基于Unity3D的自升式海洋平臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

盧緒迪，郭艷利

(1.中集海洋工程研究院有限公司，山東 煙臺(tái) 264670；2.魯東大學(xué) 蔚山船舶與海洋學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264025)

0 引言

海洋工程裝備主要指海洋資源(特別是海洋油氣資源)勘探、開采、加工、儲(chǔ)運(yùn)、管理、后勤服務(wù)等方面的大型工程裝備和輔助裝備，一般分為海洋油氣資源開發(fā)裝備、其他海洋資源開發(fā)裝備、海洋浮體結(jié)構(gòu)物[1-3]。海洋工程裝備制造業(yè)涉及船舶與海洋工程、機(jī)械工程、通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等多學(xué)科交叉融合，從技術(shù)到生產(chǎn)管理，單憑一己之力很難完成。我國(guó)海洋工程裝備制造業(yè)起步較晚，尤其在高端海洋工程裝備設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域一系列關(guān)鍵技術(shù)難題亟待解決，但發(fā)展勢(shì)頭整體向好[4]。

海洋工程裝備具有定制性、復(fù)雜性與專業(yè)性：一方面，受場(chǎng)地和安全管理要求限制，在大型裝備交付之前，進(jìn)行石油平臺(tái)操作培訓(xùn)、安全演訓(xùn)時(shí)很難達(dá)到預(yù)期效果；另一方面，在向客戶進(jìn)行產(chǎn)品講解、用戶需求溝通及技術(shù)交流時(shí)，對(duì)接待人員專業(yè)知識(shí)及溝通能力要求很高，交流時(shí)間長(zhǎng)，且有時(shí)效果并不理想。現(xiàn)如今，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的行業(yè)引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以提高溝通質(zhì)量、降低培訓(xùn)時(shí)間和人力成本、加強(qiáng)學(xué)習(xí)與理解深度[5-7]。針對(duì)海洋工程領(lǐng)域虛擬仿真系統(tǒng)的研究，2018年我國(guó)首個(gè)海洋工程數(shù)字化技術(shù)中心在天津正式建成，建立了海洋環(huán)境水力動(dòng)力學(xué)和海洋工程裝備模型[8]；大連理工大學(xué)建立了基于DVS3D的流體與結(jié)構(gòu)耦合作用仿真實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了常見的水力學(xué)現(xiàn)象和海洋工程結(jié)構(gòu)物[9]。青島科技大學(xué)采用Unity3D技術(shù)構(gòu)建了水下采油樹操作培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)通道內(nèi)的可視化模擬[10]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在船舶與海洋工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但是針對(duì)自升式海洋平臺(tái)的虛擬仿真系統(tǒng)鮮有報(bào)道[11-12]。

自升式海洋平臺(tái)在海洋油氣開發(fā)中不可或缺，且正朝著適用水深更深和大型化趨勢(shì)發(fā)展，但其操作培訓(xùn)、安全演練和客戶體驗(yàn)等存在高風(fēng)險(xiǎn)、高成本等特點(diǎn)[13]。為此，本文以TAISUN200B自升式海洋平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用Unity3D軟件和交互式技術(shù)，開發(fā)一種新型的多用途自升式海洋平臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)特色功能演練、在線維護(hù)，降低了開發(fā)成本和工作量，為海洋平臺(tái)操作與安全演練、用戶需求溝通和技術(shù)交流提供高效、安全的解決方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自升式海洋平臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以TAISUN200B自升式海洋平臺(tái)基礎(chǔ)參數(shù)為支撐，基于Unity3D和VR技術(shù)開發(fā)，主要功能是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)漫游、模擬操作、故障處置及安全演練等。系統(tǒng)構(gòu)架見圖1，包括前端和后端2大部分：前端為虛擬現(xiàn)實(shí)交互環(huán)境，主要包括自主漫游、模擬操作、原理展示、故障仿真、災(zāi)害處置等模塊；后端主要包括平臺(tái)庫、組件庫、邏輯庫和特效庫等數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)通過后端數(shù)據(jù)庫調(diào)用，完成平臺(tái)模型拼接、作業(yè)場(chǎng)景部署、器件動(dòng)作邏輯調(diào)用和設(shè)備運(yùn)行邏輯調(diào)用等系統(tǒng)初始化。

圖1 TAISUN200B自升式海洋平臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)架

2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與3D模型構(gòu)建技術(shù)

自升式海洋平臺(tái)的模塊組成、設(shè)備運(yùn)行、作業(yè)場(chǎng)景等參數(shù)冗雜，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行篩選和分類是建設(shè)本系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)TAISUN200B自升式海洋平臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在開發(fā)過程中所需的模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)劃分為模型組件、作業(yè)邏輯和情景特效等3類，針對(duì)每一類數(shù)據(jù)又進(jìn)行了詳細(xì)劃分和設(shè)計(jì)。

為實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的高度還原，如模型組件等，在進(jìn)行3D建模時(shí)需要根據(jù)功能要求、渲染等級(jí)、實(shí)現(xiàn)效果等采用分級(jí)處理，然后建立AutoDesk 3D Max模型輕量化及FBX模型導(dǎo)出規(guī)則和Assetbunle模型文件制作標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)包含的模型分為設(shè)備基本模型、房間門模型、設(shè)備碰撞模型、設(shè)備部署目標(biāo)模型、預(yù)置視點(diǎn)模型、攀爬跳轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)模型、事件部署目標(biāo)模型等。本文以事件部署目標(biāo)模型制作標(biāo)準(zhǔn)為例進(jìn)行具體說明。

事件部署目標(biāo)模型中包含若干的空物體，每個(gè)空物體都代表有一個(gè)位置用于在場(chǎng)景中部署災(zāi)害等事件。該模型的建立須遵循以下標(biāo)準(zhǔn)：

(1)事件部署目標(biāo)模型的父級(jí)位置和軸向應(yīng)與該設(shè)備模型完全一致。

(2)事件部署目標(biāo)模型中空物體的軸向需與即將部署的設(shè)備或事件對(duì)象軸向一致。

(3)模型須有唯一父級(jí)物體，導(dǎo)出FBX命名規(guī)則：設(shè)備名稱_Special。

(4)個(gè)體預(yù)置視點(diǎn)模型命名規(guī)則： Special_節(jié)點(diǎn)編號(hào)(3位數(shù)，不足3位補(bǔ)0，如001)。

(5)父級(jí)物體中心位置與軸向和設(shè)備基本模型保持一致。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)技術(shù)

為有效存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和滿足應(yīng)用需求，必須構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式，建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)。本系統(tǒng)以主要功能實(shí)現(xiàn)為導(dǎo)向，以構(gòu)建的模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在系統(tǒng)后端部分建立組件庫、邏輯庫、特效庫和平臺(tái)庫等4類數(shù)據(jù)庫，對(duì)每一類數(shù)據(jù)庫包含的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，見表1。

表1 數(shù)據(jù)庫內(nèi)容設(shè)計(jì)

同時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)還要建立統(tǒng)一的CFG配置文件編寫規(guī)則，這些文件編寫規(guī)則主要包括設(shè)備部署配置文件、器件動(dòng)作配置文件、互動(dòng)邏輯配置文件、事件管理配置文件、事件器件狀態(tài)初始化配置文件、事件執(zhí)行邏輯文件、Script文件下的機(jī)械動(dòng)作腳本文件等。

2.3 功能模塊設(shè)計(jì)與在線維護(hù)技術(shù)

本系統(tǒng)主要功能包括平臺(tái)漫游、模擬操作、故障處置、安全演練及在線維護(hù)。具體原則如下：

(1)平臺(tái)漫游：用戶以第三人稱視角全局俯瞰整個(gè)石油平臺(tái)外觀；以第一人稱視角在石油平臺(tái)甲板及內(nèi)部工作區(qū)域漫游。

(2)模擬操作：用戶對(duì)設(shè)備器件進(jìn)行操作，反饋儀表顯示狀態(tài)及設(shè)備機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)設(shè)備模型運(yùn)行。

(3)故障處置：功能開始執(zhí)行時(shí)，用戶需配置模擬的故障；系統(tǒng)根據(jù)故障表現(xiàn)配置三維模型及后臺(tái)狀態(tài)初始化，再根據(jù)用戶處理故障操作，對(duì)比故障處理流程，逐步反饋故障排查或處理操作后設(shè)備對(duì)應(yīng)狀態(tài)，最終接觸故障狀態(tài)。

(4)安全演練：功能開始執(zhí)行時(shí)，用戶在平面圖中任意點(diǎn)部署災(zāi)情發(fā)生位置及大小級(jí)別，再根據(jù)災(zāi)情狀況，用戶進(jìn)行災(zāi)害處置或緊急逃生。用戶在火災(zāi)部署后可實(shí)現(xiàn)如下動(dòng)作：以第三人稱或監(jiān)控設(shè)備視角觀看自動(dòng)消防設(shè)備針對(duì)火災(zāi)進(jìn)行滅火；以第一人稱視角前往級(jí)別較低火警現(xiàn)場(chǎng)，通過消防節(jié)點(diǎn)獲取消防設(shè)備進(jìn)行滅火；在火警級(jí)別較高時(shí)，用戶以第一人稱視角根據(jù)火情逃生自救。

(5)在線維護(hù)：通過平臺(tái)式可自定義功能邏輯系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能更新和維護(hù)，根據(jù)系統(tǒng)提供的設(shè)備部署、互動(dòng)邏輯、器件動(dòng)作、事件執(zhí)行邏輯、機(jī)械動(dòng)作腳本等配置文件編寫規(guī)則，將擴(kuò)展內(nèi)容創(chuàng)建為標(biāo)準(zhǔn)配置文件并添加至指定的資源文件夾實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)。用戶可擴(kuò)展資源文件結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 用戶可擴(kuò)展資源文件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)功能演示與維護(hù)

本系統(tǒng)初始場(chǎng)景可自行配置，包括不同時(shí)段海洋環(huán)境、不同主體船型及海洋波浪強(qiáng)度等，場(chǎng)景加載以后即可進(jìn)行平臺(tái)漫游、模擬操作、故障處置及安全演練等功能演練；通過平臺(tái)式可自定義功能邏輯系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)資源創(chuàng)建，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線維護(hù)和功能更新。

3.1 系統(tǒng)初始化與在線維護(hù)

3.1.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化為整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能，是實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的基礎(chǔ)，其主要功能是通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的配置文件及模型文件，動(dòng)態(tài)組建石油平臺(tái)，并為其賦予基本交互功能和運(yùn)行邏輯。系統(tǒng)初始化內(nèi)容包括平臺(tái)模型拼裝、作業(yè)場(chǎng)景部署、器件動(dòng)作邏輯調(diào)用和設(shè)備聯(lián)動(dòng)邏輯調(diào)用等，具體如下：

(1)平臺(tái)模型拼裝：用戶選擇石油平臺(tái)后，依據(jù)數(shù)據(jù)庫中的裝配參數(shù)，調(diào)用相關(guān)各項(xiàng)模型部署位置及設(shè)置附屬關(guān)系。

(2)作業(yè)場(chǎng)景部署：將組裝好的石油平臺(tái)部署在作業(yè)場(chǎng)景模型中，并根據(jù)作業(yè)場(chǎng)景初始化石油平臺(tái)狀態(tài)。

(3)器件動(dòng)作邏輯調(diào)用：調(diào)用器件動(dòng)作邏輯，為設(shè)備的可操作器件設(shè)置執(zhí)行邏輯，并進(jìn)行檔位狀態(tài)初始化。

(4)設(shè)備聯(lián)動(dòng)邏輯調(diào)用：根據(jù)設(shè)備運(yùn)行邏輯，將各設(shè)備之間數(shù)據(jù)輸入輸出建立映射接口，并初始化設(shè)備機(jī)構(gòu)狀態(tài)。

3.1.2 系統(tǒng)維護(hù)

本系統(tǒng)通過平臺(tái)式可自定義功能邏輯系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能更新和維護(hù)。在本案例中，首先根據(jù)系統(tǒng)提供的Assetbunle模型文件制作流程和制作標(biāo)準(zhǔn)、CFG配置文件編寫規(guī)則及器件類型說明等文件要求，創(chuàng)建設(shè)備基本模型和設(shè)備碰撞模型，并導(dǎo)出為Assetbundle標(biāo)準(zhǔn)模型，最后將其配置為資源，由此即可完成吊車控制臺(tái)功能的添加。

增加吊車控制臺(tái)功能后，進(jìn)入第一人稱視角，在直升機(jī)平臺(tái)上會(huì)看到自定義創(chuàng)建的控制臺(tái)；右鍵點(diǎn)擊控制臺(tái)上的按鈕，彈出Rotate選項(xiàng)，選中后平臺(tái)左側(cè)吊車會(huì)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；再次右鍵點(diǎn)擊控制臺(tái)上按鈕，彈出Pause選項(xiàng)，選中后左側(cè)吊車停止旋轉(zhuǎn)。

3.2 TAISUN200B自升式海洋平臺(tái)漫游

本系統(tǒng)既可以第三人稱視角全局俯瞰整個(gè)石油平臺(tái)外觀，也可以第一人稱視角在石油平臺(tái)甲板、內(nèi)部工作區(qū)域及生活區(qū)域漫游，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外觀的整體感官印象。

3.3 TAISUN200B自升式海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)模擬操作

本系統(tǒng)以第一人稱視角模擬操作員對(duì)石油平臺(tái)機(jī)械、設(shè)備及相關(guān)器件的操作，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的設(shè)備動(dòng)作邏輯和運(yùn)行邏輯，同步儀表屏幕顯示、機(jī)械設(shè)備器運(yùn)行。

3.4 TAISUN200B自升式海洋平臺(tái)故障排查及應(yīng)急處置

本系統(tǒng)通過選擇數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的故障并注入到當(dāng)前石油平臺(tái)運(yùn)行系統(tǒng)中，模擬石油平臺(tái)故障狀態(tài)，再以第一人稱視角模擬操作平臺(tái)升降系統(tǒng)，排查平臺(tái)故障原因，合理處置。

3.5 TAISUN200B自升式海洋平臺(tái)消防系統(tǒng)火警模擬

本系統(tǒng)通過對(duì)平臺(tái)平面圖的操作，設(shè)置火災(zāi)位置，可模擬平臺(tái)消防系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)作、人員前往消防節(jié)點(diǎn)實(shí)施消防動(dòng)作及人員通過安全通道逃生。

4 結(jié)論

(1)基于Unity3D的自升式海洋平臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以TAISUN200B自升式海洋平臺(tái)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取模型組件、作業(yè)邏輯和情景特效3類數(shù)據(jù)，構(gòu)建了組件庫、邏輯庫、特效庫及平臺(tái)庫等系列數(shù)據(jù)庫；通過調(diào)用該數(shù)據(jù)庫，可驅(qū)動(dòng)平臺(tái)漫游、模擬操作、故障處置及安全演練4個(gè)功能模塊。

(2)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了TAISUN200B自升式海洋平臺(tái)第三人稱視角的全局俯瞰和第一視角局部的漫游；并能夠在第一人稱視角下對(duì)石油平臺(tái)機(jī)械、設(shè)備及相關(guān)器件進(jìn)行操作，沉浸式模擬鉆井平臺(tái)升降操作過程；還可以模擬平臺(tái)自動(dòng)處置系統(tǒng)運(yùn)作、人員應(yīng)急處置流程及棄船逃生規(guī)程；同時(shí)，能夠通過規(guī)范模型、配置腳本文件進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，從而降低工作量和開發(fā)成本，并且為海洋工程裝備展示、用戶需求溝通及技術(shù)交流提供安全、高效的解決方案。