陶 瑞， 任鴻翔

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院, 遼寧 大連 116026)

船舶火災(zāi)是威脅船舶運(yùn)營安全的一大隱患,不僅會造成財(cái)產(chǎn)損失,還會危及船上人員生命。為檢驗(yàn)船員對船上各部位可能發(fā)生的火災(zāi)的應(yīng)急處理能力、對個(gè)人應(yīng)變?nèi)蝿?wù)的熟悉程度及應(yīng)急過程中船員之間的相互支援和協(xié)調(diào)程度，進(jìn)行消防演練是很有必要的。[1]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，花費(fèi)大,污染環(huán)境，且受時(shí)間、資金等因素的限制，這些演習(xí)的實(shí)際作用相對有限。

近年來,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在船舶消防領(lǐng)域的應(yīng)用引起一定的關(guān)注。[2]尤其是針對非常復(fù)雜的場景和危險(xiǎn)度較高的環(huán)境，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢。[3]固定水滅火系統(tǒng)是船舶必備的一種最基本和最有效的滅火系統(tǒng)。本文對三維場景漫游、虛擬設(shè)備交互和虛擬輔助船員路徑規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，基于HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔和Unity 3D引擎，開發(fā)船舶固定水滅火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

當(dāng)船舶發(fā)生火災(zāi)時(shí)，探火及失火報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。全體人員集合，按照應(yīng)變部署表的要求到達(dá)指定集合位置。探火員穿戴消防設(shè)備進(jìn)行探火，根據(jù)失火位置及火勢確定滅火措施。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在貨艙、生活區(qū)等密閉空間內(nèi)時(shí)，一般采用固定二氧化碳滅火系統(tǒng)滅火，同時(shí)采用固定水滅火系統(tǒng)進(jìn)行外圍冷卻；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在甲板等空曠位置時(shí)，可直接采用固定水滅火系統(tǒng)滅火。

固定水滅火系統(tǒng)是船舶消防系統(tǒng)的重要組成部分，由消防泵、消防栓、消防水帶、水槍和國際通岸接頭等組成。消防泵通過海水吸入閥吸入船外的海(江、河)水，通過消防水管、消火栓及水帶上的消防水槍將其噴到船上發(fā)生火災(zāi)的部位，達(dá)到滅火目的。依據(jù)《SOLAS公約》對船舶防火內(nèi)容的要求，固定水滅火系統(tǒng)的訓(xùn)練需由多人合作完成，具體訓(xùn)練內(nèi)容包括：消防泵開關(guān)的操作、槍頭的使用、消防水帶的鋪設(shè)與回收和消防栓的使用等。船舶固定水滅火系統(tǒng)訓(xùn)練流程見圖1。

實(shí)現(xiàn)船舶固定水滅火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要需完成3項(xiàng)任務(wù),即：建立船舶消防設(shè)備的三維模型；實(shí)現(xiàn)各船舶消防設(shè)備的虛擬漫游和交互操作；使用消防設(shè)備完成消防訓(xùn)練。

1.2 協(xié)同工作方式

固定水滅火系統(tǒng)的訓(xùn)練需2～4人協(xié)作完成。在滅火訓(xùn)練中，主要考察學(xué)員對設(shè)備的熟悉程度及學(xué)員之間的協(xié)作能力。根據(jù)實(shí)際操作的需要及分工的不同，該系統(tǒng)設(shè)定水手1、水手2和水手3等3個(gè)角色。水手1負(fù)責(zé)打開消防泵，消防泵可通過吸入閥吸入船外的海(江、河)水,再通過水帶將其噴到船上任何失火部位；水手2取出水帶鋪設(shè)到指定地點(diǎn)，并連接消防栓；水手3取出槍頭，并連接水帶。連接完畢之后，水手2打開消防栓閥門。由于水流流速過快，水帶不易控制，水手2需迅速跑到水手3旁邊輔助其噴水。

為提高系統(tǒng)的靈活性，本文設(shè)計(jì)兩種協(xié)同方式,即:學(xué)員與虛擬輔助船員之間的協(xié)同和多個(gè)學(xué)員之間的協(xié)同。學(xué)員與虛擬輔助船員之間的協(xié)同是指學(xué)員選擇一個(gè)角色，另外2個(gè)角色為虛擬輔助船員，學(xué)員可通過系統(tǒng)提供的輔助菜單“命令”輔助船員對設(shè)備進(jìn)行操作，學(xué)員與虛擬輔助船員“配合”完成訓(xùn)練；多個(gè)學(xué)員之間的協(xié)同是指3個(gè)學(xué)員分別以3個(gè)水手的角色登錄系統(tǒng)，學(xué)員通過局域網(wǎng)協(xié)同工作，并可在虛擬場景中看到另外2個(gè)學(xué)員的操作，3人協(xié)同完成訓(xùn)練。

1.3 開發(fā)工具及設(shè)備的選擇

1.3.1Unity3D

Unity 3D 是一種性能卓越的三維虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺,以圖形化開發(fā)環(huán)境為首要方式，界面友好，具有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)程序編譯能力。相比其他虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺，Unity最大的特點(diǎn)是多平臺開發(fā),現(xiàn)已支持Windows、Mac OS及Android等平臺，故該系統(tǒng)選擇Unity 3D作為開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)固定水滅火系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練功能。

1.3.2HTC VIVE頭盔

傳統(tǒng)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)一般使用鍵盤和二自由度的鼠標(biāo)作為輸入設(shè)備，使用二維顯示器或投影屏幕作為輸出顯示設(shè)備。考慮到現(xiàn)實(shí)世界是三維空間，人們在生活中學(xué)習(xí)了很多操縱三維物體及在三維空間中運(yùn)動的技能，能很好地理解三維空間的關(guān)系。[4]HTC VIVE頭盔是目前市場上最新的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔產(chǎn)品，通過3個(gè)部分為用戶提供沉浸式體驗(yàn)：1個(gè)頭戴式顯示器、2個(gè)單手持控制器和1個(gè)能在空間內(nèi)同時(shí)追蹤顯示器和控制器的定位系統(tǒng)。因此，該系統(tǒng)將HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔應(yīng)用于模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，通過頭戴顯示器呈現(xiàn)的三維立體場景給用戶更強(qiáng)的沉浸感，利用三維交互方式使人機(jī)交互更為自然、和諧。

2 系統(tǒng)開發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)

船舶固定水滅火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的主要開發(fā)流程見圖2。

2.1 系統(tǒng)場景及界面搭建

2.1.1三維場景建模

建立逼真的船舶消防設(shè)備三維模型是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文以巴拿馬型散貨船“長山?！陛啚槟感痛?，建立消防控制室及消防設(shè)備等三維實(shí)體模型。根據(jù)《STCW公約》的規(guī)定，船上至少配備2臺獨(dú)立的消防泵，放置于消防控制站,消防水帶及消防栓按要求放置在船舶上。

前期在“長山?！陛喩线M(jìn)行現(xiàn)場拍照和錄像，并收集相關(guān)資料，制訂模型制作及命名規(guī)則。在此基礎(chǔ)上，制作船舶消防設(shè)備的幾何模型,并為模型附上材質(zhì)和貼圖；隨后，設(shè)置燈光位置和強(qiáng)度等對模型進(jìn)行渲染[5]；最后，將所有渲染好的模型整合到船上。圖3和圖4分別為部分消防設(shè)備的三維模型及“長山?！闭S場景模型。

2.1.2立體式界面開發(fā)

傳統(tǒng)的“HUD”式UI界面有2個(gè)特點(diǎn)[6]：

(1) HUD畫面是離攝像機(jī)鏡頭最近的物體，其他物體都會被HUD擋??；

(2) HUD在屏幕上的位置是不變的，且有很多組件在屏幕的邊緣。

這2點(diǎn)在VR中很難被接受。首先，距離太近會使學(xué)員的眼睛無法聚焦；其次，VR中的屏幕不是矩形的，邊緣一般比較模糊，因此將UI放在邊緣會看不清楚；同時(shí),若位置是固定的，不受視野控制，則會變得更不自然。

本文采用“立體”式UI代替“HUD”式UI，即UI不再集中于一個(gè)平面上。將界面懸浮于VIVE手柄上方，當(dāng)學(xué)員操作界面時(shí)，只需低頭或?qū)⑹直玫揭曇胺秶鷥?nèi)即可。

該系統(tǒng)的立體界面主要包含環(huán)境設(shè)置、局域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)、導(dǎo)航菜單、輔助命令菜單和設(shè)備提示信息等功能。環(huán)境設(shè)置可設(shè)置起火位置、火勢大小和選擇角色等(見圖5)；導(dǎo)航菜單位于主界面左上方，可使學(xué)員瞬移至整船某個(gè)位置，方便學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練(見圖6)；輔助命令菜單位于主界面左上方，與導(dǎo)航菜單之間是互斥關(guān)系，實(shí)現(xiàn)學(xué)員與虛擬船員之間的“溝通”，完成滅火作業(yè)(見圖7);提示信息位于主界面右下方，學(xué)員操作設(shè)備時(shí)，在提示信息界面內(nèi)顯示該設(shè)備的相關(guān)提示信息，包括設(shè)備名稱、當(dāng)前狀態(tài)及操作提示信息等。UI整體布局見圖8。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

船上配備有眾多消防栓和消防皮龍箱，當(dāng)采用學(xué)員與虛擬輔助船員協(xié)同操作的方式時(shí)，學(xué)員操作設(shè)備的過程與虛擬船員不盡相同。學(xué)員通過射線瞬移的方式漫游至各處操作設(shè)備，虛擬船員則按照實(shí)時(shí)規(guī)劃的路徑到各處操作設(shè)備。本文從場景漫游、虛擬設(shè)備交互和路徑規(guī)劃等3個(gè)方面介紹關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)過程。

2.2.1場景漫游

該系統(tǒng)的漫游方式主要有連續(xù)漫游和快速瞬移2種。連續(xù)漫游類似于游戲中的角色控制移動,通過手柄圓盤鍵設(shè)置固定步長，連續(xù)控制視角進(jìn)行移動。連續(xù)漫游的實(shí)現(xiàn)比較簡單，在此不再贅述。快速瞬移的基本原理是從手柄上發(fā)出一條射線，射線與場景中的甲板或樓梯的相交點(diǎn)即為要瞬移的位置。由于船上空間狹小，當(dāng)傳統(tǒng)直線瞬移的前方有障礙物或目標(biāo)位置高于出發(fā)點(diǎn)時(shí)，相交的傳送點(diǎn)常常不準(zhǔn)確，導(dǎo)致學(xué)員在使用過程中無法及時(shí)完成操作。

為此，采用貝塞爾曲線代替直線實(shí)現(xiàn)快速瞬移。當(dāng)前方有障礙物或目標(biāo)點(diǎn)高于出發(fā)點(diǎn)時(shí)，貝塞爾曲線是一條平滑的曲線，將以固定角度和固定長度的連線獲得相交點(diǎn)的位置。

在空間給定n+1個(gè)點(diǎn)P0，P1，P2，…，Pn，利用式(1)構(gòu)建的參數(shù)曲線即為n次貝塞爾曲線。[7]稱P0，P1，P2，…，Pn各點(diǎn)為P(t)的控制頂點(diǎn)。

(1)

構(gòu)造貝塞爾曲線的關(guān)鍵在于找到合適的控制點(diǎn)。在該系統(tǒng)中，采用三控制點(diǎn)構(gòu)造二次參數(shù)貝塞爾曲線。設(shè)整個(gè)場景的世界坐標(biāo)系為O-XYZ，手柄自身坐標(biāo)系為O-UVN，在構(gòu)造貝塞爾曲線之前，將場景中的物體設(shè)為可瞬移區(qū)域(甲板、樓梯等)和不可瞬移區(qū)域(墻壁、貨艙蓋等)。以手柄N軸(手柄的正前方)方向無障礙物為例進(jìn)行說明(見圖9)。當(dāng)學(xué)員按下手柄的圓盤鍵時(shí)，以手柄在虛擬場景中的位置為起點(diǎn)A，向N軸方向發(fā)出一條射線L1(長度可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整)。此時(shí)進(jìn)行碰撞判斷，若射線沒有碰撞任何物體，則以射線的終點(diǎn)B為起點(diǎn)，向世界坐標(biāo)系的Y軸(正上方)反方向發(fā)出一條無限長的射線L2。若L2碰撞到的物體為可瞬移區(qū)域，則碰撞點(diǎn)即為要傳送的位置C。點(diǎn)A、點(diǎn)B和點(diǎn)C即為需要的控制點(diǎn)。在得到曲線之后，改變其參數(shù)u得到一組曲線上的位置。在各位置上放置一個(gè)綠色球體，標(biāo)志可瞬移，實(shí)現(xiàn)曲線的可視化(見圖10)。若L2碰撞到的物體為不可瞬移區(qū)域，則用紅色球體構(gòu)造貝塞爾曲線，標(biāo)志不可瞬移。利用貝塞爾曲線實(shí)現(xiàn)快速瞬移的流程見圖11。

2.2.2虛擬設(shè)備交互

系統(tǒng)中的設(shè)備交互主要為學(xué)員通過手柄對虛擬場景中的設(shè)備進(jìn)行操作，交互方式主要有射線方式和觸碰方式2種。前者需判斷手柄發(fā)出的射線是否與設(shè)備相交，后者需判斷手柄是否與設(shè)備“接觸”，若相交或接觸，則學(xué)員可對設(shè)備進(jìn)行具體操作。2種交互方式各有特點(diǎn)，其中：射線方式適用于被操作設(shè)備較密集的情況；觸碰方式更適用于被操作設(shè)備比較分散的情況,如消防栓分散在場景內(nèi)的多個(gè)位置的時(shí)候。不論采用哪種方式,都要進(jìn)行碰撞檢測。

場景中的設(shè)備若需感應(yīng)碰撞，必須為其添加碰撞器。Unity引擎為對象提供盒子碰撞器(Box Colli-der)、球體碰撞器(Sphere Collider)、膠囊碰撞器(Capsule Collider)、網(wǎng)格碰撞器(Mesh Collider)和車輪碰撞器(Wheel Collider)等5種碰撞器。根據(jù)物體形狀的特點(diǎn)選擇碰撞器，可減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，提高系統(tǒng)的流暢度。模擬設(shè)備交互操作的過程為

(1) 根據(jù)設(shè)備位置的不同，選擇適當(dāng)?shù)慕换シ绞?

(2) 為每個(gè)設(shè)備添加合適的碰撞器檢測射線或觸碰;

(3) 編寫腳本,當(dāng)檢測到碰撞時(shí)，設(shè)備以編輯好的規(guī)律運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作的模擬。

2.2.3路徑規(guī)劃

船舶空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，船上消防設(shè)備眾多。當(dāng)學(xué)員“命令”虛擬輔助船員去某一地點(diǎn)操作設(shè)備時(shí)，需解決虛擬輔助船員的路徑規(guī)劃問題。目前路徑規(guī)劃算法有很多，如人工勢場法[8]、遺傳算法[9]及A*算法[10]等。A*算法適用于場景環(huán)境信息已知、尋路過程中環(huán)境變化較少的情況。針對船舶特定的環(huán)境，選擇A*算法進(jìn)行虛擬船員的路徑規(guī)劃。

A*算法是人工智能中典型的啟發(fā)搜索算法，利用啟發(fā)信息找到以最小的代價(jià)通向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。該算法的核心是一個(gè)估價(jià)函數(shù),即

f(n)=g(n)+h(n)

(2)

式(2)中：f(n)為從起始節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最短路徑的代價(jià)和;g(n)為從起始節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)n的實(shí)際代價(jià);h(n)為從節(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最短路徑的估計(jì)代價(jià)。

A*尋路網(wǎng)格有基于單元的導(dǎo)航圖、基于可視點(diǎn)的導(dǎo)航圖和導(dǎo)航網(wǎng)格等3種。與前2種導(dǎo)航圖相比，導(dǎo)航網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行精確的點(diǎn)到點(diǎn)移動,這對于船舶空間狹小的環(huán)境來說非常適合，故本文采用導(dǎo)航網(wǎng)格。具體實(shí)現(xiàn)過程如下。

(1) 網(wǎng)格鋪設(shè)。根據(jù)“長山?！陛喌膶?shí)際情況，在確定需導(dǎo)航的范圍之后，對模型分層進(jìn)行標(biāo)識,分為可行走區(qū)域?qū)雍驼系K物層。給場景中的物體(如地面、樓梯等)添加網(wǎng)格碰撞器。按照物體的層級鋪設(shè)導(dǎo)航網(wǎng)格。

(2) 角色設(shè)置。為虛擬船員添加角色控制器，防止其在尋路過程中被其他模型穿過。設(shè)置虛擬船員的高度和上樓梯坡度等參數(shù)，為每名船員添加A*尋路算法的腳本。創(chuàng)建動畫狀態(tài)機(jī)，根據(jù)實(shí)際情況切換站立、行走及操作設(shè)備等動畫。

(3) 尋路過程。定義一個(gè)二維數(shù)組保存導(dǎo)航網(wǎng)格中的所有節(jié)點(diǎn)。創(chuàng)建2個(gè)節(jié)點(diǎn)列表,分別將可行走節(jié)點(diǎn)和不可行走節(jié)點(diǎn)添加到列表中，供A*算法尋路時(shí)調(diào)用。當(dāng)學(xué)員“命令”虛擬船員打開消防栓時(shí)，虛擬船員即從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)開始尋路。用估價(jià)函數(shù)比較當(dāng)前節(jié)點(diǎn)周圍各節(jié)點(diǎn)的f值大小，選擇代價(jià)較小的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展，直到路徑的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，尋路結(jié)束。

2.2.4粒子特效

在固定水滅火系統(tǒng)訓(xùn)練中，消防槍噴出的水柱及火焰的渲染是一個(gè)難點(diǎn)。在虛擬環(huán)境中，大部分場景元素(如角色、物件、碰撞體等)都屬于網(wǎng)格模型，一般利用3DS Max和Maya等工具建模，并導(dǎo)入到場景中；但若要在場景中模擬煙霧、火焰、云彩及水滴等效果，則需用到粒子系統(tǒng)。粒子系統(tǒng)會連續(xù)、高效地發(fā)射大量運(yùn)動的簡單粒子單元，以模擬各類復(fù)雜的自然現(xiàn)象和特技效果。粒子的模擬過程主要包括以下3個(gè)步驟：

(1) 初始化。確定模擬對象，分析物體的運(yùn)動規(guī)律，對模擬對象的粒子數(shù)及每個(gè)粒子的生命值、位置、速度、加速度和顏色等信息進(jìn)行初值設(shè)定。

(2) 繪制。選擇大小合適的紋理，搭配合適的色彩，繪制粒子當(dāng)前的狀態(tài)。

(3) 更新。對所有粒子的生命周期、位置、速度、加速度和顏色等信息進(jìn)行更新，以便下次繪制。

下面以火焰的渲染為例介紹其實(shí)現(xiàn)過程?；鹧娣譃閮?nèi)焰、外焰和煙霧等3部分。在場景中創(chuàng)建3個(gè)Particle System分別模擬這3部分的效果。通過調(diào)節(jié)粒子數(shù)、粒子大小和顏色等特征項(xiàng)，在微觀上實(shí)現(xiàn)對內(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)粒子的生命周期、速度等信息，使火焰符合實(shí)際場景，實(shí)現(xiàn)火焰的動態(tài)效果模擬(見圖12)；將三者結(jié)合在一起，使火焰模擬的效果更加逼真。水柱效果的實(shí)現(xiàn)與火焰效果的實(shí)現(xiàn)類似，此處不再贅述。

3 訓(xùn)練實(shí)例

基于以上技術(shù)，開發(fā)船舶固定水滅火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。下面僅以貨艙失火，采用學(xué)員與虛擬輔助船員協(xié)同的方式開展固定水滅火訓(xùn)練為例進(jìn)行說明。

設(shè)置起火位置和火勢大小等環(huán)境信息(如圖5所示)。按照圖1所示的流程進(jìn)行演習(xí)，學(xué)員與虛擬船員分工明確。駕駛室煙霧探測面板發(fā)出報(bào)警(見圖13)，值班駕駛員發(fā)出全船警報(bào)。在消防控制站打開消防泵，發(fā)現(xiàn)消防泵動力失常，“命令”虛擬船員打開應(yīng)急消防泵(見圖14)。學(xué)員漫游至貨艙1，取出水帶，鋪設(shè)到指定地點(diǎn)，并連接消防栓；虛擬船員取出槍頭(見圖15)，并連接水帶。打開消防栓(見圖16)，對貨艙壁進(jìn)行降溫。待火焰熄滅之后，回收整理消防設(shè)備，演習(xí)完畢。

學(xué)員在操作過程中，系統(tǒng)會完整地記錄相關(guān)的操作步驟及結(jié)果數(shù)據(jù)。記錄數(shù)據(jù)之后，采用專家法與隸屬度函數(shù)[11]相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)消防訓(xùn)練的評估。評估方法見文獻(xiàn)[11],此處不再贅述。

4 結(jié)束語

本文基于HTC VIVE開發(fā)實(shí)現(xiàn)固定水滅火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可為學(xué)員的操作提供更多自由度，捕捉學(xué)員的位置和手勢來完成復(fù)雜的交互任務(wù)。該系統(tǒng)可降低培訓(xùn)成本，且培訓(xùn)不再受場地和時(shí)間的限制，培訓(xùn)效果較好。在后續(xù)研究中，可關(guān)注以下2方面：

1) 本文只針對固定水滅火系統(tǒng)的訓(xùn)練進(jìn)行模擬，一個(gè)功能完備的船舶消防模擬訓(xùn)練系統(tǒng)還應(yīng)包括自動噴水系統(tǒng)、固定二氧化碳滅火系統(tǒng)和固定泡沫滅火系統(tǒng)等其他滅火系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練功能。

2) 提高火焰模擬的逼真度，并引入火災(zāi)蔓延模型。