船舶駕駛綜合訓(xùn)練平臺(tái)中的多人協(xié)同機(jī)制

邱紹楊 代廣樹(shù) 任鴻翔 蔣效彬

摘要：為提高學(xué)員的培訓(xùn)效率，節(jié)約費(fèi)用，滿足多人協(xié)同訓(xùn)練需要，搭建船舶駕駛綜合訓(xùn)練平臺(tái)，提出一種網(wǎng)絡(luò)同步方案，以保證網(wǎng)絡(luò)的安全性、穩(wěn)定性和場(chǎng)景的一致性。應(yīng)用基于角色的訪問(wèn)控制（role-based access control， RBAC）模型對(duì)系統(tǒng)的角色和訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行有效管理;提出基于交互混合圖的串并行交互管理方法， 解決交互中的串并行控制問(wèn)題;對(duì)系統(tǒng)的異常情況進(jìn)行分析，并給出解決方案。研發(fā)的船舶駕駛綜合訓(xùn)練平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，能滿足船舶駕駛的多人協(xié)同訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：船舶駕駛; 協(xié)同訓(xùn)練; 角色管理; 交互管理; 協(xié)同機(jī)制

中圖分類號(hào)：U675.79; U676.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2018-06-04

修回日期：2018-07-28

基金項(xiàng)目：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）;遼寧省自然科學(xué)基金（20170540092）

作者簡(jiǎn)介：

邱紹楊（1992—），男，遼寧沈陽(yáng)人，博士研究生，研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂?，（E-mail）799509823@qq.com;

代廣樹(shù)（1978—），男，天津人，碩士研究生，研究方向?yàn)樘摂M仿真、航海技術(shù)，（E-mail）862874922@qq.com;

任鴻翔（1974—），男，黑龍江肇東人，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)和視景仿真，（E-mail）dmu_rhx@163.com

Abstract：In order to improve the training efficiency， save the cost and meet the requirement of multi-person collaborative training， a comprehensive training platform is constructed for ship navigation. A network synchronization scheme is proposed to guarantee the security and stability of the network and scene consistency. The role-based access control （RBAC） model is used to manage the roles and access rights of the system effectively. A method of serial and parallel interactive management based on interactive mixed graphs is proposed to solve the serial and parallel control problem in interaction. The abnormal situations of the system are analyzed and the solutions are given. The ship navigation comprehensive training platform developed is stable and meets the requirement of multi-person collaborative training of ship navigation.

Key words：ship navigation; collaborative training; role management; interactive management; collaborative mechanism

0 引 言

隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，船舶不斷朝著大型化、高速化的方向發(fā)展，這對(duì)船舶駕駛員的綜合素質(zhì)提出了更高的要求。IMO制定并通過(guò)的《海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際公約》（STCW 1978/1995公約）及我國(guó)政府根據(jù)IMO公約內(nèi)容制定的《中華人民共和國(guó)海員專業(yè)訓(xùn)練發(fā)證辦法》都明確規(guī)定，海員必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的專業(yè)培訓(xùn)并取得相應(yīng)證書(shū)，方能勝任海船工作。

早期的培訓(xùn)評(píng)估主要基于真實(shí)設(shè)備，培訓(xùn)評(píng)估具有較大的局限性，如受經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、不安全因素等的影響， 培訓(xùn)效果并不理想。為解決上述問(wèn)題，一些航海模擬器被開(kāi)發(fā)出來(lái)[1-3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)的不斷提高，模擬器在場(chǎng)景、訓(xùn)練方式和功能上也不斷地升級(jí)和發(fā)展[4-6]。然而，現(xiàn)有航海模擬器的功能相對(duì)單一、相互獨(dú)立，影響學(xué)員的訓(xùn)練效率。為提升學(xué)員培訓(xùn)效果，節(jié)約費(fèi)用，滿足實(shí)際操作要求以及讓船舶駕駛員在訓(xùn)練中更好地理解個(gè)人角色、團(tuán)隊(duì)角色、職責(zé)等，本文搭建了一個(gè)船舶駕駛綜合訓(xùn)練平臺(tái)，設(shè)計(jì)能夠滿足團(tuán)隊(duì)協(xié)作訓(xùn)練的協(xié)同方案。

多人協(xié)同訓(xùn)練方式已在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，陳學(xué)文等[7]針對(duì)多名航天員在太空完成協(xié)同操作的實(shí)際需求，提出并實(shí)現(xiàn)了航天員太空協(xié)同操作訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各參訓(xùn)航天員在計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景中的實(shí)時(shí)一致，能處理訪問(wèn)沖突問(wèn)題，但航天員協(xié)同訓(xùn)練人數(shù)較少，所操作的設(shè)備較少，交互的頻率也較低。李燕彪等[8]在輪機(jī)模擬器中建立多人協(xié)同訓(xùn)練模型，主要解決角色權(quán)限管理和人物晉級(jí)的問(wèn)題，沒(méi)有對(duì)同步機(jī)制進(jìn)行分析。許愛(ài)軍[9]在教育培訓(xùn)領(lǐng)域內(nèi)提出協(xié)同訓(xùn)練方案，采用了定時(shí)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)的方法，該方法在場(chǎng)景簡(jiǎn)單、交互量較少的系統(tǒng)中較為適用，在復(fù)雜場(chǎng)景中操作延遲較為明顯。李世其等[10]

建立了拆卸復(fù)雜設(shè)備的多人協(xié)同訓(xùn)練平臺(tái)體系架構(gòu)，建立了

協(xié)同拆卸過(guò)程模型并提出了管理辦法，此方法可應(yīng)用在具有復(fù)雜操作流程的協(xié)同訓(xùn)練上。邱紹楊等[6]建立了船舶救生艇協(xié)同訓(xùn)練系統(tǒng)，提出了一種多角色協(xié)同訓(xùn)練方案和兩種協(xié)同工作方式，但該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接機(jī)制并不完善。

本文通過(guò)對(duì)以上系統(tǒng)中協(xié)同訓(xùn)練關(guān)鍵技術(shù)的分析，搭建船舶駕駛綜合訓(xùn)練平臺(tái)，使訓(xùn)練人員能夠在廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)內(nèi)完成協(xié)同訓(xùn)練。本文重點(diǎn)研究網(wǎng)絡(luò)同步機(jī)制、基于角色的訪問(wèn)控制（role-based access control， RBAC）模型、設(shè)備交互管理模型并對(duì)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行分析，給出解決方案。

1 船舶駕駛綜合訓(xùn)練平臺(tái)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由1個(gè)指揮決策中心和若干訓(xùn)練單元組成，見(jiàn)圖1。指揮決策中心的功能包括訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理、訓(xùn)練任務(wù)初始化、訓(xùn)練過(guò)程監(jiān)管和訓(xùn)練結(jié)果評(píng)估。訓(xùn)練任務(wù)初始化主要包括設(shè)定訓(xùn)練場(chǎng)景、設(shè)置訓(xùn)練科目和分配訓(xùn)練角色及任務(wù)。每個(gè)訓(xùn)練單元的硬件設(shè)備包括處理器、鍵鼠設(shè)備、視頻音頻設(shè)備和VR設(shè)備;訓(xùn)練軟件為三維訓(xùn)練仿真軟件，用它能逼真地模擬整船和海上各種氣象環(huán)境以及實(shí)船狀態(tài)下船舶主要設(shè)備的VR交互。軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，分為不同模塊開(kāi)發(fā)，其主要組成模塊見(jiàn)圖2，各個(gè)訓(xùn)練模塊可以單獨(dú)訓(xùn)練，也可以聯(lián)合訓(xùn)練。

按照實(shí)際操作需要，一些訓(xùn)練科目（如救生、消防、靠離泊等）需要訓(xùn)練人數(shù)達(dá)到一定的數(shù)量才能進(jìn)行，因此本系統(tǒng)設(shè)置若干個(gè)訓(xùn)練單元，其數(shù)量由訓(xùn)練人數(shù)決定，訓(xùn)練單元之間、訓(xùn)練單元與指揮決策中心之間通過(guò)局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)相互連接。訓(xùn)練人員能通過(guò)觀察代替訓(xùn)練人員的虛擬化身行為

感知互相間的存在、行為及工作狀態(tài)[11]，并且訓(xùn)練人員之間能夠通過(guò)語(yǔ)音或文字信息進(jìn)行溝通，最終完成協(xié)同訓(xùn)練。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)同步機(jī)制

常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)模式包括P2P模式和Client-Server模式。P2P模式下所有客戶端（C）之間都需要保持一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，見(jiàn)圖3a。該模式下所有數(shù)據(jù)的同步、演算都在客戶端進(jìn)行，因此在客戶端容易發(fā)生作弊行為。除此之外，隨著客戶端數(shù)量的增多，需要的網(wǎng)絡(luò)連接也會(huì)大量增多。Client-Server模式由客戶端和服務(wù)端（Server）兩部分組成，見(jiàn)圖3b。該模式通過(guò)服務(wù)端處理來(lái)自客戶端的數(shù)據(jù)，可防止大部分的作弊行為，但這種模式嚴(yán)重依賴服務(wù)端的穩(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，一旦服務(wù)端出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將崩潰。

通過(guò)權(quán)衡以上兩種網(wǎng)絡(luò)模式的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)給出一個(gè)折中方案：由一個(gè)訓(xùn)練單元（客戶端）創(chuàng)建房間，創(chuàng)建房間的訓(xùn)練單元作為服務(wù)器，所有其他的訓(xùn)練單元都與服務(wù)器相連。如果服務(wù)器出現(xiàn)問(wèn)題或退出網(wǎng)絡(luò)，則按照“次序優(yōu)先”的原則重新分配服務(wù)器權(quán)限。為提高服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)速度，作為服務(wù)器的主機(jī)僅執(zhí)行數(shù)據(jù)同步、演算和傳遞等功能，而不對(duì)三維虛擬場(chǎng)景進(jìn)行渲染，不接受硬件設(shè)備的輸入。

為保證每個(gè)訓(xùn)練單元場(chǎng)景一致，系統(tǒng)選擇狀態(tài)同步作為數(shù)據(jù)同步的方案。狀態(tài)同步指在客戶端操作設(shè)備后，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器負(fù)責(zé)將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和演算，最后將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果發(fā)送給所有相關(guān)的客戶端。此方案的好處是所有的控制權(quán)在服務(wù)器，服務(wù)器具有決策權(quán)，從而可以防止大部分的作弊行為。用戶可以隨時(shí)從客戶端登陸或退出，而不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和其他客戶端。系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖4。

2.2 RBAC模型

在進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，系統(tǒng)中有多個(gè)用戶和角色[12]，用戶登錄后選擇角色，完成對(duì)應(yīng)的操作，每個(gè)角色對(duì)應(yīng)一組操作權(quán)限[13-14]，不同角色對(duì)應(yīng)的操作權(quán)限有

所不同。系統(tǒng)的角色分為3種，職業(yè)角色（船長(zhǎng)、

PSCO（港口國(guó)檢察官）、大副、二副、三副、水手長(zhǎng)、水手、實(shí)習(xí)生、旁觀者等），用戶類型角色（干部船員、普通船員），訓(xùn)練執(zhí)行角色（救生艇艇長(zhǎng)、救生艇艇員、消防組長(zhǎng)、消防組員等）。在訓(xùn)練時(shí)，每個(gè)用戶至少擁有一個(gè)角色，一個(gè)角色可以擁有多個(gè)用戶， 這與現(xiàn)實(shí)是一致的。

系統(tǒng)對(duì)用戶、角色、操作權(quán)限的管理采用RBAC模型[15]。模型的基本思想是將訪問(wèn)權(quán)限與角色相聯(lián)系，為用戶分配合適的角色，使用戶獲得訪問(wèn)權(quán)限，從而簡(jiǎn)化權(quán)限管理，減少管理訪問(wèn)控制策略的開(kāi)銷。圖5為RBAC0模型（RBAC系列模型中的基礎(chǔ)模型），它定義了5個(gè)基本元素集：用戶

U（ui∈U）、角色R（ri∈R）、對(duì)象、操作和權(quán)限P（pi∈P）。其基本要素是用戶、角色、權(quán)限和會(huì)話（si∈S）。用戶角色指派關(guān)系集合UAU×R，角色權(quán)限指派關(guān)系集合PAP×R。用戶只要進(jìn)入系統(tǒng)，就會(huì)建立一個(gè)會(huì)話，這個(gè)會(huì)話可以激活該用戶全部角色的一個(gè)子集，用戶獲得的是被激活角色的所有權(quán)限。會(huì)話的活躍角色集：S→2R，表示會(huì)話si到角色子集role（si）的用戶與角色的會(huì)話關(guān)系矩陣為Msa=（saij）（a=1，2，3），角色與權(quán)限的關(guān)系矩陣為Mta=（taij）（a=1，2，3）?？傻贸鲇脩襞c操作權(quán)限的矩陣Mst，用整型0、1、2分別表示“不可訪問(wèn)”“只讀”“可操作”三種權(quán)限。此外，在角色之間存在某些約束條件[15]。

2.3 設(shè)備交互管理模型

在多人協(xié)同操作過(guò)程中， 若各訓(xùn)練人員操作的設(shè)備之間沒(méi)有約束關(guān)系， 則可同時(shí)進(jìn)行操作（這種情況稱為并行交互）， 否則只能等待被約束設(shè)備無(wú)約束后才能操作該設(shè)備（這種情況稱為串行交互）。本文提出基于交互混合圖的串、并行交互管理方法， 解決交互中的串、并行控制問(wèn)題。

交互混合圖見(jiàn)圖6，用二元組（V，E）形式表示，其中：V為非空的節(jié)點(diǎn)集合，即設(shè)備集合;E為邊集合，每條邊總是與2個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，表示2個(gè)設(shè)備之間的關(guān)系。若邊ei與節(jié)點(diǎn)無(wú)序偶（vi，vj）相關(guān)聯(lián)，則稱該邊為無(wú)向邊，僅表示連接關(guān)系;若邊ei與節(jié)點(diǎn)有序偶（vi，vj）相關(guān)聯(lián)，則該邊為有向邊，表示操作優(yōu)先關(guān)系，vi、vj分別稱為邊ei的起始和終止節(jié)點(diǎn)， 并稱設(shè)備vi為設(shè)備vj的優(yōu)先交互設(shè)備。

圖6中：節(jié)點(diǎn)8與9的連接邊屬于無(wú)向邊，設(shè)備8與9為連接關(guān)系;節(jié)點(diǎn)7與8的連接邊屬于有向邊，設(shè)備7與8之間具有交互優(yōu)先關(guān)系（設(shè)備7為設(shè)備8的優(yōu)先交互設(shè)備）。

在協(xié)同訓(xùn)練過(guò)程中，若將設(shè)備6的操作任務(wù)分配給2位訓(xùn)練人員，則總的操作流程為1→2→4→5→3→6[16-17]，可分配給2位訓(xùn)練人員的操作任務(wù)分別為1→2→6和4→5→3，設(shè)備1與設(shè)備4并行交互，設(shè)備3與6為串行交互。

2.4 異常處理

為使訓(xùn)練人員通過(guò)觀察代替訓(xùn)練人員的虛擬化身行為感知相互間的存在、行為及工作狀態(tài)，系統(tǒng)中包括大量的操作設(shè)備以及虛擬化身，當(dāng)多人同時(shí)操作不同的設(shè)備或同一個(gè)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)要對(duì)這些設(shè)備以及用戶的虛擬化身進(jìn)行區(qū)分，并且準(zhǔn)確地給出設(shè)備以及虛擬化身的行為響應(yīng)。若訓(xùn)練時(shí)某個(gè)客戶端掉線后重連，則要保證其場(chǎng)景與其他訓(xùn)練人員的場(chǎng)景一致。為應(yīng)對(duì)以上可能出現(xiàn)的異常情況，定義：設(shè)備集合V={vij}，i為設(shè)備類型，j為設(shè)備編號(hào);虛擬化身行為集合A={aij}，aij為操作設(shè)備vij的虛擬化身的行為;正在訓(xùn)練的虛擬化身集合H={hm}，其中m為虛擬化身的數(shù)量。當(dāng)訓(xùn)練人員操作設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備、行為及虛擬化身的索引即可準(zhǔn)確地作出響應(yīng)。當(dāng)多人同時(shí)操作一個(gè)設(shè)備時(shí)，按照優(yōu)先搶占或者角色級(jí)別的原則，賦予其操作權(quán)限，其余訓(xùn)練人員操作無(wú)響應(yīng)。當(dāng)用戶掉線后重連時(shí)，為保證場(chǎng)景的一致性，依據(jù)狀態(tài)同步機(jī)制，服務(wù)端強(qiáng)制每個(gè)客戶端上傳數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將數(shù)據(jù)迅速發(fā)給該客戶端，使其場(chǎng)景數(shù)據(jù)與其他客戶端一致。

3 船舶駕駛綜合訓(xùn)練平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)以巴拿馬型散貨船“長(zhǎng)山海”號(hào)為母型船，利用三維建模技術(shù)建立船體、救生設(shè)備、消防設(shè)備、甲板設(shè)備等模型。將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中，構(gòu)建虛擬海上場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)三維虛擬交互，具體實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖7。模型中除包括第2節(jié)的算法外，還有粒子系統(tǒng)、反向動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)尋路等算法。為使功能完善，方便用戶操作，對(duì)用戶界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，其功能包括角色選擇、網(wǎng)絡(luò)連接、全船導(dǎo)航等，見(jiàn)圖8。圖9～11分別為船舶駕駛綜合訓(xùn)練平臺(tái)中救生、駕駛臺(tái)、靠離泊協(xié)同訓(xùn)練的部分效果圖。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多次、多人協(xié)同訓(xùn)練的測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果見(jiàn)表1。測(cè)試內(nèi)容分為正常訓(xùn)練和斷網(wǎng)重連測(cè)試，訓(xùn)練人數(shù)分別為10、20和30人。正常訓(xùn)練時(shí)，隨著訓(xùn)練人數(shù)的增多，系統(tǒng)的幀率降低，當(dāng)訓(xùn)練人數(shù)為30人時(shí)，幀率為35幀/s，訓(xùn)練的人數(shù)和幀率都能夠滿足船舶駕駛協(xié)同訓(xùn)練的要求。斷網(wǎng)重連測(cè)試指一定數(shù)量的客戶端掉網(wǎng)后同時(shí)進(jìn)行重連操作：在重連的瞬間，在線的客戶端與服務(wù)端之間進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算，因此系統(tǒng)的幀率較低，但也能夠保證在25幀/s以上;當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，系統(tǒng)的幀率會(huì)提升至正常訓(xùn)練狀態(tài)下的幀率。在操作訓(xùn)練過(guò)程中，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定，系統(tǒng)對(duì)設(shè)備交互和角色管理具有較好的控制，不會(huì)出現(xiàn)邏輯混亂的現(xiàn)象。

5 總結(jié)與展望

本文搭建了船舶駕駛綜合訓(xùn)練平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了船舶駕駛多人協(xié)同訓(xùn)練。在搭建綜合訓(xùn)練平臺(tái)過(guò)程中，建立了多人協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多人聯(lián)網(wǎng)訓(xùn)練的功能，保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性、穩(wěn)定性和場(chǎng)景的一致性;應(yīng)用基于角色的訪問(wèn)控制（RBAC）模型對(duì)系統(tǒng)的角色和訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行有效管理;提出基于交互混合圖的串、并行交互管理方法， 解決交互中的串、并行控制問(wèn)題;對(duì)系統(tǒng)的異常情況進(jìn)行分析，并給出解決方案。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、沉浸感較好，協(xié)同訓(xùn)練效果較為理想。今后的研究將進(jìn)一步完善多人協(xié)同訓(xùn)練的智能評(píng)估算法。

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（編輯 趙勉）