船舶制造仿真实训系统设计与开发

袁东斌

(闽南师范大学 教育科学学院，福建 漳州 363000)

0 引言

实训教学是船舶制造这类实践性极强专业学生学习专业知识的最佳途径，但在实际教学中，由于船厂实训接收人员数量有限，难以满足学生在造船厂现场实训学习.船舶制作周期长达1年以上，学生实训期间只能接触部分造船流程和步骤；船舶制作工序多，从零件加工一直到试航，历经几百道大小工序，且涉及动力、导航、通信、电力等数十个专业子系统，学生实训过程无法全局性系统学习各个部分所涉知识.高压高温等危险环境，实训过程存在巨大安全风险.实训设备、耗材昂贵，实训过程消耗大、费用高.每个学生孤立训练，过程零散，缺乏团队协同和对项目的全局认知.实训缺乏过程数据归集，学生实际学习效果、知识掌握程度无法及时评判和跟踪等原因，导致实训和实习往往停留在“走马观花”的了解层面，学生无法掌握实践技能，学生毕业之后需要船厂再培养2～3年才可堪用.

基于虚拟现实技术在教育教学中的实际应用，我们发现三维仿真场景的可视化内容对学生理解知识、提升学习效率拥有良好的促进作用.所以针对以上问题，我们设计了一套船舶制造仿真实训系统来满足教学需求.利用人机交互技术、光学技术、计算机仿真技术、图形图像技术、网络通信技术等，在计算机中完整复现大型船舶制造的真实工作场景、关键流程和子系统，呈现核心知识点.系统遵循模块化设计的架构思想，学生可与仿真场景进行各类仿真互动，从而解决当前实训中存在的各类问题.

1 系统设计

1.1 架构设计

船舶制造仿真实训系统采用当前比较流行的分层设计，各个模块被划分成不同功能集合的子集合，因此子集合之间的耦合度大幅降低，软件的可修改性和可维护性大幅提高.系统具体分为3层：物理层、支撑层和表现层.物理层是支持仿真系统实现的基础，主要包括网络、图形工作站、平板电脑(或移动终端)、激光投影仪等硬件设备.支撑层通过Unity、Maya等软件层面提供不同端口内容分发和控制、人机交互、三维建模、程序开发、三维渲染等功能.表现层主要是本系统操作区块，分为总体介绍、船厂1∶1漫游、制作设备认知、造船流程认知、角色模拟、船舶关键子系统、单人训练、多人协同演练等9个模块，整体结构如图1所示.

图1 系统架构

1.2 功能设计及介绍

针对船舶制造专业学生实际的实训教学需求，系统开发了9个模块，各个模块之间遵循教学逻辑，按照由浅入深、由整体到局部、由学习到训练的方式，逐渐引导学生学习船舶制作的必要知识，各个模块之间具体功能说明见图2.

图2 系统功能树型图

各模块功能：

1)总体介绍模块.系统分为教师端、学生端和管理端.学生端支持学生自由探索，自主引导学生快速熟悉系统整体结构，具体包括本系统基本特点、系统建设目标、针对的问题、系统组成、专有名词解释等.除了文字配图之外，针对重难点知识还运用AI语音合成技术，提供语音和三维动画辅助指导，帮助学生理顺学习思路.

教师端支持教师统一管控，支持一键同屏，全局监控和单体监控.当教师处于上课状态，为了让所有学生保持课程同步学习，通过一键屏幕同步让所有学生软件画面显示为教师端画面，从而与教师上课节奏保持一致；支持学生端软件画面监控与同步显示在教师端，最多支持100个学生端的画面实时监控；支持单个学生端的画面浏览查看，可投屏到大屏幕进行演示教学；支持对全班所有学生VR实训操作轨迹监控；支持教师建立班级、绑定关系进行增删改查，通过网格化管理精确记录每个学生的过程学习数据，辅助教师判断学生实际软件使用情况及知识点掌握程度.

2)船厂1∶1漫游模块.以真实船厂为蓝本1∶1构建10万平米的虚拟化厂房，在虚拟场景中穿插讲解船厂功能布局和概况，并通过VR手柄或电脑键鼠进行控制操作，使用户以第一人称视角进入虚拟船厂，身临其境地观察设备、船体及制造过程等.同时可以巡视船厂任何设备，为学生提供沉浸式体验，弥补学生难以进入船厂现场实训的不足，增加学生对船厂各功能区的理解和认知.

3)制造设备认知模块.该模块通过对船厂制作设备高精度模型的三维展示，如拆分、缩小、放大、旋转等，并配以说明图文或嵌入视频，使学生能快速熟悉各主要造船设备部件、功能和结构，为进一步熟悉造船流程做准备.船厂主要大型设备包括门机、船坞泵房、坞门、冷加工设备、机加工设备等.

4)造船流程认知模块.以造船流程为主线设计各流程关键步骤和核心技能要求，配以视频讲解，使学生快速熟悉船体车间、管工车间、舾装车间、电工车间、喷涂车间、起重车间、技术处、生产处等部门，了解造船各个流程环节及相应任务.

5)角色模拟模块.通过教师端分发任务，学生端可自主选择造船过程中涉及的各种角色进行模拟演练，如车工、电工、铆工、钳工、车工、焊工、油漆工、杂工等，系统自动推送该角色工作内容、工具、工作流程、注意事项，以此熟练了解造船每个岗位的岗位职责.

6)船舶关键子系统模块.提供船舶控制系统(船舶管理信息、集成驾驶、货运监控等系统及无人值班机舱)、电力系统(船舶发电站、船舶电网系统及主要用电设备)、动力系统(船舶动力装置中的主动力、辅助动力及其他辅机和设备)的仿真三维内容，提供相关设备的三维高精模型及原理的虚拟仿真内容，辅助学生深刻理解子系统结构及相关知识.

7)单人训练模块.该模块提供单人自主自由练习，主要包括船舶发动机结构与拆装虚拟仿真，传动系统拆装虚拟仿真，焊接练习等，学生可根据教师端分发的任务同步练习，也可基于自身实际情况选择知识薄弱点进行强化练习.

比如焊接部分练习内容包括金属材料的焊接(低合金结构钢、珠光体耐热钢、低温钢、奥氏体不锈钢焊接)、焊条电弧焊(钢板对接立焊、钢板对接横焊、垂直固定管件焊接、水平固定管件焊接、低碳钢管板插入式水平固定焊接、低碳钢管板插入式垂直固定平焊焊接)、手工钨极氩弧焊、自动埋弧焊(自动埋弧焊工艺及特点、自动埋弧焊中、厚板材的平焊对接双面焊技术)、等离子弧焊接与切割(等离子弧焊接、等离子弧切割)等，学生选择焊接工角色，系统就会根据焊接类型和造船过程中涉及焊接工艺自动分发焊接任务，学生必须严格按照实际的焊接流程逐步执行，才能顺利完成任务.

8)多人协同演练模块.该模块模拟现实世界的船厂造船流程，允许最多10位学生进入同个虚拟场景，就某个任务目标模拟实际工作流程协同操作.

如需进行任务协同，教师首先从教师端发出操作任务，学生端接收任务，选择人物角色(也可教师端指定每个学生的角色)，人物角色及数量是由任务决定的.比如“船体焊接”任务，就允许10位学生共同参与：其中1人任总指挥段长，负责总体作业，包括物料准备、现场环境准备、人员协调与工作任务分配、质量检查、安全作业监督等；剩余9人分为3组，分别位担任安全员2人、焊接操作员6人，现场监督和质量管控员1人，按照现实船体焊接流程进行操作作业，检验学生对船舶各技能工种实际操作技能的掌握程度以及船舶制造项目管理能力.

9)知识测验模块.当前测验模块共录入了1 086道选择题，系统可根据学生学习情况自主组卷.学生答题后系统会自动判断对错，并实时统计所有考试学生的考试时间、正确率、错误率、总成绩等数据，从而完成对学生学习情况的检查.

2 系统开发

由于系统所有环节和知识点须跟现实世界相关环节一一对应，造船流程复杂，场景大、模型多，技术难度高，对开发人员和硬件配置提出较高要求.为确保开发目标实现，本系统严格按照软件开发流程执行，分为调研和需求整理、建模、功能研发、测试4大环节，每个环节分为规划、执行、评审三部分，只有评审通过才可进入下个环节，从而确保每个环节达到设计要求.

2.1 调研和需求整理

本阶段主要工作是收集、整理用户需求.通过对用户进行调研并收集各种资料(船厂图纸、设备参数、业务流程、部门结构、生产流程、技术指标等)，据此规划系统功能模块，编写《船舶制造仿真实训系统设计需求》文档.

2.2 建模

三维模型是本系统功能实现的基础，包括船厂整体环境、地形、设备、材料、人物等相关素材的建模.通过3dsMax、MAYA等建模软件对船厂大场景及船舶设备进行模型构建，包括各类大大小小近2 000个零部件、工具的原模绘制、贴图制作，使船厂完美复现在虚拟场景中.地形建模和天气建模分别使用Unity3d中笔刷工具和Skybox天空盒子组件进行制作，为了确保地形建设合理合规，我们参考了民营造船龙头企业扬子江船业的船厂实际地形进行构建，场景模型实际效果如图3.

模型搭建完成后就可导入Unity3d中，按照类别分门别类存放，以供程序人员根据设计要求随时调用相关模型，建模流程如图4所示.

图3 虚拟场景搭建效果图4 建模流程

2.3 功能研发

根据《船舶制造仿真实训系统设计需求》中对业务流程、数据结构、模型贴图、动画、特效、交互和功能模块实现等方面的设计要求，开始具体的代码编写.

第一步，模型导入到Unity3d中形成模型库供编程员选用；第二步，根据软件整体调性，对水纹、玻璃、金属、塑料等模型材质与色彩、镂空、纹理、凹凸等模型贴图进行后期优化和设置；第三步，创建天空、环境(白天或夜晚，阳光或下雨等)及其他特效；第四步，根据撰写的脚本要求编写可执行指令的代码；第五步，加入视频、音频、flash、图片等媒体文件，并将文件与交互按钮进行链接，从而丰富系统交互和展示方式；第六步，在unity中整体播放，检查并修改明显错误；第七步，打包发布.

2.4 测试

在静态测试状态下，分析或检查源程序的语句、结构、过程等是否有错误，修改部分不匹配参数和未定义的变量.之后将系统发布成“.exe”格式文件并运行，进行动态测试.依据软件设计说明书、需求规格说明书使用测试用例，以量化形式检查程序的功能是否能够按照规范说明准确无误的运行，对得到的预期结果与实际运行结果进行对比并分析，对检测出的系统BUG进行修复，同时检测系统运行效率、稳定性和鲁棒性等.经过测试该系统安全、稳定、可靠，可流畅运行在i7处理器、内存64G、GTX1060独立显卡配置的电脑上.

3 系统性能优化

3.1 算力资源优化

船厂三维场景涉及大大小小近2 000个部件，在实际测试中发现系统运行所需要的算力资源过大，经常出现画面不流畅、卡顿，甚至卡死的现象.为了提高运行效率，本系统采用多细节层次LOD(Levels of Detail)技术，将非重要模型的细节度和面数降低，从而减少对算力资源的需求、提高渲染运算的效率.以相机与模型(物体)类比，一个模型如果距摄像机近，用面数多细节高(算力资源要求高)的模型，如果距摄像机远，就用面数少细节少的模型.

具体怎么理解呢？系统设计时，我们将船厂门机、船坞泵房、坞门、冷加工设备、机加工设备等主要设备定为高精度模型；将发电站、电网系统、主动力等设备定为中精度模型；将喷涂车间、技术处、生产处等相对不重要部分设置为低精度模型，并按照复杂程度自高向低的为模型命名，如“模型名称LODO”、“模型名称LOD1”等，最后的数字序号越低，表示复杂程度越高.

通过定义一个空对象添加LODGroup组件来管理模型的LOD等级，然后分别将3种不同精度的模型，拖拽到空对象LODGroup组件的各个级别上，Add按钮为LOD添加对应的模型(LOD 0 表示摄像机最近距离显示)，这样当LOD发生变化就会使用不同精度的模型对象.使用LOD技术后，视图每一帧渲染时间从45.7 s下降至9.8 ms左右，对硬件资源的占用和算力需求大大减轻，系统运行流畅.

3.2 分镜优化

Cinemachine虚拟摄像机分镜技术可实现电影级别的分镜、推拉式镜头等效果，见图5.快速、高效地完成多种镜头效果如：轨道移动镜头、镜头跟随、镜头切换、模仿手持抖动效果等等.在船厂漫游模块，通过虚拟摄像机分镜实现镜头跟随和漫游动画制作，并在漫游模块和子系统模块之间实现多场景视角自由切换，方便用户根据需求选择学习内容.

图5 Cinemachine操作窗口

4 结论

本系统采用分层架构设计，实现系统功能模块化，采用人机交互技术、光学技术、网络通信技术、图形图像技术、计算机仿真技术，实现了多人协同造船的总体介绍、船厂漫游、角色模拟、多人协同等9大功能.通过软件测试和学生试用，证实系统流畅，界面结构清晰，功能丰富，内容合理.系统用三维可视化、可交互的方式代替传统相对僵化、偏理论的实训教学，解决了以往教学中存在的问题；同时降低了教学成本，提升了教学质量，具有良好的现实意义及推广价值.