基于VR技術(shù)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)分析

李聚保,席小洋,陳新恩

(廣州航海學(xué)院, 廣州 510725)

新的航運(yùn)規(guī)范等市場(chǎng)環(huán)境逼迫著船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)者必須利用新技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)細(xì)化管理、精度管理，才能在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中生存。

1 VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

船舶行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展需要快速吸收其他高新技術(shù)。在民用生活和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，VR(Virtual Reality)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)緊密結(jié)合各自行業(yè)的需求，不斷推陳出新，產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，極大地促進(jìn)了行業(yè)的發(fā)展。VR是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬仿真世界的計(jì)算機(jī)交互式系統(tǒng)，VR系統(tǒng)需要融合多源信息、采用高速計(jì)算機(jī)軟硬件和先進(jìn)的傳感器技術(shù)，并生成交互式三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為。VR帶來全新的、真實(shí)的參與感，用戶可以全身心投入，借助聽覺、嗅覺、觸覺、視覺等感官獲得更加真實(shí)的、身臨其境的體驗(yàn)。

現(xiàn)代的船舶監(jiān)控系統(tǒng)早就擺脫了傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制技術(shù)，也不再實(shí)行簡(jiǎn)單的微機(jī)控制或PLC控制，而更趨于網(wǎng)絡(luò)化、智能化。高速控制決策單元、FCS高速現(xiàn)場(chǎng)總線、智能化儀器儀表等極大地提高了監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平和響應(yīng)速度。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋全球，目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)各個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其突出用途是利用超遠(yuǎn)距離通信能力建立數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確的壓縮傳輸，能滿足大部分遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的要求。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在我國(guó)的海洋漁業(yè)監(jiān)控等部分領(lǐng)域已經(jīng)有實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用。船舶由于遠(yuǎn)離陸地，采用基站、無線電臺(tái)、無線網(wǎng)橋等常規(guī)的數(shù)據(jù)采集傳輸方式肯定無法滿足要求, 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)沒有盲區(qū)、不易丟失目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行一些深入開發(fā)能夠滿足船舶監(jiān)控的需要。為了發(fā)展現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸，我國(guó)采用了多種措施，通過制定專項(xiàng)發(fā)展規(guī)劃、提供專項(xiàng)發(fā)展資金等手段促進(jìn)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在航運(yùn)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。將海上安全監(jiān)管平臺(tái)跟北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)相結(jié)合，充分發(fā)揮海事共享數(shù)據(jù)庫的功能，提高海事管理的智能性，豐富拓展其功能。

2 基于VR的船舶監(jiān)控系統(tǒng)

應(yīng)用C#程序設(shè)計(jì)語言、借助Microsoft Visual Studio 2018集成開發(fā)環(huán)境、結(jié)合第三方提供的豐富的虛擬儀表控件進(jìn)行工控開發(fā)，可以創(chuàng)建SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)顯示、VR場(chǎng)景展示等自動(dòng)化控制功能。

2.1 船舶監(jiān)控系統(tǒng)的VR應(yīng)用

很多船舶領(lǐng)域的VR產(chǎn)品都使用MultiGen Creator來建模，如大連海事大學(xué)的新型輪機(jī)模擬器、某軍用登陸艇模擬器等。在VR應(yīng)用領(lǐng)域中，Creator是最為常用的三維建模軟件。對(duì)低精度要求的模型如普通的虛擬現(xiàn)實(shí)模型場(chǎng)景構(gòu)建，Creator能實(shí)現(xiàn)快速建模；對(duì)復(fù)雜高精細(xì)模型的創(chuàng)建如復(fù)雜零構(gòu)件、復(fù)雜人物模型，Creator也優(yōu)于其他建模軟件，能很精確展示局部細(xì)膩的外觀細(xì)節(jié)和連貫的動(dòng)作細(xì)節(jié)。

作為開源的高速渲染引擎，OSG (Open Scene Graph)具有各種高級(jí)渲染特性：能夠提供眾多提升系統(tǒng)性能的算法；進(jìn)行三維世界的管理；支持各種開發(fā)平臺(tái)；提供豐富的控制接口。OSG已經(jīng)在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。采用OSG技術(shù)進(jìn)行深度二次開發(fā)能夠驅(qū)動(dòng)顯示船用設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的場(chǎng)景，并完成場(chǎng)景的存儲(chǔ)。OSG對(duì)船舶內(nèi)的各種設(shè)備3D模型進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化的組織管理，利用數(shù)據(jù)樹狀形態(tài)把各個(gè)場(chǎng)景和它的屬性鏈接起來。OSG還可以實(shí)現(xiàn)更好的場(chǎng)景管理，實(shí)時(shí)高速動(dòng)態(tài)地進(jìn)行集合體更新、揀選、排序、高效率渲染繪制。對(duì)于碰撞問題處理，OSG則采用最近線段探測(cè)的碰撞檢測(cè)算法，避免多個(gè)物體之間發(fā)生接觸、穿透。

在監(jiān)控系統(tǒng)中，VR場(chǎng)景展示模塊需要底層調(diào)用OSG技術(shù)展示設(shè)備3D模型，再借助專用的VR外接式頭顯設(shè)備、感應(yīng)設(shè)備，方便操作人員進(jìn)行船舶內(nèi)主要場(chǎng)所的交互式漫游、設(shè)備操作管理。

2.2 船舶監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集

實(shí)際運(yùn)營(yíng)船舶上安裝有船舶綜合監(jiān)控系統(tǒng)，其通?；贔CS技術(shù)的管理系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)收集機(jī)艙各種信息。監(jiān)控系統(tǒng)通過OPC、CAN、PROFIBUS、TCP/IP、MODBUS 、RS232/485等通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器、執(zhí)行器、各個(gè)設(shè)備的軟硬件集成，進(jìn)而監(jiān)控主機(jī)、發(fā)電機(jī)等各種機(jī)械設(shè)備的參數(shù)測(cè)量、監(jiān)測(cè)報(bào)警、遠(yuǎn)程控制、安全保護(hù)、數(shù)據(jù)記錄等功能。機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的總線系統(tǒng)，分為幾個(gè)模塊，包括機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、主機(jī)遙控系統(tǒng)、自動(dòng)化電站系統(tǒng)、各個(gè)輔機(jī)控制系統(tǒng)。例如柴油機(jī)船舶可以觀察柴油機(jī)基本參數(shù)，將本地報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警相結(jié)合，對(duì)油液消耗量和存儲(chǔ)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)觀察油耗，反饋機(jī)器故障，提醒油量低位報(bào)警。電力推進(jìn)船舶可以監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)和電池電量，預(yù)測(cè)航程，進(jìn)入省電模式，提醒充電。

船舶綜合監(jiān)控系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)還可以通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸給陸地的監(jiān)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示船舶的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，方便進(jìn)行常規(guī)的管理，也可為監(jiān)控系統(tǒng)VR模塊的模型提供狀態(tài)顯示參數(shù)。

3 VR應(yīng)用船舶監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

在應(yīng)用VR技術(shù)之前，船舶監(jiān)控系統(tǒng)只能依靠拍攝的圖片、記錄的文字、建造時(shí)的CAD圖紙去了解船舶內(nèi)部場(chǎng)景和設(shè)備信息，信息查找麻煩、記錄跟實(shí)際不符。應(yīng)用VR技術(shù)，不僅可以讓用戶全方位地觀看船舶內(nèi)部和設(shè)備機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還有各種語音視頻提示和數(shù)字文檔，用戶能夠快捷地找到船舶內(nèi)各種艙室、各種設(shè)備的物理分布位置，有利于設(shè)備檢修保養(yǎng)、故障判斷檢修、備件管理、岸上提供技術(shù)支持。VR技術(shù)也方便用戶在短時(shí)間內(nèi)了解船舶設(shè)備，減少使用故障，提高管理效率。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)不僅能壓縮傳輸實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，還可以集成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為船舶提供導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛、緊急救援等常規(guī)服務(wù)，并提供衛(wèi)星電話、海況、航海通告、港口信息等多功能信息服務(wù)。

VR技術(shù)還可以應(yīng)用于對(duì)船舶操作人員的業(yè)務(wù)培訓(xùn)，方便船員提前熟悉船舶和設(shè)備，做好接班準(zhǔn)備，減少船務(wù)公司的用人成本，有利于船舶的運(yùn)營(yíng)管理。

4 結(jié)語

新型船岸一體化VR現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控船舶設(shè)備的功能。采用VR新技術(shù)，克服了常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)只有數(shù)據(jù)參數(shù)顯示的缺點(diǎn)，也克服了遠(yuǎn)程CCTV視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳輸數(shù)量大、延時(shí)嚴(yán)重等缺點(diǎn)。采用最新的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速超遠(yuǎn)距離傳輸壓縮后監(jiān)控信息，提高了實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，有利于船舶遠(yuǎn)洋安全航行和船舶防污染管理監(jiān)控，為海洋環(huán)境保駕護(hù)航。