基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的救助船對外消防培訓(xùn)仿真系統(tǒng)

楊可男 張均東 葉子文 伊泓嘉

摘要：針對救助船消防訓(xùn)練中存在的海況復(fù)雜，對外消防炮射流受風(fēng)影響大，往往無法準(zhǔn)確控制其射向目標(biāo)區(qū)域的問題，在理想狀態(tài)下射流理論的基礎(chǔ)上探究風(fēng)對射流軌跡的影響，建立自然風(fēng)條件下射流軌跡的數(shù)學(xué)模型，模擬對外消防炮射流的運(yùn)動情況。應(yīng)用3ds Max構(gòu)建船舶模型，用Unity 3D構(gòu)建救助船在面臨大風(fēng)浪、遇險(xiǎn)船著火等狀況時(shí)對外消防系統(tǒng)的工作場景，提出一種精確構(gòu)建粒子系統(tǒng)軌跡的方法，使射流模型能精確體現(xiàn)在場景中。通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)救助船對外消防培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的立體顯示和人機(jī)交互，起到更好的虛擬仿真和培訓(xùn)效果。

關(guān)鍵詞：救助船; 水射流仿真; 對外消防系統(tǒng); 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）; Unity 3D

中圖分類號：U676.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2018-04-27

修回日期：2018-08-20

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（3132016316）

作者簡介：

楊可男（1993—），男，浙江紹興人，碩士研究生，研究方向?yàn)檩啓C(jī)自動化與智能化，（E-mail）raykss@163.com;

張均東（1967—），男，浙江紹興人，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)榭刂婆c仿真、輪機(jī)自動化與智能化、輪機(jī)模擬器，

Abstract：In the fire-fighting training of rescue ships under complex sea conditions， the water jet of external fire-fighting guns is influenced greatly by wind， so that it often can not control target area accurately. In view of the problem， the influence of wind on jet trajectories is analyzed based on the jet theory of the ideal state， and the mathematical model of the jet trajectory under the condition of natural wind is established to simulate the movement of water jet of external fire-fighting guns. The ship model is constructed by 3ds Max.By Unity 3D， the working scenes of the fire-fighting system of rescue ships under the conditions of large wind-wave and fire of ships in distress are constructed， and a method for accurately constructing the trajectory of the particle system is proposed， so that the jet model can be accurately shown in the scenes.The 3D display and human-computer interaction? of external fire-fighting training simulation system of rescue ships can be realized through virtual reality devices， which improve the effect of the virtual simulation and training.

Key words：rescue ship; water jet simulation; external fire-fighting system; virtual reality （VR）; Unity 3D

0 引 言

救助打撈船及其裝備非常昂貴[1]，救助打撈工作的時(shí)效性要求也非常高。在實(shí)際救助過程中海況復(fù)雜，對外消防炮射流受風(fēng)影響大，操作人員往往無法輕松地把水流準(zhǔn)確地射向著火區(qū)域?，F(xiàn)階段救助船對外消防訓(xùn)練都在實(shí)船上進(jìn)行，不僅受場地、時(shí)間等因素制約，且不存在真實(shí)著火的遇險(xiǎn)船舶。如能建立一套救助船對外消防培訓(xùn)仿真軟件，用于日常模擬演練以掌握先進(jìn)的救撈技術(shù)和專業(yè)技能，以及通過對已完成任務(wù)的回放來進(jìn)行修正、優(yōu)化和案例學(xué)習(xí)，則不僅對整個(gè)救助打撈工作的科學(xué)化、高效化具有重要意義，也與《交通運(yùn)輸部關(guān)于深化救撈系統(tǒng)管理體制改革的意見》中加強(qiáng)科研能力建設(shè)和系統(tǒng)裝備建設(shè)的要求相一致。2018年1月6日，巴拿馬油船“桑吉”號與中國香港散貨船“長峰水晶”號在長江口以東約160 n mile處發(fā)生碰撞，導(dǎo)致“桑吉”號全船失火，經(jīng)過3次、長達(dá)6 d的救助滅火也未能控制火情，造成了重大人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染。這從某方面反映了救助滅火模擬器研究的迫切性。

救助船對外消防培訓(xùn)仿真系統(tǒng)依托于自然風(fēng)條件下消防炮射流軌跡仿真、救助船六自由度運(yùn)動仿真和虛擬人應(yīng)用等，實(shí)現(xiàn)了較為真實(shí)的救助場景。孫健[2]探究了理想狀態(tài)下的射流軌跡，PRAKASH等[3]揭示了水中橫流條件下液體射流的狀態(tài)，XIA等[4]探究了空氣射流與水射流的對撞霧化。然而，這些研究未建立完整的自然風(fēng)條件下的射流軌跡模型。在救助船運(yùn)動建模仿真方面：陳卓等[5-6]研究了救助船模擬器原型機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了基于運(yùn)動平臺體感模擬的救助船模擬器;張秀鳳等[7]在傅汝德-克雷諾夫假設(shè)的基礎(chǔ)上，探究了海浪對船舶六自由度運(yùn)動的干擾;徐靜等[8]研究了船舶在波浪中的六自由度操縱運(yùn)動模型。在虛擬人構(gòu)建方面：戚福洲[9]提出了基于國際人體測量學(xué)數(shù)據(jù)的虛擬人構(gòu)建方法;李石磊等[10]探究了虛擬人運(yùn)動的生成與控制。而在虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality， VR）方面，國內(nèi)和國外的科研人員在虛擬機(jī)艙和虛擬航行領(lǐng)域都進(jìn)行了一定的研究，但在救助船的VR模擬器領(lǐng)域的研究還較為欠缺，與當(dāng)前海難多發(fā)的現(xiàn)狀不符。

1 系統(tǒng)功能

1.1 功能概述

本文對救助船對外消防系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入探究：在理想狀態(tài)下射流軌跡模型的基礎(chǔ)上探究并建立自然風(fēng)條件下消防炮射流軌跡的數(shù)學(xué)模型;利用船舶六自由度運(yùn)動模型實(shí)現(xiàn)在波浪作用下的船舶操縱;提出一種粒子系統(tǒng)軌跡構(gòu)建方法，使仿真射流模型能精確體現(xiàn)在Unity 3D引擎下;構(gòu)建仿真火災(zāi)場景和虛擬人，使其能完整模擬一系列對外消防系統(tǒng)的救助操作。受訓(xùn)人員可以在沉浸式的體驗(yàn)下熟悉對外消防系統(tǒng)的操作要領(lǐng)，明確救助流程規(guī)范，牢記注意事項(xiàng)以提高業(yè)務(wù)能力。

1.2 救助流程

救助船對外消防系統(tǒng)涉及船舶操縱、救助規(guī)范和對外消防系統(tǒng)控制。本系統(tǒng)以8 000 kW救助船為母船型，按照實(shí)際救助流程進(jìn)行培訓(xùn)，具體救助流程[11]見圖1。

2 系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 理想狀態(tài)下消防炮射流軌跡理論

在射流不受外界風(fēng)力影響時(shí)，利用微元法，分析其單位體積、單位流量的微元僅在空氣阻力和重力的作用（空氣阻力方向與運(yùn)動方向相反，重力豎直向下）下的狀態(tài)。將單位質(zhì)量看作是1，

式中，β為速度與水平方向的夾角。因此，若要求出射流軌跡方程，首先得確定初始速度V0和消防炮出射角β0，而速度與水壓存在一定關(guān)系。依據(jù)伯努利方程，忽略內(nèi)部損失，有根據(jù)上述方程，可建立理想狀態(tài)下射流軌跡模型及其初始條件模塊、運(yùn)動模塊和空氣阻力模塊。

2.2 自然風(fēng)條件下射流軌跡仿真

由于在自然風(fēng)條件下風(fēng)對射流的影響較為明顯，依據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)建立射流在無風(fēng)條件下的模型后，建立自然風(fēng)條件下的消防炮射流軌跡模型。分析可得微元在風(fēng)作用下的受力如圖2所示，其中Fw為風(fēng)的阻力，α為風(fēng)的阻力與水平方向右方向的夾角。應(yīng)用伯努利方程可知，風(fēng)壓根據(jù)上述方程，將風(fēng)的作用域看作A（x），并把必要參數(shù)和公式分別加入初始條件模塊、運(yùn)動模塊和空氣阻力模塊（見圖3～6），利用MATLAB/Simulink建立自然風(fēng)條件下的三維射流軌跡曲線。

圖3中：P為消防炮內(nèi)壓力;Q為炮內(nèi)流量;A為炮口截面積;β0為出射角;Vw為正向風(fēng)風(fēng)速;Vzw為側(cè)向風(fēng)風(fēng)速;V0為出射初速度（Vx0和Vy0是其分量）;V為射流微元速度（Vx和Vy是其分量）;Pw為正向風(fēng)風(fēng)壓;Pzw為側(cè)向風(fēng)風(fēng)壓;Fx、Fy和Fz為3個(gè)方向上的阻力分量;x、y和z為3個(gè)方向上微元的位移;d0為有效截面直徑。

在空氣阻力模塊中，利用空氣阻力因數(shù)k（式（7））、有效截面積A（x）（式（9））和式（10）計(jì)算空氣阻力及其各方向上的分量。

本系統(tǒng)采用Runge-Kutta算法和ode45求解器，系統(tǒng)仿真時(shí)間為10 s。初始條件如圖3所示，即消防炮水壓為1.45 MPa，流量為1 200 m3/h，炮口截面積為50 cm2，出射角為30°。在右前方68.2°、風(fēng)速為5.39 m/s的風(fēng)（仿真時(shí)解算為正前方來風(fēng)，風(fēng)速2 m/s，正右方來風(fēng)，風(fēng)速5 m/s）作用下的消防炮射流軌跡見圖7。

圖8的射流軌跡的初始條件為出射角45°、側(cè)方來風(fēng)-3 m/s和正向來風(fēng)4 m/s。圖9的射流軌跡的初始條件為出射角60°、側(cè)方來風(fēng)-10 m/s和正向來風(fēng)-10 m/s。

由圖7可得，出射點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0，0），最高點(diǎn)坐標(biāo)為（96.96 m， 3.13 m， 37.20 m），由于消防炮高于海平面10 m左右，在圖4運(yùn)動模塊中設(shè)置了y的極限值為-10 m，所以入水點(diǎn)坐標(biāo)為（155.10 m， 23.51 m， -10.00 m）。由于在設(shè)置仿真參數(shù)時(shí)，仿真時(shí)間設(shè)置為10 s，在射流軌跡到達(dá)入水點(diǎn)時(shí)（5.883 s），實(shí)際對射流軌跡的仿真已經(jīng)結(jié)束了，但由于未到仿真時(shí)間，出現(xiàn)了在入水

點(diǎn)后，水平高度為-10.00 m的一段曲線，應(yīng)將其忽略。圖10為該初始條件下速度隨時(shí)間的變化情況，因篇幅有限，僅列出幾組仿真數(shù)據(jù)，見表1。

2.3 仿真軌跡構(gòu)建方法

由于Unity 3D中自帶的粒子系統(tǒng)模型并不能完全反映真實(shí)情況下水射流軌跡，為將其完整呈現(xiàn)于Unity 3D引擎中，在Simulink中建立模型，得到各情況下的消防炮射流軌跡后，提出一種粒子系統(tǒng)軌跡構(gòu)建方法：由于Unity 3D引擎中默認(rèn)單位為m，且不可直接獲取物體尺寸大小等有關(guān)參數(shù)，故取仿真射流軌跡上20個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，利用坐標(biāo)點(diǎn)在3ds Max中建立軌跡的精確模型，導(dǎo)出Fbx文件，再導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D引擎中。為實(shí)現(xiàn)利用粒子系統(tǒng)構(gòu)建消防炮射流，需要利用3ds Max模型上點(diǎn)的相對坐標(biāo)。創(chuàng)建過程為：分別創(chuàng)建一個(gè)表示位置的數(shù)組（比如P1到P20的Position）和一個(gè)表示方向的數(shù)組;逐幀判斷每個(gè)粒子的位置，根據(jù)當(dāng)前粒子的位置和下一個(gè)坐標(biāo)位置來確定它的移動方向，只要還在粒子的生命周期內(nèi)，就讓它移動到下一個(gè)點(diǎn);當(dāng)初始條件（仰角和風(fēng)速）發(fā)生變化時(shí)，利用腳本依據(jù)仿真結(jié)果來控制20個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)移動，使水射流發(fā)生變化。該方法不僅可用于模擬水射流軌跡，也可在Unity 3D中用粒子系統(tǒng)精確模擬其他物體的運(yùn)動。考慮到工作量，本文構(gòu)建的對外消防炮仰角變化最小幅度為5°，風(fēng)速方向最小變化幅度為15°，且風(fēng)速在零級至十二級的13個(gè)等級內(nèi)變化（救助船抗風(fēng)等級為十二級）。在實(shí)際構(gòu)建過程中，為使粒子系統(tǒng)真實(shí)美觀，結(jié)合實(shí)際工況和仿真結(jié)果，在仰角-10°～60°范圍內(nèi)（超出60°時(shí)仿真結(jié)果與實(shí)際偏差會越來越大，不具參考價(jià)值，而在實(shí)際工況中幾乎不會遇到低于-10°的情況），利用iTween插件進(jìn)行構(gòu)建，并利用腳本修改調(diào)試粒子系統(tǒng)（ParticleSystem）和風(fēng)域（WindZone）參數(shù)，使虛擬射流軌跡接近仿真模型。圖13為消防炮仰角與旋轉(zhuǎn)角度一定，風(fēng)速大小相同、風(fēng)向不同時(shí)的消防炮射流軌跡。

2.4 火焰蔓延模型

火災(zāi)的發(fā)生一般分為4個(gè)階段，即著火階段、初期增長階段、充分燃燒階段、熄滅階段。本文利用元胞自動機(jī)[13]分析救助過程中面對的充分燃燒階段。選取Moore型元胞自動機(jī)模型，設(shè)中心元胞為（i，j），則元胞自動機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換方程可表示為

式中，元胞在時(shí)刻t+1的狀態(tài)既取決于周圍8個(gè)鄰域的元胞的狀態(tài)，也取決于中心元胞在當(dāng)前時(shí)刻t的狀態(tài)?；馂?zāi)產(chǎn)生的煙氣在船舶艙室內(nèi)的熱傳遞過程受浮力和室內(nèi)風(fēng)的影響。浮力對火焰蔓延的影響概率為

式中：r為火焰蔓延的浮力影響系數(shù)，其值為格拉曉夫數(shù)與雷諾數(shù)的平方比;c1為調(diào)節(jié)系數(shù);θ為火焰蔓延路徑方向與豎直向上方向的夾角。風(fēng)對火焰蔓延的影響概率為

式中：θ1為風(fēng)向與火焰蔓延方向的夾角;c2和c3為調(diào)節(jié)系數(shù)。

綜合分析這兩種因素，燃燒元胞的蔓延方向選擇為與其相鄰元胞蔓延概率最大的路徑方向，燃燒元胞與最大概率路徑上的元胞能量平衡后，元胞內(nèi)的參數(shù)發(fā)生變化，可得到下一時(shí)刻的元胞的新參數(shù)，即實(shí)現(xiàn)火焰從時(shí)刻t向時(shí)刻t+1的蔓延。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

利用3ds Max建立船舶、虛擬人和場景模型，添加材質(zhì)，繪制UV貼圖，在Unity 3D引擎下完成相應(yīng)動畫，依據(jù)文獻(xiàn)[7-8]制作船舶六自由度操縱腳本。本系統(tǒng)可按圖1的流程進(jìn)行救助操作，圖14a為出航場景，接到警報(bào)后培訓(xùn)人員依據(jù)當(dāng)前方向和右下角雷達(dá)搜尋遇難船。

3.1 虛擬人

利用3ds Max構(gòu)建虛擬人并綁定相應(yīng)骨骼，在Unity 3D中制作人物進(jìn)行各項(xiàng)操作的骨骼動畫，在進(jìn)行操縱桿等操作時(shí)，由于末端位置確定，故需利用反向動力學(xué)動畫來實(shí)現(xiàn);利用A*基本尋路算法[14]，實(shí)現(xiàn)虛擬人在場景中的漫游，如圖14b。為達(dá)到更好的培訓(xùn)效果，在進(jìn)行滅火操作時(shí)，培訓(xùn)人員可根據(jù)需要選擇以手動方式控制液壓消防炮滅火，或者以遙控方式控制電遙控消防炮滅火。圖14c為高海況下手動控制消防炮滅火的場景;圖14d和14e為電遙控消防炮及其控制面板。圖14e中：A和C為左、右舷離合器應(yīng)急脫開按鈕，用于負(fù)荷過大時(shí)脫開泵與齒輪箱之間的離合器;E為電源開關(guān);B和D為左、右舷自保護(hù)水霧開關(guān);F和G為左、右舷水炮控制手柄。

3.2 火災(zāi)場景

在火焰蔓延模型的基礎(chǔ)上，利用粒子系統(tǒng)，構(gòu)建真實(shí)的船舶火焰效果和煙霧效果;利用碰撞檢測，根據(jù)碰撞物體標(biāo)簽（Tag）實(shí)現(xiàn)滅火。將消防炮水射流的Tag設(shè)置為WaterJet，并設(shè)置與火焰碰撞物的標(biāo)簽為WaterJet，兩者碰撞超過一定時(shí)間時(shí)，播放火焰熄滅動畫，并在系統(tǒng)信息窗口顯示“局部滅火”或“火情解除”。構(gòu)建未在有效時(shí)間內(nèi)滅火導(dǎo)致的船舶爆炸、沉沒場景，如圖14f。

利用UGUI系統(tǒng)，設(shè)計(jì)對外消防培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的操作界面，見圖15。實(shí)現(xiàn)大風(fēng)浪、天氣良好等場景的隨機(jī)切換;實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的隨機(jī)變化，制作波浪、火焰、煙霧等隨風(fēng)速變化的效果;構(gòu)建用戶操作提示窗口，包括船舶控制、消防炮控制、風(fēng)向風(fēng)速參數(shù)設(shè)置等功能;構(gòu)建系統(tǒng)提示窗口;實(shí)現(xiàn)消防視角、船舶操縱和講評視角等多視角的轉(zhuǎn)換;添加音效組件，實(shí)現(xiàn)各個(gè)場景和操作時(shí)的聲音效果。

4 虛擬交互系統(tǒng)

隨著各類船舶模擬器的普及和VR技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的PC端虛擬仿真系統(tǒng)越來越難以滿足人們的需求。為增強(qiáng)VR的沉浸感和真實(shí)感，實(shí)現(xiàn)更好的仿真效果，利用2018年4月發(fā)布的最新款HTC Vive Pro設(shè)備提供的接口擴(kuò)展和代碼的二次開發(fā)功能，在PC端系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)了基于VR的救助船對外消防培訓(xùn)仿真系統(tǒng)。HTC Vive Pro作為當(dāng)前VR界最高性能的代表產(chǎn)品（見圖16a），其雙眼分辨率（像素）達(dá)到2 800×1 600，配備豪華型暢聽頭戴，并基于最新發(fā)布的SteamVR Tracking 2.0解決了第一代Vive基站振動大、吵鬧以及長時(shí)間使用后同步率降低等問題，并且提供近100 m2的追蹤空間，配套無線套件后會有非常好的體驗(yàn)。

在Unity 3D中，利用SteamVR插件來構(gòu)建VR場景，利用各手柄事件完成系統(tǒng)的各項(xiàng)操作，如利用TriggerClicked（扳機(jī)按鈕按下）和SteamVR提供的SteamVR_LaserPointer腳本控制射線傳送，達(dá)到人物移動的效果;利用SteamVR_LaserPointer中PointIn和PointOut事件以及SteamVR_TrackController中的PadTouched（碰到觸摸板）和PadUntouched（離開觸摸板）事件抓取消防炮操縱桿實(shí)現(xiàn)消防炮的相應(yīng)操作。HTC Vive Pro設(shè)備使得救助船對外消防培訓(xùn)仿真系統(tǒng)工作效果極為逼真，見圖16b。

5 結(jié)束語

本文在理想狀態(tài)下射流模型的基礎(chǔ)上，對自然風(fēng)條件下消防炮射流軌跡進(jìn)行了建模與仿真，設(shè)計(jì)的模型可模擬任意初始條件（出射角、炮口截面積、流量、風(fēng)速、風(fēng)向）下消防炮的射流軌跡，且提出了一種在Unity 3D中精確建立水射流軌跡的方法，即構(gòu)建粒子軌跡的方法。構(gòu)建的救助船對外消防培訓(xùn)仿真系統(tǒng)提供VR場景體驗(yàn);構(gòu)建的水射流粒子系統(tǒng)提供真實(shí)操作感，對救助船船員操作培訓(xùn)有顯著幫助，為基于VR的船舶模擬器研究提供借鑒。今后的研究方向?yàn)橐环矫鎯?yōu)化火焰蔓延模型，另一方面與搜救輔助決策系統(tǒng)相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)對救助滅火過程的真實(shí)模擬。

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（編輯 趙勉）