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(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.中國(guó)海事服務(wù)中心 考試中心，北京 100029)

基于三維虛擬船舶的駕駛員實(shí)操訓(xùn)練平臺(tái)開發(fā)

王德龍1,任鴻翔1,朱耀輝2

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.中國(guó)海事服務(wù)中心 考試中心，北京 100029)

針對(duì)STCW公約馬尼拉修正案的實(shí)施和船舶駕駛員的實(shí)操培訓(xùn)，開發(fā)不受時(shí)間和地點(diǎn)限制的訓(xùn)練平臺(tái)，運(yùn)用人機(jī)交互技術(shù)設(shè)計(jì)并優(yōu)化人機(jī)交互界面；運(yùn)用三維建模技術(shù)建立船舶、港口、航標(biāo)、小島等三維模型；應(yīng)用船舶操縱性分離建模理論，建立船舶運(yùn)動(dòng)6自由度數(shù)學(xué)模型；運(yùn)用場(chǎng)景漫游技術(shù)、碰撞檢測(cè)技術(shù)以及三維交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景中漫游與交互；結(jié)合專家系統(tǒng)及智能評(píng)估技術(shù)，實(shí)時(shí)給出訓(xùn)練輔助信息及對(duì)訓(xùn)練效果的評(píng)判。在平臺(tái)上可以完成船舶進(jìn)出港操縱、船舶避碰、船舶甲板設(shè)備操作及保養(yǎng)等訓(xùn)練和考核。經(jīng)測(cè)試表明，該平臺(tái)可以滿足公約及船公司對(duì)船舶駕駛員訓(xùn)練的需求。

水上運(yùn)輸；訓(xùn)練平臺(tái)；虛擬現(xiàn)實(shí)；船舶操縱；評(píng)估

《STCW公約》馬尼拉修正案已于2012年1月1日正式生效，修正案指出可以通過(guò)認(rèn)可的培訓(xùn)、工作經(jīng)歷以及航海模擬器培訓(xùn)等途徑來(lái)滿足船舶駕駛員的適任要求，實(shí)際培訓(xùn)過(guò)程以授課為主，結(jié)合模擬器操作訓(xùn)練的模式完成。可以看出，公約修正案更加注重航海模擬器對(duì)于船舶駕駛員的培訓(xùn)。目前，國(guó)內(nèi)外主流的船舶操縱模擬器廠商和科研機(jī)構(gòu)，都有比較成熟的全功能大型船舶操縱模擬器，可以用于船舶駕駛員的培訓(xùn)，但普遍存在2個(gè)問題：成本較高；進(jìn)行培訓(xùn)和練習(xí)的時(shí)間和場(chǎng)地受限。針對(duì)第一個(gè)問題，各研究機(jī)構(gòu)研發(fā)了桌面版船舶操縱模擬器，大大降低了硬件設(shè)備的成本。針對(duì)第二個(gè)問題，研究人員逐步將研究重點(diǎn)放在基于移動(dòng)端的船舶操縱模擬器的開發(fā)上。然而，在船舶甲板設(shè)備操作訓(xùn)練方面，以及消防救生相關(guān)操作方面(包括救生艇的釋放回收、檢查保養(yǎng)等)的功能還相對(duì)較少，致使海上環(huán)境模擬的真實(shí)度還不夠(缺少船舶甲板設(shè)備的操作模擬)。另外，在海上事故調(diào)查中可以發(fā)現(xiàn)，由于甲板設(shè)備操作不當(dāng)(包括消防救生設(shè)備的操作)而造成的事故每年都有發(fā)生。針對(duì)以上問題，考慮在桌面版船舶操縱模擬器的基礎(chǔ)上開發(fā)基于虛擬三維船舶的駕駛員訓(xùn)練平臺(tái)。

1 整體框架

駕駛員實(shí)操訓(xùn)練平臺(tái)整體構(gòu)架見圖1。

圖1 訓(xùn)練平臺(tái)整體架構(gòu)

船舶駕駛員訓(xùn)練平臺(tái)以三維虛擬整船平臺(tái)(簡(jiǎn)稱整船平臺(tái))為核心，目的是為受訓(xùn)人員營(yíng)造一個(gè)相對(duì)真實(shí)的海上航行環(huán)境。整船平臺(tái)接收到教練站的練習(xí)文件后，將相關(guān)信息傳輸給三維視景庫(kù)和船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)庫(kù)、雷達(dá)和電子海圖，生成包括港口、目標(biāo)船以及水文氣象環(huán)境在內(nèi)的航行環(huán)境，在船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的驅(qū)動(dòng)下，受訓(xùn)人員可以操作整船平臺(tái)在這個(gè)三維虛擬環(huán)境中航行；航行過(guò)程中，受訓(xùn)人員如果操作船舶甲板設(shè)備、航海儀器等，專家系統(tǒng)會(huì)給出該設(shè)備的信息提示；如果出現(xiàn)誤操作，專家系統(tǒng)則會(huì)給出警告信息；每項(xiàng)具體操作結(jié)束或者進(jìn)行中，在整船平臺(tái)中調(diào)用智能評(píng)估系統(tǒng)，則會(huì)給出當(dāng)前操作的評(píng)估結(jié)果。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維建模技術(shù)

三維建模技術(shù)主要有幾何建模技術(shù)、基于圖像的建模技術(shù)以及混合建模技術(shù)3種。幾何建模技術(shù)是一種傳統(tǒng)構(gòu)造三維虛擬場(chǎng)景的方法，以真實(shí)場(chǎng)景為基礎(chǔ)，在建模軟件中，以點(diǎn)-線-面-體的方式構(gòu)造三維模型，這種建模方法可以忽略復(fù)雜的表達(dá)算法和關(guān)系算子，但是對(duì)于用戶計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的技術(shù)要求比較高；基于圖像的建模技術(shù)利用已有的離散圖像或視頻作為建模依據(jù)，實(shí)時(shí)生成不同視點(diǎn)的場(chǎng)景畫面，其缺點(diǎn)在于交互性不強(qiáng)；混合建模技術(shù)是將幾何建模技術(shù)與圖像建模技術(shù)結(jié)合，利用幾何建模技術(shù)生成標(biāo)準(zhǔn)的圖形庫(kù)，利用圖像建模技術(shù)將照片轉(zhuǎn)化為三維模型(見圖2)的紋理和形狀，這樣不僅能夠大幅減少紋理創(chuàng)作的工作量，同時(shí)真實(shí)程度更好。

圖2 三維船舶模型

在本訓(xùn)練平臺(tái)中，使用混合建模技術(shù)，利用3D Studio Max場(chǎng)景建模工具完成三維船舶建模工作。船舶三維建模流程如下[1-2](見圖3)：①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，包括資料收集整理，編寫策劃文檔，制定模型制作及命名規(guī)則；②制作簡(jiǎn)模，包括合理分布模型密度、合并相同材質(zhì)模型、避免出現(xiàn)2個(gè)面片間距過(guò)近、刪除不可見的面片等；③為模型指定材質(zhì)，運(yùn)用貼圖烘培技術(shù)表現(xiàn)模型物體的光照和陰影效果，目前對(duì)三維模型的渲染主要通過(guò)2種方式予以實(shí)現(xiàn)，即靜態(tài)烘焙與基于著色器的局部動(dòng)態(tài)光照模型；④模型整合。

圖3 建模流程

2.2 三維場(chǎng)景交互技術(shù)

三維場(chǎng)景交互技術(shù)中關(guān)鍵技術(shù)包括碰撞檢測(cè)技術(shù)和虛擬漫游技術(shù)。本文碰撞檢測(cè)技術(shù)采用層次包圍盒的方法[3]，根據(jù)船舶各設(shè)備的特點(diǎn)綜合運(yùn)用SphereCollider，WheelCollider，BoxCollider和Mesh-Collider這4種碰撞檢測(cè)包圍盒。

主要使用第一人稱手動(dòng)漫游和第三人稱手動(dòng)漫游，完成三維虛擬船舶上的漫游，以及操作設(shè)備的同時(shí)觀察另一視角的畫面。另外第一人稱自動(dòng)漫游和第三人稱自動(dòng)漫游都是以自動(dòng)尋路為主[4]。

第一人稱視角手動(dòng)漫游，每個(gè)更新周期內(nèi)，根據(jù)鼠標(biāo)傳入的變化量更新攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣，計(jì)算攝像機(jī)的位置以及觀察點(diǎn)的位置。

第三人稱視角手動(dòng)漫游，與第一人稱視角手動(dòng)漫游類似，惟一不同點(diǎn)在于攝像機(jī)的位置和觀察目標(biāo)的位置需要通過(guò)算法確定。攝像機(jī)觀察位置的確定方法有2種：①觀察目標(biāo)與角色分離，令觀察目標(biāo)實(shí)時(shí)跟隨角色；②直接將角色作為觀察目標(biāo)。為了體現(xiàn)較為真實(shí)的跟隨感，采用第一種方法，利用虛擬力算法[5]，將角色作為引力點(diǎn)，吸引攝像機(jī)實(shí)時(shí)跟隨。攝像機(jī)自身位置利用公式確定。

(1)

式中：dfollow為攝像機(jī)與角色保持的距離；Mrot為旋轉(zhuǎn)矩陣。

2.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)技術(shù)

2.3.1 人機(jī)交互界面接口及輸入輸出設(shè)計(jì)原則

人機(jī)交互軟件接口的形式可分為：下拉型菜單、級(jí)聯(lián)型菜單、彈出框式菜單、工具欄菜單、圖標(biāo)式菜單、鏈接菜單。用圖表欄表示圖標(biāo)的功能按鈕是較為可行的方法，也是一種較為直觀的界面接口模式。

軟件交互界面的窗口設(shè)計(jì)(輸入和輸出設(shè)計(jì))需要根據(jù)信息的重要層次和清晰程度進(jìn)行科學(xué)的統(tǒng)籌規(guī)劃，要始終保持界面簡(jiǎn)潔明了大氣。根據(jù)眼視光學(xué)的特性在眼睛不容易發(fā)生疲勞或較容易集中精力的界面區(qū)域安排擺放較為重要的交互信息。幫助信息和較次要的提示信息盡量放在屏幕下方。界面表示效果是人機(jī)交互界面效果的最好體現(xiàn)。單一文字搭配形式單調(diào)易造成審美疲勞，用圖形代替文字，給用戶以更加直觀的印象，操作目的更加明確。

2.3.2 技術(shù)細(xì)節(jié)

人機(jī)交互界面中包含了多個(gè)組成元件，這些元件可實(shí)現(xiàn)不同功能。元件包含色彩、方向、形狀、位置和紋理等視覺特征。界面設(shè)計(jì)過(guò)程中，要盡可能多地使用能引起用戶視覺注意的元件。采用國(guó)際照明委員會(huì)L×a×b×色彩模型，在單一尺度下，元件視覺注意程度值的計(jì)算方法如下。

單一尺度下元件i的視覺注意程度值[7]為

參考圖形元件的用戶注意程度值，分析元件的重要性和使用頻率。采用兩兩比較的方法，每次比較相對(duì)重要的元件加一分，使用頻率高的加一分，完全對(duì)比后得到元件的重要度的總得分Ii和使用頻率的總得分Fi，通過(guò)加權(quán)的方法得到元件的重要性Si=αIi+βFi。根據(jù)元件的重要性程度，重新優(yōu)化初步設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面。

2.4 船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

坐標(biāo)系采用慣性坐標(biāo)系和附體坐標(biāo)系，見圖4。o0x0y0z0為固定于地球表面的慣性坐標(biāo)系；oxyz為附體坐標(biāo)系，為簡(jiǎn)化方程將原點(diǎn)取在船舶重心處。

圖4 慣性坐標(biāo)系及附體坐標(biāo)系

根據(jù)船舶操縱性分離模型(MMG)理論，分別計(jì)算船舶6自由度動(dòng)力學(xué)方程[8]中螺旋槳和舵自身產(chǎn)生的力及力矩、作用于裸船體、螺旋槳、舵上的外力和力矩(包括風(fēng)、浪的干擾力和力矩)。在計(jì)算過(guò)程中，需要用到船舶運(yùn)動(dòng)輔助方程，參考文獻(xiàn)[9-10]計(jì)算縱向、橫向和垂向的位移及歐拉角等未知量。

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

利用3DMax場(chǎng)景建模工具建立整船三維模型，在Unity3D場(chǎng)景開發(fā)平臺(tái)下，開發(fā)人機(jī)交互界面，調(diào)用三維視景庫(kù)及船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，驅(qū)動(dòng)三維船舶在場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)與交互，建立基于三維虛擬船舶的駕駛員訓(xùn)練平臺(tái)。

3.1 主界面設(shè)計(jì)

主界面的功能需求為：①可以在全船快速漫游；②設(shè)備操作時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需求看到不同的視角；③部分設(shè)備操作所需工具的放置問題；④多人操作功能的實(shí)現(xiàn)與觸發(fā)；⑤船員訓(xùn)練時(shí)，實(shí)現(xiàn)輔助信息提示功能；⑥實(shí)現(xiàn)考試相關(guān)功能的設(shè)置。

根據(jù)功能需求，結(jié)合人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)理論，主界面采用級(jí)聯(lián)菜單的方式，一級(jí)目錄使用圖標(biāo)的形式，擺放于主界面的左上角，不用時(shí)可收起。經(jīng)過(guò)元件重要程度計(jì)算后，圖標(biāo)布局見圖5，從左到右依次為二維導(dǎo)航、三維導(dǎo)航、工具、零件庫(kù)、輔助窗口、輔助控制命令、輔助信息顯示、考試信息相關(guān)設(shè)置。

圖5 主界面UI

主界面效果如圖6所示。

圖6 訓(xùn)練平臺(tái)人機(jī)交互界面

在功能方面，二維導(dǎo)航和三維導(dǎo)航滿足了快速定位方面的需求(圖6a)，左上角為二維導(dǎo)航，右上角為三維導(dǎo)航)，用戶可以快速定位到整船平臺(tái)的任意位置，與此同時(shí)，也會(huì)對(duì)整船有一個(gè)整體上的認(rèn)識(shí)。實(shí)船上一些操作需要用到工具，如果每次都要到工具間取工具太過(guò)麻煩，因此，將工具單獨(dú)放在主菜單中(圖6c)，左上角選項(xiàng)列表)；船上羅經(jīng)等設(shè)備需要拆裝，拆下來(lái)的零件自動(dòng)進(jìn)入零件庫(kù)，安裝的時(shí)候在零件庫(kù)中取出即可(圖6c)，左上角選項(xiàng)列表)。實(shí)船中，操作某些設(shè)備時(shí)(如救生艇)，操作者經(jīng)常會(huì)關(guān)注不同的區(qū)域，人機(jī)交互界面中的輔助窗口將顯示操作者所關(guān)注的另一視角。在整船平臺(tái)中自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前操作者所做的操作，并在輔助窗口中顯示具體的區(qū)域(圖6d)，右上角窗口)。船舶生產(chǎn)實(shí)際中，經(jīng)常需要多人協(xié)助操作，在整船平臺(tái)中，利用輔助控制命令控制虛擬化身的方式，實(shí)現(xiàn)多人操作的效果(圖6d)，左上角選項(xiàng)列表)。出于訓(xùn)練方面的考慮，當(dāng)漫游到整船平臺(tái)的某一部位時(shí)，專家系統(tǒng)將會(huì)給出部位的名稱，并顯示在右下角輔助信息區(qū)域，如果操作該設(shè)備，專家系統(tǒng)會(huì)將該設(shè)備的操作注意事項(xiàng)顯示在該區(qū)域，如果出現(xiàn)誤操作，專家系統(tǒng)會(huì)將警告信息顯示在左下角(圖6a)，右下角窗口)。利用考試信息相關(guān)設(shè)置菜單項(xiàng)，可以設(shè)置考試相關(guān)信息，進(jìn)而檢驗(yàn)訓(xùn)練的效果，這里包括單人操作，以及多人在聯(lián)網(wǎng)的情況下的協(xié)作(圖6b)，左上角選項(xiàng)列表及中部窗口)。

3.2 船舶三維模型及運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型建模

針對(duì)散貨船“長(zhǎng)山?！陛啠鶕?jù)前述三維建模技術(shù)，建立三維船舶模型；根據(jù)船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型建模技術(shù)建立船舶運(yùn)動(dòng)6自由度數(shù)學(xué)模型，模型精度基本可以滿足訓(xùn)練平臺(tái)的要求。

“長(zhǎng)山?！笨傞L(zhǎng)189.99 m；兩柱間長(zhǎng)185 m；船寬32.26 m；型深18 m；設(shè)計(jì)吃水11.3 m；方形系數(shù)0.848 3；棱形系數(shù)0.851 8；滿載排水量56 907.13 m3；壓載排水量23 861.73 m3；型排水體積57 209.0 m；縱距0.35 nm；橫距0.18 N·m；滿舵應(yīng)舵時(shí)間28 s。

3.3 數(shù)據(jù)接口

整船平臺(tái)是整個(gè)訓(xùn)練平臺(tái)的核心，其他模塊需要與其連接，為其傳輸數(shù)據(jù)，或者受其控制，因此，需要定義好整船平臺(tái)與各模塊之間的數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)接口選擇共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)，整船平臺(tái)以及各模塊均向共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)，并讀取該共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。另外，每個(gè)模塊輸出的數(shù)據(jù)需要存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于日后數(shù)據(jù)分析與維護(hù)。由于篇幅關(guān)系，數(shù)據(jù)接口的具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)此處不再展開。

4 實(shí)例分析

以船舶進(jìn)港操作為例，操作分為2部分，其一是船舶進(jìn)出港操縱避碰方面的內(nèi)容，另一個(gè)是整船三維設(shè)備的操作。

4.1 船舶離港航行

航行環(huán)境設(shè)置：北風(fēng)3級(jí)，漲潮流0.1 kn，滿載離港航行，一條目標(biāo)船。出港航行，初始狀態(tài)已經(jīng)離開泊位，在港內(nèi)以1 kn的速度航行。訓(xùn)練開始后，學(xué)員可以和駕駛真實(shí)船舶一樣，操作三維船舶中車舵等設(shè)備，控制船舶的姿態(tài)，使其在三維場(chǎng)景中運(yùn)行；同時(shí)，可以走到橋樓甲板左右舷觀察周圍目標(biāo)的動(dòng)態(tài)(圖7a)和b))，也可以在駕駛室中觀察(圖7c))；在練習(xí)結(jié)束后，調(diào)用智能評(píng)估模塊，給出評(píng)估成績(jī)(圖7d))。

圖7 船舶離港航行

4.2 船體三維設(shè)備操作

圖8 甲板設(shè)備操作(貨艙)

以貨艙操作為例，開艙過(guò)程中如果出現(xiàn)錯(cuò)誤項(xiàng)，界面左下角會(huì)有警告提示。如圖8所示，當(dāng)前在操作操縱桿，準(zhǔn)備開艙，右下角提示當(dāng)前選中項(xiàng)以及該項(xiàng)的操作方式；艙并未開啟，原因在于當(dāng)前貨艙圍緊(艙蓋水密裝置)未完全打開，艙蓋無(wú)法開啟，左下角給出了警告提示信息“有圍緊未打開”。

5 結(jié)論

構(gòu)建基于三維虛擬船舶的駕駛員實(shí)操訓(xùn)練平臺(tái)，在該平臺(tái)上，可以對(duì)船舶駕駛員的船舶操縱避碰技術(shù)、船舶甲板設(shè)備使用以及消防救生設(shè)備使用等進(jìn)行系統(tǒng)的訓(xùn)練。該平臺(tái)不受時(shí)間和場(chǎng)地的限制，學(xué)員隨時(shí)可以進(jìn)行上述訓(xùn)練；另外，在訓(xùn)練過(guò)程中和訓(xùn)練結(jié)束后平臺(tái)會(huì)自動(dòng)給出相應(yīng)的提示和改進(jìn)建議，這是傳統(tǒng)大型船舶操縱模擬器所不具備的。

在平臺(tái)開發(fā)過(guò)程中，難點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：系統(tǒng)運(yùn)行效率、整船設(shè)備人機(jī)交互方式與實(shí)船設(shè)備使用的沖突平衡問題、輔助信息自動(dòng)提示及操縱過(guò)程的智能評(píng)價(jià)。在后續(xù)的研究中，可考慮針對(duì)上述問題做進(jìn)一步研究，例如，在保證模型真實(shí)度的情況下，對(duì)模型作進(jìn)一步精簡(jiǎn)；開發(fā)更多的功能模塊，如船舶裝卸貨作業(yè)、接送引航員的操作、自由降落式救生艇的釋放與回收操作等；研究船舶自身設(shè)備操縱規(guī)律，訓(xùn)練過(guò)程中，更加智能地給出錯(cuò)誤提示及修正建議等。

[1] 李治軍.基于Unity3D的船舶舵機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)與研究[D].大連:大連海事大學(xué),2014:27-28.

[2] 曾鴻.視景仿真技術(shù)在輪機(jī)模擬器的應(yīng)用研究[D].大連:大連海事大學(xué)，2012:11-14．

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Development of a Training Platform for Ship Officers Based on the Three Dimensional Virtual Ship

WANGDe-long1,RENHong-xiang1,ZHUYao-hui2

(1.Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China;2.Examination Center, China Maritime Service Center, Beijing 100029, China)

With the implementation of the Manila amendment to the STCW convention, more and more attentions were focused on ship officers’ training. So, it is necessary to develop a training platform without the limitation of time and place. A human-computer interaction interface was designed and optimized. 3D models of ship, port, navigation marks, small islands etc. were established. A ship motion mathematical model with six degrees of freedom was set up based on the separate modeling theory of maneuvering. By using 3D scene roaming technology, collision detection technology and 3D interaction technique, the assessment results and auxiliary information of the training could be shown in time. In this platform, the training and examination can be done, including the deck equipment operation and maintenance, the maneuvering of ship entering or leaving port, ship collision avoidance, etc. It is shown that this training platform can meet the requirements of the convention on ship officers’ training.

shipping; training platform; virtual reality; ship maneuvering; assessment

U675.79

A

1671-7953(2017)06-0191-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.043

2017-02-04

2017-03-01

國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2015AA016404)；交通部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014329225370)

王德龍(1986—)，男，博士生

研究方向：交通信息工程及控制，船舶操縱避碰理論，智能評(píng)估