船舶三维及VR沉浸式海事监管业务培训平台

鲁道毅 王怀宇 王君琪

1(大连海事大学轮机工程学院 辽宁 大连 116026)

2(山东海事局 山东 青岛 266002)

0 引 言

危险化学品船舶的PSC检查具有复杂性与危险性，对于执法人员的监督检查能力也有更高的要求。因此，建立船舶三维及VR沉浸式海事监管业务培训平台有着重要的意义。

目前，三维训练平台已经广泛应用于医疗、军事、航空、航天以及船舶领域。通过利用三维图形学和虚拟现实技术(VR)将船舶模型在计算机技术的支持下进行全三维再现，并针对关键性部位进行了虚拟现实技术(VR)还原[1]。该技术的应用在全面满足传统物理模型功能要求的同时，还利用计算机系统的可编程可控制特性实现更多诸如模型内部结构剖面表面、内部关键设备管线的布位表现、各种船舶工况状态及设备使用方法的模拟表现等，已经能够远超传统物理模型的展示说明，而且在船舶维护管理、操作培训、安全培训、多角度市场宣传等很多方面发挥了更多的作用[2]。因此，许多船舶行业的厂商以及科研机构都在培训环节中使用三维图形学以及虚拟现实技术，在船员培养培训过程中，例如国外KONGSBERG[3]公司应用于船员培训的K-SIM培训软件以及国内大连海事大学开发的应用于船员培训的DMS系列轮机模拟器[4]均在业务培训的过程中使用了船舶三维模型以及虚拟现实仿真技术，并且在培训过程中取得了良好的效果。

基于上述现状，本文以经常停靠青岛港的中海海运17.4万立方米的“中能”系列LNG船舶为研究对象，采集了在PSC检查中所需的LNG船舶相关数据并建立了船舶三维及VR沉浸式海事监管业务培训平台。

1 平台设计及结构

1.1 系统功能

LNG船舶PSC检查主要依据的是《散装运输液化气体船舶构造和设备规则》(GC规则)和《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》(IGC规则)以及国内海事部门的相关规定要求[5-6]。鉴于LNG船舶检查项目的庞大性和检查过程的复杂性，本文选取船舶检查项目中较重要且具有代表性的船舶通岸接头处应急截止阀(ESD阀)区域子模块重点开发。该船舶三维及VR沉浸式海事监管业务培训平台需满足以下要求：

(1) 三维虚拟LNG船舶模型船根据实船图纸、照片等资料制作，按照1∶1比例高度逼真还原船舶实际，并达到精致、超清的高端视觉、听觉效果，各项动作的动态反应、过程、发生的现象、音效与实船高度一致，确确实实具备完整、真实的物理动态效应，丰富的情景设计。

(2) 三维场景包含完整的全船整体模型和结构，实现各舱室和视景的流畅、连续、无间断游走和自然切换。制作场景可涵盖所有LNG船舶PSC检查对象，如甲板、货控室、机械间及驾驶台等处所内的设备、管系、阀门、仪表、控制箱、控制盘台、按钮、指示灯、旋钮、梯道、舱壁等，可实现虚拟场景的自动或手动漫游，可实时显现当前鼠标捕捉设备的相关信息及检验要求等。

(3) 培训平台的三维动画原理符合LNG船舶实际情况，可以真实地反映LNG船舶在靠泊接收检查时的系统工况。检查动画可体现出设备检查项目的检查过程、操作步骤和方法以及语音或者文字提示的检查操作过程注意事项。

1.2 系统结构

本文设计的船舶三维及VR沉浸式海事监管业务培训平台由用户层、应用层、资源层和硬件层组成。其中用户层包括PSCO、管理员及学员；应用层包括LNG船三维虚拟仿真、LNG船VR沉浸式漫游、PSC检查要点与缺陷管理、虚拟操作训练、网络协同训练及评估考核；资源层包括LNG船三维模型、多媒体素材库及PSC检查内容与缺陷；硬件层包括VR头盔、三通道主动投影系统。管理员、PSCO、学员站及投影系统之间的通信采用UDP通信协议。管理员、PSCO站与学员站集中了二维模拟训练软件、LNG三维虚拟船舶与LNG设备检验素材库。教练员站作为整个培训平台的核心运行训练平台的数据运算，有着监管、评分、演示等功能。学员站作为培训的终端，配置较为灵活，既可单机训练，也可与管理员、PSCO站链接进行团队协作训练。系统结构如图1所示。

图1 沉浸式海事监管业务培训平台系统结构

2 三维视景设计与实现

2.1 三维模型

三维模型分为：LNG船舶三维模型及LNG设备检验素材库。

(1) LNG船舶三维模型。本文利用虚拟现实技术建立了船舶三维视景仿真模型，在严格参照实船照片、设备说明书、船体设计图及轮机系统原理图的基础上，利用3D-max建模软件按照1∶1比例高度逼真还原船舶实际，制作场景涵盖所有LNG船舶PSC检查对象，如完整的船舶结构、设备与管系模型等。使用Unity3D三维视景，采用材质渲染、烘焙贴图、灯光调节等技术手段还原一个船舶检查的虚拟场景，通过与三通道主动投影系统相互配合，极大地增强了PSC检查训练的沉浸感[7]。

图2 三维虚拟LNG船舶效果图

(2) LNG设备检验素材库。LNG设备检验素材库根据三维虚拟船舶中逐项制作对应的三维情景动画，动画包括检查项目的检查过程、步骤和方法。图3为设备检查动画展示。动画具有自动播放演示和学员手动操作两种方式：自动播放情况下，学员可以根据训练及学习需求，自行选择需要学习的内容，播放时可以随时停止，也可根据学员指令重复演示某一操作；手动操作情况下，学员需要根据操作规范进行操作，操作过程中如出现操作错误会有相应的提示，在学习模式下，可以根据提示进行更正。

图3 设备检查动画展示

2.2 虚拟现实

为提升培训学员感官体验，提升整体的培训效果。本文除开发了桌面级船舶三维海事监管业务培训平台，还将其应用于三通道立体投影环境中。三通道立体投影环境属于沉浸式虚拟现实系统，用户可感受到强烈的景深感。本文所开发的三通道立体投影环境的组成结构如图4所示[8]，图5为三通道投影系统效果图。

图4 三通道立体投影系统结构图

图5 三维虚拟机舱立体投影图

3 LNG船PSC检查设计与实现

3.1 PSC检查要求

根据对LNG船的PSC检查要求，LNG船设备系统类的检查主要包含以下项目：液货管线检查，液货舱检查，压力释放系统检查，应急截止阀检查，货物装卸设备检查，货物区域通风系统检查，空气闸检查，货物机械室检查，仪表检查，可燃气体探测装置检查，惰气系统检查，氮气系统检查，水雾系统检查，干粉灭火系统检查，消防员装备检查，安全设备检查，急救设备检查，货物燃料燃烧系统检查，直升飞机设施检查[9]。

3.2 PSC检查内容嵌入

根据国际海事组织公约强制性规定和国内海事部门的相关规定搜集整理LNG船PSC检查内容，包括检查要点、检查方法、检查依据、常见缺陷、典型案例等。文本结合船舶三维虚拟平台，将检查内容嵌入到相对应的虚拟设备模型中。如图6所示，在PSC检查中，被检查的虚拟设备高亮显示。学员可以通过点击鼠标、手柄等设备进行人机交互。此外，在平台设计中还预留了接口和权限，管理员或教练员可以对显示的内容进行修改和编辑。

图6 PSC检查内容嵌入效果图

3.3 PSC检查缺陷嵌入与设置

为了增强PSC检查的真实性和进一步提升学员培训效果，在平台系统中嵌入由管理员或教练员随机设置的缺陷由学员去查找，并进行相应的处理。教练员可根据学员所做出操作或者结论正确与否的程度适当给出成绩，以此提高学员知识体系综合调用、现场突发情况分析和应急处理的能力。教练员引入的故障类型包括：(1) 单个随机缺陷;(2) 连串系列的缺陷。

3.4 虚拟操作与网络协同训练

学员可在三维虚拟平台上通过PC或VR设备进行虚拟操作训练，要求与在真实船舶环境内操作完全一样。同时，平台具备引导功能，根据船舶安全检查路线图，一步一步引导学员进行训练学习。虚拟操作训练功能丰富、实用、易用，具有丰富的交互点信息显示功能，快速、准确的设备和交互点定位搜索功能，同时具有丰富、美观、实用的UI功能设计[10]。图7为三维虚拟操作图，在学习训练过程中，训练平台会根据需求提供操作演示、错误提示、故障设定等操作。除了单人虚拟操作训练，本文综合应用信息和网络技术，搭建了网络协同、共享开放的实时交互海事监管虚拟实训平台。该平台在广域网及局域网中部署和应用，具有通用化设计，通过配置适于单机、团队协作型使用，具有注册报名、登录管理、权限设置、出题组卷、题库管理、题库编辑、时间同步、操作回放、过程追溯、智能评分等功能。当按广域网部署时，则提供WEB版的仿真平台应用，实现网上虚拟训练与在线学习。可以实现智能化训练和考评，远期可用于实现评估考试和培训进行远程化管理、训练与考试[11]。

图7 三维操作图

3.5 教学评估

本文提供了完备的评估测试系统，学员在单机版或者网络版上进行训练学习后，可以进行自我评估测试或者由教练员对其评估测试。测试包括理论测试和实际测试两部分。测试结束后，系统根据学员操作正确度和熟练度进行自动打分，给出实际操作过程和正常操作过程的对比，将培训学员的理论知识、实际操作中出现的问题进行分析，并形成考核报告，帮助学员认识不足，提高理论和实际操作水平。如果由教练员进行评估，此考核报告可以对教练员打分起到参考作用。评估系统还包括改变训练场景、设置缺陷、选择操作初始状态、快照、操作历史回放、调节设备运行的速度、声响控制、报警闭锁及过程隔离等功能。

4 结 语

构建高品质的三维船舶视景仿真系统，不仅是科学技术发展的产物，更是海事监管业务培训平台领域的实际需求产物，本文以中海海运17.4万立方米的“中能”系列LNG船舶为研究对象，开发了海事监管业务培训平台，并得到以下结论：(1) 高品质的三维虚拟船舶可以提供给使用者高度仿实船感，可极大地提高培训效果；(2) 对“中能系列”LNG实船建立了完备的PSC设备检验素材库，素材库可以扩展到其他船舶，为建立全任务海事监管业务培训平台创造有利条件；(3) 将所开发的机舱三维视景系统应用于三通道立体投影环境可大幅度地提升虚拟场景的沉浸感，提高训练效果。