船舶救生設(shè)備安全檢查仿真訓(xùn)練與評(píng)估系統(tǒng)

劉辰童，李 萌，張 波，周 毅，王驥飛

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300452)

船舶的安全檢查是指海事管理部門每隔一段時(shí)間定期對(duì)船舶的狀態(tài)、防污染能力、船員配套設(shè)施、適任能力等進(jìn)行的安全檢查。船員的救生設(shè)備是船舶能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，救生設(shè)備是否完好無(wú)損、船員是否熟練掌握且正確使用救生設(shè)備，這些都與船員的生命息息相關(guān)。從目前的統(tǒng)計(jì)來(lái)看，救生設(shè)備缺失的比例還是相當(dāng)高的。主要是船上救生設(shè)備的維護(hù)受時(shí)間、環(huán)境、安全等因素的影響，導(dǎo)致部分救生設(shè)備缺乏及時(shí)有效的維護(hù)保養(yǎng)。

近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在船員培訓(xùn)領(lǐng)域和航海知識(shí)教學(xué)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注[1-3]，但船舶救生設(shè)備仿真訓(xùn)練的研究文獻(xiàn)相對(duì)較少，僅有邱紹楊等[4-5]對(duì)船舶救生培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，且沒(méi)有涉及船舶安全管理和培訓(xùn)評(píng)估。本文主要面向普通船員和船舶安全檢查人員，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)船舶救生設(shè)備安全檢查仿真訓(xùn)練與評(píng)估系統(tǒng)。一方面，可較好地解決普通船員的救生設(shè)備日常保養(yǎng)、操作訓(xùn)練問(wèn)題，在一定程度上可減少實(shí)船救生設(shè)備的缺陷；另一方面，培訓(xùn)船舶檢查員不再受到地區(qū)和船舶的限制，提高了靈活性，培訓(xùn)效果更加明顯。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 主要研究?jī)?nèi)容

船舶安全檢查包含船旗國(guó)和港口國(guó)的檢查，檢查的對(duì)象主要包括證書(shū)、船舶船體、船上設(shè)備功能、船舶整體狀況和船員對(duì)設(shè)備的熟練度等[6]。本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)功能需要包括救生設(shè)備安全檢查相關(guān)的內(nèi)容，即救生設(shè)備操作仿真訓(xùn)練、救生設(shè)備安全檢查仿真訓(xùn)練及上述2 種仿真訓(xùn)練后的自動(dòng)評(píng)估，主要用戶是普通船員和船舶安全檢查人員。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，普通船員可通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤或VR 外接設(shè)備等在三維虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行救生設(shè)備的日常保養(yǎng)、操作訓(xùn)練和自動(dòng)評(píng)估；安全檢查人員可以模擬實(shí)際安全檢查并打分評(píng)估。

為實(shí)現(xiàn)船舶救生設(shè)備安全檢查仿真訓(xùn)練與評(píng)估系統(tǒng)，需要重點(diǎn)研究以下6 項(xiàng)內(nèi)容：第一，根據(jù)船舶圖紙及救生設(shè)備的實(shí)際外觀建立整船和救生設(shè)備的三維模型；第二，利用碰撞檢測(cè)、路徑規(guī)劃等技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶模型的虛擬漫游；第三，搭建救生設(shè)備運(yùn)動(dòng)模型，通過(guò)人機(jī)交互技術(shù)開(kāi)發(fā)船舶救生設(shè)備操作仿真訓(xùn)練功能，并用于普通船員的培訓(xùn)；第四，收集和整理國(guó)際公約、國(guó)內(nèi)法律和實(shí)際檢查數(shù)據(jù)，建立船舶救生設(shè)備安全檢查數(shù)據(jù)庫(kù)；第五，設(shè)置并呈現(xiàn)設(shè)備缺陷，依據(jù)船旗國(guó)監(jiān)督管理和港口國(guó)監(jiān)督管理的實(shí)際檢查情況，模擬船舶安全檢查過(guò)程，用于船舶安全檢查官的培訓(xùn)；第六，利用專家法配合隸屬函數(shù)對(duì)救生設(shè)備的訓(xùn)練或救生設(shè)備的安全檢查過(guò)程進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。圖1 為系統(tǒng)總體框架。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall system framework

1.2 系統(tǒng)組成

船舶救生設(shè)備安全檢查仿真訓(xùn)練與評(píng)估系統(tǒng)需要以一條船舶為母型船進(jìn)行船舶三維場(chǎng)景建模。本系統(tǒng)以“海洋石油301”輪為母型船構(gòu)建船舶三維虛擬場(chǎng)景?！昂Ｑ笫?01”作為國(guó)內(nèi)首艘配置雙燃料主機(jī)、全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)系統(tǒng)的LNG 船舶，是高技術(shù)、高難度、高附加值船舶的典型代表，也是開(kāi)發(fā)船舶救生設(shè)備安全檢查仿真訓(xùn)練的絕佳載體。

如圖2 所示，教練站能為受訓(xùn)人員設(shè)置操作訓(xùn)練和檢查訓(xùn)練科目，考核人員根據(jù)安全檢查標(biāo)準(zhǔn)程序、各類公約和法規(guī)要求操作救生設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練?；诖皵?shù)據(jù)庫(kù)，在教練站設(shè)置訓(xùn)練、檢查場(chǎng)景及科目，并將設(shè)置好的科目發(fā)到訓(xùn)練端，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)科目自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的訓(xùn)練場(chǎng)景和訓(xùn)練內(nèi)容，培訓(xùn)人員在三維虛擬船舶中進(jìn)行訓(xùn)練，系統(tǒng)綜合評(píng)估培訓(xùn)人員的表現(xiàn)得出最終成績(jī)。

圖2 系統(tǒng)組成Fig.2 System composition

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

2.1 三維船舶及設(shè)備建模

整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作是建立船舶和救生設(shè)備三維模型。模型的比例和結(jié)構(gòu)要與船舶的實(shí)際設(shè)備相一致，建模的主要步驟如下：

①前期數(shù)據(jù)的收集，包括“海洋石油301”的圖像數(shù)據(jù)、關(guān)鍵設(shè)備布置、設(shè)備使用說(shuō)明和系統(tǒng)工作原理圖；

②建立模型庫(kù)，通過(guò)分析“海洋石油301”的相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇外觀或結(jié)構(gòu)相似的較為常用的設(shè)備，建立高精度模型，并形成系統(tǒng)模型庫(kù)，以便建立模型時(shí)隨時(shí)使用；

③將船舶的結(jié)構(gòu)建模和關(guān)鍵設(shè)備建模分開(kāi)進(jìn)行，船舶的結(jié)構(gòu)建模完成后對(duì)照之前采集的設(shè)備布置圖將設(shè)備放在正確位置；

④采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)組織管理，命名三維模型時(shí)，交互實(shí)體之間通過(guò)標(biāo)識(shí)字段區(qū)分它們的種類，交互實(shí)體和非交互實(shí)體也需要添加來(lái)進(jìn)行區(qū)分。

本系統(tǒng)以“海洋石油301”為目標(biāo)船構(gòu)建船舶三維虛擬場(chǎng)景。船舶建模各個(gè)階段的效果如圖3 所示。先收集整理船舶資料后制作船體白模，當(dāng)白模制作完成后，根據(jù)每個(gè)模型的具體特征單獨(dú)為白模模型制作材質(zhì)和貼圖，然后設(shè)置燈光位置、強(qiáng)度等，對(duì)模型進(jìn)行渲染，最后將所有模型進(jìn)行匯總和整合。

圖3 船舶整體建模的各個(gè)階段效果Fig.3 Effect of each stage of ship overall modeling

2.2 救生設(shè)備仿真交互操作

救生設(shè)備三維模型構(gòu)建完成后，需要開(kāi)發(fā)仿真交互操作功能，用于普通船員的培訓(xùn)。為此，本文重點(diǎn)對(duì)救生艇吊艇臂的運(yùn)動(dòng)模型、柔性繩索的模擬等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

2.2.1 吊艇臂的運(yùn)動(dòng)模型

圖4 為艇架結(jié)構(gòu)和其運(yùn)動(dòng)示意圖。液壓頂柱用來(lái)支撐吊艇臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，吊艇臂用來(lái)收放救生艇，液壓頂柱的運(yùn)動(dòng)與吊艇臂有關(guān)。因此，能否準(zhǔn)確地模擬艇架起吊下放和救生艇回收仿真的過(guò)程，關(guān)鍵就看能不能建立精確的模型。各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系如式(1)、(2)所示。

圖4 艇架運(yùn)動(dòng)模型Fig.4 Boat frame

設(shè)l = a +x ，根據(jù)余弦定理可得：

式中：θ、ψ待求，a 為液壓頂柱初始長(zhǎng)度，m；x 為液壓支柱伸展長(zhǎng)度，m；L、a、b 大小已知。

2.2.2 柔性繩索的模擬

救生設(shè)備中有大量的柔性繩索，如測(cè)試鏈、充電電纜等，為了使訓(xùn)練更接近真實(shí)的訓(xùn)練環(huán)境，要對(duì)繩索模擬仿真。模擬繩索等柔性物體一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的難點(diǎn)。由于基于位置動(dòng)力學(xué)(Position Based Dynamic，PBD)方法具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、允許較大的時(shí)間步長(zhǎng)和較好的可控性等優(yōu)點(diǎn)[7]，本文采用PBD方法來(lái)模擬仿真柔性繩索。

在PBD 方法中，繩索用約束耦合的粒子表示，在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中迭代地求解這些約束條件[8]。對(duì)繩索粒子的模擬迭代計(jì)算分為3 個(gè)步驟：①根據(jù)速度和外力移動(dòng)繩索粒子；②使得繩索粒子滿足約束條件；③執(zhí)行時(shí)間積分?；诮o定數(shù)據(jù)和時(shí)間步長(zhǎng)△t，繩索粒子模擬流程如圖5 所示，繩索的模擬截圖如圖6所示。

圖5 柔性繩索模擬流程圖Fig.5 Flow chart of flexible rope simulation

圖6 繩索模擬效果Fig.6 Rope simulation effect

此外，系統(tǒng)還對(duì)虛擬化身技術(shù)、協(xié)同交互技術(shù)進(jìn)行了研究，在此受篇幅限制不予贅述。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理船舶救生設(shè)備的操作訓(xùn)練科目、安全檢查要點(diǎn)、公約法規(guī)、典型缺陷、試題庫(kù)和成績(jī)庫(kù)等數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)庫(kù)分為練習(xí)模式和考核模式。在練習(xí)模式中，學(xué)員可以通過(guò)翻閱設(shè)備使用說(shuō)明書(shū)、船舶安全檢驗(yàn)知識(shí)等更好地加深印象；但在考核模式中，學(xué)員無(wú)法查看數(shù)據(jù)庫(kù)。

對(duì)救生設(shè)備的檢查要點(diǎn)、典型缺陷等進(jìn)行了分析和整理。以救生艇缺陷為例，對(duì)收集到的近5 年救生艇安全檢查的原始數(shù)據(jù)[9]進(jìn)行預(yù)處理，去除不正確的數(shù)據(jù)記錄，整合類似的缺陷描述，統(tǒng)計(jì)同一種缺陷的發(fā)生概率。表1 為救生艇檢查要點(diǎn)數(shù)據(jù)表，表2 為救生艇常見(jiàn)缺陷數(shù)據(jù)表。

表1 救生艇檢查要點(diǎn)Tab.1 Key points of lifeboat inspection

表2 救生艇常見(jiàn)缺陷Tab.2 Common defects of lifeboat

2.4 安全檢查流程模擬

系統(tǒng)依據(jù)船旗國(guó)監(jiān)督管理和港口國(guó)監(jiān)督管理的實(shí)際檢查過(guò)程模擬船舶安全檢查流程。這里僅以港口國(guó)監(jiān)督管理為例來(lái)介紹。

救生設(shè)備的港口國(guó)監(jiān)督管理包括初始檢查和詳細(xì)檢查，初始檢查主要檢查船體外觀和證書(shū)等是否滿足要求。詳細(xì)檢查主要檢查救生設(shè)備的完整性和船員使用的熟練度。通過(guò)教練站可以設(shè)置船員的證書(shū)問(wèn)題、外觀缺陷和操作缺陷等科目；設(shè)置好后，訓(xùn)練端啟動(dòng)相應(yīng)科目，并呈現(xiàn)所訓(xùn)練的缺陷。

如圖7 所示，檢查文件和證書(shū)時(shí)，安全員在菜單中選擇的證書(shū)和文件可以直接呈現(xiàn)在三維場(chǎng)景中。

圖7 證書(shū)檢查Fig.7 Certificate inspection

在進(jìn)行救生設(shè)備詳細(xì)檢查時(shí)，可以觀察救生仿真設(shè)備的外觀，如圖8 為救生艇艇體破損的缺陷，也可以讓船員操作救生設(shè)備；當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷項(xiàng)或疑似缺陷項(xiàng)時(shí)，可以啟用照相機(jī)功能，將有缺陷的設(shè)備或場(chǎng)景拍照并保存到本地，還可以啟用記事本功能，見(jiàn)圖9，將缺陷記錄保存。

圖8 缺陷設(shè)置與呈現(xiàn)Fig.8 Defect setting and presentation

圖9 記事本功能Fig.9 Notepad function

2.5 評(píng)估模塊實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用專家法和隸屬度函數(shù)相結(jié)合的模糊綜合評(píng)估方法[10-11]，并根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)細(xì)分問(wèn)題類型和操作流程提取評(píng)價(jià)要素，以及設(shè)置合理的權(quán)重、閾值和隸屬函數(shù)，進(jìn)而形成完整的評(píng)價(jià)模型。通過(guò)操作時(shí)間和操作結(jié)果2 個(gè)維度來(lái)評(píng)價(jià)檢驗(yàn)考生的學(xué)習(xí)成果[10]，操作時(shí)間計(jì)算采用式(3)，操作結(jié)果計(jì)算采用式(4)：

式中：SA表示最終成績(jī)，ST表示操作時(shí)間的分?jǐn)?shù)，時(shí)間越少表示考生操作的熟練程度越高，該項(xiàng)分值越高；SR為操作結(jié)果的分?jǐn)?shù)，表示考生操作的精準(zhǔn)度，該項(xiàng)分值越高表示考生的精準(zhǔn)度越高；WT為時(shí)間分的權(quán)重，WR為操作結(jié)果的權(quán)重。

時(shí)間得分ST如式(5)所示，操作結(jié)果得分SR如式(6)所示：

式中：STS表示操作時(shí)間分的標(biāo)準(zhǔn)分，f(t)為操作時(shí)間的隸屬度函數(shù)，i 表示仿真系統(tǒng)的評(píng)估要素，SRi表示評(píng)估要素i 的操作分值，f(i)表示評(píng)估要素的i 隸屬度函數(shù)。

3 結(jié) 論

本文介紹了面向普通船員和船舶安全檢查官應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的船舶救生設(shè)備安全檢查仿真訓(xùn)練與評(píng)估系統(tǒng)。普通船員可在三維虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行救生設(shè)備的日常保養(yǎng)、操作訓(xùn)練及自動(dòng)評(píng)估；船舶安全檢查人員可以對(duì)船舶安全進(jìn)行模擬檢查，并進(jìn)行評(píng)估和評(píng)分。解決了普通船員和船舶安全檢查人員的培訓(xùn)和考核問(wèn)題。

后續(xù)可進(jìn)一步研究救生艇入水模型，以提高入水模擬的精度和擴(kuò)大仿真救生設(shè)備的種類，同時(shí)可采用深度學(xué)習(xí)的方法來(lái)提高評(píng)估的準(zhǔn)確度?！?/p>