0 引　言

舰船应急演练是提高船员应急处置能力、保障海上生命财产安全的关键手段，目的是模拟突发情况，让船员熟悉应急流程，掌握重点操作技能。但传统实船应急演练可重复性差、成本高，高风险场景难复现，无法保障人员安全，难获理想效果。为此，虚拟舰船应急演练应运而生，能解决上述问题，保证人员安全，是当前舰船应急训练重要发展方向^[1]。

目前，部分学者已针对此领域展开研究，韩成浩等^[2]结合船舶运动与环境模型，构建虚拟仿真测试平台，助力船舶应急演练的实体与环境感知，但未构建虚拟人、火灾等关键要素模型，应用效果不佳。Perabo等^[3]构建协同仿真模型，得到多物理场虚拟模型，为应急演练提供船舶模型支撑，不过仅注重船舶建模，未对虚拟人、演练场景等要素建模，并规划漫游路径，无法有效支撑人员行为模拟与疏散路径优化。曲峰德等^[4]结合虚拟现实技术创建多人协同应急演练训练平台，实现协同操作，但仅应用虚拟仿真技术，未研究疏散漫游路径优化，使虚拟人依赖预设轨迹，无法避开障碍物，降低演练效果。邓佳佳等^[5]结合交互设计与三维建模技术，创建船舶仿真模型，实现用户漫游，但用户需靠手柄操控，未融入智能疏散漫游路径优化算法，不能有效模拟人员疏散撤离行为，演练效果不佳。

为此，本文基于虚拟仿真展开舰船应急演练技术应用与路径优化研究。通过该技术构建含虚拟人、船、应急演练场景的三维虚拟仿真模型。以此模型为基础，结合加速A*算法与导航网格方法优化疏散漫游路径，为舰船应急演练的精准性、高效性提供技术保障。

1 舰船应急演练虚拟仿真建模与优化设计 1.1 舰船应急演练三维虚拟仿真建模

采用3ds Max作为核心三维建模工具，完成虚拟人、舰船实体、应急演练场景的精细化建模，通过骨骼蒙皮、纹理贴图、格式转换实现模型的标准化输出，再导入Unity 3D引擎进行动画制作、材质调试与场景搭建；针对舰船应急演练中的火灾类核心应急场景，采用元胞自动机构建火焰蔓延模型，结合粒子系统实现火焰、烟雾的视觉仿真，通过碰撞检测逻辑实现应急处置的交互响应。

1.1.1 虚拟人与舰船三维仿真建模

虚拟人建模以舰船应急作业人员为原型，基于3ds Max完成几何建模、骨骼绑定、蒙皮动画制作与纹理封装，核心采用Skin骨骼蒙皮方法，搭配刚性/柔性绑定算法实现虚拟人动作的自然驱动，最终通过OSGExp插件转换为OSG支持的模型格式，满足仿真系统的调用需求。

舰船实体三维仿真建模以真实舰船为原型，采用分模块建模法，依据舰船实际设计图纸获取尺寸、结构参数，在3ds Max中完成船体、驾驶舱、舱室、通道、应急设备等模块的建模，再进行纹理贴图、材质设置与光照处理，最终输出适配不同引擎的标准化模型，核心参数与含义如下：

1）建模基础参数。严格匹配实船尺寸与结构，驾驶舱按原始甲板示意图的比例、空间布局建模，保证舰船虚拟模型与实船的一致性，贴合应急演练的实操空间。

2）纹理与材质参数。采用PS处理后的实船纹理照片，映射至舰船模型对应模块，提升模型真实感；

3）模型输出格式。.FBX格式（导入Unity 3D引擎进行场景搭建与动画驱动）、.ive格式（OSG引擎支持格式，用于仿真系统的舰船模型调用）。

4）船舶操纵参数。依托船舶六自由度操纵脚本，实现虚拟舰船的航向、航速、姿态调整，支撑应急演练中舰船航行、救助等场景的动态仿真。

1.1.2 应急演练虚拟场景仿真建模

舰船应急演练中的虚拟人与虚拟舰船的三维仿真建模后，进行舰船应急演练虚拟场景的三维仿真建模。以舰船火灾应急场景为核心研究对象，融合元胞自动机与粒子系统，实现火焰蔓延的动态仿真与火焰与烟雾视觉效果的真实还原，实现方法如下：

1）火焰蔓延模型构建。火灾发展分为着火、初期增长、充分燃烧、熄灭4个阶段，针对舰船火灾应急演练核心处置的充分燃烧阶段，采用Moore型元胞自动机构建火焰蔓延模型。

2）火灾场景可视化。以所创建的火焰蔓延模型为基础，结合Unity 3D中自带的粒子系统，针对舰船火灾应急演练中的火焰与烟雾分别创建专用粒子系统，粒子的生命周期、形状纹理、颜色等参数根据舰船舱室火灾的火焰与烟雾扩散规律设置，实现火焰与烟雾效果的高保真仿真。

1.2 舰船应急演练虚拟场景疏散漫游路径优化

针对舰船多层甲板、多障碍物、通道狭窄的复杂空间特性，在构建的包含船、人、场景全要素三维仿真模型的基础上，对虚拟场景中虚拟人的应急疏散漫游路径进行优化设计。该优化设计采用改进A算法、操控行为算法与导航网格方法协同工作的策略：改进A算法负责全局最优路径的初步搜索，操控行为算法驱动虚拟人在楼梯等特殊区域的精细动作，导航网格方法则自动生成标准化的可通行网格节点，为路径搜索提供精准的空间表示。三者深度融合，参数相互匹配，共同解决传统寻路算法在舰船复杂空间中漫游路径精度低、寻路效率慢、动作不自然的问题，保证虚拟人漫游与应急疏散的合理性与高效性。具体过程如下：

步骤1　以传统A*算法为基础，针对舰船空间特性优化估价函数与虚拟场景漫游路径搜索逻辑，采用曼哈顿距离作为估计代价计算方法，增加多目标点寻路与分层空间寻路规则^[6]，同时对算法执行流程进行加速优化，减少计算量、提升寻路效率。公式为：

$ b(n)=|{x}_{n}-{x}_{g}|+|{y}_{n}-{y}_{g}|。$

(1)

式中：(x_n, y_n)为舰船应急演练虚拟场景中当前节点$ n $的坐标；(x_g, y_g)为该虚拟场景中目标节点$ g $的坐标。该计算方法虽效率稍低，但能避免漫游路径节点穿过舰船障碍物，保证舰船应急演练虚拟场景中漫游路径的精度与平滑性。

步骤2　针对舰船楼梯、狭窄通道等特殊空间的虚拟人运动，设计操控行为算法实现动作的自然驱动，通过三维向量计算操控力，控制虚拟人下一帧的位置。

步骤3　针对Unity 3D引擎中手动设置路径点的弊端，采用导航网格方法对改进A*算法的舰船应急演练虚拟场景漫游搜索路径进行优化，将原始漫游路径转换为三角形网格集合，网格边长匹配舱室/通道最小通行宽度，网格节点对应可通行点，网格边缘对应障碍物边界。通过路径角点识别，自动生成转弯处、楼梯口等关键位置的三维坐标节点，传递至改进A*算法作为标准化的寻路节点，替代手动设置，提升场景搭建效率。

综上，导航网格为改进A算法提供标准化的可通行网格节点，改进A算法基于这些节点计算全局最短路径，并将路径中的特殊区域（如楼梯口）标记，交由操控行为算法进行局部动作驱动；操控行为算法的执行结果反馈至改进A*算法，用于动态调整后续节点的搜索；三者参数相互匹配，数据高效传递，最终实现虚拟人在舰船应急演练场景中的避障漫游、智能疏散、自然交互的整体效果，满足应急演练的实际需求。

2 结果分析

以某舰船的火灾应急演练场景为例，将本文虚拟仿真建模技术应用其中，以检验本文技术的实际应用与优化设计效果。该舰船的关键结构参数如表1所示。

本文技术所构建的包含实验舰船、虚拟人、火灾应急演练场景的全要素三维虚拟仿真模型如图1所示。可知，本文技术可构建出包含实验舰船、应急作业人员及火灾应急演练场景各关键要素的三维虚拟仿真模型，所构建模型效果呈现清晰，能够有效满足舰船应急演练的实际需求，提供高保真的可视化演练场景，可为后续的虚拟人火灾应急演练场景中的应急疏散漫游路径优化设计提供精准的仿真模型基础与环境约束条件。

在此基础上，继续运用本文技术对所构建的全要素虚拟场景中虚拟人的火灾应急演练疏散漫游路径进行优化设计。改进A*算法初步搜索与导航网格优化后所得到的舱室与驾驶舱2个虚拟场景中虚拟人的疏散漫游路径对比情况如图2所示。可知，在舰船舱室火灾应急演练场景中，优化设计前通过改进A*算法初步搜索得到的疏散漫游路径与导航网格优化设计后搜索的疏散漫游路径较为接近，无过大偏差，这是因为此场景中的通道宽敞、无障碍物，且无转弯、楼梯口等角点，疏散漫游路径易于搜索；而在驾驶舱火灾应急演练场景中，优化前的初步搜索疏散漫游路径与优化后的路径存在明显差异，这是因为该场景中的通道狭窄且存在障碍物、转弯及楼梯口，初步搜索路径未有效避开楼梯旁的圆柱障碍，而优化后搜索的疏散漫游路径能够有效避开此障碍，可保证虚拟人应急疏散漫游的合理性。

为量化说明所提方法的有效性，本文进一步引入路径长度差和避障成功率量化指标进行对比分析，实验结果如表2所示。

可知，所提方法可以大幅提升避障成功率，缩短路径长度，以保证了虚拟人应急疏散漫游的安全性与动作自然性。在简单空间（如舱室）中，该方法保持原有路径质量不变，体现了良好的场景适应性。实验结果充分验证了改进A*算法、操控行为算法与导航网格方法三者协同工作的有效性，能够满足舰船应急演练虚拟仿真的实际需求。

为保证本文技术可满足实际舰船应急演练中的高效率需求，对本文技术针对不同场景进行虚拟人疏散漫游路径搜索的用时情况进行统计。以实验舰船的舱室、驾驶舱、（A1-A4）4层甲板共计6个虚拟场景为例，各场景的路径节点数量依次为6、8、14、26、18个，各场景的疏散漫游路径总长度及搜索用时统计情况如图3所示。

可知，本文技术最终搜索所得的实验舰船各个应急演练虚拟场景的疏散漫游路径的总长度与路径节点数量成正比。其中，驾驶舱虚拟场景的路径节点最少（8个）、路径长度最短（16.7 m），搜索用时仅为4.12 ms；A2层甲板虚拟场景中的路径节点最多（26个）、路径长度最长（191.3 m），所对应的搜索用时为24.06 ms。各场景的应急疏散漫游路径搜索用时均控制在25 ms以内，能够有效满足舰船应急演练中虚拟人实时响应的高效需求，验证了结合改进A*算法与导航网格优化在复杂舰船空间中的搜索效率及实用性。

3 结　语

本文针对舰船应急演练中的虚拟仿真建模技术的应用与优化设计展开相关研究，所得结论如下：

1）采用3ds Max与Unity 3D，实现包含虚拟人、舰船实体及应急演练场景的全要素精细化建模。通过骨骼绑定、纹理贴图及格式转换，实现了模型的高保真构建与跨平台调用；针对舰船火灾场景，融合元胞自动机与粒子系统，构建了火焰蔓延与火焰与烟雾可视化效果，并结合碰撞检测逻辑实现了应急处置的交互响应，为演练提供了真实的虚拟环境基础。

2）针对舰船多层甲板、狭窄通道及多障碍物的空间特性，提出了改进A *算法与导航网格相融合的路径搜索方法，并引入操控行为算法驱动虚拟人在楼梯口等特殊区域的运动。实验表明，优化后的路径搜索可有效避开障碍物，提升路径的合理性与自然度；驾驶舱场景的路径对比验证了该方法的有效性。

3）对舱室、驾驶舱及4层甲板共6个虚拟场景进行测试，结果显示各场景的路径搜索用时均控制在25 ms以内，可满足虚拟人实时响应的效率要求。

本文提出的虚拟仿真建模与路径优化方法，能有效支撑舰船火灾等应急演练场景的高保真构建与虚拟人智能疏散，具有良好的实用性与推广价值。后续可进一步结合多人协同行为模拟与虚实交互技术，提升演练场景的复杂度与沉浸感。