基于虚拟现实的船舶消防多人协同训练平台

曲峰德,刘晶晶,王焕新

(1. 大连海事大学航海学院,辽宁 大连 116026;2. 大连海事大学航海动态仿真和控制交通行业重点实验室,辽宁 大连 116026)

1 引言

船舶火灾事故是威胁船舶安全最重要的因素之一,不仅危及人员和船舶安全,甚至造成船毁人亡的严重事故。为保证船舶和人员安全,国际海事组织不断对《国际海上人命安全公约》中有关防火内容进行修正,对船舶结构、设施和配备消防设备的要求不断提高[1]。《STCW公约》对高级消防培训制订了最低的训练要求,包括消防组织、战术及指挥方面等。我国海事局为履行《STCW公约》,也强制要求船舶高级消防的适任岗位培训。但是,目前现有的船舶消防训练多基于真实设备开展,实船环境、船舶结构、火灾程序等无法真实展现,主要是受制于时间、空间、成本等因素[2];多人协同训练效率低,难以针对性地评估学员的火灾处置能力和协作能力。因而,本文提出将虚拟现实技术应用于消防培训中,搭建船舶消防多人协同训练仿真平台。

虚拟现实(VR)[3],指通过运用计算机建模和仿真,使人能够与人工三维视觉或其它感官环境交互。虚拟现实应用程序可以让用户沉浸在一个计算机生成的环境中,通过使用交互设备来模拟现实,包括护目镜、头戴显示器、手套或紧身衣佩戴等。近年来,虚拟现实技术在航海教学和培训领域备受关注。蒋效彬等[4]运用虚拟现实技术,设计了一套船用锚机交互仿真系统。通过计算实现并控制虚拟人的运动,并完成虚拟人与锚机之间的交互响应。该套船用锚机交互系统已应用于航海模拟器中,能够实现模拟锚机系统的各种操作,达到教学和培训的要求;孙佳文等[5]将虚拟现实技术应用于整船仿真训练平台。建立船舶运动数学模型,并实现了船舶场景漫游和船用设备交互。该平台可操作性强,场景沉浸感真实,可用于航海类学生的教学与培训;Tan等[6]使用HTC Vive Pro设备,研发了一款头戴显示器的沉浸式虚拟现实轮机模拟器训练系统。和传统的轮机模拟器训练系统相同,该系统具有训练和自动评估功能。此外,还可以再现真实船舶机舱的所有细节,具有高度的沉浸感,并能够生动地模拟火灾等紧急场景,让教练员可以像在真实环境中一样进行各种操作;Markopoulos等[7]提出了一种基于虚拟现实技术的海事安全教育系统,可用于学员和专业人员在各种沉浸式场景内的训练。该系统由一个多学科团队开发,并正在测试阶段,可以在船上、训练中心甚至家庭环境中使用。该系统训练的时间灵活,可以提高船舶航行中驾驶员的情景意识。同时,还给出了可衡量的训练进度指标。

通过虚拟现实技术搭建的仿真训练平台逼真度高、沉浸感强、并且易于交互,有效地避开实际消防训练中的局限性[3]。为了提高学员培训效率,满足船舶消防组织与训练、船舶消防安全管理体系等的要求,本文采用基于广域网或局域网的多人协同机制,对完整消防演练进行角色和流程划分。建立评估数学模型,学员训练自动评估,并记录训练结果用于教学分析。

2 系统整体设计

船舶消防多人协同训练平台由服务器、教师端、若干学员端、若干人机交互接口设备、若干显示设备组成[8],如图1所示。服务器承担整个系统的数据处理、同步、维护等功能;教师端主要进行训练任务的设置、训练角色的分配、训练过程的监控、训练结果的分析与评价评、训练学员的管理等功能;学员端包括虚拟全船环境、虚拟火灾场景、虚拟人物对象、交互处理逻辑、信息同步接口、多人协同数据处理等内容;训练人员由学员端进入虚拟三维场景,通过外接输入设备(手柄等)获取训练指令信息,经处理后呈现在虚拟三维场景中,并同步状态信息至其它学员端;训练人员借助VR头戴显示器等显示设备实现完全沉浸式虚拟训练。

图1 平台整体设计

3 系统关键技术

3.1 火焰、烟雾、消防水柱可视化模拟

火焰、烟雾、消防水柱的可视化将通过粒子运动机理和视觉表现相结合的方式实现,从而表现出火焰、烟雾、水柱等流动性的实体,如图2所示。粒子为流动性实体中的组成,所有粒子共同形成完整火焰、烟雾、水柱效果。粒子系统可在任何空间区域内随机位置发射粒子,当发射后,粒子生命周期开始计时,直到预设生命周期结束,粒子消失[9]。

图2 火焰、烟雾效果

通过改变粒子数量模拟密度不同的流动性实体,同时随机改变粒子发射时间和位置,以增加模拟对象的自然效果。每个粒子均被赋以速度矢量,用于决定每一帧粒子的移动方位。当有力作用时,相应速度矢量发生改变。在生命周期内,粒子颜色、尺寸、方位实时改变。在粒子产生和消失时机,通过控制粒子颜色实现淡入淡出效果。

3.2 网络同步

平台采用Client-Sever模式,由服务器和多客户端组成,服务器用于完成数据同步、补偿和传递等功能。为保证多客户端训练场景的一致性,采用状态同步网络模型,服务器定时收集和处理客户端数据,发送到其它客户端。客户端只负责接收状态结果[10],而后在训练场景中展示。

通过webSocket协议实现平台的即时通讯能力以及客户端与服务器的全双工通信,如图3所示。简化客户端与服务器之间的数据交换,允许服务端主动向客户端推送消息,并建立永久性连接,进行双向数据传输,提高webSocket资源的利用率和实时数据传输的效率。

图3 网络同步原理

3.3 多人协同机制

为满足船舶消防组织训练的需求,平台采用多人协同机制,参照实船应变部署表将人员划分为船长、大副、探火队员、灭火队员、隔离队员、技术队员、救护队员等角色,并对整个消防演练过程进行流程性划分。学员根据所分配或者选择的角色,完成对应的消防流程训练。

其它角色以虚拟人的形式在当前客户端场景中展示,多虚拟人之间信息共享、动作配合完成消防训练任务[11],如图4所示。当前客户端场景中其它角色虚拟人通过网络同步接收状态,角色虚拟人可一一对应学员客户端,当客户端不足或网络丢失时,对应角色任务由当前客户端系统自动完成,保证了多人协同训练的灵活性和稳定性[12]。

图4 协同原理

3.4 训练内容

基于虚拟现实的船舶消防多人协同训练平台主要包括实操基本技能训练、单流程任务训练和全流程综合演练训练等。实操基本技能训练包括:便携式灭火器的使用、测氧测爆仪的使用、消防服的穿戴、固定式水灭火系统的使用、固定式二氧化碳灭火系统的使用、船舶消防的应变部署以及人员的组织与沟通;单流程任务训练包括:值班报警、全员行动、二氧化碳的检测、通风、测氧测爆、探火、灭火、冷却、舱室烧损检查等任务;全流程综合演练主要为满足船舶消防组织训练需求,参照实船应变部署表对人员角色进行划分,并由教练员设定火灾场景,确定火灾位置、火灾类型等,学员可自主组队或由教练员指定组队,完成角色任务和消防行动。

3.5 训练评估

该训练平台可分为训练和评估两种模式。训练模式下,由教练员根据训练计划进行角色和训练内容的指定或由学员自主选择。教练员以总指挥角色实时监督训练过程,或以演练角色实际参与训练。该模式下,平台提供专业提示库,辅助学员完成训练。

评估模式下,教练员对当前考试学员进行分组,每组协作完成一套消防演练流程。并为组内学员分配角色和考试内容。学员接收指定考试内容后进行答题,由客户端上传学员操作步骤、操作结果、操作时长等数据至服务器。评估单元采用专家法与隶属度函数相结合的方法,设定可量化的评价指标体系,对学员操作内容进行评估。记录并统计学员训练结果,用于船舶消防教学分析。

考核评估模块由出题端、答题端、评估端、管理端四部分组成,如图5所示。其中,出题端用于教练员出题、组卷、发布考试、设置考试条件、设定评估要素权重、评估参数门限、考试时长、考核人员选择、设定补考等;答题端用于学员答题;评估端为后台实现学员答题步骤、答题过程、答题结果、答题时长等的实时记录,并借助评估数学模型计算学员成绩。管理端主要实现学员成绩记录、统计、分析、查询及题库管理等。

图5 评估框架

4 系统实现

系统以船长190m、船宽32m、吃水9.6m、压载排水量23000.35m3、满载排水量53600.18m3的散货船为母船,利用混合建模技术和3D Max建模工具建立船体、甲板设备、机舱、消防设备、二氧化碳间、驾驶台、集控中心、虚拟人等三维模型[13],如图6、7、8所示。添加天空、海浪等因子构建全船消防虚拟场景,实现全船消防设备及角色虚拟人的交互[14]。

图6 全船结构

图7 机舱模型

图8 二氧化碳间

C/S(Client/Server)架构,即客户端/服务器架构,其可以充分利用客户端和服务器端的硬件条件优势,将任务合理地分配至客户端和服务器端,以达到降低系统通讯销耗的目的。该构架具有显示界面丰富、操作系统流畅、安全性高、响应速度快等特点。因而,本系统将采用C/S架构,并基于广域网或局域网进行仿真训练与评估。服务器接收和转发网络同步数据,并存储任务角色、消防流程、训练题库、学员信息、考试试题、评价指标、评估结果、学员操作等内容。教练员根据任务角色、消防流程、训练题库组成考试试题,发布考试,并查看学员评估结果。学员端借助VR头戴显示器、手柄等输入设备完成对应角色任务,学员端之间状态信息同步,实现多人协同的仿真训练,如图9。

图9 VR训练

5 结束语

本文通过整理分析船舶消防演练与教学的特点,将虚拟现实技术、多人协同机制应用于船舶消防训练,满足船舶防火、消防设施检查和使用、消防组织与训练、火情控制、扑救及火灾战术与指挥的要求。建立评估数学模型,对学员操作自动评估。搭配VR头戴显示器,提供完全沉浸式虚拟训练。经试验,平台能较好地满足了训练的逼真度、实效性、协同性及评估合理性的要求,可用于实际的教学和培养中。