陶瑞， 朱耀輝， 任鴻翔，郭磊

(1. 大連海事大學(xué) a. 航海學(xué)院; b. 交通運(yùn)輸管理學(xué)院， 遼寧 大連 116026; 2. 中國(guó)海事服務(wù)中心, 北京 100029)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶消防培訓(xùn)系統(tǒng)

陶瑞1a， 朱耀輝1b,2， 任鴻翔1a，郭磊1a

(1. 大連海事大學(xué) a. 航海學(xué)院; b. 交通運(yùn)輸管理學(xué)院， 遼寧 大連 116026; 2. 中國(guó)海事服務(wù)中心, 北京 100029)

為提高船舶消防培訓(xùn)的效率和水平，節(jié)約訓(xùn)練成本，設(shè)計(jì)消防培訓(xùn)系統(tǒng)整體架構(gòu).運(yùn)用三維建模技術(shù)建立固定水滅火系統(tǒng)、固定二氧化碳滅火系統(tǒng)及消防員裝備穿戴模型.使用反向動(dòng)力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)虛擬人的動(dòng)作模擬.使用粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)火焰和二氧化碳的霧化效果.使用碰撞檢測(cè)技術(shù)判斷虛擬人與設(shè)備之間、設(shè)備與設(shè)備之間、二氧化碳與火焰之間是否產(chǎn)生相互作用.培訓(xùn)過(guò)程中，針對(duì)學(xué)員操作給出具體提示信息，幫助學(xué)員完成操作訓(xùn)練.測(cè)試結(jié)果表明，所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)培訓(xùn)效果良好，可應(yīng)用于消防培訓(xùn).

虛擬現(xiàn)實(shí)； Unity； 船舶消防； 訓(xùn)練

0 引 言

因船舶特殊的功能和結(jié)構(gòu)，在船舶上發(fā)生的火災(zāi)具有特殊性.[1]為檢驗(yàn)船員對(duì)可能發(fā)生的船舶各部位火災(zāi)的應(yīng)急能力，對(duì)個(gè)人應(yīng)變?nèi)蝿?wù)的熟悉度，以及整個(gè)應(yīng)急過(guò)程中船員之間的相互支援和協(xié)調(diào)程度，進(jìn)行消防演習(xí)是非常有必要的.[2]目前的船舶消防演習(xí)大多是在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行的，不僅花費(fèi)大、污染環(huán)境，而且危險(xiǎn)性很高.另外，受時(shí)間、資金和環(huán)境等因素的限制，這些培訓(xùn)起到的作用十分有限.近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)在船舶消防方面的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注.[3]船舶消防的虛擬現(xiàn)實(shí)是通過(guò)計(jì)算機(jī)營(yíng)造具有3I(沉浸感(Immersion)、交互性 (Interaction)和想象性(Imagination))特點(diǎn)的虛擬船舶環(huán)境和火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，使消防人員在近似實(shí)戰(zhàn)的逼真環(huán)境中進(jìn)行模擬訓(xùn)練[4]，以提高其對(duì)船舶復(fù)雜火災(zāi)情況的處置和決策能力.本文基于3dsMax和Unity3D設(shè)計(jì)虛擬船舶消防培訓(xùn)系統(tǒng)，提供船舶消防設(shè)備的模擬訓(xùn)練功能.

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 船舶消防培訓(xùn)系統(tǒng)功能分析

船舶消防培訓(xùn)涉及船舶消防設(shè)備的使用和消防演習(xí)兩個(gè)部分.船舶消防設(shè)備包括探火與滅火報(bào)警系統(tǒng)、船舶固定滅火系統(tǒng)、消防員裝備和應(yīng)急通信設(shè)備等.船舶消防演習(xí)是在一定的流程下，使用不同的消防設(shè)備撲滅某一失火地點(diǎn)火源的過(guò)程.一般船舶消防演習(xí)會(huì)在機(jī)艙、生活區(qū)、甲板、貨艙和油漆間等區(qū)域(失火地點(diǎn))進(jìn)行.由于船舶不同區(qū)域的特點(diǎn)不同，演習(xí)過(guò)程會(huì)有一些差別，但流程基本相同，通用步驟為：發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并報(bào)警→全體集合并清點(diǎn)人數(shù)→探火→滅火→演習(xí)結(jié)束(見(jiàn)圖1).如果發(fā)生特殊情況，火勢(shì)無(wú)法控制，則進(jìn)行棄船演習(xí).

1.2 整體設(shè)計(jì)

利用3dsMax建模軟件，以巴拿馬型散貨船“長(zhǎng)山?！碧?hào)為母型船，建立貨艙、消防控制室、二氧化碳間和消防設(shè)備等的三維實(shí)體模型.利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建船舶三維虛擬場(chǎng)景[5].在該場(chǎng)景中進(jìn)行消防演習(xí)訓(xùn)練，受訓(xùn)人員在訓(xùn)練過(guò)程中可以熟悉船舶消防設(shè)備的布置及相關(guān)操作要求.采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想[6]開(kāi)發(fā)不同模塊，包括：固定水滅火系統(tǒng)模塊、固定二氧化碳滅火系統(tǒng)模塊、消防員裝備穿戴模塊等.各模塊功能設(shè)計(jì)如下.

圖1 船舶消防演習(xí)流程

1.2.1 固定水滅火系統(tǒng)模塊

固定水滅火系統(tǒng)是所有船舶必須配備的一種滅火系統(tǒng)，也是最基本而有效的滅火系統(tǒng)之一.為增加系統(tǒng)的沉浸感，使其更接近真實(shí)的場(chǎng)景，消防水帶、消防水槍、消防栓和消防管系等三維模型應(yīng)該足夠逼真.

在使用固定水滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火訓(xùn)練時(shí)，主要考查學(xué)員對(duì)設(shè)備使用的熟悉程度和學(xué)員之間的協(xié)作能力.學(xué)員以虛擬身份登錄系統(tǒng)，另一個(gè)角色船員以虛擬機(jī)器人代替，學(xué)員通過(guò)點(diǎn)擊界面上的命令按鈕與虛擬船員進(jìn)行“溝通”，完成協(xié)作訓(xùn)練.具體訓(xùn)練內(nèi)容包括：槍頭的使用、消防水帶的鋪設(shè)與回收、消防栓的使用等.

1.2.2 固定二氧化碳滅火系統(tǒng)模塊

船舶固定二氧化碳滅火系統(tǒng)由二氧化碳鋼瓶組、操縱系統(tǒng)、滅火管路和噴射裝置等組成，其中，前兩項(xiàng)均放置在二氧化碳間，通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)的方式控制二氧化碳鋼瓶的開(kāi)啟，通過(guò)釋放閥的操縱控制二氧化碳的釋放.該滅火系統(tǒng)需要定期保養(yǎng)，并做吹通試驗(yàn)，保證管路暢通.開(kāi)發(fā)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)，考慮了二氧化碳間內(nèi)部設(shè)備的使用和二氧化碳出氣孔真實(shí)效果的實(shí)現(xiàn)，既滿足吹通試驗(yàn)的要求，又可以滿足日常使用的需求.

1.2.3 消防員裝備穿戴模塊

消防員裝備是對(duì)探火人員人身安全的必要防護(hù)，作為探火員必須非常熟悉消防員裝備的正確穿戴和使用注意事項(xiàng).

根據(jù)船舶的實(shí)際情況，虛擬三維場(chǎng)景中的消防員裝備放置在消防控制室中.學(xué)員要清楚消防員裝備的存放位置.從消防控制室將消防員裝備取出后，按照正確的順序進(jìn)行穿戴.出于培訓(xùn)的目的，當(dāng)穿戴順序明顯不合理時(shí)系統(tǒng)會(huì)給出錯(cuò)誤操作提示，給學(xué)員以警告.

將消防員裝備中的每個(gè)部件制作成獨(dú)立的模塊，一共包括12件裝備.學(xué)員通過(guò)鼠標(biāo)拖拽的方式，將裝備穿戴在虛擬人的身上.為便于學(xué)員選擇裝備，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到具體裝備上時(shí)，該裝備都會(huì)被放大，可以清楚地看到具體細(xì)節(jié).

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 反向動(dòng)力學(xué)

大多數(shù)角色的動(dòng)畫(huà)都是將骨骼的關(guān)節(jié)角度旋轉(zhuǎn)到預(yù)制值.一個(gè)子關(guān)節(jié)的位置由其父節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度決定，這樣處于節(jié)點(diǎn)鏈末端的節(jié)點(diǎn)位置由此鏈條上的各節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度和相對(duì)位移決定.這種決定骨骼位置的方法稱為正向動(dòng)力學(xué).[7]在實(shí)際應(yīng)用中，上述過(guò)程的逆過(guò)程非常實(shí)用，即給定末端節(jié)點(diǎn)的位置，從而逆向推出節(jié)點(diǎn)鏈上所有其他節(jié)點(diǎn)的合理位置.[8]這種需求非常普遍，如:希望角色的手臂去觸碰一個(gè)固定的物體,或腳站立在不平坦的路面上.這種方法被稱為反向動(dòng)力學(xué).本文中，虛擬人的動(dòng)作模擬采用反向動(dòng)力學(xué)的方法.

2.2 粒子系統(tǒng)

在虛擬環(huán)境中，大部分的場(chǎng)景元素如角色、物件、碰撞體等都屬于網(wǎng)格(mesh)模型，一般利用3dsMax，Maya等工具建模，并導(dǎo)入場(chǎng)景中.但若要在場(chǎng)景中模擬煙霧、火焰、云彩、水滴等效果，則需要用到粒子系統(tǒng).粒子系統(tǒng)會(huì)連續(xù)、高效地發(fā)射大量運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單粒子單元，以模擬各類復(fù)雜的自然現(xiàn)象和特技效果.粒子系統(tǒng)的模擬過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟[9]：

(1)初始化.確定模擬對(duì)象；分析物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；對(duì)模擬對(duì)象的粒子數(shù)，每個(gè)粒子的生命值、位置、速度、加速度、顏色等信息進(jìn)行初值設(shè)定.

(2)繪制.選擇合適的紋理大小，搭配合適的色彩，繪制粒子當(dāng)前的狀態(tài).

(3)更新.更新所有粒子的生命值、位置、速度、加速度、顏色等信息，以便下次繪制.

2.3 碰撞檢測(cè)

場(chǎng)景中的物體如果需要感應(yīng)碰撞，則必須給其添加碰撞器.Unity引擎為對(duì)象提供了5種碰撞器，分別是Box Collider(盒子碰撞器)、Sphere Collider(球體碰撞器)、Capsule Collider(膠囊碰撞器)、Mesh Collider(網(wǎng)格碰撞器)和Wheel Collider(車輪碰撞器).[10]根據(jù)物體形狀的特點(diǎn)選擇碰撞器，可以減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，提高系統(tǒng)的流暢度.

可以將碰撞分為兩類：物體與物體之間的碰撞；粒子與物體之間的碰撞.檢測(cè)物體與物體之間的碰撞采用包圍盒與包圍盒之間的碰撞檢測(cè)算法,常用的有：軸對(duì)齊包圍盒(AABB)檢測(cè)算法、方向包圍盒(OBB)檢測(cè)算法和包圍球(Sphere)檢測(cè)算法.檢測(cè)粒子與物體之間的碰撞采用的是點(diǎn)與包圍盒之間的碰撞檢測(cè)算法.

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 場(chǎng)景開(kāi)發(fā)

3.1.1 三維模型建立

在3dsMax中建立消防設(shè)備三維模型是本文研究的基礎(chǔ).首先根據(jù)消防救生設(shè)備的實(shí)際比例制作白模，然后參照真實(shí)設(shè)備的效果制作貼圖，再通過(guò)渲

圖2 整船場(chǎng)景效果圖

染得到三維模型，最后將三維模型導(dǎo)入到整船場(chǎng)景中進(jìn)行設(shè)備的交互.圖2是整船場(chǎng)景效果圖.

3.1.2 界面開(kāi)發(fā)

消防訓(xùn)練需要滿足：多人協(xié)助操作，操作時(shí)指揮者或操作者本人能從不同的視角觀察，選擇失火地點(diǎn).為此，在整船平臺(tái)上通過(guò)UI界面的3個(gè)模塊(輔

圖3 UI布局

助視角窗口模塊、輔助命令菜單模塊、環(huán)境設(shè)定模塊)完成上述功能，見(jiàn)圖3.

輔助視角窗口模塊.輔助視角窗口位于主界面的右上角，使用的攝像機(jī)不同于UI系統(tǒng).消防訓(xùn)練時(shí)，窗口給學(xué)員提供一個(gè)最佳的俯瞰視角.在這個(gè)位置還有其他小窗口，在使用過(guò)程中這些小窗口是互斥的，需要通過(guò)主界面左上角控制菜單中的對(duì)應(yīng)項(xiàng)激活該窗口.

輔助命令菜單模塊.輔助命令菜單位于主界面左上角.在需要多人協(xié)作的訓(xùn)練中，單機(jī)運(yùn)行時(shí)可通過(guò)單擊輔助命令菜單按鈕，完成其他人的動(dòng)作.不同訓(xùn)練科目的輔助命令按鈕的數(shù)量有所不同，例如:在使用固定水滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火訓(xùn)練時(shí)，輔助命令包括12個(gè)，在界面左上方豎直方向依次排開(kāi).

環(huán)境設(shè)定模塊.在主界面的主菜單中，放置該模塊的設(shè)置命令項(xiàng).該模塊用于設(shè)置火災(zāi)位置、初始火焰和煙霧情況、火的發(fā)展態(tài)勢(shì)等.

整個(gè)界面使用Unity重新設(shè)計(jì)的GUI系統(tǒng)——uGUI開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn).

3.2 固定水滅火系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)

3.2.1 實(shí)現(xiàn)流程

該部分主要為學(xué)員(第一人稱視角)和虛擬船員對(duì)設(shè)備的操作模擬.

學(xué)員以第一人稱視角通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊設(shè)備的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作.要獲取鼠標(biāo)的點(diǎn)擊事件，需要給物體添加腳本.腳本用來(lái)界定用戶在游戲中的行為，將編寫(xiě)好的腳本拖動(dòng)到需要實(shí)現(xiàn)此行為的物體下面，運(yùn)行程序時(shí)該物體就按照腳本所編輯的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的各種操作模擬.當(dāng)出現(xiàn)誤操作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出相應(yīng)的提示.

3.2.2 關(guān)鍵動(dòng)作模擬

操作消防水槍和鋪設(shè)水帶的動(dòng)作模擬是保證固定水滅火系統(tǒng)訓(xùn)練真實(shí)而有效的核心.要在一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中模擬虛擬人的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，必須建立虛擬人的運(yùn)動(dòng)模型.根據(jù)反向動(dòng)力學(xué)原理，把虛擬人的運(yùn)動(dòng)看成是一個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)， 并為虛擬人建立關(guān)節(jié)連接的層次模型， 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的鎖骨、肩部、肘部、手掌都看成相互關(guān)聯(lián)的關(guān)節(jié)對(duì)象.各關(guān)節(jié)之間存在父子關(guān)系，一個(gè)父關(guān)節(jié)有多個(gè)子關(guān)節(jié)，一個(gè)子關(guān)節(jié)只能有一個(gè)父關(guān)節(jié).用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)表達(dá)虛擬人運(yùn)動(dòng)模型的層次結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4.

圖4 虛擬人關(guān)節(jié)層次結(jié)構(gòu)

3.2.3 實(shí)例分析

以安裝消防水槍的動(dòng)作為例.首先在場(chǎng)景里創(chuàng)建一個(gè)“手部控制器”—— left hand 空物體，通過(guò)每一幀控制“手部控制器”的位置，使其從手部位置移動(dòng)到安裝槍頭的最佳位置.在手部移動(dòng)的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)由反向動(dòng)力學(xué)原理計(jì)算出肘部、肩部的旋轉(zhuǎn)角度.當(dāng)手部移動(dòng)到終點(diǎn)位置時(shí)，虛擬船員安裝槍頭的動(dòng)作模擬完成.在實(shí)際環(huán)境中固定水滅火系統(tǒng)訓(xùn)練是由兩個(gè)人合作完成的，當(dāng)學(xué)員需要虛擬船員輔助時(shí)可通過(guò)點(diǎn)擊界面上的命令按鈕與其配合作業(yè)(圖5).圖6為右上角小窗口放大后的顯示效果.

圖5 固定水滅火系統(tǒng)訓(xùn)練圖6 小窗口放大顯示效果

3.3 固定二氧化碳滅火系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)

固定二氧化碳滅火系統(tǒng)訓(xùn)練的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)為二氧化碳霧化效果和火焰粒子特效模擬，以及二者之間的碰撞檢測(cè).

火焰分為內(nèi)焰、外焰和煙霧等3部分.在場(chǎng)景中創(chuàng)建3個(gè)Particle System分別模擬這3部分的效果.通過(guò)調(diào)節(jié)粒子數(shù)、粒子大小、粒子顏色等特征項(xiàng)，在微觀上實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)焰、外焰和煙霧具體效果的調(diào)節(jié)；在Photoshop中制作火焰的紋理貼圖，從宏觀上表現(xiàn)火焰的整體效果；調(diào)節(jié)粒子的生命值、速度等信息，實(shí)現(xiàn)火焰的動(dòng)態(tài)效果模擬；將上述三者結(jié)合到一起，使火焰模擬的效果更加逼真.二氧化碳霧化效果的實(shí)現(xiàn)與火焰粒子特效的實(shí)現(xiàn)類似，此處不再贅述.

二氧化碳與火焰的碰撞檢測(cè)就是實(shí)時(shí)判斷二氧化碳粒子是否在火焰的包圍盒中，只要二氧化碳粒子進(jìn)入到火焰粒子的矩形包圍盒內(nèi)就認(rèn)為有了碰撞.統(tǒng)計(jì)二氧化碳粒子進(jìn)入矩形包圍盒的數(shù)量，隨著二氧化碳粒子不斷進(jìn)入，火焰粒子源產(chǎn)生的粒子將逐漸減少，進(jìn)而控制火焰的大小，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后火焰熄滅.貨艙滅火效果見(jiàn)圖7.

圖7 貨艙滅火效果

3.4 消防員裝備穿戴模塊實(shí)現(xiàn)

根據(jù)消防員裝備的穿戴順序，真實(shí)地模擬消防員穿戴過(guò)程，并允許學(xué)員以交互方式控制穿戴過(guò)程，實(shí)現(xiàn)消防員裝備穿戴訓(xùn)練.具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)拖拽裝備的效果.需要給每個(gè)裝備添加碰撞器檢測(cè)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊，通過(guò)Unity的內(nèi)置函數(shù)ScreenToWorldPoint()獲取二維平面內(nèi)的鼠標(biāo)光標(biāo)在三維空間的位置，得到的位置即為拖拽的裝備在三維空間的位置.在鼠標(biāo)拖拽過(guò)程中，每一幀都為拖拽裝備的位置賦值，達(dá)到拖拽效果.

實(shí)現(xiàn)消防裝備穿戴效果.在鼠標(biāo)拖拽裝備的過(guò)程中，使用射線檢測(cè)技術(shù)判斷鼠標(biāo)是否已經(jīng)拖拽到虛擬人身上的具體部位.如果拖拽到具體部位，則該裝備高亮，提示操作者可以穿戴.此時(shí)，松開(kāi)鼠標(biāo)可以完成該裝備的穿戴.消防服拖拽效果見(jiàn)圖8，消防服穿戴效果見(jiàn)圖9.

圖8 消防服拖拽效果圖9 消防服穿戴效果

3.5 消防演習(xí)實(shí)例

圖10 貨艙失火場(chǎng)景

以貨艙失火消防演習(xí)為例，在主場(chǎng)景(見(jiàn)圖10)的環(huán)境設(shè)定模塊中設(shè)置初始失火地點(diǎn)、起火時(shí)間、火勢(shì)大小等.

駕駛室煙霧探測(cè)面板發(fā)出報(bào)警，值班駕駛員發(fā)出全船警報(bào)，按照?qǐng)D1的流程進(jìn)行消防演習(xí).演習(xí)過(guò)程中，探火員穿戴消防員裝備(圖9)；皮龍組使用固定水滅火系統(tǒng)對(duì)貨艙壁降溫(圖5).消防員裝備穿戴結(jié)束后，探火員探火，火勢(shì)不可控.關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)及電源.在二氧化碳間釋放二氧化碳滅火，滅火過(guò)程的效果見(jiàn)圖7.進(jìn)行二次探火，判斷火是否有復(fù)燃的可能.若有復(fù)燃可能，則采取補(bǔ)救措施.探火員再次探火，皮龍組繼續(xù)對(duì)貨艙壁降溫.當(dāng)貨艙內(nèi)的燃燒面積和強(qiáng)度較小時(shí)，皮龍組可先在貨艙口向燃燒區(qū)射水，待火勢(shì)減弱后，可利用貨艙內(nèi)的固定鐵梯、船舶或碼頭裝(卸)貨的起重吊斗，從貨艙口深入到艙內(nèi)抵近火源射水.若火勢(shì)較大，探火員退出貨艙口，繼續(xù)封艙注入二氧化碳.重復(fù)以上過(guò)程，直至火焰徹底熄滅，演習(xí)結(jié)束.

若火勢(shì)無(wú)法控制，則發(fā)出全船棄船警報(bào)(七短一長(zhǎng))；利用報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出遇險(xiǎn)警報(bào)，船長(zhǎng)命令釋放救生艇和救生筏，人員集合；按照所分配的任務(wù)，釋放艇筏，并通過(guò)救生視覺(jué)信號(hào)設(shè)備求救；吊放救生艇(圖11)；回收救生艇；駕駛臺(tái)解除警報(bào)，演習(xí)結(jié)束.

圖11 吊放救生艇

3.6 系統(tǒng)質(zhì)量分析

本文開(kāi)發(fā)完成的船舶消防培訓(xùn)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了大量測(cè)試和完善.下面對(duì)該系統(tǒng)從5個(gè)方面進(jìn)行分析：

可見(jiàn)性：學(xué)員登錄系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)為學(xué)員提供若干選項(xiàng)來(lái)調(diào)整窗口大小以適應(yīng)不用的顯示器.學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，不僅可以通過(guò)鍵盤在場(chǎng)景里進(jìn)行第一人稱漫游，而且可以通過(guò)界面上的導(dǎo)航按鈕實(shí)現(xiàn)快速定位.在不同的訓(xùn)練區(qū)域，設(shè)置不同角度的攝像機(jī)供學(xué)員了解訓(xùn)練環(huán)境.

可移植性： Unity3D作為近幾年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)的最主流引擎之一，其最大的特點(diǎn)就是可以發(fā)布程序到不同的平臺(tái)上，如Windows，Mac，WebGL，IOS，Android和Windows Phone 8.系統(tǒng)基于Unity3D平臺(tái)，采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，可以滿足不同操作系統(tǒng)環(huán)境的用戶，具有良好的可移植性.

廣泛性：該船舶消防培訓(xùn)系統(tǒng)選取巴拿馬型散貨船為母型船.雖然不同的船型具有不同的布局特點(diǎn)，但船上消防設(shè)備的使用及消防演習(xí)的流程基本相同.該培訓(xùn)系統(tǒng)同樣適用于其他船型的學(xué)員培訓(xùn)，具有較好的廣泛性.

可靠性：經(jīng)過(guò)對(duì)每個(gè)模塊的測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)整體的測(cè)試，以及一些對(duì)系統(tǒng)的暴力操作，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)均可以穩(wěn)定運(yùn)行，且不會(huì)使操作系統(tǒng)(本文采用Windows 10操作系統(tǒng))失效.

實(shí)時(shí)性：為逼真地模擬船舶環(huán)境，所創(chuàng)建的三維實(shí)體模型具有非常高的面數(shù)，這導(dǎo)致了初期系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)畫(huà)面的幀數(shù)達(dá)不到要求.后期采用了LOD和動(dòng)態(tài)加載模型的技術(shù)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性.現(xiàn)畫(huà)面的幀數(shù)可達(dá)到60幀左右，但對(duì)計(jì)算機(jī)的配置有一些要求(至少為：i5處理器+8 GB內(nèi)存+GT730顯卡).

4 結(jié)束語(yǔ)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于船舶消防領(lǐng)域，建立了固定水滅火系統(tǒng)、固定二氧化碳滅火系統(tǒng)以及消防員裝備穿戴模型.將該系統(tǒng)用于消防培訓(xùn)不僅可以降低消防培訓(xùn)成本，使培訓(xùn)不再受場(chǎng)地和時(shí)間的限制，而且可以有效地保護(hù)人員安全.

后續(xù)的研究可以針對(duì)以下幾個(gè)方面開(kāi)展：多臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多人消防演習(xí)訓(xùn)練；火災(zāi)蔓延效果模擬；針對(duì)每項(xiàng)訓(xùn)練開(kāi)發(fā)智能評(píng)估程序.

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(編輯 賈裙平)

Ship fire-fighting training system based on virtual reality technique

TAO Rui1a, ZHU Yaohui1b,2, REN Hongxiang1a, GUO Lei1a

(1. a. Navigation College; b. Transportation Management College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China; 2. China Maritime Service Center, Beijing 100029, China)

In order to improve the efficiency and level of ship fire-fighting training and save training cost, the overall framework of fire-fighting training system is designed. The fixed water-based fire-extinguishing system, the fixed CO2-based fire-extinguishing system and the model of fireman equipment clothing are built by 3D modeling technology. The motion simulation of virtual human is realized by the theory of inverse dynamics. The atomization of fire and CO2is realized by the particle system. By the collision detection technology, whether the interactions generate between virtual human and equipment, between equipment and equipment and between CO2and fire is determined. In the process of training, for student operation, the specific prompt information is given to help students complete operation training. Test results show that the developed system has good training effect, and can be applied to fire-fighting training.

virtual reality; Unity; ship fire-fighting; training

10.13340/j.jsmu.2017.01.015

1672-9498(2017)01-0074-05

2016-09-09

2016-12-13

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“八六三”計(jì)劃)(2015AA010504)；交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(2015329225204)；大連海事大學(xué)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(3132016324)

陶瑞(1994—)，男，黑龍江呼蘭人，碩士研究生，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)、系統(tǒng)仿真，(E-mail) 654992156@qq.com； 朱耀輝(1976—)，男，河南西平人，博士研究生，研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸管理、智能評(píng)估，(E-mail)zyh@cmaritime.com.cn； 任鴻翔(1974—)，黑龍江肇東人，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)楹胶７抡妗⑻摂M現(xiàn)實(shí)，(E-mail)dmu_rhx@163.com

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