VR技術在船舶發(fā)電機運維培訓中的應用

傅卓琳， 周澤麟， 鄒燕歆， 單小芬

(江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913)

0 引 言

在船舶生產建造的后行階段，許多設備均需要進行大量且頻繁的調試與維修以達到期許的參數，并最終保證整船各部分設備所構成的龐大系統(tǒng)可正常運行。不同于電氣設備高度集成的特點，輪機設備需要更多的物理操作，考慮布置合理性，該類設備一般分布于船舶機艙的各個位置。上述客觀因素會造成如下2個方面問題：(1)船舶機艙環(huán)境復雜、設備種類繁多，很多設備位置僅憑設計圖紙難以快速找到，在空間上大幅增加維護維修的難度；(2)實船培訓會在一定程度上阻礙生產進行，且依靠圖紙及流程的培訓方式費時費力，在時間上增加維護維修的成本。

隨著虛擬現實(Virtual Reality，VR)技術的不斷發(fā)展，其在工業(yè)領域應用方面取得一定的成果。采用基于VR的數字化運維培訓，在根據真實比例模型所搭建的虛擬船舶機艙場景中，以人機交互(Human Computer Interaction，HCI)的方式使操作人員身臨其境地貫通運維培訓的全業(yè)務流程，可更直觀和更迅速地熟悉艙內環(huán)境、重要設備位置及相關業(yè)務流程。與傳統(tǒng)方式相比，該方式可在先行階段為受訓者模擬現實世界中的復雜環(huán)境，為受訓者提供指導，培養(yǎng)其快速操作反應和應變能力，便于在后續(xù)工作中快速投入實際工作環(huán)境，具有可重復性高、理論實踐相結合等特點，為船舶運維培訓提供新方向。

1 應用現狀

VR主要由計算機圖形技術構建虛擬環(huán)境，是融合多媒體技術、計算機圖形技術、HCI、傳感器技術、網絡技術、立體顯示技術、心理學及仿真技術等多種學科發(fā)展起來的計算機綜合技術，通過視覺、聽覺、觸覺等讓用戶更具有沉浸感和真實感地在虛擬環(huán)境中模擬現實世界進行交互活動，可從虛擬環(huán)境中接受信息，模擬現實進行分析、處理并作出反應[1]。VR技術在軍事、醫(yī)療、教育、制造、設計等領域均出現相關的應用，使人類生產、生活發(fā)生巨大變革，并產生一定效益[2]。

目前，國外多家船廠已開展VR技術的應用，尤其是日韓等國作為造船強國更是在該領域有所突破，在造船效率、成本控制、質量提升、安全保障等方面均取得進展，大幅增加其在國際市場的影響力和競爭力。2016年，日本多家船廠與日本船舶技術研究協(xié)會合作開發(fā)基于VR和增強現實(Augmented Reality，AR)的現場工人行動分析系統(tǒng)和虛擬涂裝作業(yè)系統(tǒng)，可分析工人的最優(yōu)作業(yè)模型，減少約40%的作業(yè)時間。2017年，韓國現代重工在蔚山總部成立船廠安全培訓中心，其中的安全體驗中心基于VR技術，讓船員身臨其境地感受突發(fā)事件發(fā)生時的情形并在虛擬場景中作出應對措施，以提高員工安全責任意識[3]。此外，國外的航運企業(yè)大力開展VR技術應用，模擬船舶的航行狀況，將VR應用于船舶運行時的維護、監(jiān)測、導航等，甚至結合衛(wèi)星等模擬當前海況，顯著提高船舶航行的安全性。

在國內，廣州藍悅船舶設計有限公司等提出將VR技術應用于船舶產品，在前期與船舶所有人制訂內裝方案時通過VR技術進行效果展示，將其作為簽約依據之一[4]。

2 業(yè)務背景

在船舶生產建造后期，大量設備需要進行安裝與調試以達到預定的理想參數，而作為機艙較重要設備之一的主發(fā)電機起著為全船各項設備運行提供穩(wěn)定電力的作用，因此發(fā)電機運維尤為重要。相關業(yè)務知識往往掌握在個別技術人員手中，新船員在工作伊始因知識匱乏而舉步維艱[5]。人員不均衡性可能出現2個方面的問題：(1)在船舶生產調試作業(yè)時，得不到相關技術人員支持而不得不暫停工作，拖慢整船建造交付進度；(2)新船員得不到充分練習，對機艙環(huán)境及設備操作的陌生感導致錯誤操作，使船舶在正常運行時存在一定隱患。發(fā)電機的運維培訓成為不可忽視的一環(huán)。

3 應用開發(fā)

通過技術儲備、業(yè)務調研及對培訓展現方式的討論評估，項目組對開發(fā)邏輯進行梳理，如圖1所示，圖中的UI(User Interface)為用戶界面。

圖1 開發(fā)邏輯

3.1 業(yè)務邏輯

項目組考慮液化氣船機艙區(qū)域復雜程度高，涉及的業(yè)務知識多，因此選取某型液化氣船機艙內的發(fā)電機組作為VR運維對象，以船舶機艙為背景，分別從發(fā)電機運行與維修業(yè)務中選取2類典型業(yè)務進行開發(fā)。

3.1.1 發(fā)電機備車業(yè)務

發(fā)電機為全船電力核心，在系泊試驗期間，全船各項設備的調試工作需要在發(fā)電機調試之后開展，因此發(fā)電機的調試進程決定后續(xù)設備調試報驗周期的長短。在對發(fā)電機進行調試前，需對發(fā)電機開展備車業(yè)務。業(yè)務內容包括燃油、滑油、海水、淡水、壓縮空氣等5個大類，細分檢查項目包括液位檢查及閥門開閉等百余項內容，考慮其中大部分閥門在備車前已完成調試，在后續(xù)基本保持常開或常閉狀態(tài)，因此選取各類內容的幾個典型閥門及開關，均為每次備車準備必須提前打開，并在備車結束后關閉，液位相關檢查項目默認為合格。在送電正常情況下，發(fā)電機備車流程如圖2所示。

圖2 發(fā)電機備車流程

3.1.2 發(fā)電機閥門更換維修業(yè)務

很多船舶設備屬于易損件，需隨時更換。船舶在出航時往往會攜帶各類備用件，便于隨時更換或維修以確保航行的順利。選取位于發(fā)電機側的壓縮空氣進氣閥作為示例，展示備用件的取放位置、需更換閥門的位置，便于在實際需要時可根據情況迅速進行更換維修作業(yè)。閥門更換操作流程如圖3所示。

圖3 閥門更換操作流程

3.2 模型環(huán)境搭建

直接調用生產設計模型進行輕量化處理，在保證模型外觀準確的前提下降低模型的網格數量，同時在開發(fā)平臺上進行顯示優(yōu)化。在導入開發(fā)平臺后，在三維軟件中對模型敷設相應的顏色和材質，調整燈光的亮度和位置，對場景進行渲染[6]。模型的空間相對位置同樣基于實際安裝尺寸安放，可模擬真實設備在機艙的位置，最終效果與實船環(huán)境基本一致。最后分離需要交互的模型，便于后續(xù)開發(fā)。發(fā)電機運維的主要交互對象如表1所示。

表1 發(fā)電機運維的主要交互對象

3.3 功能開發(fā)

項目組根據業(yè)務邏輯進行應用框架搭建，并根據操作需求進行相應的功能開發(fā)。

3.3.1 手勢交互UI

VR中的操作培訓配合手勢與UI進行交互。手勢基于運動捕捉器實時捕捉手部的運動狀態(tài)，通過關節(jié)點的方向向量計算夾角得到手指及手持物、手掌和雙手相對運動的平移、縮放和旋轉信息，將手部的運動和位置信息映射至VR場景，并模擬受訓者的抓取、觸碰和拖拽等動作。

UI具有層級關系，不同層級之間具有遮擋效果，在設計交互界面時應充分考慮各元素的位置和大小。UI設計如下：構建顯示畫布，渲染模式設置為世界空間渲染；創(chuàng)建面板，選擇合適的邊框將對話框遮罩；在面板層級下創(chuàng)建對應的按鈕及文字，并編寫腳本，按照流程順序依次控制各按鈕的顯示順序，避免錯誤的層級遮擋導致按鈕不能點觸交互的情況。由于交互僅需通過雙手完成，因此UI模塊隱藏在附著于手側的功能塊內，受訓者可在虛擬場景中漫游時隨時抓取對應功能模塊，放置于虛擬空間內任意位置，脫離錨點的功能模塊自動展開至合適大小，借此打開菜單欄UI，點擊相應的功能鍵進入對應的培訓業(yè)務，如圖4所示。

圖4 手勢UI交互

受訓者選擇一項業(yè)務并開始培訓流程，會自動顯示指引箭頭，引導受訓者去往對應位置并進行相應的操作，UI跟隨受訓者實時移動。受訓者到達對應位置，會出現相應的UI提示，告知受訓者應進行的具體操作，且其法線方向始終朝向受訓者?？紤]實際船艙中的閥門數量多且排布密集，在受訓者到達對應位置時對應閥門會突出顯示。鑒于船舶使用的閥門在不同用途及工況下對應的閥門類型不同，每種閥門的旋開行程有所差異，因此在UI中記錄旋轉的圈數以告知受訓者對應位置閥門的實際狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 具體操作提示

受訓者在場景內配合引導路徑及語音指示依次完成上述內容，可基本貫穿備車準備的整個流程。在系統(tǒng)檢測到1個步驟完成或受訓者跳過該步驟，UI及導航將自動引導至下一步，直至全部完成。在全部流程結束后，會提示當前任務準備就緒，并可點選重新開始回到主界面繼續(xù)進行其他培訓業(yè)務，各項交互對象重置為默認狀態(tài)，便于下一次操作。

3.3.2 導航功能

發(fā)電機備車業(yè)務涉及的相關操作對象分布于機艙不同平臺，且距離較遠，為在訓練過程中引導受訓者以最短路徑前往指定目標點，在應用場景中需要增加導航功能以滿足該需求。在受訓者的VR角色模型中創(chuàng)建目標物體A，將場景中的模型等進行標記，分離可行走區(qū)域，按最短原則自動避障生成到達目標點的路徑，其終點為目標點，起點隨目標物體A一起移動。受訓者可由機艙任意位置開始導航，應用將顯示動態(tài)導航路徑箭頭，引導受訓者前往對應位置，并自動繞開障礙物，如圖6所示。

圖6 導航路徑

在機艙VR環(huán)境中，受訓者往往不了解自身角色位于機艙的具體位置，因此應用提供實時位置小地圖功能。小地圖以受訓者為中心點，以受訓者朝向為正方向，其箭頭的黃色圖標可清晰反映角色當前位置及朝向。為避免遮擋，小地圖功能僅顯示船員所處平臺的模型。

3.3.3 交互內容反饋

根據場景需求設定部分模型為可交互對象，如閥門可直接通過旋轉手勢旋開，控制箱開關及液壓泵的手搖桿等模擬真實場景可基于手部動作模擬開閉。交互對象設置開啟狀態(tài)和關閉狀態(tài)，可反復開啟，若所進行步驟為開啟某項設備如空氣壓縮機，會發(fā)出對應壓縮機的啟動音效，帶給受訓者更深層次的沉浸感。每一步完成，UI會出現提示，同時會發(fā)出提示音告知受訓者操作是否完成正確，如圖7所示。

圖7 完成提示

在發(fā)電機閥門維修業(yè)務中，舊閥門在原位置被虛擬手觸碰瞬間轉為六自由度狀態(tài)，可憑手部的抓取動作將其拆卸取下，將新閥門移動至對應位置，其會自動吸附完成安裝，并提示受訓者相應閥門已更換，在完成操作后將舊閥門帶至統(tǒng)一存放處，如圖8所示。

圖8 閥門更換

4 結 論

通過實際測試應用，分析基于VR的發(fā)電機運維應用特點如下：

(1)該應用替代傳統(tǒng)培訓文檔、手冊，以更為直觀的VR方式向受訓者輸出發(fā)電機運維知識，有利于受訓者快速掌握相關技能，激發(fā)積極性，提高培訓效率。

(2)VR運維培訓可避免培訓長期處于現場惡劣嘈雜的環(huán)境中，同時對于一些需要搭建實體樣艙的船舶，節(jié)省單獨搭建模擬實訓場景所需要的時間及物料成本。

(3)開發(fā)人員在生產設計完成時即可進行開發(fā)，在船舶建造完工前即可完成開發(fā)并對船員進行先行培訓，在船舶交付時船員已熟知船舶布置情況及運維相關知識。

隨著VR技術走向成熟，其在船舶領域的應用不僅可繼續(xù)擴展至主機等各類船舶設備的運維培訓，而且可進行火災等突發(fā)情況的處置培訓。在5G時代來臨之際，VR與5G技術結合可在無線環(huán)境下進行VR多人協(xié)同培訓，推進船舶操作培訓類業(yè)務的快速發(fā)展。