李 震，韋乃琨，曹 磊，寧佳儀，張 磊

(1.哈爾濱工程大學 機電學院 黑龍江 哈爾濱 150001；2.上海船舶工藝研究所 上海 200032；3.船舶智能制造國家工程研究中心 上海 200032；4.中國船舶集團有限公司綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院 北京 100081)

0 引言

隨著科技的進步與數(shù)字化技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應用，我國造船業(yè)正面臨從傳統(tǒng)制造向智能制造的轉(zhuǎn)型升級，虛擬仿真技術(shù)也成為船舶工業(yè)提升核心競爭力的重要手段之一[1]。作為船舶工業(yè)“皇冠上的明珠”，郵輪產(chǎn)業(yè)在我國方興未艾，目前存在設計效率低、研制周期長、開發(fā)成本高等問題[2]。

虛擬仿真技術(shù)具有想象性、沉浸性、交互性等特點[3–4]。將虛擬仿真技術(shù)應用到郵輪全生命周期中的設計、建造和運營環(huán)節(jié)，可以在設計前期發(fā)現(xiàn)在建造或運營期間存在的各項問題，有利于在設計階段解決實體建造和運營時的回溯更改，從而更加有效地、經(jīng)濟地、柔性地組織生產(chǎn)[5–8]。虛擬現(xiàn)實仿真平臺具有良好的交互性、互操作性、拓展性與移植性和全生命周期等特點，但是現(xiàn)今研究更多的是關(guān)于虛擬仿真分析或基于虛擬仿真技術(shù)的工程實例演示，并沒有對系統(tǒng)的多因素協(xié)作性、可拓展性進行研究。HLA 高級體系架構(gòu)可以在同一網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的不同點之間進行協(xié)調(diào)一致的數(shù)據(jù)傳輸，這些點之間沒有直接連接，處于獨立狀態(tài)其為復雜仿真系統(tǒng)平臺搭建提供了有效解決方案[9–10]。

本文基于虛擬仿真技術(shù)應用特點，結(jié)合郵輪虛擬仿真需求，提出一種基于HLA 的郵輪全生命周期虛擬仿真平臺系統(tǒng)構(gòu)建解決方案，并對方案中的聯(lián)邦成員進行劃分及功能定義，給出較為詳細的設計原則及系統(tǒng)框架構(gòu)建方案。以某郵輪內(nèi)裝設計為應用實例，從系統(tǒng)平臺虛擬仿真功能需求出發(fā)，構(gòu)建內(nèi)裝設計仿真系統(tǒng)平臺框架，實現(xiàn)系統(tǒng)仿真功能驗證，形成對郵輪全生命周期虛擬仿真平臺構(gòu)建具有一定指導性的結(jié)論。以期達到提升郵輪虛擬仿真平臺應用框架的耦合性、可拓展性、互通性及交互性，加快虛擬仿真平臺研發(fā)速度的目的。

1 系統(tǒng)仿真需求及設計原則

1.1 系統(tǒng)仿真需求

郵輪全生命周期的作業(yè)流程主要分為設計、建造和運營3 個階段，針對這3 個階段關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)的仿真子系統(tǒng)種類及系統(tǒng)仿真功能需求進行總結(jié)梳理。

1.2 系統(tǒng)設計原則

根據(jù)虛擬仿真平臺的特點，在保證其交互性、內(nèi)聚性、擴展性、互通性的同時，結(jié)合郵輪生命周期中關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)的仿真需求，進行系統(tǒng)架構(gòu)設計時，應遵循如下原則：

1）最大化服用原則。保證各組織模塊互聯(lián)互通性良好，要適應多點服用、交叉服用的基本要求，物盡其用，使得服用達到最大化。服用包括系統(tǒng)構(gòu)件的服用和系統(tǒng)設計模式的使用等。

2）復雜問題簡單化原則。均衡協(xié)調(diào)各個仿真技術(shù)模塊之間的關(guān)系。

3）靈活擴展性原則。使用者能夠在初始系統(tǒng)架構(gòu)上進行二次或多次開發(fā)及更具體深入的開發(fā)。

2 系統(tǒng)平臺功能模塊劃分

根據(jù)所提出的系統(tǒng)仿真需求及設計原則，搭建出郵輪全生命周期虛擬仿真平臺系統(tǒng)基本架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 郵輪全生命周期虛擬仿真平臺系統(tǒng)基本架構(gòu)Fig.1 Basic architecture of cruise ship life cycle virtual simulation platform system

1）設計師、管理及體驗人員輸入模塊

設計師、管理及體驗人員輸入模塊主要包括郵輪全生命周期設計、建造、運營3 個階段的系統(tǒng)輸入接口，主要完成系統(tǒng)功能控制模塊、沉浸式交互模塊的交互行為。

2）實時計算模塊

實時計算模塊用于各類模型場景轉(zhuǎn)換、調(diào)用以及實時效果展示數(shù)據(jù)的實時計算，通過視景仿真模塊將計算結(jié)果可視化呈現(xiàn)。

表1 仿真子系統(tǒng)種類及系統(tǒng)仿真功能需求Tab.1 Types of simulation subsystems and functional requirements of system simulation

3）模型場景編輯模塊

模型場景編輯模塊主要任務是對設計師、管理人員的操作數(shù)據(jù)進行處理并實時展示操作結(jié)果。主要包含模型場景制作與修改功能，可進行繪圖、要素調(diào)用等功能操作來快速形成設計方案并展示。

設計方案評價模塊主要任務是對體驗人員的評價數(shù)據(jù)進行分析處理，形成體驗反饋結(jié)果。由評價庫與推理機構(gòu)成：評價庫用于儲存內(nèi)置評價標準；推理機用于判斷數(shù)據(jù)等級及結(jié)果。

5）數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、協(xié)同、發(fā)送功能。

6）模型數(shù)據(jù)管理模塊

模型數(shù)據(jù)管理模塊主要分為三維模型材質(zhì)庫、燈光及材質(zhì)庫、設備行為庫3 部分：三維模型庫用來存儲繪圖軟件生成的模型；燈光及材質(zhì)庫用來存儲自主構(gòu)建的內(nèi)置燈光及材質(zhì)信息；設備行為庫用于存儲整個管理模塊各部分模型的諸如粒子效果、基本行為運動等內(nèi)容。

7）系統(tǒng)功能控制模塊

系統(tǒng)功能控制模塊主要擔任總體控制角色，主要進行模型場景編輯、動畫控制以及設計方案評價等。模型場景編輯可通過系統(tǒng)程序進行各類應用場景選取及模型的加載、調(diào)用、移動、刪除等功能；模型場景動畫控制是通過對場景中各類模型的回溯更改、循環(huán)調(diào)用來實現(xiàn)場景優(yōu)化動態(tài)展示效果；設計方案評價可通過對所形成的空間設計方案進行綜合要素評估，形成用戶反饋信息，用于方案優(yōu)化。

8）沉浸式交互模塊

鑒于本文研究“深港通”開通前后兩地股市動態(tài)聯(lián)動性的變化，以“深港通”正式開通的時間為分界點，將樣本數(shù)據(jù)區(qū)間劃分為兩個階段分析：

沉浸式交互模塊是通過虛擬現(xiàn)實手段，為使用者提供從視、聽覺到場景漫游的全方位立體沉浸式體驗感。利用VR 軟件實現(xiàn)三維場景渲染并投影在立體大屏上，通過軟件自帶音效插件結(jié)合音響設備輸出音效，完成視覺及聽覺效果的沉浸式真實場景氛圍營造；場景漫游依托于交互硬件設備與軟件系統(tǒng)連接，來實現(xiàn)對整個場景的漫游操作。

上述框架能夠滿足當前系統(tǒng)的基本功能需求，但對于層級劃分以及系統(tǒng)實時性與互操性還有待進一步優(yōu)化。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設計方法研究

3.1 架構(gòu)層級優(yōu)化

郵輪全生命周期虛擬仿真應用系統(tǒng)，內(nèi)部功能模塊的數(shù)量龐大、關(guān)系錯綜復雜，這對系統(tǒng)架構(gòu)的設計提出了更高的要求，采用分層技術(shù)可以更好地解決上述問題。

針對郵輪全生命周期虛擬仿真應用系統(tǒng)平臺架構(gòu)進行層級優(yōu)化設計，如圖2 所示。該系統(tǒng)平臺共分為數(shù)據(jù)層、邏輯層及應用層3 個層級。數(shù)據(jù)層主要用于將邏輯層及應用層的數(shù)據(jù)計算結(jié)果以圖像的形式呈現(xiàn)視覺效果；邏輯層負責搭建虛擬仿真場景及場景邏輯關(guān)系控制；應用層是對郵輪全生命周期設計、建造、運營3 個關(guān)鍵階段仿真任務的功能系統(tǒng)集成，利用邏輯層控制各功能系統(tǒng)之間的關(guān)系。

圖2 架構(gòu)分層優(yōu)化設計Fig.2 Architecture layered optimization design

該基本架構(gòu)經(jīng)分層優(yōu)化，整體層次分明、數(shù)據(jù)流向清晰、總體性能更佳，令該系統(tǒng)的二次開發(fā)性、移植拓展性得到有效增強。

3.2 總體架構(gòu)設計

HLA 作為分布式交互仿真開發(fā)標準，包括規(guī)則、對象模型模板（OMT）和接口規(guī)范3 個部分，是一種支持軟件與模型重用的軟件體系架構(gòu)。其中，規(guī)則是作為模擬交互依據(jù)的對聯(lián)邦及其成員責任的一種描述，以服務的形式規(guī)范接口定義了聯(lián)合會成員之間的信息交互方式，包括必須提供的呼叫和回調(diào)服務；以程序運行支撐系統(tǒng)（Run Time Infrastructure，RTI）實現(xiàn)仿真過程中，仿真應用與底層通信的信息交換。

虛擬仿真系統(tǒng)是基于交互行為的仿真系統(tǒng)，需要模擬出郵輪中復雜的艙室環(huán)境和多樣化的操作行為。通過物理仿真引擎，可以實現(xiàn)動力學的仿真效果，如果直接將動力學仿真與視景仿真等融合，耦合度太大，難以滿足分布式仿真系統(tǒng)對重用性、互操作性與擴展性的需求，因此采用HLA 架構(gòu)體系搭建總體架構(gòu)。

根據(jù)郵輪全生命周期虛擬仿真系統(tǒng)的仿真需求及架構(gòu)層級優(yōu)化結(jié)果，對該系統(tǒng)進行總體架構(gòu)設計。郵輪全生命周期關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)是多種仿真操作場景的綜合，根據(jù)作業(yè)場景不同，將系統(tǒng)架構(gòu)劃分為22 個聯(lián)邦成員，通過RTI 中間件實現(xiàn)物理引擎與仿真引擎的信息交互，可實時驅(qū)動各仿真子系統(tǒng)的協(xié)同推進，如圖3 所示。

圖3 虛擬仿真平臺總體架構(gòu)設計Fig.3 Overall architecture design of virtual simulation platform

根據(jù)仿真需求不同，可將聯(lián)邦成員具體劃分為以下不同系統(tǒng)模塊：

1）設計階段。將聯(lián)邦成員分為內(nèi)裝設計仿真系統(tǒng)、船型設計仿真系統(tǒng)、布置設計仿真系統(tǒng)。該聯(lián)邦成員主要實現(xiàn)設計階段的關(guān)鍵業(yè)務，包括設計方案快速形成、場景編輯、交互展示等。

2）建造階段。將聯(lián)邦成員分為CAE 交互仿真系統(tǒng)、焊接工藝仿真系統(tǒng)、艙內(nèi)施工工藝仿真系統(tǒng)、協(xié)同裝配仿真系統(tǒng)、管系安裝仿真系統(tǒng)、空間作業(yè)維護仿真系統(tǒng)、分段設計仿真系統(tǒng)、搭載作業(yè)仿真系統(tǒng)、模塊化艙室吊裝工藝仿真系統(tǒng)等。該聯(lián)邦成員主要實現(xiàn)建造階段的關(guān)鍵業(yè)務，包括各類施工工藝、協(xié)同裝配、維護維修、動力仿真等方案設計仿真，以及場景動畫展示、交互等。

3）運營階段。將聯(lián)邦成員分為運營管理仿真系統(tǒng)和服務優(yōu)化仿真系統(tǒng)。該聯(lián)邦成員主要實現(xiàn)運營階段的關(guān)鍵業(yè)務，包括運維管理、服務體驗優(yōu)化的方案設計仿真，以及場景動態(tài)交互體驗仿真等。

4）公用系統(tǒng)。方案評價仿真系統(tǒng)、開發(fā)管理仿真系統(tǒng)是總體架構(gòu)中公用的子系統(tǒng)，可按需選擇與設計、建造、運營3 個階段的子系統(tǒng)進行集成，形成獨立/協(xié)同的操作系統(tǒng)。

5）設計師站及管理員站。該聯(lián)邦成員通過沉浸式交互方式，來進行運營管理、仿真進程控制、場景編輯、參數(shù)設置等系統(tǒng)功能實現(xiàn)，以及制定方案評分標準，并將這些信息形成內(nèi)置數(shù)據(jù)庫置入到系統(tǒng)中。

7）體驗員站。該聯(lián)邦成員通過沉浸式交互體6驗，將評價數(shù)據(jù)錄入到系統(tǒng)中，形成體驗反饋。

8）作業(yè)場景仿真。該聯(lián)邦成員用于實現(xiàn)設計、建造、運營3 個階段的多種作業(yè)場景演示功能，并將演示結(jié)果傳送到其他訂閱成員。

9）擴展成員。該聯(lián)邦成員主要作為預留的聯(lián)邦成員來提高系統(tǒng)的擴展性。

4 仿真系統(tǒng)平臺設計實例

4.1 仿真系統(tǒng)構(gòu)建

以某郵輪餐廳內(nèi)裝設計為研究實例，構(gòu)建虛擬仿真應用系統(tǒng)。根據(jù)郵輪全生命周期虛擬仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)，結(jié)合餐廳內(nèi)裝設計仿真需求，通過聯(lián)邦成員的擇取與搭配，形成郵輪餐廳內(nèi)裝設計虛擬仿真系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)設計Fig.4 System architecture design

該系統(tǒng)的各個模塊之間具有極強的實時性、互操性，通過模塊之間的運作，能夠清楚地表達各個交互模塊之間相互交流的狀態(tài)。通過圖4 各子系統(tǒng)之間的信息交互過程，得出系統(tǒng)架構(gòu)的功能數(shù)據(jù)路徑圖，如圖5 所示。

將內(nèi)裝設計仿真系統(tǒng)按功能數(shù)據(jù)路徑分為數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)支持和數(shù)據(jù)可視化3 個系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要是在數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對音像數(shù)據(jù)的處理、仿真需求的應答、交互數(shù)據(jù)的采集和計算；數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)是將已有的運動模型、家具模型、燈具模型、材質(zhì)模型等模型數(shù)據(jù)等整合成系統(tǒng)知識庫為系統(tǒng)運行提供數(shù)據(jù)支持；數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)是通過主控制界面的設計以及和相關(guān)功能的關(guān)聯(lián)實現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)的可視化展示。

4.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本文利用UE4 虛擬引擎實現(xiàn)系統(tǒng)平臺開發(fā)及功能可視化呈現(xiàn)。對該郵輪餐廳內(nèi)裝設計作業(yè)的仿真過程包括：設計方案快速形成、各類模型庫要素調(diào)用、場景編輯、場景動態(tài)交互、設計方案評價等。該軟件系統(tǒng)平臺功能的實現(xiàn)，是驗證郵輪內(nèi)裝設計仿真系統(tǒng)框架設計合理性與實用性的唯一途徑。根據(jù)系統(tǒng)仿真需求及系統(tǒng)架構(gòu)，主要實現(xiàn)該系統(tǒng)的開發(fā)管理、各類模型庫調(diào)用、設計方案編輯、設計方案評價、作業(yè)仿真演示等功能，具體功能展示如圖6～圖8 所示。

圖6 系統(tǒng)開發(fā)管理功能Fig.6 System development management function

圖6 為平臺系統(tǒng)開發(fā)管理功能的實現(xiàn)，登錄后通過用戶選擇進入作業(yè)仿真場景，可多人協(xié)同登錄。

圖7 為各類模型庫調(diào)用功能的實現(xiàn)。利用硬件交互設備進行場景編輯功能選擇，實現(xiàn)了對該場景中各類模型進行選擇、移動、刪除、重置、替換等功能操作。

圖7 各類模型庫調(diào)用功能Fig.7 Call functions of various model libraries

圖8 為系統(tǒng)沉浸式交互功能的實現(xiàn)，在仿真場景中可按需進行設計方案編輯。設計方案完成后，在系統(tǒng)中可進行存儲、瀏覽、體驗評價等功能操作。

圖8 系統(tǒng)沉浸式交互功能Fig.8 System immersive interactive function

通過系統(tǒng)功能測驗，該郵輪內(nèi)裝設計仿真系統(tǒng)平臺在性能及功能上皆滿足虛擬平臺系統(tǒng)仿真需求，能夠有效管理、處理、操作、演示仿真平臺中的各種數(shù)據(jù)、信息等，證明了該系統(tǒng)架構(gòu)層次結(jié)構(gòu)清晰、明確，以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫性能良好。

5 結(jié)語

本文針對郵輪全生命周期虛擬仿真平臺搭建復雜、龐大等問題，總結(jié)出系統(tǒng)仿真需求及設計原則，提出系統(tǒng)平臺模塊的劃分方案，結(jié)合分層技術(shù)，構(gòu)建出一種基于HLA 的虛擬仿真平臺系統(tǒng)總體架構(gòu)。以郵輪內(nèi)裝設計仿真系統(tǒng)為研究實例，構(gòu)建相應的系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)虛擬仿真平臺。經(jīng)系統(tǒng)功能測試與實現(xiàn)，該平臺能夠滿足虛擬仿真平臺系統(tǒng)仿真需求，且性能更佳，證明該總體架構(gòu)能夠有效提升仿真平臺的拓展性、移植性、實時性、異地協(xié)同性、人機交互性，提高了開發(fā)效率和開發(fā)過程的規(guī)范性。對此類系統(tǒng)平臺的搭建與二次開發(fā)具有一定指導意義與參考價值。