信与报警系统、救生抛绳设备的模型。将模型导入到Unity 3D中，构建虚拟海上救生演习场景，利用音频制作技术实现场景中船和艇的发动机、海水、船员行走和报警等所发出声音的模拟；利用粒子系统实现场景中火灾、艇入水时水花、漂浮烟雾信号、手持火焰信号、火箭降落伞信号和救生圈自发烟雾信号的模拟；利用场区网模型实现船舶火灾蔓延过程模拟[13]；利用UGUI开发用户界面。

3.2 救生设备交互和模拟训练的实现

本文的救生培训系统可模拟船舶火灾、沉船、大风浪天气和人员落水条件下进行海上救生演习的虚拟场景，下面以人员落水、船舶失火和大风浪天气场景的救生演习为例进行说明。

3.2.1人员落水场景

图6为人员落水演习。受训人员发现有人落水之后，立即报告驾驶台并抛出救生圈(见图6a))，值班驾驶员立即向落水者一舷操满舵并发出人员落水警报(三长声)；船长到驾驶台操纵船舶，设法接近落水者，并下达释放救助艇救人的命令；大副收到命令之后组织人员到艇甲板集合，受训人员依照分配的任务释放救助艇，系统能检测船体与救助艇艇之间的碰撞(见图6b))，受训人员操作失误，导致救助艇撞到大船；救助艇释放之后，受训人员操救助艇，使其从落水者下风侧接近落水者(见图6c))；落水人员被救起之后，回收救助艇，并向船长汇报；船长解除警报，组织讲评，演习结束。

3.2.2船舶失火场景

图7为船舶失火演习。在驾驶台发现货舱发生大火(见图7a))，火势不可控，发出全船弃船警报(七短声一长声)；利用报警系统发出遇险警报，利用EPIRB和SART报警(见图7b)和图7c))；船长命令释放救生艇和救生筏，人员集合，按照分配的任务释放艇筏，随后通过救生视觉信号设备求救(见图7d))，在海面操纵救生艇(见图7e))；回收救生艇；驾驶台解除警报，现场组织讲评，演习结束。

3.2.3大风浪天气场景

图8为大风浪天气演习。在大风浪中，采用自由降落方式释放救生艇(见图8a)，船舶顶流，控制航向和航速，艇长选择合适的时机释放救生艇;艇入水之后，小心操纵，使其顶浪航行；船长操纵船舶使风舷角在30°～40°,减速，将救助艇的一舷变为下风舷，救助艇的释放受风浪影响较大。在图8b)中，由于救助艇未系艏缆和艉部止荡绳索，导致救助艇摇晃剧烈，由于该救助艇处没有羊角，因此只能在栏杆上绑系止荡绳索来防止救助艇剧烈晃动。在图8c)中，艇入水前先启动艇机，可先解开艉止荡绳索，再解开艏缆，尽快驶离大船。

4 结束语

本文将船舶救生与虚拟现实紧密结合，使船舶救生训练不再局限于真实设备。在搭建船舶救生培训系统过程中，为救生艇和救助艇建立运动数学模型，模型满足系统对艇在水面运动的需求；为船舶救生训练设计2种工作模式，提高了系统的灵活性;设计多人协同训练的仿真策略，保证了系统的稳定性。经测试,系统的实时性和沉浸感较好，培训效果较理想，能起到辅助训练的作用，具有一定的价值。

以后的研究将进一步完善艇入水的数学模型、艇与大船之间的船间效应和耦合运动及多角色协同训练的智能评估算法。

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