基于虚拟现实技术的船舶水灭火消防综合演练系统及方法

摘要

本发明公开了基于虚拟现实技术的船舶水灭火消防综合演练系统及方法，包括子系统一和子系统二，子系统一是多人沉浸式船舶水灭火流程演练系统，包括HTC VIVE沉浸式虚拟现实体感设备、虚拟现实模块、UI模块、单人分解灭火操作训练模块、多人协同作业模块；子系统二是基于PC端的船舶消防指挥系统，用于消防指挥人员对船舶进行数字化监控管理及培训，包括主界面模块、防火控制图模块、指挥训练模块、综合演练模块、监控管理模块。本发明无需创建真实的船舶运营场景和火灾现场，大大降低了能耗，提高了安全性；同时相较于传统的单人VR仿真系统，本发明实现了真正的船舶消防团队联合水灭火模拟演练。

说明书

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，具体涉及一种基于虚拟现实技术的船舶水灭火消防综合演练系统，还涉及船舶水灭火消防综合演练方法。

背景技术

随着全球航海业的迅速发展，船舶的消防安全问题越来越重要，因船舶特殊的功能和结构，其产生的火灾和消防具有特殊性。船舶在运行过程中若发生火灾则只能依靠自身的力量来营救，因此船舶火灾消防演练培训更是船舶安全出行的前提和重要基础。现有的演练培训模式分为两种：一种是在模拟舱中进行，不仅耗资大、污染大、危险性高，且能重复使用的模拟训练舱并不多；另一种是利用计算机、VR仿真系统进行虚拟培训，这种模拟方法解决了能耗、污染和安全性等问题，但是仿真性不高，用户依赖屏幕没有沉浸式体验感，或仅能单人使用手柄操作设备进行单兵灭火基本训练，没有实现真正意义上的综合模拟演练，与真实的团队综合模拟训练相差甚远。因此，经常需要组织船员进行火灾消防演练，需要一个可以真实模拟船舶水灭火消防的环境和符合消防演练流程需求的综合模拟训练平台。

发明内容

本发明的目的是提供基于虚拟现实技术的船舶水灭火消防综合演练系统，解决了现有虚拟现实演练系统中存在的无法将沉浸式系统与基于PC端的指挥系统进行综合演练及无法多人协作进行全流程演练的问题。

本发明的另一目的是提供上述基于虚拟现实技术的船舶水灭火消防综合演练方法。

本发明所采用的技术方案是，基于虚拟现实技术的船舶水灭火消防综合演练系统，包括子系统一和子系统二，子系统一是多人沉浸式船舶水灭火流程演练系统，包括HTCVIVE沉浸式虚拟现实体感设备、虚拟现实模块、UI模块、单人分解灭火操作训练模块、多人协同作业模块；子系统二是基于PC端的船舶消防指挥系统，用于消防指挥人员对船舶进行数字化监控管理及培训，包括主界面模块、防火控制图模块、指挥训练模块、综合演练模块、监控管理模块。

本发明的特点还在于，

虚拟现实模块用于搭建沉浸式船舶场景；通过手柄射线实现瞬移、攀爬、单人分解灭火操作训练模块、多人协同作业模块；UI模块，用于演练流程框架的搭建，触发各个功能模块；单人分解灭火操作训练模块，包括手提式水灭火操作、固定式水灭火操作、应急消防泵操作、失火报警器操作四个独立培训环节；多人协同作业模块用于多客户端设备进行沉浸式船舶水灭火消防演练完整流程的培训。

UI模块，提供了包括单人操作培训、手提式水灭火、固定式水灭火、操作应急消防泵、操作失火报警器、多人协同演练六个水灭火演练环节等人机交互操作的界面。

主界面模块用于显示船舶模型及其基本信息；防火控制图模块用于消防指挥人员查看船舶整体消防布局；指挥训练模块用于消防指挥人员进行消防知识的训练和考核；监控管理模块用于调用船舶相关位置的实时视频，观察火情是否发生；综合演练模块，用于指挥人员与模拟训练人员通过tcp网络通讯协议实现QT与Unity的通讯，联动进行指挥、监控以及观看船舶消防演练综合模拟全流程演练。

本发明所采用的另一技术方案是，基于虚拟现实技术的船舶水灭火消防综合演练方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，消防指挥人员启动系统，进入系统主界面，查看船舶相关信息，并进入系统功能模块界面；

步骤2，用户进入到系统后，点击进行防火控制图模块并查看船舶的消防布局图；点击指挥训练模块并对船舶消防的指挥人员进行培训练习；点击综合演练模块并实现与沉浸式虚拟现实水灭火系统联动消防综合演练；点击监控管理模块并监管船舶各个舱室的是否有火灾发生的情况；

步骤3，在综合演练模块中，启动unity程序——VRShip.exe，并将其嵌入到本界面中，实现指挥系统与沉浸式水灭火系统的联合综合演练；

步骤4，实训人员佩戴HTC VIVE沉浸式体感设备，启动VRShip.exe系统，通过调用HTC VIVE的摄像头和手柄，用户进入沉浸式VR水灭火系统；

步骤5，进入单人分解灭火操作训练模块，在手提式水灭火操作、固定式水灭火操作、应急消防泵操作、失火报警器操作中选择要训练的内容，并进行相应的训练；

步骤6，进入多人协同作业模块，系统动态加载船舶的失火点，根据失火点的位置，指挥人员和实操人员按照应急反应程序和任务分配方案行动，由总指挥在虚拟现实指挥系统纵观全局，根据现场火灾情况进行指挥、沟通和协调，实现船舶联合模拟消防演习的完整流程。

本发明的有益效果是：

1.本发明首次将多人协同作业模块用于多客户端设备进行沉浸式船舶水灭火消防演练完整流程和培训，相比于传统的船舶消防演习和基于VR的操作培训方法，本发明无需创建真实的船舶运营场景和火灾现场，大大降低了能耗，提高了安全性；同时相较于传统的单人VR仿真系统，本发明实现了真正的船舶消防团队联合水灭火模拟演练。

2.本发明通过tcp网络通讯协议和PUN2协同游戏框架实现QT与Unity的通讯和多人网络协同，实现联动进行指挥、监控以及船舶消防综合演练模拟水灭火全流程。在联合演练模块，指挥人员与模拟训练人员按照应急反应程序和任务分配方案行动，由总指挥在虚拟现实指挥系统纵观全局，现场指挥根据现场火灾情况进行指挥、沟通和协调，实现虚拟现实船舶联合模拟消防演习的完整流程，相较于传统方法训练的综合程度和流程的完整性更高。

附图说明

图1为本发明基于虚拟现实技术的船舶水灭火消防综合演练系统的技术路线图；

图2为本发明基于虚拟现实技术的船舶水灭火综合演练系统的流程图；

图3为本发明的QT调用外部Unity文件并嵌入的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于虚拟现实技术的船舶水灭火消防综合演练系统，如图1所示，包括子系统一和子系统二，子系统一是多人沉浸式船舶水灭火流程演练系统，包括HTC VIVE沉浸式虚拟现实体感设备、虚拟现实模块、UI模块、单人分解灭火操作训练模块、多人协同作业模块；子系统二是基于PC端的船舶消防指挥系统，船舶消防指挥系统利用QT进行PC端指挥系统开发，用于消防指挥人员对船舶进行数字化监控管理及培训。包括主界面模块、防火控制图模块、指挥训练模块、综合演练模块、监控管理模块。

HTC VIVE沉浸式虚拟现实体感设备为使用者提供封闭式的虚拟环境，借助头部旋转可观看到整个船舶及海面的场景，同时，通过手柄操作虚拟手提式灭火器、警铃、操作面板等，实现沉浸式水灭火操作；

虚拟现实模块，通过VRTK插件作为开发工具包，实现对消防仿真模型、UI界面、各个功能模块的交互操作。虚拟现实模块用于搭建沉浸式船舶场景；通过手柄射线实现瞬移、攀爬、单人分解灭火操作训练模块、多人协同作业模块。

UI模块，用于演练流程框架的搭建，触发各个功能模块执行。提供了包括单人操作培训、手提式水灭火、固定式水灭火、操作应急消防泵、操作失火报警器、多人协同演练六个水灭火演练环节等人机交互操作的界面。

单人分解灭火操作训练模块，用于单人进行手提式灭火器灭火、操作报警系统、操作固定式水灭火系统、操作应急消防泵等的分解训练。

单人分解灭火操作训练模块包括手提式水灭火操作、固定式水灭火操作、应急消防泵操作、失火报警器操作四个独立培训环节。手提式水灭火操作使用GripPressed抓取键拾取灭火器，使用TriggerPressed扳机键判断灭火器是否被拾取，如果拾取就喷射水粒子，实现手提式水灭火器灭火。

多人协同作业模块用于多客户端设备进行沉浸式船舶水灭火消防演练完整流程的培训。

多人协同作业模块，通过Photon Unity Networking搭建局域网络服务器，实现客户端与服务器的连接；利用Connectandjoinrandom连接并进入房间，vivemanager用于HTCVIVE设备的头盔、手柄(Head、Lefthand、Righthand)的数据传输，将其position和rotation同步给其他用户；为需要多人协同操作的物体挂载Photonview和Photontransformview实现数据的传输与协同。多台沉浸式设备之间可以进行通讯，用户进入到场景后可以选择自己的身份，根据场景分配任务并进行沉浸式水灭火消防演练。

主界面模块用于显示船舶模型及其基本信息。

防火控制图模块用于消防指挥人员查看船舶整体消防布局；指挥指挥训练模块用于消防指挥人员进行消防知识的训练和考核；监控管理模块用于调用船舶各个位置，如机舱、甲板、指挥室的监控视频流，方便消防指挥人员监控船舶消防安全情况。

综合演练模块，用于指挥人员与模拟训练人员通过tcp网络通讯协议实现QT与Unity的通讯，联动进行指挥、监控以及船舶消防演练综合模拟全流程演练。

综合演练模块用QT做服务器，Unity做客户端，采用TCP单线程连接实现网络通信。如图3所示，在QT的StartButton()函数中，首先启动并隐藏Unity进程，QStringpath＝“.exe文件的绝对地址”查找Untiy发布到桌面的.exe文件；PROCESS_INFORMATION创建进程，并返回相关进程及主进程信息；对于新进程窗口，QT调用Unity程序CreateProcess，此时untiy.exe以进程挂起的方式隐藏创建，且没有新的窗口出现。接下来将窗体嵌入QT界面中，FindWindow(NULL,L"VRShip")，在后台进程中查找进程窗口；执行窗体嵌入桌面函数findDesktopIconWnd()；createWindowContainer(window)函数设置焦点让Unity进程接收按键事件；最后将窗体放入ui的verticalLayout中。按钮启动子系统一并将运行程序以外部调用嵌入到指挥系统的界面中，真正实现指挥人员与现场作业人员的联合模拟演练。

本发明基于虚拟现实技术的船舶水灭火消防综合演练方法，采用上述船舶水灭火消防综合演练系统，如图2所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1，消防指挥人员启动系统，进入系统主界面，查看船舶相关信息，并进入系统功能模块界面；

步骤2，用户进入到系统后，点击进行防火控制图模块并查看船舶的消防布局图；点击指挥训练模块并对船舶消防的指挥人员进行培训练习；点击综合演练模块并实现与沉浸式虚拟现实水灭火系统联动消防综合演练；点击监控管理模块并监管船舶各个舱室的是否有火灾发生的情况；

步骤3，在综合演练模块中，启动unity程序——VRShip.exe，并将其嵌入到本界面中，实现指挥系统与沉浸式水灭火系统的联合综合演练；

步骤4，实训人员佩戴HTC VIVE沉浸式体感设备，启动VRShip.exe系统，通过调用HTC VIVE的摄像头和手柄，用户进入沉浸式VR水灭火系统；

步骤5，进入单人分解灭火操作训练模块，在手提式水灭火操作、固定式水灭火操作、应急消防泵操作、失火报警器操作中选择要训练的内容，并进行相应的训练；

步骤6，进入多人协同作业模块，系统动态加载船舶的失火点，根据失火点的位置，指挥人员和实操人员按照应急反应程序和任务分配方案行动，由总指挥在虚拟现实指挥系统纵观全局，现场指挥根据现场火灾情况进行指挥、沟通和协调，实现船舶联合模拟消防演习的完整流程。

本发明使用HTC VIVE沉浸式虚拟现实体感设备打造沉浸式感官体验，将真实场景在系统中1：1还原，目前沉浸式虚拟现实舰船水灭火培训系统多是对单人进行训练，利用QT开发基于PC端的船舶消防指挥系统，为船舶综合水灭火消防演练提供一种全新的方法和环境。