傅卓琳， 周澤麟， 鄒燕歆， 單小芬

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

0 引 言

在船舶生產(chǎn)建造的后行階段，許多設(shè)備均需要進(jìn)行大量且頻繁的調(diào)試與維修以達(dá)到期許的參數(shù)，并最終保證整船各部分設(shè)備所構(gòu)成的龐大系統(tǒng)可正常運(yùn)行。不同于電氣設(shè)備高度集成的特點(diǎn)，輪機(jī)設(shè)備需要更多的物理操作，考慮布置合理性，該類設(shè)備一般分布于船舶機(jī)艙的各個(gè)位置。上述客觀因素會(huì)造成如下2個(gè)方面問(wèn)題：(1)船舶機(jī)艙環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備種類繁多，很多設(shè)備位置僅憑設(shè)計(jì)圖紙難以快速找到，在空間上大幅增加維護(hù)維修的難度；(2)實(shí)船培訓(xùn)會(huì)在一定程度上阻礙生產(chǎn)進(jìn)行，且依靠圖紙及流程的培訓(xùn)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在時(shí)間上增加維護(hù)維修的成本。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用方面取得一定的成果。采用基于VR的數(shù)字化運(yùn)維培訓(xùn)，在根據(jù)真實(shí)比例模型所搭建的虛擬船舶機(jī)艙場(chǎng)景中，以人機(jī)交互(Human Computer Interaction，HCI)的方式使操作人員身臨其境地貫通運(yùn)維培訓(xùn)的全業(yè)務(wù)流程，可更直觀和更迅速地熟悉艙內(nèi)環(huán)境、重要設(shè)備位置及相關(guān)業(yè)務(wù)流程。與傳統(tǒng)方式相比，該方式可在先行階段為受訓(xùn)者模擬現(xiàn)實(shí)世界中的復(fù)雜環(huán)境，為受訓(xùn)者提供指導(dǎo)，培養(yǎng)其快速操作反應(yīng)和應(yīng)變能力，便于在后續(xù)工作中快速投入實(shí)際工作環(huán)境，具有可重復(fù)性高、理論實(shí)踐相結(jié)合等特點(diǎn)，為船舶運(yùn)維培訓(xùn)提供新方向。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

VR主要由計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境，是融合多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、HCI、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)、心理學(xué)及仿真技術(shù)等多種學(xué)科發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)綜合技術(shù)，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等讓用戶更具有沉浸感和真實(shí)感地在虛擬環(huán)境中模擬現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行交互活動(dòng)，可從虛擬環(huán)境中接受信息，模擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行分析、處理并作出反應(yīng)[1]。VR技術(shù)在軍事、醫(yī)療、教育、制造、設(shè)計(jì)等領(lǐng)域均出現(xiàn)相關(guān)的應(yīng)用，使人類生產(chǎn)、生活發(fā)生巨大變革，并產(chǎn)生一定效益[2]。

目前，國(guó)外多家船廠已開(kāi)展VR技術(shù)的應(yīng)用，尤其是日韓等國(guó)作為造船強(qiáng)國(guó)更是在該領(lǐng)域有所突破，在造船效率、成本控制、質(zhì)量提升、安全保障等方面均取得進(jìn)展，大幅增加其在國(guó)際市場(chǎng)的影響力和競(jìng)爭(zhēng)力。2016年，日本多家船廠與日本船舶技術(shù)研究協(xié)會(huì)合作開(kāi)發(fā)基于VR和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)的現(xiàn)場(chǎng)工人行動(dòng)分析系統(tǒng)和虛擬涂裝作業(yè)系統(tǒng)，可分析工人的最優(yōu)作業(yè)模型，減少約40%的作業(yè)時(shí)間。2017年，韓國(guó)現(xiàn)代重工在蔚山總部成立船廠安全培訓(xùn)中心，其中的安全體驗(yàn)中心基于VR技術(shù)，讓船員身臨其境地感受突發(fā)事件發(fā)生時(shí)的情形并在虛擬場(chǎng)景中作出應(yīng)對(duì)措施，以提高員工安全責(zé)任意識(shí)[3]。此外，國(guó)外的航運(yùn)企業(yè)大力開(kāi)展VR技術(shù)應(yīng)用，模擬船舶的航行狀況，將VR應(yīng)用于船舶運(yùn)行時(shí)的維護(hù)、監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航等，甚至結(jié)合衛(wèi)星等模擬當(dāng)前海況，顯著提高船舶航行的安全性。

在國(guó)內(nèi)，廣州藍(lán)悅船舶設(shè)計(jì)有限公司等提出將VR技術(shù)應(yīng)用于船舶產(chǎn)品，在前期與船舶所有人制訂內(nèi)裝方案時(shí)通過(guò)VR技術(shù)進(jìn)行效果展示，將其作為簽約依據(jù)之一[4]。

2 業(yè)務(wù)背景

在船舶生產(chǎn)建造后期，大量設(shè)備需要進(jìn)行安裝與調(diào)試以達(dá)到預(yù)定的理想?yún)?shù)，而作為機(jī)艙較重要設(shè)備之一的主發(fā)電機(jī)起著為全船各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)行提供穩(wěn)定電力的作用，因此發(fā)電機(jī)運(yùn)維尤為重要。相關(guān)業(yè)務(wù)知識(shí)往往掌握在個(gè)別技術(shù)人員手中，新船員在工作伊始因知識(shí)匱乏而舉步維艱[5]。人員不均衡性可能出現(xiàn)2個(gè)方面的問(wèn)題：(1)在船舶生產(chǎn)調(diào)試作業(yè)時(shí)，得不到相關(guān)技術(shù)人員支持而不得不暫停工作，拖慢整船建造交付進(jìn)度；(2)新船員得不到充分練習(xí)，對(duì)機(jī)艙環(huán)境及設(shè)備操作的陌生感導(dǎo)致錯(cuò)誤操作，使船舶在正常運(yùn)行時(shí)存在一定隱患。發(fā)電機(jī)的運(yùn)維培訓(xùn)成為不可忽視的一環(huán)。

3 應(yīng)用開(kāi)發(fā)

通過(guò)技術(shù)儲(chǔ)備、業(yè)務(wù)調(diào)研及對(duì)培訓(xùn)展現(xiàn)方式的討論評(píng)估，項(xiàng)目組對(duì)開(kāi)發(fā)邏輯進(jìn)行梳理，如圖1所示，圖中的UI(User Interface)為用戶界面。

圖1 開(kāi)發(fā)邏輯

3.1 業(yè)務(wù)邏輯

項(xiàng)目組考慮液化氣船機(jī)艙區(qū)域復(fù)雜程度高，涉及的業(yè)務(wù)知識(shí)多，因此選取某型液化氣船機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)組作為VR運(yùn)維對(duì)象，以船舶機(jī)艙為背景，分別從發(fā)電機(jī)運(yùn)行與維修業(yè)務(wù)中選取2類典型業(yè)務(wù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

3.1.1 發(fā)電機(jī)備車業(yè)務(wù)

發(fā)電機(jī)為全船電力核心，在系泊試驗(yàn)期間，全船各項(xiàng)設(shè)備的調(diào)試工作需要在發(fā)電機(jī)調(diào)試之后開(kāi)展，因此發(fā)電機(jī)的調(diào)試進(jìn)程決定后續(xù)設(shè)備調(diào)試報(bào)驗(yàn)周期的長(zhǎng)短。在對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試前，需對(duì)發(fā)電機(jī)開(kāi)展備車業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)內(nèi)容包括燃油、滑油、海水、淡水、壓縮空氣等5個(gè)大類，細(xì)分檢查項(xiàng)目包括液位檢查及閥門開(kāi)閉等百余項(xiàng)內(nèi)容，考慮其中大部分閥門在備車前已完成調(diào)試，在后續(xù)基本保持常開(kāi)或常閉狀態(tài)，因此選取各類內(nèi)容的幾個(gè)典型閥門及開(kāi)關(guān)，均為每次備車準(zhǔn)備必須提前打開(kāi)，并在備車結(jié)束后關(guān)閉，液位相關(guān)檢查項(xiàng)目默認(rèn)為合格。在送電正常情況下，發(fā)電機(jī)備車流程如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)備車流程

3.1.2 發(fā)電機(jī)閥門更換維修業(yè)務(wù)

很多船舶設(shè)備屬于易損件，需隨時(shí)更換。船舶在出航時(shí)往往會(huì)攜帶各類備用件，便于隨時(shí)更換或維修以確保航行的順利。選取位于發(fā)電機(jī)側(cè)的壓縮空氣進(jìn)氣閥作為示例，展示備用件的取放位置、需更換閥門的位置，便于在實(shí)際需要時(shí)可根據(jù)情況迅速進(jìn)行更換維修作業(yè)。閥門更換操作流程如圖3所示。

圖3 閥門更換操作流程

3.2 模型環(huán)境搭建

直接調(diào)用生產(chǎn)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行輕量化處理，在保證模型外觀準(zhǔn)確的前提下降低模型的網(wǎng)格數(shù)量，同時(shí)在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行顯示優(yōu)化。在導(dǎo)入開(kāi)發(fā)平臺(tái)后，在三維軟件中對(duì)模型敷設(shè)相應(yīng)的顏色和材質(zhì)，調(diào)整燈光的亮度和位置，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行渲染[6]。模型的空間相對(duì)位置同樣基于實(shí)際安裝尺寸安放，可模擬真實(shí)設(shè)備在機(jī)艙的位置，最終效果與實(shí)船環(huán)境基本一致。最后分離需要交互的模型，便于后續(xù)開(kāi)發(fā)。發(fā)電機(jī)運(yùn)維的主要交互對(duì)象如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)運(yùn)維的主要交互對(duì)象

3.3 功能開(kāi)發(fā)

項(xiàng)目組根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行應(yīng)用框架搭建，并根據(jù)操作需求進(jìn)行相應(yīng)的功能開(kāi)發(fā)。

3.3.1 手勢(shì)交互UI

VR中的操作培訓(xùn)配合手勢(shì)與UI進(jìn)行交互。手勢(shì)基于運(yùn)動(dòng)捕捉器實(shí)時(shí)捕捉手部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)關(guān)節(jié)點(diǎn)的方向向量計(jì)算夾角得到手指及手持物、手掌和雙手相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平移、縮放和旋轉(zhuǎn)信息，將手部的運(yùn)動(dòng)和位置信息映射至VR場(chǎng)景，并模擬受訓(xùn)者的抓取、觸碰和拖拽等動(dòng)作。

UI具有層級(jí)關(guān)系，不同層級(jí)之間具有遮擋效果，在設(shè)計(jì)交互界面時(shí)應(yīng)充分考慮各元素的位置和大小。UI設(shè)計(jì)如下：構(gòu)建顯示畫(huà)布，渲染模式設(shè)置為世界空間渲染；創(chuàng)建面板，選擇合適的邊框?qū)?duì)話框遮罩；在面板層級(jí)下創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的按鈕及文字，并編寫(xiě)腳本，按照流程順序依次控制各按鈕的顯示順序，避免錯(cuò)誤的層級(jí)遮擋導(dǎo)致按鈕不能點(diǎn)觸交互的情況。由于交互僅需通過(guò)雙手完成，因此UI模塊隱藏在附著于手側(cè)的功能塊內(nèi)，受訓(xùn)者可在虛擬場(chǎng)景中漫游時(shí)隨時(shí)抓取對(duì)應(yīng)功能模塊，放置于虛擬空間內(nèi)任意位置，脫離錨點(diǎn)的功能模塊自動(dòng)展開(kāi)至合適大小，借此打開(kāi)菜單欄UI，點(diǎn)擊相應(yīng)的功能鍵進(jìn)入對(duì)應(yīng)的培訓(xùn)業(yè)務(wù)，如圖4所示。

圖4 手勢(shì)UI交互

受訓(xùn)者選擇一項(xiàng)業(yè)務(wù)并開(kāi)始培訓(xùn)流程，會(huì)自動(dòng)顯示指引箭頭，引導(dǎo)受訓(xùn)者去往對(duì)應(yīng)位置并進(jìn)行相應(yīng)的操作，UI跟隨受訓(xùn)者實(shí)時(shí)移動(dòng)。受訓(xùn)者到達(dá)對(duì)應(yīng)位置，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的UI提示，告知受訓(xùn)者應(yīng)進(jìn)行的具體操作，且其法線方向始終朝向受訓(xùn)者?？紤]實(shí)際船艙中的閥門數(shù)量多且排布密集，在受訓(xùn)者到達(dá)對(duì)應(yīng)位置時(shí)對(duì)應(yīng)閥門會(huì)突出顯示。鑒于船舶使用的閥門在不同用途及工況下對(duì)應(yīng)的閥門類型不同，每種閥門的旋開(kāi)行程有所差異，因此在UI中記錄旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)以告知受訓(xùn)者對(duì)應(yīng)位置閥門的實(shí)際狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 具體操作提示

受訓(xùn)者在場(chǎng)景內(nèi)配合引導(dǎo)路徑及語(yǔ)音指示依次完成上述內(nèi)容，可基本貫穿備車準(zhǔn)備的整個(gè)流程。在系統(tǒng)檢測(cè)到1個(gè)步驟完成或受訓(xùn)者跳過(guò)該步驟，UI及導(dǎo)航將自動(dòng)引導(dǎo)至下一步，直至全部完成。在全部流程結(jié)束后，會(huì)提示當(dāng)前任務(wù)準(zhǔn)備就緒，并可點(diǎn)選重新開(kāi)始回到主界面繼續(xù)進(jìn)行其他培訓(xùn)業(yè)務(wù)，各項(xiàng)交互對(duì)象重置為默認(rèn)狀態(tài)，便于下一次操作。

3.3.2 導(dǎo)航功能

發(fā)電機(jī)備車業(yè)務(wù)涉及的相關(guān)操作對(duì)象分布于機(jī)艙不同平臺(tái)，且距離較遠(yuǎn)，為在訓(xùn)練過(guò)程中引導(dǎo)受訓(xùn)者以最短路徑前往指定目標(biāo)點(diǎn)，在應(yīng)用場(chǎng)景中需要增加導(dǎo)航功能以滿足該需求。在受訓(xùn)者的VR角色模型中創(chuàng)建目標(biāo)物體A，將場(chǎng)景中的模型等進(jìn)行標(biāo)記，分離可行走區(qū)域，按最短原則自動(dòng)避障生成到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的路徑，其終點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，起點(diǎn)隨目標(biāo)物體A一起移動(dòng)。受訓(xùn)者可由機(jī)艙任意位置開(kāi)始導(dǎo)航，應(yīng)用將顯示動(dòng)態(tài)導(dǎo)航路徑箭頭，引導(dǎo)受訓(xùn)者前往對(duì)應(yīng)位置，并自動(dòng)繞開(kāi)障礙物，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)航路徑

在機(jī)艙VR環(huán)境中，受訓(xùn)者往往不了解自身角色位于機(jī)艙的具體位置，因此應(yīng)用提供實(shí)時(shí)位置小地圖功能。小地圖以受訓(xùn)者為中心點(diǎn)，以受訓(xùn)者朝向?yàn)檎较?，其箭頭的黃色圖標(biāo)可清晰反映角色當(dāng)前位置及朝向。為避免遮擋，小地圖功能僅顯示船員所處平臺(tái)的模型。

3.3.3 交互內(nèi)容反饋

根據(jù)場(chǎng)景需求設(shè)定部分模型為可交互對(duì)象，如閥門可直接通過(guò)旋轉(zhuǎn)手勢(shì)旋開(kāi)，控制箱開(kāi)關(guān)及液壓泵的手搖桿等模擬真實(shí)場(chǎng)景可基于手部動(dòng)作模擬開(kāi)閉。交互對(duì)象設(shè)置開(kāi)啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)，可反復(fù)開(kāi)啟，若所進(jìn)行步驟為開(kāi)啟某項(xiàng)設(shè)備如空氣壓縮機(jī)，會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)的啟動(dòng)音效，帶給受訓(xùn)者更深層次的沉浸感。每一步完成，UI會(huì)出現(xiàn)提示，同時(shí)會(huì)發(fā)出提示音告知受訓(xùn)者操作是否完成正確，如圖7所示。

圖7 完成提示

在發(fā)電機(jī)閥門維修業(yè)務(wù)中，舊閥門在原位置被虛擬手觸碰瞬間轉(zhuǎn)為六自由度狀態(tài)，可憑手部的抓取動(dòng)作將其拆卸取下，將新閥門移動(dòng)至對(duì)應(yīng)位置，其會(huì)自動(dòng)吸附完成安裝，并提示受訓(xùn)者相應(yīng)閥門已更換，在完成操作后將舊閥門帶至統(tǒng)一存放處，如圖8所示。

圖8 閥門更換

4 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)際測(cè)試應(yīng)用，分析基于VR的發(fā)電機(jī)運(yùn)維應(yīng)用特點(diǎn)如下：

(1)該應(yīng)用替代傳統(tǒng)培訓(xùn)文檔、手冊(cè)，以更為直觀的VR方式向受訓(xùn)者輸出發(fā)電機(jī)運(yùn)維知識(shí)，有利于受訓(xùn)者快速掌握相關(guān)技能，激發(fā)積極性，提高培訓(xùn)效率。

(2)VR運(yùn)維培訓(xùn)可避免培訓(xùn)長(zhǎng)期處于現(xiàn)場(chǎng)惡劣嘈雜的環(huán)境中，同時(shí)對(duì)于一些需要搭建實(shí)體樣艙的船舶，節(jié)省單獨(dú)搭建模擬實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景所需要的時(shí)間及物料成本。

(3)開(kāi)發(fā)人員在生產(chǎn)設(shè)計(jì)完成時(shí)即可進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在船舶建造完工前即可完成開(kāi)發(fā)并對(duì)船員進(jìn)行先行培訓(xùn)，在船舶交付時(shí)船員已熟知船舶布置情況及運(yùn)維相關(guān)知識(shí)。

隨著VR技術(shù)走向成熟，其在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用不僅可繼續(xù)擴(kuò)展至主機(jī)等各類船舶設(shè)備的運(yùn)維培訓(xùn)，而且可進(jìn)行火災(zāi)等突發(fā)情況的處置培訓(xùn)。在5G時(shí)代來(lái)臨之際，VR與5G技術(shù)結(jié)合可在無(wú)線環(huán)境下進(jìn)行VR多人協(xié)同培訓(xùn)，推進(jìn)船舶操作培訓(xùn)類業(yè)務(wù)的快速發(fā)展。