船舶救生设备安全检查仿真训练与评估系统

刘辰童，李 萌，张 波，周 毅，王骥飞

(中海油能源发展采油服务公司 天津 300452)

船舶的安全检查是指海事管理部门每隔一段时间定期对船舶的状态、防污染能力、船员配套设施、适任能力等进行的安全检查。船员的救生设备是船舶能否正常运行的关键，救生设备是否完好无损、船员是否熟练掌握且正确使用救生设备，这些都与船员的生命息息相关。从目前的统计来看，救生设备缺失的比例还是相当高的。主要是船上救生设备的维护受时间、环境、安全等因素的影响，导致部分救生设备缺乏及时有效的维护保养。

近年来，虚拟现实技术在船员培训领域和航海知识教学领域引起广泛关注[1-3]，但船舶救生设备仿真训练的研究文献相对较少，仅有邱绍杨等[4-5]对船舶救生培训系统进行了研究，且没有涉及船舶安全管理和培训评估。本文主要面向普通船员和船舶安全检查人员，应用虚拟现实技术开发船舶救生设备安全检查仿真训练与评估系统。一方面，可较好地解决普通船员的救生设备日常保养、操作训练问题，在一定程度上可减少实船救生设备的缺陷；另一方面，培训船舶检查员不再受到地区和船舶的限制，提高了灵活性，培训效果更加明显。

1 系统总体设计

1.1 主要研究内容

船舶安全检查包含船旗国和港口国的检查，检查的对象主要包括证书、船舶船体、船上设备功能、船舶整体状况和船员对设备的熟练度等[6]。本文开发的系统功能需要包括救生设备安全检查相关的内容，即救生设备操作仿真训练、救生设备安全检查仿真训练及上述2 种仿真训练后的自动评估，主要用户是普通船员和船舶安全检查人员。系统运行时，普通船员可通过鼠标键盘或VR 外接设备等在三维虚拟场景中进行救生设备的日常保养、操作训练和自动评估；安全检查人员可以模拟实际安全检查并打分评估。

为实现船舶救生设备安全检查仿真训练与评估系统，需要重点研究以下6 项内容：第一，根据船舶图纸及救生设备的实际外观建立整船和救生设备的三维模型；第二，利用碰撞检测、路径规划等技术实现船舶模型的虚拟漫游；第三，搭建救生设备运动模型，通过人机交互技术开发船舶救生设备操作仿真训练功能，并用于普通船员的培训；第四，收集和整理国际公约、国内法律和实际检查数据，建立船舶救生设备安全检查数据库；第五，设置并呈现设备缺陷，依据船旗国监督管理和港口国监督管理的实际检查情况，模拟船舶安全检查过程，用于船舶安全检查官的培训；第六，利用专家法配合隶属函数对救生设备的训练或救生设备的安全检查过程进行综合评价。图1 为系统总体框架。

图1 系统总体框架Fig.1 Overall system framework

1.2 系统组成

船舶救生设备安全检查仿真训练与评估系统需要以一条船舶为母型船进行船舶三维场景建模。本系统以“海洋石油301”轮为母型船构建船舶三维虚拟场景。“海洋石油301”作为国内首艘配置双燃料主机、全回转电力推进系统的LNG 船舶，是高技术、高难度、高附加值船舶的典型代表，也是开发船舶救生设备安全检查仿真训练的绝佳载体。

如图2 所示，教练站能为受训人员设置操作训练和检查训练科目，考核人员根据安全检查标准程序、各类公约和法规要求操作救生设备进行训练。基于船舶数据库，在教练站设置训练、检查场景及科目，并将设置好的科目发到训练端，系统会根据科目自动启动相应的训练场景和训练内容，培训人员在三维虚拟船舶中进行训练，系统综合评估培训人员的表现得出最终成绩。

图2 系统组成Fig.2 System composition

2 关键技术及系统实现

2.1 三维船舶及设备建模

整个系统的基础工作是建立船舶和救生设备三维模型。模型的比例和结构要与船舶的实际设备相一致，建模的主要步骤如下：

①前期数据的收集，包括“海洋石油301”的图像数据、关键设备布置、设备使用说明和系统工作原理图；

②建立模型库，通过分析“海洋石油301”的相关数据，选择外观或结构相似的较为常用的设备，建立高精度模型，并形成系统模型库，以便建立模型时随时使用；

③将船舶的结构建模和关键设备建模分开进行，船舶的结构建模完成后对照之前采集的设备布置图将设备放在正确位置；

④采用树状结构组织管理，命名三维模型时，交互实体之间通过标识字段区分它们的种类，交互实体和非交互实体也需要添加来进行区分。

本系统以“海洋石油301”为目标船构建船舶三维虚拟场景。船舶建模各个阶段的效果如图3 所示。先收集整理船舶资料后制作船体白模，当白模制作完成后，根据每个模型的具体特征单独为白模模型制作材质和贴图，然后设置灯光位置、强度等，对模型进行渲染，最后将所有模型进行汇总和整合。

图3 船舶整体建模的各个阶段效果Fig.3 Effect of each stage of ship overall modeling

2.2 救生设备仿真交互操作

救生设备三维模型构建完成后，需要开发仿真交互操作功能，用于普通船员的培训。为此，本文重点对救生艇吊艇臂的运动模型、柔性绳索的模拟等关键技术进行了研究。

2.2.1 吊艇臂的运动模型

图4 为艇架结构和其运动示意图。液压顶柱用来支撑吊艇臂的转动，吊艇臂用来收放救生艇，液压顶柱的运动与吊艇臂有关。因此，能否准确地模拟艇架起吊下放和救生艇回收仿真的过程，关键就看能不能建立精确的模型。各个参数之间的关系如式(1)、(2)所示。

图4 艇架运动模型Fig.4 Boat frame

设l = a +x ，根据余弦定理可得：

式中：θ、ψ待求，a 为液压顶柱初始长度，m；x 为液压支柱伸展长度，m；L、a、b 大小已知。

2.2.2 柔性绳索的模拟

救生设备中有大量的柔性绳索，如测试链、充电电缆等，为了使训练更接近真实的训练环境，要对绳索模拟仿真。模拟绳索等柔性物体一直是计算机图形学的难点。由于基于位置动力学(Position Based Dynamic，PBD)方法具有较强的稳定性、允许较大的时间步长和较好的可控性等优点[7]，本文采用PBD方法来模拟仿真柔性绳索。

在PBD 方法中，绳索用约束耦合的粒子表示，在每个时间步长中迭代地求解这些约束条件[8]。对绳索粒子的模拟迭代计算分为3 个步骤：①根据速度和外力移动绳索粒子；②使得绳索粒子满足约束条件；③执行时间积分。基于给定数据和时间步长△t，绳索粒子模拟流程如图5 所示，绳索的模拟截图如图6所示。

图5 柔性绳索模拟流程图Fig.5 Flow chart of flexible rope simulation

图6 绳索模拟效果Fig.6 Rope simulation effect

此外，系统还对虚拟化身技术、协同交互技术进行了研究，在此受篇幅限制不予赘述。

2.3 数据库设计

本系统通过数据库来管理船舶救生设备的操作训练科目、安全检查要点、公约法规、典型缺陷、试题库和成绩库等数据信息。数据库分为练习模式和考核模式。在练习模式中，学员可以通过翻阅设备使用说明书、船舶安全检验知识等更好地加深印象；但在考核模式中，学员无法查看数据库。

对救生设备的检查要点、典型缺陷等进行了分析和整理。以救生艇缺陷为例，对收集到的近5 年救生艇安全检查的原始数据[9]进行预处理，去除不正确的数据记录，整合类似的缺陷描述，统计同一种缺陷的发生概率。表1 为救生艇检查要点数据表，表2 为救生艇常见缺陷数据表。

表1 救生艇检查要点Tab.1 Key points of lifeboat inspection

表2 救生艇常见缺陷Tab.2 Common defects of lifeboat

2.4 安全检查流程模拟

系统依据船旗国监督管理和港口国监督管理的实际检查过程模拟船舶安全检查流程。这里仅以港口国监督管理为例来介绍。

救生设备的港口国监督管理包括初始检查和详细检查，初始检查主要检查船体外观和证书等是否满足要求。详细检查主要检查救生设备的完整性和船员使用的熟练度。通过教练站可以设置船员的证书问题、外观缺陷和操作缺陷等科目；设置好后，训练端启动相应科目，并呈现所训练的缺陷。

如图7 所示，检查文件和证书时，安全员在菜单中选择的证书和文件可以直接呈现在三维场景中。

图7 证书检查Fig.7 Certificate inspection

在进行救生设备详细检查时，可以观察救生仿真设备的外观，如图8 为救生艇艇体破损的缺陷，也可以让船员操作救生设备；当发现缺陷项或疑似缺陷项时，可以启用照相机功能，将有缺陷的设备或场景拍照并保存到本地，还可以启用记事本功能，见图9，将缺陷记录保存。

图8 缺陷设置与呈现Fig.8 Defect setting and presentation

图9 记事本功能Fig.9 Notepad function

2.5 评估模块实现

本系统采用专家法和隶属度函数相结合的模糊综合评估方法[10-11]，并根据专家经验细分问题类型和操作流程提取评价要素，以及设置合理的权重、阈值和隶属函数，进而形成完整的评价模型。通过操作时间和操作结果2 个维度来评价检验考生的学习成果[10]，操作时间计算采用式(3)，操作结果计算采用式(4)：

式中：SA表示最终成绩，ST表示操作时间的分数，时间越少表示考生操作的熟练程度越高，该项分值越高；SR为操作结果的分数，表示考生操作的精准度，该项分值越高表示考生的精准度越高；WT为时间分的权重，WR为操作结果的权重。

时间得分ST如式(5)所示，操作结果得分SR如式(6)所示：

式中：STS表示操作时间分的标准分，f(t)为操作时间的隶属度函数，i 表示仿真系统的评估要素，SRi表示评估要素i 的操作分值，f(i)表示评估要素的i 隶属度函数。

3 结 论

本文介绍了面向普通船员和船舶安全检查官应用虚拟现实技术开发的船舶救生设备安全检查仿真训练与评估系统。普通船员可在三维虚拟场景中进行救生设备的日常保养、操作训练及自动评估；船舶安全检查人员可以对船舶安全进行模拟检查，并进行评估和评分。解决了普通船员和船舶安全检查人员的培训和考核问题。

后续可进一步研究救生艇入水模型，以提高入水模拟的精度和扩大仿真救生设备的种类，同时可采用深度学习的方法来提高评估的准确度。■