用于船舶损管决策的虚拟现实技术研究

胡治宇，利 莉

(景德镇学院，江西 景德镇333000)

0 引 言

随着科技的发展，不仅仅是通过合理的设计来保证船舶的耐用性，更合理的方式是通过加强船舶的损管系统，准确地找到损伤，快速排除险情，是保证船舶安全和人民生命安全的重要途径。近年来伴随着经济的发展，船舶的发展趋势是大、豪华、价格不菲，若要进行实地的船舶损管演练会耗费大量的人力、财力、物力，而通过虚拟现实进行场景的模拟能够极大地节省成本，降低危险性，提高工作效率。

本文鉴于Virtools 的灵活性和可扩展性选用此软件进行虚拟现实技术的研究。其次，利用Maya 制作的船舶三维模型，并且赋予模型材质和为模型打灯光，最终将渲染完成的船舶模型导入Virtools 建立的虚拟现实环境中实现船舶损管训练。

1 虚拟现实技术

虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是多种技术高层次的集成和渗透;它给用户带来切身体验，帮助人们积极地去探索宏观世界和微观世界，打破了因为环境等外因以及人类自身极限所带来的不便［1-2］。以其沉浸性、逼真性魅力，一经问世就立即受到人们的高度重视。热门的虚拟现实仿真软件有VRML，Vega，Unity3D，Virtools 等。

VRML 将人的行为作为浏览主题，所有的表现都随操作者行为的改变而改变，有很好的交互性。Vega 用于虚拟现实、实时视景仿真、声音仿真以及其他可视化领域的世界领先级应用软件工具。它支持快速复杂的视觉仿真程序，能为用户提供—种处理复杂仿真事件的便捷手段［3-4］。Unity3D 是一个强大的游戏引擎，能够为用户提供游戏场景创建、编辑、可视化，三维动画等诸多内容的交互。Virtools提供了实时的3D 虚拟环境编辑，用户可以根据自己的需求进行模块组装，具有很大的灵活性。鉴于Virtools 的灵活性和可扩展性，本文选用此软件进行虚拟现实技术的研究。

2 基于虚拟现实的船舶损管训练实现

船舶损管系统主要包括排水系统和灭火损管系统，本文主要就船舶灭火损管系统进行虚拟现实技术研究。首先利用Maya 建立船舶三维模型，然后将模型导入Virtools，利用Virtools 搭建的虚拟现实环境进行船舶火灾损管训练，具体流程如图1 所示。

图1 船舶火灾损管训练仿真流程图Fig.1 The flow chart of ship fire damage control training simulation

2.1 利用Maya 建立船舶三维模型

1)船舶三维模型的建立

图2 Maya 建立船舶三维模型Fig.2 A three-dimensional model of the ship build by Maya

2)赋予模型材质

材质是材料和质感的结合，它是表面可视属性的结合，这些可视属性是指表面的色彩、纹理、光滑度、透明度、反射率、折射率、发光度等。在建立船舶模型时需要大量的贴图，如颜色贴图、纹理贴图、环境贴图等。

图3 Maya 材质编辑器Fig.3 Maya Material Editor

3)为模型打灯光

在三维世界中，为了烘托渲染画面的气氛和物体材质的表现效果，结合场景、景别要求，最大限度的模拟自然界的光线类型和人工光线类型，实现具有丰富色彩光线环境的过程。主要包括环境光(Ambient Light)、平行光(Directional Light)、点光源(Point Light)、聚灯光 (Spot Light)、区域光(Area Light)和体积光(Volume Light)的设置。

4)模型渲染

根据场景的设置以及所赋予物体的材质、贴图和设置灯光等。

2.2 虚拟环境中船舶火灾损管训练

船舶火灾损管训练的原理是:火灾探测器源源不断地将获得的火警信息传送给火灾报警装置，通过集中控制器的CPU 状态得到目前船舶的损管状态，若获得火灾和停止工作状态，则报警控制装置会发出报警信号，一般情况下火灾时红灯亮，工作异常时黄灯亮，并且这种报警信号会持续5 s 一个周期不断的响，直到船员听到这是火灾报警，以连续不断的响告知目前船舶的处于异常工作状态，同时，发生状态时显示器上会显示出火灾区域、发生时间等，并能开启消防装备进行灭火。船舶的火灾损管控制系统如图4 所示。

1)火灾探索器

有效控制火灾的方式是将险情消灭在萌芽之中，可以通过船舱温度的升高、产生了呛人的烟雾和红外辐射［5］等方式快速探测到异常情况。

图4 船舶火灾损管系统组成图Fig.4 Ship fire damage control system components chart

产生呛人的烟雾是发生火灾的一个重要指示标志，同时会伴随着温度的升高，下面将简略介绍离子感烟探测器和温度探测器如何及时探测到火灾。

离子感烟探测器，是通过烟雾来探测火灾。它的内外两室中含有Am241 这种微量放射源，由于α放射的原因产生正负离子，正常情况下，探测器探测到内外两室的电流为I1，当火灾时产生烟雾，由于烟雾的附着使得离子的运动变慢所以此时产生的电流小于I2，从而使得内外2 个室之间形成电压，烟雾越大，压力差越大，通过处理2 个室的压力差能快速准确地判断火灾。

温度探测器就是通过判断是否在较短的时间内船舱温度骤燃，若突然间上升到60℃～90℃说明产生火灾。

在虚拟现实中通过传感器进行信号的传递，经过软件程序处理获取接受到信号的状态，可以有效地得到探测器的地址和输出量，极大地提高了侦测速率和报警准确率。虽然准确率提高，但是探索更加智能、自适应、自学习的火灾探测器非常必要，一般都是将外界的火灾信号传递给感烟器等器件，然后经过模拟信号转数字脉冲信号的过程，发送给火灾控制端。

2)火灾控制

火灾控制区是整个船舶损管系统的“心脏”，在接收到火灾探测器发出的火灾信号后，火灾控制中心经过PLC 控制中心的处理，给出相应的报警信号，同时各个区域的消防人员看到所管辖显示器上的状态，立刻做出相应的救灾措施。

3)联动控制及声光报警装置

联动控制装置的主要作用是在接受到火灾报警信号后，对所控制的消防栓、防火门窗、消防泵、喷淋泵、广播等启动。

当前船舶上一般使用固定灭火方式，如利用水进行救灾，此时需要有必要的系统为灭火行为提供灭火水和火灾后的冷却水;利用气体灭火，需要在船舶上安装CO2灭火系统或HFC -227ea 灭火系统等;针对船舶的货油舱等地方可以采用泡沫灭火;对于使用液化气作为燃料的船舶可以使用水喷雾或者干粉进行灭火。

针对船舱不同的部位，使用不同的灭火方式:

机舱中包含锅炉、机电、配电器等装置一旦起火会使整个船舶因为丧失动力而无法行进，严重到危害整个船舶的安危。起火时，浓烟、热浪不断产生，此时，消防人员应打开机舱的天窗，用泡沫、水雾等从上面往下喷。若封舱，需提前发出警报，通知人员撤离，并且关闭一切正在运转的设备，在舱顶快准地投放较多的灭火剂，不可多次重复投入，以免灭不了火还产生其他危险。

货舱灭火一定要充分考虑所运货物的性质，如不易用水扑灭的物体，若使用水进行灭火，会使船舱因为注水过多而产生下沉造成船舶不稳定。在救火时，对于临舱要冷却，对易燃物品进行转移，以免造成二次火灾。

船头部位一般是杂物间，往往含有易燃物品，并且船头处于风向来袭的部位，所以火势很容易蔓延，所以要封锁船头的通风和电源，利用干粉或CO2进行扑火。同时要注意观察风向，一直迎风时要调转船向。

起居室发生火灾时第一时间要进行人员撤离。为了防止因为风的原因造成火势蔓延，灭火时要立刻关闭门窗、电源，有效地控制火势在一个空间中，使用水枪进行扑火，同时也要对周边的舱壁进行降温，防止因为过热而燃烧。

2.3 火灾发生时变化状态

描述火灾发生的状态变化非常困难，很难用一个简单的模型进行表述。本文利用火灾时的温度变化来模拟火灾现场的情景。

图5 展示了火灾现场平均温度的变化规律［6］。按照时间的变化，整个过程分为:开始的引燃、点燃、燃烧、完全燃烧、火势得以控制。

引燃:在燃料在热源的刺激下达到点燃点的时候会发生火灾，在这个动态变化中，所处环境很大程度影响了产生的热量是否全部散发出去。

图5 火灾现场平均温度的变化情况Fig.5 Changes in the average temperature of the fire scene

点燃:高温、烟雾、有害气体三者之间的随机相互影响将决定火灾造成何种程度的伤害。

燃烧:当在有限空间中温度达到一定程度，任何材料都有可能燃烧。

完全燃烧:当温度达到1 000℃甚至更高时的状态。

火势得以控制:当燃料烧完，或者温度被降下来时说明火势得以控制。

2.4 训练过程实现

用户要和虚拟现实环境中的虚拟人、场景产生互动，需要脚本控制行为交互模块，从而实现模型的平移、选择、缩放等，进而实现虚拟环境中的仿真。

3 结 语

本文通过对现有虚拟现实软件的研究，选中Virtools 来搭建虚拟现实环境，是因为Virtools 具有很好的灵活性和可扩展性。其次，利用Maya 制作的船舶三维模型，并且赋予模型材质和为模型打灯光，最终将渲染完成的船舶模型导入Virtools 建立的虚拟现实环境中实现船舶损管训练。研究说明，在虚拟现实环境中进行火灾损管的训练，能够极大地节省成本，降低实地风险，有效保护了人员安全。

［1］BURDEA，GRIGORE，COIFFEET，et al.Virtual reality technology.New York:J.Wiley＆Sons，1994.

［2］曾建超，俞志和.虚拟现实技术及其应用［M］.北京:清华大学出版社，1999.

［3］Vega Programmer′s Guide.USA:MultiGen Paradigm，2002，8.

［4］龚卓蓉. Vega 程序设计［M］. 北京:国防工业出版社，2002.

［5］姜卫利，王将魁，张平之. 一种新型的火灾传感器［J］.北方交通大学学报，1998，22(1):1 -4.JIANG Wei-dong，WANG Jiang-kui，ZHANG Ping-zhi. A new type of fire sensor［J］. Journal of Northern Jiaotong University，1998，22(1):1 -4.

［6］IRVINE D. J MCCLUSKEY JA，ROBI NSON IM. Fire hazard and some common polymers ［J］. Polymer Degradation and Stability，2000，67:383 -396.

［7］王天明，汪玉，李炜，等.以虚拟仿真为基础的舰船装备研制方法研究［J］.舰船科学技术，2001，23(1):9 -14.WANG Tian-ming，WANG Yu，LI Wei，et al. The study of ship equipment development methods based on virtual simulation［J］.Ship Science and Technology，2001，23(1):9 -14.