2023, Vol. 45
2. 上海船舶工艺研究所 上海 200032;
3. 船舶智能制造国家工程研究中心 上海 200032;
4. 中国船舶集团有限公司综合技术经济研究院 北京 100081
2. Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, china;
3. National Engineering Research Center of Ship Intelligent Manufacturing, Shanghai 200032, China;
4. China Institute of Marine Technology and Economy, Beijing 100081, China
随着科技的进步与数字化技术在各个领域的广泛应用，我国造船业正面临从传统制造向智能制造的转型升级，虚拟仿真技术也成为船舶工业提升核心竞争力的重要手段之一[1]。作为船舶工业“皇冠上的明珠”，邮轮产业在我国方兴未艾，目前存在设计效率低、研制周期长、开发成本高等问题[2]。
虚拟仿真技术具有想象性、沉浸性、交互性等特点[3-4]。将虚拟仿真技术应用到邮轮全生命周期中的设计、建造和运营环节，可以在设计前期发现在建造或运营期间存在的各项问题，有利于在设计阶段解决实体建造和运营时的回溯更改，从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产[5-8]。虚拟现实仿真平台具有良好的交互性、互操作性、拓展性与移植性和全生命周期等特点，但是现今研究更多的是关于虚拟仿真分析或基于虚拟仿真技术的工程实例演示，并没有对系统的多因素协作性、可拓展性进行研究。HLA高级体系架构可以在同一网络结构的不同点之间进行协调一致的数据传输，这些点之间没有直接连接，处于独立状态其为复杂仿真系统平台搭建提供了有效解决方案[9-10]。
本文基于虚拟仿真技术应用特点，结合邮轮虚拟仿真需求，提出一种基于HLA的邮轮全生命周期虚拟仿真平台系统构建解决方案，并对方案中的联邦成员进行划分及功能定义，给出较为详细的设计原则及系统框架构建方案。以某邮轮内装设计为应用实例，从系统平台虚拟仿真功能需求出发，构建内装设计仿真系统平台框架，实现系统仿真功能验证，形成对邮轮全生命周期虚拟仿真平台构建具有一定指导性的结论。以期达到提升邮轮虚拟仿真平台应用框架的耦合性、可拓展性、互通性及交互性，加快虚拟仿真平台研发速度的目的。
1 系统仿真需求及设计原则 1.1 系统仿真需求邮轮全生命周期的作业流程主要分为设计、建造和运营3个阶段，针对这3个阶段关键作业环节的仿真子系统种类及系统仿真功能需求进行总结梳理。
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表 1 仿真子系统种类及系统仿真功能需求 Tab.1 Types of simulation subsystems and functional requirements of system simulation |
根据虚拟仿真平台的特点，在保证其交互性、内聚性、扩展性、互通性的同时，结合邮轮生命周期中关键作业环节的仿真需求，进行系统架构设计时，应遵循如下原则：
1）最大化服用原则。保证各组织模块互联互通性良好，要适应多点服用、交叉服用的基本要求，物尽其用，使得服用达到最大化。服用包括系统构件的服用和系统设计模式的使用等。
2）复杂问题简单化原则。均衡协调各个仿真技术模块之间的关系。
3）灵活扩展性原则。使用者能够在初始系统架构上进行二次或多次开发及更具体深入的开发。
2 系统平台功能模块划分根据所提出的系统仿真需求及设计原则，搭建出邮轮全生命周期虚拟仿真平台系统基本架构，如图1所示。
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图 1 邮轮全生命周期虚拟仿真平台系统基本架构 Fig. 1 Basic architecture of cruise ship life cycle virtual simulation platform system |
1）设计师、管理及体验人员输入模块
设计师、管理及体验人员输入模块主要包括邮轮全生命周期设计、建造、运营3个阶段的系统输入接口，主要完成系统功能控制模块、沉浸式交互模块的交互行为。
2）实时计算模块
实时计算模块用于各类模型场景转换、调用以及实时效果展示数据的实时计算，通过视景仿真模块将计算结果可视化呈现。
3）模型场景编辑模块
模型场景编辑模块主要任务是对设计师、管理人员的操作数据进行处理并实时展示操作结果。主要包含模型场景制作与修改功能，可进行绘图、要素调用等功能操作来快速形成设计方案并展示。
4）设计方案评价模块
设计方案评价模块主要任务是对体验人员的评价数据进行分析处理，形成体验反馈结果。由评价库与推理机构成：评价库用于储存内置评价标准；推理机用于判断数据等级及结果。
5）数据处理模块
数据处理模块用于实现数据的接收、协同、发送功能。
6）模型数据管理模块
模型数据管理模块主要分为三维模型材质库、灯光及材质库、设备行为库3部分：三维模型库用来存储绘图软件生成的模型；灯光及材质库用来存储自主构建的内置灯光及材质信息；设备行为库用于存储整个管理模块各部分模型的诸如粒子效果、基本行为运动等内容。
7）系统功能控制模块
系统功能控制模块主要担任总体控制角色，主要进行模型场景编辑、动画控制以及设计方案评价等。模型场景编辑可通过系统程序进行各类应用场景选取及模型的加载、调用、移动、删除等功能；模型场景动画控制是通过对场景中各类模型的回溯更改、循环调用来实现场景优化动态展示效果；设计方案评价可通过对所形成的空间设计方案进行综合要素评估，形成用户反馈信息，用于方案优化。
8）沉浸式交互模块
沉浸式交互模块是通过虚拟现实手段，为使用者提供从视、听觉到场景漫游的全方位立体沉浸式体验感。利用VR软件实现三维场景渲染并投影在立体大屏上，通过软件自带音效插件结合音响设备输出音效，完成视觉及听觉效果的沉浸式真实场景氛围营造；场景漫游依托于交互硬件设备与软件系统连接，来实现对整个场景的漫游操作。
上述框架能够满足当前系统的基本功能需求，但对于层级划分以及系统实时性与互操性还有待进一步优化。
3 系统架构设计方法研究 3.1 架构层级优化邮轮全生命周期虚拟仿真应用系统，内部功能模块的数量庞大、关系错综复杂，这对系统架构的设计提出了更高的要求，采用分层技术可以更好地解决上述问题。
针对邮轮全生命周期虚拟仿真应用系统平台架构进行层级优化设计，如图2所示。该系统平台共分为数据层、逻辑层及应用层3个层级。数据层主要用于将逻辑层及应用层的数据计算结果以图像的形式呈现视觉效果；逻辑层负责搭建虚拟仿真场景及场景逻辑关系控制；应用层是对邮轮全生命周期设计、建造、运营3个关键阶段仿真任务的功能系统集成，利用逻辑层控制各功能系统之间的关系。
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图 2 架构分层优化设计 Fig. 2 Architecture layered optimization design |
该基本架构经分层优化，整体层次分明、数据流向清晰、总体性能更佳，令该系统的二次开发性、移植拓展性得到有效增强。
3.2 总体架构设计HLA作为分布式交互仿真开发标准，包括规则、对象模型模板（OMT）和接口规范3个部分，是一种支持软件与模型重用的软件体系架构。其中，规则是作为模拟交互依据的对联邦及其成员责任的一种描述，以服务的形式规范接口定义了联合会成员之间的信息交互方式，包括必须提供的呼叫和回调服务；以程序运行支撑系统（Run Time Infrastructure，RTI）实现仿真过程中，仿真应用与底层通信的信息交换。
虚拟仿真系统是基于交互行为的仿真系统，需要模拟出邮轮中复杂的舱室环境和多样化的操作行为。通过物理仿真引擎，可以实现动力学的仿真效果，如果直接将动力学仿真与视景仿真等融合，耦合度太大，难以满足分布式仿真系统对重用性、互操作性与扩展性的需求，因此采用HLA架构体系搭建总体架构。
根据邮轮全生命周期虚拟仿真系统的仿真需求及架构层级优化结果，对该系统进行总体架构设计。邮轮全生命周期关键作业环节是多种仿真操作场景的综合，根据作业场景不同，将系统架构划分为22个联邦成员，通过RTI中间件实现物理引擎与仿真引擎的信息交互，可实时驱动各仿真子系统的协同推进，如图3所示。
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图 3 虚拟仿真平台总体架构设计 Fig. 3 Overall architecture design of virtual simulation platform |
根据仿真需求不同，可将联邦成员具体划分为以下不同系统模块：
1）设计阶段。将联邦成员分为内装设计仿真系统、船型设计仿真系统、布置设计仿真系统。该联邦成员主要实现设计阶段的关键业务，包括设计方案快速形成、场景编辑、交互展示等。
2）建造阶段。将联邦成员分为CAE交互仿真系统、焊接工艺仿真系统、舱内施工工艺仿真系统、协同装配仿真系统、管系安装仿真系统、空间作业维护仿真系统、分段设计仿真系统、搭载作业仿真系统、模块化舱室吊装工艺仿真系统等。该联邦成员主要实现建造阶段的关键业务，包括各类施工工艺、协同装配、维护维修、动力仿真等方案设计仿真，以及场景动画展示、交互等。
3）运营阶段。将联邦成员分为运营管理仿真系统和服务优化仿真系统。该联邦成员主要实现运营阶段的关键业务，包括运维管理、服务体验优化的方案设计仿真，以及场景动态交互体验仿真等。
4）公用系统。方案评价仿真系统、开发管理仿真系统是总体架构中公用的子系统，可按需选择与设计、建造、运营3个阶段的子系统进行集成，形成独立/协同的操作系统。
5）设计师站及管理员站。该联邦成员通过沉浸式交互方式，来进行运营管理、仿真进程控制、场景编辑、参数设置等系统功能实现，以及制定方案评分标准，并将这些信息形成内置数据库置入到系统中。
7）体验员站。该联邦成员通过沉浸式交互体6验，将评价数据录入到系统中，形成体验反馈。
8）作业场景仿真。该联邦成员用于实现设计、建造、运营3个阶段的多种作业场景演示功能，并将演示结果传送到其他订阅成员。
9）扩展成员。该联邦成员主要作为预留的联邦成员来提高系统的扩展性。
4 仿真系统平台设计实例 4.1 仿真系统构建以某邮轮餐厅内装设计为研究实例，构建虚拟仿真应用系统。根据邮轮全生命周期虚拟仿真系统总体架构，结合餐厅内装设计仿真需求，通过联邦成员的择取与搭配，形成邮轮餐厅内装设计虚拟仿真系统平台架构如图4所示。
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图 4 系统架构设计 Fig. 4 System architecture design |
该系统的各个模块之间具有极强的实时性、互操性，通过模块之间的运作，能够清楚地表达各个交互模块之间相互交流的状态。通过图4各子系统之间的信息交互过程，得出系统架构的功能数据路径图，如图5所示。
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图 5 功能数据路径图 Fig. 5 Functional data path diagram |
将内装设计仿真系统按功能数据路径分为数据处理、数据支持和数据可视化3个系统，其中数据处理系统主要是在数学模型的基础上，实现对音像数据的处理、仿真需求的应答、交互数据的采集和计算；数据支持系统是将已有的运动模型、家具模型、灯具模型、材质模型等模型数据等整合成系统知识库为系统运行提供数据支持；数据可视化系统是通过主控制界面的设计以及和相关功能的关联实现输入输出数据的可视化展示。
4.2 系统功能实现本文利用UE4虚拟引擎实现系统平台开发及功能可视化呈现。对该邮轮餐厅内装设计作业的仿真过程包括：设计方案快速形成、各类模型库要素调用、场景编辑、场景动态交互、设计方案评价等。该软件系统平台功能的实现，是验证邮轮内装设计仿真系统框架设计合理性与实用性的唯一途径。根据系统仿真需求及系统架构，主要实现该系统的开发管理、各类模型库调用、设计方案编辑、设计方案评价、作业仿真演示等功能，具体功能展示如图6～图8所示。
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图 6 系统开发管理功能 Fig. 6 System development management function |
图6为平台系统开发管理功能的实现，登录后通过用户选择进入作业仿真场景，可多人协同登录。
图7为各类模型库调用功能的实现。利用硬件交互设备进行场景编辑功能选择，实现了对该场景中各类模型进行选择、移动、删除、重置、替换等功能操作。
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图 7 各类模型库调用功能 Fig. 7 Call functions of various model libraries |
图8为系统沉浸式交互功能的实现，在仿真场景中可按需进行设计方案编辑。设计方案完成后，在系统中可进行存储、浏览、体验评价等功能操作。
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图 8 系统沉浸式交互功能 Fig. 8 System immersive interactive function |
通过系统功能测验，该邮轮内装设计仿真系统平台在性能及功能上皆满足虚拟平台系统仿真需求，能够有效管理、处理、操作、演示仿真平台中的各种数据、信息等，证明了该系统架构层次结构清晰、明确，以及系统数据库性能良好。
5 结 语本文针对邮轮全生命周期虚拟仿真平台搭建复杂、庞大等问题，总结出系统仿真需求及设计原则，提出系统平台模块的划分方案，结合分层技术，构建出一种基于HLA的虚拟仿真平台系统总体架构。以邮轮内装设计仿真系统为研究实例，构建相应的系统架构，开发虚拟仿真平台。经系统功能测试与实现，该平台能够满足虚拟仿真平台系统仿真需求，且性能更佳，证明该总体架构能够有效提升仿真平台的拓展性、移植性、实时性、异地协同性、人机交互性，提高了开发效率和开发过程的规范性。对此类系统平台的搭建与二次开发具有一定指导意义与参考价值。
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