船舶操縱性海試實驗虛擬仿真設(shè)計與應(yīng)用

史琪琪， 馬 寧， 馬程前

（上海交通大學(xué)a.海洋工程國家重點(diǎn)實驗室；b.船舶海洋與建筑工程學(xué)院；c.海洋裝備研究院，上海 200240）

0 引 言

操縱性是船舶重要的航行性能，它反映船舶保持與改變航向、航速及位置的能力，對船舶投入運(yùn)營后的航行安全性和經(jīng)濟(jì)性影響顯著。隨著船舶業(yè)界設(shè)計建造技術(shù)的發(fā)展，目前全球在役船舶的噸位和航速都持續(xù)提升，船舶操縱性能研究的重要性也隨之日趨顯著［1］。船舶在建造完工后會開展海域試航，用于檢驗船舶的操縱性、快速性、主輔機(jī)性能等是否達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)及船級社相關(guān)規(guī)范要求；其中操縱性試驗主要包括回轉(zhuǎn)試驗、急停試驗和Z 形試驗等，是確認(rèn)船舶能否滿足保持或改變運(yùn)動狀態(tài)相關(guān)規(guī)范要求的重要手段［2-4］。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)的發(fā)展，使得依托計算機(jī)圖形學(xué)原理及相關(guān)控制顯示設(shè)備等，形成有沉浸感的三維虛擬實驗環(huán)境成為可能［5-7］。基于VR的虛擬實驗測試工作，將VR技術(shù)與傳統(tǒng)實驗測試技術(shù)相結(jié)合，形成以計算機(jī)輔助為基礎(chǔ)的新型實驗測試手段，應(yīng)用于工程實踐中可顯著降低測試費(fèi)用、減少實驗風(fēng)險，覆蓋現(xiàn)實中出現(xiàn)的大部分環(huán)境條件，不受時間、地點(diǎn)、氣候等因素的影響［8-10］。在船舶性能測試方面，VR 技術(shù)的應(yīng)用可為船舶運(yùn)營的安全性提供全面保障［11］。

為彌補(bǔ)船舶海試成本高、風(fēng)險大、準(zhǔn)備時間長等不足，本文基于VR 技術(shù)，結(jié)合船舶操縱性數(shù)值計算方法，開展船舶操縱性海試實驗虛擬仿真的設(shè)計與應(yīng)用研究。通過自主開發(fā)船舶操縱性海試實驗虛擬仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)對船舶操縱性能的虛擬仿真預(yù)報評估；梳理形成實驗虛擬仿真完整流程，探索基于VR 技術(shù)的實驗教學(xué)新模式，為學(xué)生了解船舶操縱性海試完整過程提供良好的虛擬實驗環(huán)境；并以集裝箱船為例開展應(yīng)用實踐。船舶操縱性海試實驗虛擬仿真能實現(xiàn)虛擬環(huán)境下船舶航行全過程中人機(jī)互動的準(zhǔn)確模擬，使學(xué)生未登船而有真實的上船體驗和感性認(rèn)識，沉浸式了解船舶操縱性海試的完整過程，加強(qiáng)對船舶操縱性實驗相關(guān)規(guī)程及操縱性預(yù)報方法的認(rèn)識與理解，對培養(yǎng)學(xué)生的探究精神與工程實踐能力具有重要意義。

1 實驗虛擬仿真設(shè)計

1.1 實驗虛擬仿真的設(shè)計架構(gòu)

船舶操縱性海試實驗虛擬仿真以船舶操縱性數(shù)值預(yù)報算法為基礎(chǔ)，結(jié)合VR技術(shù)、3D成像投影技術(shù)等，突破船舶操縱性分析方法與VR 技術(shù)融合應(yīng)用等難點(diǎn)，構(gòu)建完整的實驗系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)虛擬環(huán)境下船舶操縱性海試全過程的模擬仿真，采用多路立體信號同步演示，實現(xiàn)求解器分析結(jié)果在三維虛擬環(huán)境中的實時展示，有效支撐虛擬環(huán)境下的船舶操縱性海試實驗教學(xué)。

船舶操縱性海試實驗虛擬仿真系統(tǒng)的構(gòu)建，包括計算程序編制、船舶及環(huán)境建模、VR平臺搭建與模塊間接口開發(fā)。系統(tǒng)基于船舶操縱性海試的基本規(guī)程，完成船舶海試過程的操縱性計算模擬，通過接口傳輸，實現(xiàn)船舶操縱性計算的實時運(yùn)動結(jié)果傳入VR系統(tǒng)和預(yù)設(shè)模型參數(shù)設(shè)置指令與數(shù)據(jù)的反饋，完成對船舶操縱性海試過程的模擬。實驗虛擬仿真整體設(shè)計架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 船舶操縱性海試實驗虛擬仿真設(shè)計架構(gòu)

其中，核心的三自由度（縱蕩-橫蕩-首搖）船舶操縱性計算程序基于船舶操縱性運(yùn)動數(shù)學(xué)模型研究小組（Ship Manoeuvring Mathematical Model Group，MMG）模型自主開發(fā)［12-14］，船體黏性操縱性水動力系數(shù)和附加質(zhì)量等通過經(jīng)驗公式計算獲得，螺旋槳力通過敞水曲線及船槳干擾系數(shù)伴流分?jǐn)?shù)和推力減額系數(shù)計算獲得，舵力通過垂直于舵葉面的正壓力與舵角等計算獲得，方程通過四階龍格庫塔法選擇合適的時間步長進(jìn)行計算，獲得操縱性海試過程中實時船舶速度和位置坐標(biāo)信息。

基于MMG分離式模型獲得的縱蕩、橫蕩、艏搖三自由度操縱運(yùn)動模型：

式中：m、Izz分別為船舶的質(zhì)量和艏搖慣性矩；mx、my和Jzz分別為船舶縱向附加質(zhì)量、橫向附加質(zhì)量和艏搖附加慣性矩；下標(biāo)H、P、R 分別為船體力、螺旋槳力和舵力。其中，附加質(zhì)量力估算依據(jù)周紹明對元良圖譜的回歸公式獲得［15］。

1.2 實驗虛擬仿真的模塊組成

根據(jù)船舶操縱性海試實驗虛擬仿真的整體設(shè)計架構(gòu)，實驗系統(tǒng)由船舶操縱性計算、VR 仿真（含船舶與環(huán)境模型）、計算與VR仿真模塊間接口等構(gòu)成。

（1）船舶操縱性計算模塊。結(jié)合國內(nèi)外船舶操縱性計算方法研究進(jìn)展，依據(jù)船舶海試規(guī)程，基于MMG操縱數(shù)學(xué)模型完成船舶操縱性計算程序的自主開發(fā)，計算程序?qū)崿F(xiàn)各型船舶在不同裝載下的靜水及規(guī)則波中的回轉(zhuǎn)、急停和Z 形試驗等操縱性海試時域模擬，實現(xiàn)船舶運(yùn)動參數(shù)及軌跡信息的實時輸出，為系統(tǒng)實現(xiàn)對操縱性虛擬海試典型實驗的VR模擬提供船舶運(yùn)動時歷等關(guān)鍵參數(shù)與信息。

（2）VR仿真模塊與船舶模型。基于VR 與三維建模技術(shù)，依托Unity3D平臺完成船舶操縱性海試VR系統(tǒng)的構(gòu)建，導(dǎo)入Maya 構(gòu)建的多型船舶模型與海試環(huán)境模型，實現(xiàn)多端口船型參數(shù)變換/數(shù)據(jù)輸入、不同海試場景模擬、關(guān)鍵數(shù)據(jù)實時顯示、視角切換、實驗數(shù)據(jù)下載管理及后處理結(jié)果顯示等功能，并同步直觀展示實驗全過程，根據(jù)操作者的操縱指令實現(xiàn)船舶操縱性海試的仿真。

（3）計算模塊與VR仿真模塊間的接口。完成計算程序與VR平臺間的接口開發(fā)，實現(xiàn)操縱性計算與VR仿真模塊間數(shù)據(jù)與指令的實時傳輸。VR 平臺操作者輸入的船舶及操縱性參數(shù)實時反饋至計算模塊輸入端，經(jīng)計算程序運(yùn)行，將運(yùn)動時歷等數(shù)據(jù)實時傳輸至VR平臺，在VR平臺實現(xiàn)船舶模型的精準(zhǔn)運(yùn)動模擬。

1.3 實驗虛擬仿真的創(chuàng)新點(diǎn)

船舶操縱性海試實驗虛擬仿真可對不同裝載工況下的油船和集裝箱船等各型船舶開展實驗研究，通過自定義參數(shù)設(shè)計，實現(xiàn)實驗對象船型的全覆蓋；實驗類型包含船舶操縱性海試中執(zhí)行的回轉(zhuǎn)、急停和Z 形等試驗，實現(xiàn)對實驗對象操縱性能的全面衡量。船舶操縱性海試實驗虛擬仿真在方案建設(shè)、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用等方面都實現(xiàn)了創(chuàng)新。

（1）基于VR技術(shù)提出船舶操縱性海試實驗虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)方案，完善船舶專業(yè)實驗課程體系。將VR、3D 成像投影等技術(shù)應(yīng)用于船舶操縱性能分析領(lǐng)域，形成船舶操縱性海試實驗虛擬仿真方案，創(chuàng)新教學(xué)方法，采取“理論學(xué)習(xí)—VR沉浸式操作—船舶操縱性海試快速虛擬仿真”的“三位一體”教學(xué)模式，使學(xué)生在實驗室中即能自主完成船舶操縱性海試過程模擬，快速掌握船舶操縱性基本原理和分析方法，提高教學(xué)效果。

（2）應(yīng)用仿真建模技術(shù)，確保實驗全過程模擬的準(zhǔn)確性。實驗系統(tǒng)開發(fā)，引入精準(zhǔn)仿真建模技術(shù)，準(zhǔn)確構(gòu)建多型對象船舶與海洋環(huán)境模型；實驗過程中，全面考慮多種不同海洋環(huán)境因素（包括風(fēng)、浪、流、淺灘、有限水域等）的組合影響，兼顧系統(tǒng)響應(yīng)實時性，將求解器分析數(shù)據(jù)結(jié)果在虛擬三維環(huán)境中進(jìn)行同步轉(zhuǎn)換，保證仿真畫面的流暢與實驗全過程中環(huán)境與船舶運(yùn)動的準(zhǔn)確模擬。

2 實驗虛擬仿真實施與應(yīng)用

2.1 實驗虛擬仿真環(huán)境與系統(tǒng)開發(fā)

船舶操縱性海試實驗虛擬仿真包含VR 頭顯版、大屏版（操作場景見圖2）、單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)版等多個版本。線下實驗教學(xué)使用前3 個版本實驗系統(tǒng)，依托實驗室的3D LED 大屏、追蹤相機(jī)、控制手柄、主動立體式3D眼鏡及VR頭盔等硬件設(shè)備開展，確保虛擬實驗的沉浸感；線上教學(xué)采用網(wǎng)絡(luò)版仿真系統(tǒng)，通過訪問預(yù)設(shè)的實驗網(wǎng)頁鏈接，實現(xiàn)全流程操作。

圖2 船舶操縱性海試實驗虛擬仿真系統(tǒng)（大屏版）操作場景

船舶操縱性海試實驗虛擬仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)與關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)見表1，系統(tǒng)中船舶模型按照指定對象的主尺度與型線構(gòu)建，模型尺寸、外形準(zhǔn)確；海域環(huán)境條件根據(jù)不同的風(fēng)浪等級精準(zhǔn)模擬；實驗中，船舶模型的運(yùn)動根據(jù)計算模塊輸出的仿真結(jié)果同步準(zhǔn)確顯示。

表1 船舶操縱性海試實驗虛擬仿真系統(tǒng)參數(shù)與關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

2.2 實驗虛擬仿真內(nèi)容

船舶操縱性海試實驗虛擬仿真依托“以虛帶實、虛實結(jié)合”的教學(xué)方法，指導(dǎo)學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展仿真，并與船舶海試結(jié)果進(jìn)行對比分析，達(dá)到教學(xué)大綱要求。依托多版本的實驗系統(tǒng)，船舶操縱性海試實驗虛擬仿真教學(xué)可按網(wǎng)絡(luò)授課（線上）和現(xiàn)場授課（線下）的方案分別進(jìn)行，實驗內(nèi)容主要包括：

（1）實驗準(zhǔn)備階段。對ITTC 船舶操縱性相關(guān)規(guī)程、船舶操縱性預(yù)報的常規(guī)方法、舵的類型及工作原理、VR基本理論等內(nèi)容進(jìn)行集中講解，使學(xué)生對VR技術(shù)、船舶操縱性基本理論及海試的相關(guān)要求有一定的了解。

（2）實驗過程中。學(xué)生分組開展實驗，在船舶虛擬海試場景仿真界面完成船舶尺度、重量、裝載情況、操縱特性參數(shù)以及外部條件等的設(shè)置后運(yùn)行，啟動系統(tǒng)求解器運(yùn)算得到船舶虛擬海試的運(yùn)動軌跡以及螺旋槳轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度和舵角等相關(guān)結(jié)果，系統(tǒng)對船舶運(yùn)動結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換編碼，生成相應(yīng)的控制信號，在VR設(shè)備中實現(xiàn)船舶運(yùn)動全過程的三維模擬輸出，完成船舶操縱性海試實驗虛擬仿真。

（3）實驗完成后。學(xué)生通過獲得的數(shù)據(jù)，開展結(jié)果分析對比，形成實驗報告；仿真過程中同步開展對各項操作環(huán)節(jié)的評價。

2.3 實驗虛擬仿真應(yīng)用實踐

船舶操縱性海試實驗虛擬仿真已在集裝箱船和超大型油輪等不同船型上得到良好的應(yīng)用驗證。下述以一艘1 000 TEU船滿載工況下操縱性海試實驗中的回轉(zhuǎn)實驗為例，介紹其具體應(yīng)用情況。

仿真開始，點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)主界面，如圖3 所示。點(diǎn)擊界面正中模型下方的左右箭頭可進(jìn)行仿真對象船舶的切換，選中對應(yīng)船舶（以集裝箱船為例）。點(diǎn)擊界面右下方“參數(shù)面板”按鈕，彈出頁面可輸入/修改船舶主尺度、排水量等主要參數(shù)，對應(yīng)輸入集裝箱船滿載工況下的所有參數(shù)。

圖3 船舶參數(shù)設(shè)置

點(diǎn)擊界面右下方“設(shè)置參數(shù)按鈕”，在界面正中彈出的實驗類型選擇框中，通過點(diǎn)選左右箭頭，選定回轉(zhuǎn)實驗（有回轉(zhuǎn)、急停、Z 形等試驗可選），并對相應(yīng)仿真的步長、操舵速度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行輸入/修改，如圖4所示。

圖4 回轉(zhuǎn)實驗參數(shù)設(shè)置

實驗類型及對應(yīng)參數(shù)設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊“實驗載入”，經(jīng)數(shù)據(jù)載入與數(shù)據(jù)生成，進(jìn)入海試實驗仿真界面，如圖5 所示。仿真過程中，通過點(diǎn)選界面左上角菜單中的“天空視角（視角切換）”“時歷圖”“時間縮放”等，可依次實現(xiàn)視角切換、船舶操縱性關(guān)鍵參數(shù)（航跡、艏向角、速度、舵角）時歷圖實時顯示、加速仿真進(jìn)程等功能，如圖6 所示。

圖5 仿真界面

圖6 仿真過程與視角切換

仿真結(jié)束后點(diǎn)擊返回，回到主界面，點(diǎn)擊右上角“時歷圖記錄”，進(jìn)入時歷圖數(shù)據(jù)記錄條目，可通過點(diǎn)擊“另存”對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行本地保存；也可點(diǎn)擊“時歷圖記錄”中的對應(yīng)實驗條目，查看該實驗所有“時歷圖”信息，如圖7 所示。

圖7 實驗數(shù)據(jù)保存與查看

在回轉(zhuǎn)實驗時歷圖詳情界面，點(diǎn)擊右下角“查看后處理”，可查看回轉(zhuǎn)實驗的后處理數(shù)據(jù)，包括縱距和回轉(zhuǎn)半徑的衡準(zhǔn)值，可保存到本地，如圖8 所示。

圖8 回轉(zhuǎn)實驗后處理結(jié)果

系統(tǒng)仿真結(jié)束后，學(xué)生進(jìn)一步完成數(shù)據(jù)處理，并形成實驗報告。

3 實驗虛擬仿真教學(xué)特色

船舶操縱性海試實驗虛擬仿真以專業(yè)教學(xué)、科研需求為牽引，結(jié)合船舶操縱性計算方法的程序化與三維建模技術(shù)、VR技術(shù)，采用理論學(xué)習(xí)與VR 交互操作相融合的教學(xué)模式，創(chuàng)新實驗方案，還原船舶操縱性海試真實場景，有效實現(xiàn)對傳統(tǒng)教學(xué)方法的拓展。本實驗為學(xué)生方便、快捷完成操縱性虛擬海試提供了良好的實驗環(huán)境，可加深其對操縱性理論與VR 技術(shù)應(yīng)用的認(rèn)識；通過實驗中自主參數(shù)設(shè)定、互動角色代入等環(huán)節(jié)的設(shè)置，引入合作式、探究式教學(xué)新模式，增加實驗教學(xué)吸引力，提高學(xué)生的實踐分析能力與學(xué)習(xí)興趣。

船舶操縱性海試實驗虛擬仿真以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標(biāo)，通過對學(xué)生在實驗虛擬操作流程、數(shù)據(jù)分析和報告完成情況等方面的表現(xiàn)進(jìn)行多模塊綜合性評價，實現(xiàn)對常規(guī)實驗教學(xué)項目評價體系的優(yōu)化；鼓勵學(xué)生通過實操加深對船舶操縱原理及VR 理論的認(rèn)識，以實驗報告形式考核學(xué)生的綜合數(shù)據(jù)分析能力，加強(qiáng)其對船舶專業(yè)知識的掌握，同時促進(jìn)船舶與計算機(jī)專業(yè)間學(xué)科交叉知識體系的建立，使學(xué)生的理論知識、動手能力與綜合素質(zhì)得到同步提升。

4 結(jié) 語

本文基于船舶操縱性海試基本規(guī)程，引入VR 技術(shù)、3D成像投影技術(shù)等，開展船舶操縱性海試虛擬仿真實驗設(shè)計探索與應(yīng)用研究，自主開發(fā)實驗系統(tǒng)、形成完善的虛仿實驗教學(xué)方案，實現(xiàn)操作者沉浸式開展船舶操縱性海試實驗，使其深入掌握船舶操縱性海試規(guī)程與實踐操作要求，熟悉船舶操縱性海試結(jié)果分析方法；有效規(guī)避船舶海試在教學(xué)實驗中難以實現(xiàn)的不足，為操作者逐步建立整船概念、理解船舶操縱性基本原理與分析方法提供了良好的虛擬仿真教學(xué)環(huán)境，也為深入推進(jìn)VR技術(shù)在工程領(lǐng)域?qū)嶒灲虒W(xué)中的應(yīng)用奠定研究基礎(chǔ)。