0 引　言

船舶数字化服务平台主要目标是通过数字化手段提升船舶行业的运营效率、管理水平和安全性能^[1]。船舶数字化服务平台的核心是依据船舶行业的实际需求，用户可以实现对船舶的全方位管理，包括实时监控^[2]、数据分析、培训演练、船舶维护等多个方面，为船舶行业的运营和管理提供了强大的支持，实现船舶智能化发展。

许萌萌^[3]为实现船舶的智能化管理，结合船舶管理的需求，采用大数据挖掘方法以及数据轻量化处理，设计一体化智能管理系统，对船舶运维实现全面管理；但是该系统在应用过程中，数据挖掘数据技术无法满足操作界面的可视化需求标准，并且系统的交互能力较差，无法全面呈现管理的可视化结果。张侨禹^[4]为提升船舶的智能管理水平，依据船舶的功能结构，建立船舶的数字孪生模型，通过该模型可掌握船舶的实时情况，模拟船舶在不同条件下的性能表现，为精准、高效的运营管理决策提供依据；但是该技术在应用过程中，在构建精确的数字孪生模型时，可能需要处理大量的数据并进行复杂的仿真计算，并且在实际运维决策中，仍需要人工参与和判断，无法实现全面智能化。韩成浩^[5]主要针对船舶智能航行管理进行研究，利用仿真软件进行航行模拟，并结合感知技术、控制技术等，共同实现船舶航行的智能管理；然而，虚拟环境可能无法完全模拟真实世界中的动态变化、气象条件、海洋流动等因素，这可能导致在仿真环境中测试的智能航行系统在实际应用中表现不佳。

虚拟现实交互技术通过特定的交互设备使用户能够与这个虚拟环境进行自然交互，户能够更直观地理解复杂的数据和信息，提高了用户的参与度和体验质量^[6]。因此，本文设计了虚拟现实交互技术的船舶数字化服务平台，利用虚拟技术强大的三维呈现和高度交互性，构建逼真的虚拟船舶环境，用户可以身临其境地浏览、操作和管理船舶，极大地提升了用户体验和工作效率。

1 船舶数字化服务平台 1.1 平台架构

船舶数字化服务平台在设计时，需结合船舶对数字化服务的需求完成，需满足船舶运营管理、船舶实时监控、数据集成与共享以及用户友好与易用性等应用需求，以此保证船舶管理的效率和质量。基于此文中基于虚拟现实交互技术设计船舶数字化服务平台，平台架构如图1所示。

平台整体分仿真模块和VR模块，通过分布式协同仿真的方式，实现船舶资源的有效整合，构建数字化服务模型，其功能包括：

1）仿真模块。主要包含模型服务器、实物操作功能、数据集成功能等；该主要以半实物仿真方法为核心，进行船舶全面仿真，例如船舶动力系统仿真、操作仿真等，构建船舶的三维模型；通过该仿真计算船舶不同运行工况、不同环境下的运行以及管理情况，并避免模型构建时发生碰撞现象，呈现船舶的动态变化。

2）VR模块。通过该模块模拟船舶的真实环境以及设备等，并且能够实时进行交互操作。该模块主要是以头戴VR设备以及沉浸式投影实现人机交互，具备极高的逼真度和沉浸感体验。

1.2 防碰撞检测

仿真模块在进行三维模型构建过程中，由于船舶整体结构复杂、运行体系较多，因此在设计时，需实现碰撞实时监检测。为保证碰撞检测效果，采用包围盒检测算法进行碰撞检测。该方法是通过对目标进行包围来判断包围盒是否发生相交情况，如果存在则表示构建物体之间存在碰撞；反之则不存在碰撞。其检测流程如图2所示。

1.3 VR模块设计 1.3.1 VR模块设计流程

VR模块为保证人机交互效果，满足船舶数字化服务需求，全面实现船舶管理，采用多层次细节建模技术进行该模块设计，其整体流程如图3所示。通过该方法进行VR模块设计，能够提升该模块的实时性和流畅性，并且满足复杂船舶场景的绘制需求，可呈现不同距离下、不同细节程度的船舶模型，以此满足在交互过程中的质量以及体验感。

1.3.2 交互界面生成方法

VR模块的重要功能是实现人机交互，为保证交互效果，需进行交互界面生成，界面在生成时的多感官视觉效果直接决定交互时的逼真感和沉浸感。因此，为保证交互界面的生成效果，在虚拟现实技术的基础上，引入多感官体验，交互界面的设计流程如图4所示。

为保证交互功能界面的生成效果，采用交互界面布局优化模型完成。该模型是以界面视觉注意力划分模型和功能监督分析为主，因此在界面生成时，定义视觉注意力划分最优为作为界面生成目标函数，构建交互界面优化生成模型，其详细生成内容如下所述：

界面生成过程中，如果功能模块用g_k表示，任意一个g_k分别在等级差异、级别差异的视觉预期内，其所占据的单元视觉注意力和单元数量分别用$A = \left\{ {{a_{ij}}} \right\}$和$M = \left\{ {{m_{ij}}} \right\}$表示，其中，视觉区域$j$中，第$i$个g_k的占据的视觉注意力等级和单元数量分别用${a_{ij}}$和${m_{ij}}$表示；视觉预期内g_k的中心坐标的视觉注意力级别用$S = \left\{ {{s_{ij}}} \right\}$表示，则视觉区域$j$中，第$i$个g_k的占据的视觉注意力等级用s_ij表示，界面不同功能的关键度的确定通过主观赋权法完成，将所有g_k的关键度进行两两对比，其相对关键度ξ_k的计算公式为：

${\xi _k} = \frac{{{w_{k - 1}}}}{{{w_k}}}。$

(1)

式中：w_k为关键度。

第$i$功能模块g_i的关键度计算公式为：

${w_i} = {\left( {1 + \sum\limits_{k = 2}^n {\prod\limits_{i = k}^n {{\xi _i}} } } \right)^{ - 1}}。$

(2)

式中：ξ_i为第$i$功能模块的相对关键度。

交互功能界面设计时，依据上述公式的计算结果进行视觉注意力划分强度q_k计算，其计算公式为：

${q_k} = \sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^3 {{w_i}{a_{ij}}{s_{ij}}{d_{ij}}} }。$

(3)

如果交互界面视觉注意力划分强度上限用q_max表示，其计算公式为：

$\max \overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\frown}$}}{q} = \sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^3 {{w_i}{a_{ij}}{s_{ij}}{d_{ij}}} } 。$

(4)

$\overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\frown}$}}{q}$值越大表示交互功能界面视觉注意力对关键度较高的功能模块划分越多，通过改进萤火虫算法对式（4）进行求解，获取功能界面布局结果，生成船舶数字化服务交互界面。

在生成的交互功能界面内，用户可通过头戴VR设备以及沉浸式投影的方式进行数字化服务交互。

2 测试结果与分析

以某船务公司作为测试对象，该公司主要为客船，目前该公司存在智能化管理水平较低现象，无法满足船舶数字化服务需求，并且对于新员工的实地培训效果较差。因此，将文中系统用于该船务公司中，并以其中一艘客船进行实际应用测试。

在进行船舶数字化服务平台设计时，为保证其应用效果，在进行仿真建模时，需全面考虑其环境信息、气候条件等，以此保证平台在应用时的逼真性。利用文中平台构建船舶的仿真三维模型如图5所示。可知，文中平台能够可靠完成数字化船舶三维模型构建，并且构建的模型中能够清晰呈现环境情况，模型的构建细节完整，并且视觉效果良好。

为验证文中平台的交互功能界面生成效果，文中采用拟合度作为测试指标，通过文中平台分别进行静态交互界面和动态交互界面生成，获取在不同界面像素数量下，拟合度的测试结果如表1所示。可知，通过文中平台进行静态和动态2种交互功能界面生成后，随着界面中像素数量的逐渐增加，拟合度值均在0.906以上，因此该平台的交互功能界面生成效果良好。

为验证文中平台的数字化服务效果，通过该平台进行船舶航行场景交互以及消防培训演练，获取其测试结果如图6所示。可知，文中平台应用后，能够为船舶管理提供较好的数字化服务，可实现船舶虚拟场景交互，并且可选择不同的游览模式；除此之外，可通过该平台进行消防演练，增强培训与安全教育效果，提升船舶管理的智能化水平。

3 结　语

为提升船舶的智能化管理以及运维水平，进而提高船舶的安全性和可靠性，设计虚拟现实交互技术的船舶数字化服务平台，借助虚拟现实技术，用户可以在虚拟环境中提前体验船舶的性能，从而在设计阶段就能对产品的各项特性有直观的感受。这种沉浸式的设计体验有助于设计的针对性和实用性；并且用于安全教育，让船员在虚拟环境中体验潜在的安全风险，增强安全意识。