航海类专业船舶虚拟仿真实训平台建设

2018-07-27张如凯陈永利代广树吴泽亮

实验室研究与探索 2018年7期

张如凯，陈永利，代广树，吴泽亮

(天津海运职业学院航海技术系，天津 300350)

0 引言

航海技术专业主要培养符合国家教育方针和国际国内相关法规、综合素质好、安全与环保意识强，具有国际竞争能力的高级航海技术人才[1]，教学内容与工作实际衔接紧密，教学过程既是学历教育又是技能培训。相比于以英国为代表的因船设校的航海类专业教育模式，我国高职类院校普遍采用的先在校学习、获得学位，然后上船工作的模式，使得教学过程和实船环境脱离。因学院不具备教学实习船，学院的教学器材一般均按功能分类陈设和管理，不能体现设备之间的系统性和依存性，所以当教学内容涉及船舶整体布置和设备之间的相互影响等内容时，现有的实训条件就不能满足教学要求。

现阶段，虚拟现实技术在航海教学中的应用重点在培训学生对避碰规则的运用和对船舶操纵性能的认识，而关于船舶结构、设备工作原理和各部件间的相互影响等相关内容的研究尚处于探索阶段[2-3]。为了给学生提供一个接近实船的教学环境，利用虚拟仿真技术建立虚拟船舶实验室，并将运用显卡虚拟化技术搭建网络实训平台，以达到降低教学难度、提高教学质量、节省教学成本和提高危险操作安全系数的目的。

虚拟船舶实训平台的核心内容是船舶结构模型，为了降低硬件要求，在能保证教学需求的前提下，尽可能做到模型简化，因此选择MultigenCreator[4]用于创建视景仿真的实时三维模型。创建好的模型可通过Unity3D[5-7]引擎驱动，并可通过VR头盔进行呈现，以提高虚拟环境的沉浸感。显卡虚拟化技术[8-9]可将虚拟船舶实验室进行网络拓展，实现在任意的PC端或移动端进行交互操作。

虚拟船舶实训平台建设不仅让学生了解、参与、领会在船工作的所有内容，有效培养现代化航海所必需的基本技能，而且将学习内容完全融入船舶安全航行的全过程，直观地为学生构建了一个身临其境的船舶仿真环境，解决了学生理论实践脱节，学习目标不明确的问题，也有限的弥补了学校不能为学生提供足够多的机会赴实船学习实践的不足。

1 侧重功能的VR实训平台建设指导

VR实训平台以虚拟船舶为载体，将教学内容与船舶实际相统一，相融合。每项实训代表实际工作的一个重要环节或一项独立活动。所有内容划分合理而目标统一。

为了保证虚拟船舶结构的合理性和完整性，虚拟实验室不但要能实现船舶结构的直观展现，使使用者能体验登船和甲板行走的过程，还要保证结构合理，完整体现具体设备与其它船舶部件的位置关系和关联性。为了展现船舶的多自由度运动特性，必须为船舶创建适当的水域环境。为了满足教学需求，还必须为体现教学内容设计独特的视角。为了解决场地对虚拟实验室利用率的限制，应该构建虚拟船舶实训平台，实现虚拟实验室的并行使用。

2 虚拟船舶实训平台设计

2.1 基于Multigencreator创建模型

Multigencreator是专门用于创建视景仿真的实时三维模型的软件包。能高效、最优化地生成实时三维(RT3D)数据库，并与后续的实时仿真软件紧密结合，有利于节约图形工作站的绘制开销，保障系统的流畅性和多终端共享体验。

(1) 资料收集。Multigencreator建模所需的主要资料包括船舶主要位置的坐标值和纹理图。因为船舶属于超大型运输工具，故外形数据不方便通过测量直接获取。船舶外形主要位置坐标值由DWG格式的船舶设计图导入。鉴于船舶结构复杂，数据导入需要分步完成。导入过程中，先将船舶各层甲板与不同的高程值对应，在保证各层甲板边缘连续的前提下，去掉多余的坐标信息。在将DWG格式的船舶各层甲板边缘数据转换为AutoCAD的交换数据格式DXF后，再使用Global Mapper转换成USGS DEM格式的美国国家标准的地形文件，便可使用Creator的DED-BUILDER插件制作出船舶主甲板上的船舶外形[10-11]。主甲板下的船舶外形可用相同的方法，由船舶型线值转化得到。

纹理贴图可通过实船拍摄的方式获取。平面图和结构图应采用不同的拍摄方式，平面尽可能采用背光、斜向拍摄；结构图应该选择能突出结构特点的角度拍摄。

(2) 模型搭建。在前期通过数据导入获取船舶框架后，可通过实地测量获取船舶结构细节和设备实体的尺寸，船舶结构细节和设备实体应尽可能与实船相符，在需要体现细节的位置(如：罗经花等)，可根据需要适当调整。

在将纹理贴图导入Multigencreator前，应将纹理贴图运用Photoshop图形处理软件进行处理。一方面消除纹理贴图拍摄时点光源和明暗度对图片的影响；另一方面需要将图片进行拉伸裁剪，保证图片的宽度和高度都应该是2的幂，同时将拍摄的图片保持为RGBA格式[4,12]。

(3) 模型驱动。Multigencreator生成的OpenFlight格式的三维模型文件能够被很多专业的虚拟现实开发软件包调用。若仅仅处理OpenFlight格式的三维模型文件，VEGA Prime将是最好的选择，鉴于模型中需考虑船舶和海浪的相互作用，以及虚拟船舶实训平台的网络结构需求，故选择具有丰富的开发工具、开发速度快、支持多平台程序发布的Unity3D作为视景引擎进行驱动。

(4) 波浪系统。虽然Unity3D提供了许多水面渲染和水波特效的工具，但其主要侧重视觉效果，与具体海区的波浪特性并不存在对应关系。为了保证仿真精度，船舶所处的海洋环境可通过波谱生成单向的随机波的方式获取[13]。

不规则波由不同振幅和相位的规则波叠加得到，其波倾角表示为：

(1)

式中：Nw为用于不规则波合成的规则波数，取值300；g为重力加速度；φi为一随机数;ωi为波浪频率，可表示为：

(2)

波升αi可表示为:

(3)

式中:δω表示取频率为ωi处波谱值的波浪频段长度;δω值取0.01。

波浪谱Swave(ωi)采用第15届国际拖曳实验水池会议(ITTC)推荐的如下双参数谱[14]公式计算。

(4)

式中:

(5)

(6)

式中:H1/3为有义波高;T01为平均波浪周期。

2.2 头盔漫游

为提供更高沉浸感的视觉体验，实验室配备了10副HTC-VIVE商业版3D头盔虚拟现实眼镜，构建了基于Unity3D 和HTC-VIVE的虚拟船舶实训室[15]。在实训室内HTC-VIVE商业版配备的手柄设备结合头盔，体验者能够通过自己的肢体动作和瞬间移动来与虚拟场景中的船舶展开交互，既增强了沉浸感，又增加了学习过程的趣味性。

2.3 多平台开发

海员可谓标准的“蓝领”，每位海员必须从“基层”水手做起，航海人才培养讲求传帮带，讲求工匠精神，海员培养阶段，更注重实践的每个环节。为了使学生把理论和实践结合起来，应在学生预习、集中授课、课后复习、实训见习等各个环节为学生提供更多的接触船舶的机会[16]。在“互联网+”已成为国家经济社会发展的重要战略的新时期，虚拟船舶实训平台将成为航海类院校“互联网+航海”实训体系构建不可缺的重要组成部分，并渗透到理论教学和实训教学的各个环节，辅助“互联网+航海”实训体系寻求解决航海教育质量下降和教学与人才需求相脱节的问题的方法，以及实现航海实时教育和终身教育的方法[17]。

虚拟船舶实训平台借助互联网和虚拟显卡技术，可突破实体教学设备的空间限制。在包括理论教学和实践教学的任何教学环节中，教师均可利用任意的PC机与虚拟实训平台互动，进行船舶结构演示等简单的操作。同时学员利用智能手机在移动端亦可完成与虚拟船舶的交互。

图1 虚拟实训平台及应用示意图

3 VR实验室的应用实例

为了保证虚拟船舶实训平台功能的完整性，使模型建设达到预期目标，虚拟船舶模型中船体模型、驾驶台和船尾将作为模型建设的重点。

(1) 船体模型。可实现船舶的整体展现，方便船体结构解析和船舶区域划分，方便于宏观了解船舶。同时为其他功能性虚拟设备的开发平台，以及进行船舶求生、船舶消防、艇筏操作、抛起锚、货物操作等深度开发的工作基础和行为载体。

图2 虚拟船舶外景图

(2) 虚拟驾驶台。驾驶台作为甲板部船员工作的主要场所，是内部通讯设备、外部通讯设备、导航仪器、遇险报警设备、气象设备、与机舱连接的操纵设备和其它必备设备的安放和存储场所，空间相对狭小，而相关设备安放必须符合相关规定要求。VR实验室可以灵活的方式描述相关设施设备的安置情况，可直观体现各船舶结构对设施设备的影响，提供实船观测不能实现的独特视角。

图3 虚拟驾驶台独特视角观测图

(3) 虚拟船尾。螺旋桨位于水下，将实船螺旋桨工作场景应用于教学并非易事，现有相关资源主要是通过动画模拟或实船拍摄等途径获取，两种形式的教学资源都不能实现全方位多角度观测，同时视频效果还会因水下环境，影响其清晰度。利用虚拟建模技术即可呈现船体-螺旋桨-舵之间的依附关系。借助Unity3D的粒子系统(ParticleSystem)可实现直观动态表现在船体-螺旋桨-舵的共同作用下船舶尾部的水流情况，可用于形象生动的讲述舵的工作原理、螺旋桨致偏效应以及船体对船舶保向性的影响等晦涩难懂的教学内容。