CN109887369A - 一种船舶险情逃生模拟培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种船舶险情逃生模拟培训系统，包括船舱大环境数据单元、巡航检测单元、消防运维设备信息单元、数据库管理单元、险情综合模拟仿真单元、信息传输单元、云端服务器单元、中央信息处理与控制单元和交互操作控制单元组成。用户可自定义船舱险情的环境数据，针对不同的以及实时变化的火灾场景进行逃生模拟培训，用户可选择两种方式下的训练，均采用无线模式。本发明可供船舶工作人员进行火灾险情的逃生模拟训练，给用户提供基于虚拟现实沉浸感的体验，又增强用户对真实环境的感受，有利于降低现实船舶消防训练所消耗的人力、物力、财力以及风险，提高船舶消防逃生训练的安全性和时效性。

Description

一种船舶险情逃生模拟培训系统

技术领域

本发明属于模拟逃生培训技术，具体涉及一种船舶险情逃生模拟培训系统。

背景技术

常规的险情逃生演练都是基于实地演练，训练耗费时间，人力物力资源消耗较大，并且很难收到良好的培训效果。随着现代技术的发展，船用设备日益增加，复杂，从而导致船舶发生险情的机率也随之升高。

近两年，虚拟现实技术迅速发展，在工业、建筑、考古、医学生都有实际应用，在三维虚拟场景中，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，火灾模拟训练中，逼真的虚拟场景可以让训练者感受到几近真实的火灾场景，为用户带来沉浸式的场景体验，从而可降低常规训练的危险性。AR增强现实技术则把计算机带入到用户的真实世界中，通过听、看、摸、闻虚拟信息，来增强对现实世界的感知。

一种半透明头戴显示器，能够提供对周边环境的快速扫描和空间匹配，在真实世界展现全息图像内容；用户穿戴体感装备，摆脱传统的线连接传输方式，运用语音以及手势的交互方式，增强触觉、听觉等感知状态；用户可置身于现实船舱空间，切身体验几近真实的模拟训练。

第五代通信技术在4G的基础上提出更高的要求，运用5G通信大带宽、低延迟、高可靠性、可实现海量终端并发连接，摆脱数据传输线的束缚。

经过对现有技术文献的检索发现，中国发明专利公开号：CN108961898A，名称：一种基于虚拟现实的消防演练模拟场景系统，该模拟场景体验系统自述基于VR虚拟现实技术，应对现场应急指挥成员和各级负责人在应急预案灾害环境做出各种指令。

中国发明专利公开号：CN108417108A，名称：一种火灾逃生模拟体验系统，该模拟体验系统自述包括设计独特的温度传感器电路图，提出在虚拟体验技术中呈现动态的逃生场景。

中国发明专利公开号：CN102496317B，名称：用于陆地搜寻和救护训练的自动控制模拟系统，该模拟系统自述包括能有效的模仿实现突发性和随机性的灾难场景的模拟训练技术，针对陆地的搜寻及救护。

中国发明专利公开号：CN107340720，名称：虚拟与现实世界环境模拟系统，该模拟系统自述，云服务器采集系统采集世界各地环境数据，模拟系统提供地点选择，选定背景后对当地实时环境进行模拟。

以上四份文献都提出基于虚拟现实技术，相对应的进行对现实世界环境的模拟显示，使人员佩戴虚拟眼镜，使用操纵杆进行交互，类似于传统教学式的操作在虚拟世界中完成培训任务。

但是针对船舶险情逃生的模拟培训系统目前还不够多，并且传统的虚拟培训系统数据的传输相对很慢，达不到险情环境下的数据低延迟响应，不符合现代船舶险情救援逃生的实际需求。例如，现有的模拟系统采用的传输手段，常见的为Zigbee，WiFi，433MHz。WiFi功耗大可靠性及性能低，WiFi设备的睡眠唤醒时间长。433MHz技术数据传输速率低，采用数据透明传输协议，其网络安全可靠性也是较差的。ZigBee网络中的每个节点相隔一定时间，需要通过无线信号交流的方式重新组网，并在每一次将信息从一个节点发送到另一个节点时，需要扫描各种可能的路径，从最短的路经尝试起，这就涉及到无线网络的管理问题。而这些，都需要占用大量的带宽资源，并增加数据传输的时延。特别是随着网络节点数目的增加和中转次数增多。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种船舶险情逃生模拟培训系统，通过5G通信手段加快系统数据响应，稳定以及安全，并提供两种培训方式，采用虚实结合的半实物模拟仿真手段，让用户更加沉浸在真实的培训中，使得培训结果达到与真实演练的效果，可自定义不同的实况，让用户可对实时变化的环境进行反应训练，即本发明能够实际降低船舶火灾险情逃生演练的成本及危险性。

技术方案：本发明的一种船舶险情逃生模拟培训系统，包括船舶大环境数据单元、巡航检测单元、消防运维设备信息单元、信息传输单元、云端服务器单元、中央信息处理与控制单元、险情综合模拟仿真单元、数据库管理单元以及交互操作控制单元；所述船舶大环境数据单元实时采集船舶险情的环境信息，采集后的环境信息数据由CPU处理器进行处理，处理后的数据通过信息传输单元传输至云端服务器；所述巡航检测单元通过GPS或北斗与UWB融合三维室内室内外定位方法针对不同环境实时获取位置信息，并计算人员的具体的三维空间位置坐标，通过信息传输单元传输至云端服务器单元；所述消防运维设备信息单元存储船舱消防设备的管理信息和位置信息，并通过信息传输单元传输至云端服务器单元；所述信息传输单元用于接收船舶大环境数据单元、巡航检测单元和消防运维设备信息单元所采集的信息，并将经过转换处理后的数据信息采用5G通信手段传递至中央信息处理与控制单元，所述中央信息处理与控制单元将接受的数据信息进行整合分别传输给险情综合模拟仿真模块和本地数据库管理单元；中央信息处理与控制单元还与交互操作控制单元连通；所述险情综合模拟仿真包括烟雾弥漫模拟仿真和火焰蔓延模拟仿真；所述交互与操作单元包括虚拟仿真模块和半实物仿真模块。

其中，上述所有设备均支持无线通信，操作者自定义任何区域的环境参数，烟雾机和火焰模拟器即可开始工作，多传感综合模拟器实时监测，数据实时反馈，共同构建训练场景。

进一步的，所述船舱大环境数据单元采用Raspberry pi 3 Model B+开发板，并集成有多传感综合模拟器、烟雾喷散机和火焰模拟器，Raspberry pi 3 Model B+开发板上设有Broadcom BCM2837B0系统芯片，ARM Cortex-A53四核CPU，支持2.4GHz和5GHz双频WiFi及蓝牙4.2网络接口；所述多传感器综合模拟器包括烟雾传感器、视频粒子捕捉传感器、紫红外传感器和温湿度传感器；所述火焰模拟器通过发散紫红外复合能量取代明火，降低培训风险；船舱大环境数据单元的所有传感信息实时收集完成后交由Raspberry pi 3 Model B+开发板CPU中心采用决策及融合法对数据进行判别和分类，并采用卡尔曼滤波法与人工神经网络法结合，对数据进行过滤和融合处理，再通过信息传输单元中的网关传输到云端服务器单元。

进一步的，所述巡航检测单元采用GPS或北斗与UWB融合，其中用户人员佩戴定位手环、标签安全帽和标签胸牌，在船舱内、船舶甲板上以及工作间安装定位基站，定位标签与定位基站基于无线信号，GPS或北斗与UWB融合定位系统针对不同环境实时获取的位置信息进行实况拟合，根据融合算法判断人员具体位置，在船舱内部使用UWB超宽带定位方法，在甲板处使用北斗定位系统，在船舱与外部的交汇处使用北斗与UWB融合定位法，将北斗信号加入UWB室内定位数据，使用加权融合算法融合数据输出，精度控制在20cm-30cm，运用融合计算方法实时计算出工作人员的三维具体空间位置坐标，根据三维具体空间位置坐标中的Z坐标判断用户身处船舱具体层数。

进一步的，所述信息传输单元采用5G通信方法将信息传递给中央信息处理与控制单元，信息传输单元中设有通信模组，通信模组采用NB-IoT芯片：Boudica芯片，支持3GPP标准协议，支持IP/UDP/CoAP协议，支持eDRX和PSM省电模式，Boudica芯片设有对应传感器接口并实时收集传感器的数据传输至云端服务器单元；所述云端服务器单元为网络端通讯和信息管理平台，云端服务器单元接收、处理和输出相应数据，其中将信息传输单元传输过来的数据根据用户先前设定的SDK快速进行分配存储，用户从中央信息处理与控制单元提出申请，云端服务器快速做出响应，将数据传输给中央信息处理与控制单元。

进一步的，所述本地数据管理单元将所有相关数据保存至本地数据库，本地数据库提供系统操作人员随时查看和档案备份；所述险情综合模拟仿真模块中的烟雾弥漫模拟仿真根据中央信息处理与控制单元获得的经过过滤分类计算处理的，视频粒子捕捉传感器以及烟雾传感器获取的数据进行实况模拟仿真，模拟出动态的烟雾弥漫效果；所述险情综合模拟仿真模块中的火焰蔓延模拟仿真根据火焰模拟器发散的紫红外复合能量，通过紫红外传感器探测，数据反馈到模拟系统中，模拟出动态的火焰同态蔓延效果。

进一步的，所述虚拟仿真模块基于三维游戏引擎搭建和完善虚拟现实场景，虚拟现实场景搭建完成后连接体感设备套装；所述体感设备套装包括体感背心、万能方向仪、场景交融显示设备和三维立体全景音效系统，用户体验人员穿戴体感背心并戴上场景交融显示设备然后站在万能方向仪上，虚拟现实场景中的运动方向由用户在万能方向仪上进行控制，所有界面以及动作的交互通过场景交融显示设备语音交互功能进行，体感设备套装给使用者提供360度沉浸式的虚拟现实体验。其中，体感背心可以跟据场景变化自身温度、万能方向仪只需人员站在仪器上方，进行运动方向的感知，以及运动的速度，场景交融显示设备可采用现有的硬件型号，三位立体全景音效系统即采用杜比全音效。

进一步的，所述半实物仿真模块中，用户佩戴半透明式头戴显示器，该半透明式头戴显示器中设有HPU 2.0处理器、Intel64微处理器、全息透镜、若干环境感应摄像头、麦克风和环境光传感器佩戴无线体感背心，体感背心根据不同的环境信来进行自适应例如，当用户身处离火源较近时，温度升高，此时体感背心也可自行加热，达到与真实火灾场景同样的温度效果，使用户身临其境，体感背心也可以记录人体的心跳速率，呼吸频率。

进一步的，所述场景交融显示设备采用4英寸DOLED屏，4K分辨率，144刷新率，麦克风，USB3.0，蓝牙，DP1.2，G-sensor校正、Gyroscope陀螺仪、Proximity距离感测器和瞳距感测器。。

有益效果：本发明采用类边缘模拟计算方法，将数据在环境数据采集端加入节点，并通过决策及融合法对数据进行判别、分类，采用卡尔曼滤波法与人工神经网络法结合，对数据进行过滤、融合处理，通过低延迟、高带宽的5G通信模块，将处理后的数据快速传输给使用终端，加快系统响应速度。本发明还提供两种训练模式，均摆脱有线通信方式，采用语音手势交互功能，半实物仿真手段。

附图说明

图1为本发明的整体系统示意图；

图2为本发明的物联信息传输示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1和图2所示，本发明的一种船舶险情逃生模拟培训系统，提供虚拟仿真模块与半实物仿真模块给用户自行选择。

船舶险情逃生模拟培训系统包括船舱大环境数据单元、巡航检测单元、消防运维设备信息单元、数据库管理单元、险情综合模拟仿真单元、信息传输单元、云服务器单元、中央信息处理与控制单元和交互操作控制单元组成。

实际培训过程中，首先在真实船舱合适的位置安装多传感综合模拟器，多传感综合模拟器包括温湿度传感器、烟雾传感器、视频粒子捕捉传感器、紫红外传感器，烟雾喷散机、火焰模拟器，将多传感模拟器安装在船舱各个险要关键点处。接着安装局部5G通信基站，为信息传输做好准备，另外，对实际船舱进行三维建模，将船舱现有的运维系统，例如消防栓，灭火器等相关消防硬件设施，以及报警系统的数据录入数据库，然后与三维模型进行匹配交互。

船舶大环境数据单元中采用Raspberry pi 3 Model B+开发板，配备BroadcomBCM2837B0系统芯片，利用多传感综合模拟器，将险情现场的环境信息进行获取，包括温湿度的信号数据，烟雾的扩散情况，火焰模拟器信号的接收，CPU中心通过决策及融合法对数据进行判别、分类，采用卡尔曼滤波法与人工神经网络法结合，对数据进行过滤、融合处理，再通过信息传输单元中的网关传输到云端服务器单元。

云端服务器单元根据用户先前设定的SDK快速进行分配存储，用户从中央信息处理与控制单元提出申请，云端服务器快速做出响应，将数据传输给中央信息处理与控制单元。中央信息处理与控制单元对数据进行处理，按收集数据的频率将其分类保存之本地数据库，再将数据同时传给险情综合模拟仿真单元，对烟雾扩散以及火焰扩散进行粒子群仿真，实时计算烟雾及火焰的扩散范围，将数据通过信号传输接口与三维模型进行连接，在三维模型中将仿真得出的结果以动画效果呈现，系统也会结合反馈的信息实时计算出逃生路径，给予用户指示信号。

接着，用户选择虚拟培训模块，穿戴体感背心，场景交融显示设备，站在万能方向仪上，所有设备通过无线连接方式与中央计算机连接，用户即可进入虚拟世界中体验，用户可以通过万能方向仪在虚拟世界中进行行走，通过语音交互控制选择控制虚拟界面的功能菜单，用户可以选择查看附近消防运维设备的数据信息，可以选择查看实时动态的烟雾以及火势蔓延的情况，也可以选择查看三维可视化的实时逃生路径。体感背心可根据用户在虚拟世界中所在位置的周遭环境，来实时进行自动调温，做到虚实结合，使得用户的体感温度与虚拟环境相匹配，身临其境。

用户也可选择半实物仿真模块，用户佩戴上半透明式头戴显示器和无线体感背心，通过无线的模式实现通信传输，其交互方式是通过手势、声音来进行定位，输出方式是声音和影像，影像直接投射到用户眼中，可以在可视化操作界面选择自己想要了解的实况信息，例如所在位置周围的险情、附近的消防运维设备的情况，以及发生火灾时系统模拟出最佳的三维逃生路径，也可以通过手势、声音对可视化界面进行操作，三维可视化逃生路径模型可以通过手势放大和缩小，可纵观全局也可观察局部，这些信息可以直观的现实在头显的可视化界面上，不再需要其他的装备来支持交互，此外，体感背心可以根据不同的环境信息，来进行自适应调温，例如，当用户身处离火源较近时，温度升高，此时体感背心也可自行加热，达到与真实火灾场景同样的温度效果，做到虚实融合的体验感。

通过上述实施例可以看出，本发明能够摆脱传统的线连接传输式的通信方式，培训体验人员戴上半透明头戴显示器(半透明式头戴显示器中设有HPU 2.0处理器、Intel64微处理器、全息透镜、若干环境感应摄像头、麦克风和环境光传感器)，通过无线的模式实现通信传输，用户不再拘泥于固定空间进行培训，可以在实际船舶舱室内进行实地训练，这种模拟培训方法可以避免不必要的危险，在真实的船舱环境中，也可以体验逼真的火灾场景，这样更加保证模拟训练的效果。真实船舱需要安装5G通信基站，GPS与UWB综合定位基站以及烟雾机、火焰模拟器、多传感综合模拟器，其中包括烟雾传感器、视频粒子捕捉传感器、紫红外传感器。

Claims (8)

1.一种船舶险情逃生模拟培训系统，其特征在于：包括船舶大环境数据单元、巡航检测单元、消防运维设备信息单元、信息传输单元、云端服务器单元、中央信息处理与控制单元、险情综合模拟仿真单元、数据库管理单元以及交互操作控制单元；

所述船舶大环境数据单元实时采集船舶险情的环境信息，采集后的环境信息数据由CPU处理器进行处理，处理后的数据通过信息传输单元传输至云端服务器；

所述巡航检测单元通过GPS或北斗与UWB融合三维室内室内外定位方法针对不同环境实时获取位置信息，并计算人员的具体的三维空间位置坐标，通过信息传输单元传输至云端服务器单元；

所述消防运维设备信息单元存储船舱消防设备的管理信息和位置信息，并通过信息传输单元传输至云端服务器单元；

所述信息传输单元用于接收船舶大环境数据单元、巡航检测单元和消防运维设备信息单元所采集的信息，并将经过转换处理后的数据信息传递至中央信息处理与控制单元，所述中央信息处理与控制单元将接受的数据信息进行整合分别传输给险情综合模拟仿真模块和本地数据库管理单元；中央信息处理与控制单元还与交互操作控制单元连通；

所述险情综合模拟仿真包括烟雾弥漫模拟仿真和火焰蔓延模拟仿真；所述交互与操作单元包括虚拟仿真模块和半实物仿真模块。

2.根据权利要求1所述的船舶险情逃生模拟培训系统，其特征在于：所述船舱大环境数据单元采用Raspberry pi 3 Model B+开发板，并集成有多传感综合模拟器、烟雾喷散机和火焰模拟器，Raspberry pi 3 Model B+开发板上设有Broadcom BCM2837B0系统芯片，ARMCortex-A53四核CPU，支持2.4GHz和5GHz双频WiFi及蓝牙4.2网络接口；所述多传感器综合模拟器包括烟雾传感器、视频粒子捕捉传感器、紫红外传感器和温湿度传感器；所述火焰模拟器通过发散紫红外复合能量取代明火；船舱大环境数据单元的所有传感信息实时收集完成后交由Raspberry pi 3 Model B+开发板CPU中心采用决策及融合法对数据进行判别和分类，并采用卡尔曼滤波法与人工神经网络法结合，对数据进行过滤和融合处理，再通过信息传输单元中的网关传输到云端服务器单元。

3.根据权利要求1所述的船舶险情逃生模拟培训系统，其特征在于：所述巡航检测单元采用GPS或北斗与UWB融合，其中用户人员佩戴定位手环、标签安全帽和标签胸牌，在船舱内、船舶甲板上以及工作间安装定位基站，GPS或北斗与UWB融合定位系统针对不同环境实时获取的位置信息进行实况拟合，根据融合算法判断人员具体位置，在船舱内部使用UWB超宽带定位方法，在甲板处使用北斗定位系统，在船舱与外部的交汇处使用北斗与UWB融合定位法，将北斗信号加入UWB室内定位数据，使用加权融合算法融合数据输出，精度控制在20cm-30cm，运用融合计算方法实时计算出工作人员的三维具体空间位置坐标，根据三维具体空间位置坐标中的Z坐标判断用户身处船舱具体层数。

4.根据权利要求1所述的船舶险情逃生模拟培训系统，其特征在于：所述所述信息传输单元采用5G通信方法将信息传递给中央信息处理与控制单元，信息传输单元中设有通信模组，通信模组采用NB-IoT芯片：Boudica芯片，支持3GPP标准协议，支持IP/UDP/CoAP协议，支持eDRX和PSM省电模式，Boudica芯片设有对应传感器接口并实时收集传感器的数据传输至云端服务器单元；所述云端服务器单元为网络端通讯和信息管理平台，云端服务器单元接收、处理和输出相应数据，其中将信息传输单元传输过来的数据根据用户先前设定的SDK快速进行分配存储，用户从中央信息处理与控制单元提出申请，云端服务器快速做出响应，将数据传输给中央信息处理与控制单元。

5.根据权利要求1所述的船舶险情逃生模拟培训系统，其特征在于：所述本地数据管理单元将所有相关数据保存至本地数据库，本地数据库提供系统操作人员随时查看和档案备份；所述险情综合模拟仿真模块中的烟雾弥漫模拟仿真根据中央信息处理与控制单元获得的经过过滤分类计算处理的，视频粒子捕捉传感器以及烟雾传感器获取的数据进行实况模拟仿真，模拟出动态的烟雾弥漫效果；所述险情综合模拟仿真模块中的火焰蔓延模拟仿真根据火焰模拟器发散的紫红外复合能量，通过紫红外传感器探测，数据反馈到模拟系统中，模拟出动态的火焰同态蔓延效果。

6.根据权利要求1所述的船舶险情逃生模拟培训系统，其特征在于：所述虚拟仿真模块基于三维游戏引擎搭建和完善虚拟现实场景，虚拟现实场景搭建完成后连接体感设备套装；所述体感设备套装包括体感背心、万能方向仪、场景交融显示设备和三维立体全景音效系统，用户体验人员穿戴体感背心并戴上场景交融显示设备然后站在万能方向仪上，虚拟现实场景中的运动方向由用户在万能方向仪上进行控制，所有界面以及动作的交互通过场景交融显示设备语音交互功能进行。

7.根据权利要求1所述的船舶险情逃生模拟培训系统，其特征在于：所述半实物仿真模块中，用户佩戴半透明式头戴显示器，该半透明式头戴显示器中设有HPU2.0处理器、Intel64微处理器、全息透镜、若干环境感应摄像头、麦克风和环境光传感器佩戴无线体感背心，体感背心根据不同的环境信来进行自适应。

8.根据权利要求所述的船舶险情逃生模拟培训系统，其特征在于：所述场景交融显示设备采用4英寸DOLED屏，4K分辨率，144刷新率，麦克风，USB3.0，蓝牙，DP1.2，G-sensor校正、Gyroscope陀螺仪、Proximity距离感测器和瞳距感测器。