用于船舶損管決策的虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究

胡治宇，利 莉

(景德鎮(zhèn)學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn)333000)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，不僅僅是通過合理的設(shè)計來保證船舶的耐用性，更合理的方式是通過加強(qiáng)船舶的損管系統(tǒng)，準(zhǔn)確地找到損傷，快速排除險情，是保證船舶安全和人民生命安全的重要途徑。近年來伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，船舶的發(fā)展趨勢是大、豪華、價格不菲，若要進(jìn)行實地的船舶損管演練會耗費大量的人力、財力、物力，而通過虛擬現(xiàn)實進(jìn)行場景的模擬能夠極大地節(jié)省成本，降低危險性，提高工作效率。

本文鑒于Virtools 的靈活性和可擴(kuò)展性選用此軟件進(jìn)行虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究。其次，利用Maya 制作的船舶三維模型，并且賦予模型材質(zhì)和為模型打燈光，最終將渲染完成的船舶模型導(dǎo)入Virtools 建立的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)船舶損管訓(xùn)練。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實是多媒體技術(shù)發(fā)展的更高境界，是多種技術(shù)高層次的集成和滲透;它給用戶帶來切身體驗，幫助人們積極地去探索宏觀世界和微觀世界，打破了因為環(huán)境等外因以及人類自身極限所帶來的不便［1-2］。以其沉浸性、逼真性魅力，一經(jīng)問世就立即受到人們的高度重視。熱門的虛擬現(xiàn)實仿真軟件有VRML，Vega，Unity3D，Virtools 等。

VRML 將人的行為作為瀏覽主題，所有的表現(xiàn)都隨操作者行為的改變而改變，有很好的交互性。Vega 用于虛擬現(xiàn)實、實時視景仿真、聲音仿真以及其他可視化領(lǐng)域的世界領(lǐng)先級應(yīng)用軟件工具。它支持快速復(fù)雜的視覺仿真程序，能為用戶提供—種處理復(fù)雜仿真事件的便捷手段［3-4］。Unity3D 是一個強(qiáng)大的游戲引擎，能夠為用戶提供游戲場景創(chuàng)建、編輯、可視化，三維動畫等諸多內(nèi)容的交互。Virtools提供了實時的3D 虛擬環(huán)境編輯，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行模塊組裝，具有很大的靈活性。鑒于Virtools 的靈活性和可擴(kuò)展性，本文選用此軟件進(jìn)行虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究。

2 基于虛擬現(xiàn)實的船舶損管訓(xùn)練實現(xiàn)

船舶損管系統(tǒng)主要包括排水系統(tǒng)和滅火損管系統(tǒng)，本文主要就船舶滅火損管系統(tǒng)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究。首先利用Maya 建立船舶三維模型，然后將模型導(dǎo)入Virtools，利用Virtools 搭建的虛擬現(xiàn)實環(huán)境進(jìn)行船舶火災(zāi)損管訓(xùn)練，具體流程如圖1 所示。

圖1 船舶火災(zāi)損管訓(xùn)練仿真流程圖Fig.1 The flow chart of ship fire damage control training simulation

2.1 利用Maya 建立船舶三維模型

1)船舶三維模型的建立

圖2 Maya 建立船舶三維模型Fig.2 A three-dimensional model of the ship build by Maya

2)賦予模型材質(zhì)

材質(zhì)是材料和質(zhì)感的結(jié)合，它是表面可視屬性的結(jié)合，這些可視屬性是指表面的色彩、紋理、光滑度、透明度、反射率、折射率、發(fā)光度等。在建立船舶模型時需要大量的貼圖，如顏色貼圖、紋理貼圖、環(huán)境貼圖等。

圖3 Maya 材質(zhì)編輯器Fig.3 Maya Material Editor

3)為模型打燈光

在三維世界中，為了烘托渲染畫面的氣氛和物體材質(zhì)的表現(xiàn)效果，結(jié)合場景、景別要求，最大限度的模擬自然界的光線類型和人工光線類型，實現(xiàn)具有豐富色彩光線環(huán)境的過程。主要包括環(huán)境光(Ambient Light)、平行光(Directional Light)、點光源(Point Light)、聚燈光 (Spot Light)、區(qū)域光(Area Light)和體積光(Volume Light)的設(shè)置。

4)模型渲染

根據(jù)場景的設(shè)置以及所賦予物體的材質(zhì)、貼圖和設(shè)置燈光等。

2.2 虛擬環(huán)境中船舶火災(zāi)損管訓(xùn)練

船舶火災(zāi)損管訓(xùn)練的原理是:火災(zāi)探測器源源不斷地將獲得的火警信息傳送給火災(zāi)報警裝置，通過集中控制器的CPU 狀態(tài)得到目前船舶的損管狀態(tài)，若獲得火災(zāi)和停止工作狀態(tài)，則報警控制裝置會發(fā)出報警信號，一般情況下火災(zāi)時紅燈亮，工作異常時黃燈亮，并且這種報警信號會持續(xù)5 s 一個周期不斷的響，直到船員聽到這是火災(zāi)報警，以連續(xù)不斷的響告知目前船舶的處于異常工作狀態(tài)，同時，發(fā)生狀態(tài)時顯示器上會顯示出火災(zāi)區(qū)域、發(fā)生時間等，并能開啟消防裝備進(jìn)行滅火。船舶的火災(zāi)損管控制系統(tǒng)如圖4 所示。

1)火災(zāi)探索器

有效控制火災(zāi)的方式是將險情消滅在萌芽之中，可以通過船艙溫度的升高、產(chǎn)生了嗆人的煙霧和紅外輻射［5］等方式快速探測到異常情況。

圖4 船舶火災(zāi)損管系統(tǒng)組成圖Fig.4 Ship fire damage control system components chart

產(chǎn)生嗆人的煙霧是發(fā)生火災(zāi)的一個重要指示標(biāo)志，同時會伴隨著溫度的升高，下面將簡略介紹離子感煙探測器和溫度探測器如何及時探測到火災(zāi)。

離子感煙探測器，是通過煙霧來探測火災(zāi)。它的內(nèi)外兩室中含有Am241 這種微量放射源，由于α放射的原因產(chǎn)生正負(fù)離子，正常情況下，探測器探測到內(nèi)外兩室的電流為I1，當(dāng)火災(zāi)時產(chǎn)生煙霧，由于煙霧的附著使得離子的運動變慢所以此時產(chǎn)生的電流小于I2，從而使得內(nèi)外2 個室之間形成電壓，煙霧越大，壓力差越大，通過處理2 個室的壓力差能快速準(zhǔn)確地判斷火災(zāi)。

溫度探測器就是通過判斷是否在較短的時間內(nèi)船艙溫度驟燃，若突然間上升到60℃～90℃說明產(chǎn)生火災(zāi)。

在虛擬現(xiàn)實中通過傳感器進(jìn)行信號的傳遞，經(jīng)過軟件程序處理獲取接受到信號的狀態(tài)，可以有效地得到探測器的地址和輸出量，極大地提高了偵測速率和報警準(zhǔn)確率。雖然準(zhǔn)確率提高，但是探索更加智能、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的火災(zāi)探測器非常必要，一般都是將外界的火災(zāi)信號傳遞給感煙器等器件，然后經(jīng)過模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字脈沖信號的過程，發(fā)送給火災(zāi)控制端。

2)火災(zāi)控制

火災(zāi)控制區(qū)是整個船舶損管系統(tǒng)的“心臟”，在接收到火災(zāi)探測器發(fā)出的火災(zāi)信號后，火災(zāi)控制中心經(jīng)過PLC 控制中心的處理，給出相應(yīng)的報警信號，同時各個區(qū)域的消防人員看到所管轄顯示器上的狀態(tài)，立刻做出相應(yīng)的救災(zāi)措施。

3)聯(lián)動控制及聲光報警裝置

聯(lián)動控制裝置的主要作用是在接受到火災(zāi)報警信號后，對所控制的消防栓、防火門窗、消防泵、噴淋泵、廣播等啟動。

當(dāng)前船舶上一般使用固定滅火方式，如利用水進(jìn)行救災(zāi)，此時需要有必要的系統(tǒng)為滅火行為提供滅火水和火災(zāi)后的冷卻水;利用氣體滅火，需要在船舶上安裝CO2滅火系統(tǒng)或HFC -227ea 滅火系統(tǒng)等;針對船舶的貨油艙等地方可以采用泡沫滅火;對于使用液化氣作為燃料的船舶可以使用水噴霧或者干粉進(jìn)行滅火。

針對船艙不同的部位，使用不同的滅火方式:

機(jī)艙中包含鍋爐、機(jī)電、配電器等裝置一旦起火會使整個船舶因為喪失動力而無法行進(jìn)，嚴(yán)重到危害整個船舶的安危。起火時，濃煙、熱浪不斷產(chǎn)生，此時，消防人員應(yīng)打開機(jī)艙的天窗，用泡沫、水霧等從上面往下噴。若封艙，需提前發(fā)出警報，通知人員撤離，并且關(guān)閉一切正在運轉(zhuǎn)的設(shè)備，在艙頂快準(zhǔn)地投放較多的滅火劑，不可多次重復(fù)投入，以免滅不了火還產(chǎn)生其他危險。

貨艙滅火一定要充分考慮所運貨物的性質(zhì)，如不易用水撲滅的物體，若使用水進(jìn)行滅火，會使船艙因為注水過多而產(chǎn)生下沉造成船舶不穩(wěn)定。在救火時，對于臨艙要冷卻，對易燃物品進(jìn)行轉(zhuǎn)移，以免造成二次火災(zāi)。

船頭部位一般是雜物間，往往含有易燃物品，并且船頭處于風(fēng)向來襲的部位，所以火勢很容易蔓延，所以要封鎖船頭的通風(fēng)和電源，利用干粉或CO2進(jìn)行撲火。同時要注意觀察風(fēng)向，一直迎風(fēng)時要調(diào)轉(zhuǎn)船向。

起居室發(fā)生火災(zāi)時第一時間要進(jìn)行人員撤離。為了防止因為風(fēng)的原因造成火勢蔓延，滅火時要立刻關(guān)閉門窗、電源，有效地控制火勢在一個空間中，使用水槍進(jìn)行撲火，同時也要對周邊的艙壁進(jìn)行降溫，防止因為過熱而燃燒。

2.3 火災(zāi)發(fā)生時變化狀態(tài)

描述火災(zāi)發(fā)生的狀態(tài)變化非常困難，很難用一個簡單的模型進(jìn)行表述。本文利用火災(zāi)時的溫度變化來模擬火災(zāi)現(xiàn)場的情景。

圖5 展示了火災(zāi)現(xiàn)場平均溫度的變化規(guī)律［6］。按照時間的變化，整個過程分為:開始的引燃、點燃、燃燒、完全燃燒、火勢得以控制。

引燃:在燃料在熱源的刺激下達(dá)到點燃點的時候會發(fā)生火災(zāi)，在這個動態(tài)變化中，所處環(huán)境很大程度影響了產(chǎn)生的熱量是否全部散發(fā)出去。

圖5 火災(zāi)現(xiàn)場平均溫度的變化情況Fig.5 Changes in the average temperature of the fire scene

點燃:高溫、煙霧、有害氣體三者之間的隨機(jī)相互影響將決定火災(zāi)造成何種程度的傷害。

燃燒:當(dāng)在有限空間中溫度達(dá)到一定程度，任何材料都有可能燃燒。

完全燃燒:當(dāng)溫度達(dá)到1 000℃甚至更高時的狀態(tài)。

火勢得以控制:當(dāng)燃料燒完，或者溫度被降下來時說明火勢得以控制。

2.4 訓(xùn)練過程實現(xiàn)

用戶要和虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的虛擬人、場景產(chǎn)生互動，需要腳本控制行為交互模塊，從而實現(xiàn)模型的平移、選擇、縮放等，進(jìn)而實現(xiàn)虛擬環(huán)境中的仿真。

3 結(jié) 語

本文通過對現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實軟件的研究，選中Virtools 來搭建虛擬現(xiàn)實環(huán)境，是因為Virtools 具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性。其次，利用Maya 制作的船舶三維模型，并且賦予模型材質(zhì)和為模型打燈光，最終將渲染完成的船舶模型導(dǎo)入Virtools 建立的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)船舶損管訓(xùn)練。研究說明，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進(jìn)行火災(zāi)損管的訓(xùn)練，能夠極大地節(jié)省成本，降低實地風(fēng)險，有效保護(hù)了人員安全。

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