CN115240504A - 一种船舶间lng加注仿真训练系统 - Google Patents
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Abstract
本方法涉及虚拟现实与仿真技术应用领域，尤其涉及一种船舶间LNG加注仿真训练系统。一种船舶间LNG加注仿真训练系统，包括加一个加注导控站和多个加/受注船训练站；加注导控站包括加注设置台与加注监控台；加/受注船训练站包括指挥区与作业区，用于模拟加/受注设备进行加注训练。本方法的有益效果是：本系统可用于LNG船员和航海类专业学生对于船舶加注的教学与训练。
Description
技术领域
本方法涉及虚拟现实与仿真技术应用领域，尤其涉及一种船舶间LNG加注仿真训练系统。
背景技术
液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)，主要成分是甲烷，无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/625，被公认是地球上最干净的化石能源。2021年，中国进口LNG达8140万吨，成为全球最大的液化天然气进口国。
随着全球贸易和航运业快速发展，船舶排放已成为导致航线区域和港口城市大气污染的重要来源之一。国际海事组织（IMO）规定2020年1月1日开始在全球实行“限硫令”，国内也设立了内河、沿海船舶排放控制区。为满足日益严格的排放要求，全球航运业积极寻找更加环保的替代能源。LNG作为船舶燃料，因其绿色、经济等优势，已成为船舶碳减排、降成本最现实可行的途径。国内外LNG船舶加注产业应运而生，经过几年的探索发展，目前已呈蓬勃之势。
基于当前的技术水平和应用经验，LNG船舶加注模式可分为槽车加注、岸基加注、趸船加注、加注船加注4类。其中加注船加注是指在装卸码头或锚地利用加注船为受注船提供LNG燃料加注服务。该加注模式具有机动性好、操作灵活等优点，可在沿海港口或锚地开展LNG加注作业。LNG加注船单次加注量大，加注速率高，适用于沿海大型LNG动力船舶燃料加注，同时兼顾为岸基加注站、趸船加注站等进行补液作业。
但由于当前对加注船相关作业人员缺乏针对性训练，致使其对加注作业前的准备、加注过程中的监管、加注作业后的检查以及加注船与受注船之间的配合操作等方面存在熟练程序不高、实践经验不足、安全意识淡薄等问题，存在导致燃气泄漏、燃气聚集、火灾爆炸等严重后果隐患，因此，为保证LNG加注船加注的安全性与高效性，迫切需要一种能够满足相关工作人员岗位培训与技能提升的系统。
近年来，随着虚拟现实技术的不断发展，虚拟仿真训练系统不断受到用户的青睐，研究也不断深入。利用虚拟现实技术开发船舶间LNG加注仿真训练系统，对相关人员进行逼真、直观的培训，可以提高培训效果，降低培训风险和成本。
目前，国内外还没有基于虚拟现实技术的船舶间LNG加注仿真训练系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种功能性强、多人协同交互的船舶间LNG加注仿真训练系统，在大幅度提高培训效果的同时，降低培训风险和成本。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种船舶间LNG加注仿真训练系统，包括加一个加注导控站和多个加/受注船训练站；
加注导控站包括加注设置台与加注监控台；
加/受注船训练站包括指挥区与作业区，用于模拟加/受注设备进行加注训练；
指挥区的用户为指挥员，指挥区包括场景显示模块和指挥功能模块，指挥区位于作业区的后方；
作业区的用户为作业员，作业区包括场景显示模块、设备交互模块、运动模型模块和协同配合模块，作业区设有虚拟现实头盔及手柄设备，在训练结束时记录并保存每名作业员的每一次操作，并将操作记录发送到加注导控站的数据库中；
加注导控站和加/受注船训练站之间通过局域网连接。
根据上述技术方案，优选地，作业区模拟的加注设备包括：加注软管/加注臂、软管托架、变径接头、承滴盘、储气罐、氮气吹扫装置、防静电罩、气相质量流量计、液相质量流量计、手提式或推车式干粉灭火器、大型干粉灭火系统；
模拟的受注设备包括：承滴盘、储气罐、防静电罩、气相质量流量计、液相质量流量计、手提式或推车式干粉灭火器、大型干粉灭火系统。
根据上述技术方案，优选地，模拟场景中每条加注软管用多个软管质点和多个软管限制表示，每个软管质点的属性包括质量、位置和速度，软管限制包括距离限制、变形限制、碰撞限制；
设软管有i∈[1，…，N]个质点，每个质点的位置为p i ，质点的距离变化为
，质
点的距离限制为d，则距离限制可以表示为：
在加注过程中软管会发生变形，变形限制是将不在一条直线上的三个粒子趋向一
条直线，对于相邻的直线(p 1，p 2)和(p 1，p 3)，其法线分别为
，
，
是两条直线的初始夹
角，则变形限制表示为：
在加注过程中，软管可能和船舶甲板或船舶设备发生碰撞，通过先确定每个粒子的接触面，然后计算接触面的法线n，设drest为绳索粒子静止时保持的距离，则对于软管的碰撞限制表示为：
软管不仅仅与场景中的其他物体可能发生碰撞，运动粒子之间也会发生碰撞。设r i 和r j 为两个粒子的半径，则两个粒子p i ，p j 之间碰撞限制表示为：
为模拟场景中的海浪，采用N-S方程组中动量方程来控制海水运动。将海水视为大
量粒子，海水粒子
的质量和压强分别为m j，Paj，设W为光滑核函数，在海水温度和盐度恒定
的情况下，则海水粒子
的密度
近似为
。动量方程可以表示为
其中，
，
分别为粒子的运动黏度和三维空间位置向量，引入人工粘性∏ij，计
算公式如下：
其中，h是光滑半径，
，
，
、
为另一海水粒子j的
三维空间位置向量，ν为黏性因子，其计算公式为
其中，c s为声速，μ为黏性系数。
本方法的有益效果是：本系统可用于LNG船员和航海类专业学生对于船舶加注的教学与训练。
1、本发明提供的加注船与受注船之间的加注操作训练可反复进行，训练不受时间、场地、设备等因素影响，提高了船舶加注操纵的培训效率。
2、本发明可选择加注训练科目、设定加注训练船舶、设置加注训练场景、给出加注训练任务、指定训练站、分配加注训练角色等，学员可进行不同船舶、不同加注角色的训练；可与实船情况相一致，进行多人协同加注；在训练过程中可设定加注训练故障、改变加注训练场景等；这些功能模块可有效提高学员的业务能力、协作能力与应急能力。
3、本发明结合系统自动打分和教员人工打分两种方式对学员的加注训练进行综合评分，学员的训练成果可以得到及时的反馈，有助于学员进行针对性的训练，快速补齐技能短板。
4、本发明开发了LNG船舶间加注仿真训练系统，学员避免了实船加注训练可能带来的设备故障、加注事故或者其他因操作不当等造成的严重后果，降低培训风险与培训成本。
附图说明
图1示出了本方法的实施例的船舶间LNG加注仿真训练系统结构框架示意图。
图2示出了本方法的实施例的船舶间LNG加注仿真训练系统功能模块示意图。
图3示出了本方法的实施例的系统训练方案示意图。
图4示出了本方法的实施例的系统加注训练操作流程图的第一部分。
图5示出了本方法的实施例的系统加注训练操作流程图的第二部分。
图6示出了本方法的实施例的系统加注训练操作流程图的第三部分。
图7示出了本方法的实施例的粒子的距离限制示意图。
图8示出了本方法的实施例的粒子的软管变形限制示意图。
图9示出了本方法的实施例的粒子的交互混合示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本方法的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本方法作进一步的详细说明。
本方法一种船舶间LNG加注仿真训练系统，包括加一个加注导控站、多个加/受注船训练站，系统以一定的工作方法工作。加注导控站由加注设置台与加注监控台组成，加/受注船训练站由指挥区与作业区组成。加注导控站中，教员可进行训练设置与系统控制；训练站中，指挥员在指挥区利用手持船用对讲机进行沟通，作业人员在作业区通过虚拟现实头盔及手柄设备根据训练任务进行加注训练。所述的加注导控站、加注船训练站和受注船训练站之间通过局域网连接。
所述的加注导控站是整个系统的控制中心，由加注设置台和加注监管台组成。教员通过加注设置台实施对整个训练的设计，包括选择加注训练科目、设定加注训练船舶、设置加注训练场景、给出加注训练任务、指定训练站、分配加注训练角色等。加注监管台包括加注过程监管、加注结果评估、训练数据管理等模块。加注过程监管模块对整个加注训练过程进行监管，包括监管加注训练过程、设定加注训练故障、改变加注训练场景以及整个加注训练的启动、暂停、结束等工作。加注结果评估模块用来结合系统自动打分和教员人工打分两种方式对学员的加注训练进行综合评分。训练数据管理模块用来保存学员训练数据、学员成绩数据、船舶加注相关数据等，可进行学员训练数据、成绩数据等的统计分析。
所述的加/受注船训练站，包括作业区和指挥区，作业区的用户为作业人员，软件模块包括场景显示、设备交互、运动模型、协同配合等；指挥区的用户为指挥员，软件模块包括场景显示、指挥功能等。作业员在作业区通过虚拟现实头盔及手柄设备进行加/受注船的三维漫游与加/受注模拟设备的操作训练。指挥区位于作业区的后面，指挥员在指挥区一方面观察前方作业员的操作，另一方面通过前面的大屏幕观察指挥整个加注过程，并通过船用对讲机与教员、指挥员进行沟通。训练结束时，加/受注船训练站将记录并保存每名作业员的每一次操作，并将操作记录发送到加注导控站相应的数据库中。
模拟的加注设备包括：加注软管/加注臂、软管托架、变径接头、承滴盘、储气罐、氮气吹扫装置、防静电罩、气相质量流量计、液相质量流量计、手提式或推车式干粉灭火器、大型干粉灭火系统等。模拟的受注设备包括：承滴盘、储气罐、防静电罩、气相质量流量计、液相质量流量计、手提式或推车式干粉灭火器、大型干粉灭火系统等。
所述的场景显示模块中，最重要的是加注软管模拟显示和海浪模拟显示。其中每条加注软管用多个软管质点和多个软管限制表示，每个软管质点有质量、位置和速度等属性，而软管限制包括距离限制、变形限制、碰撞限制等。
设软管有i∈[1，…，N]个质点，每个质点的位置为p i ，质点的距离变化为
，质
点的距离限制为d，则距离限制可以表示为：
在加注过程中软管会发生变形，变形限制是将不在一条直线上的三个粒子趋向一
条直线，对于相邻的直线(p 1，p 2)和(p 1，p 3)，其法线分别为
，
是两条直线的初始夹
角，则变形限制表示为：
在加注过程中，软管可能和船舶甲板或船舶设备发生碰撞，通过先确定每个粒子的接触面，然后计算接触面的法线n，设drest为绳索粒子静止时保持的距离，则对于软管的碰撞限制表示为：
软管不仅仅与场景中的其他物体可能发生碰撞，运动粒子之间也会发生碰撞。设r i 和r j 为两个粒子的半径，则两个粒子p i ，p j 之间碰撞限制表示为：
为模拟场景中的海浪，采用N-S方程组中动量方程来控制海水运动。将海水视为大
量粒子，海水粒子
的质量和压强分别为m j、Paj，设W为光滑核函数，在海水温度和盐度恒定
的情况下，则海水粒子
的密度
近似为
。动量方程可以表示为
其中，
，
分别为粒子的运动黏度和三维空间位置向量，引入人工粘性∏ij，计
算公式如下：
其中，h是光滑半径，
，
，
、
为另一海水粒子j的
三维空间位置向量，ν为黏性因子，其计算公式为
其中，c s为声速，μ为黏性系数。
所述的设备交互模块，采用虚拟现实头盔及手柄设备根据训练任务进行加注训练，手柄有三种工作方式，一是快速移动，二是射线拾取；三是触碰拾取。快速移动是通过手柄发出三次Hermite插值样条，进而进行加注位置的快速移动；射线拾取通过手柄发出的射线与设备相交，进而操作该设备；触碰拾取是判断手柄是否与设备“接触”，进而操作该设备。
当加注视点快速移动时，可以手柄在加注场景中的位置为起点，沿着手柄方向发出一条射线，若射线碰撞到了物体（比如船舶甲板），以射线的碰撞点为终点，利用这对起始点构造一个三次Hermite插值样条曲线段，曲线段通过起始点，并在起始点处有事先给定的切线。插值样条曲线中间如果没有碰撞到任何物体，则视点可以快速移动到终点位置。
所述的协同配合模块，采用基于交互混合图9的串、并行交互管理方法，解决交互
中的串、并行控制问题。如图3，用二元组（
，
）形式表示，其中： 
为非空的节点集合，表
示操作的设备； 
为边集合，每条边总是与2个节点关联，表示2个设备之间的关系。若边
与节点无序偶（
，
）相关联，则称该边为无向边，表示连接关系；若边
与节点有序偶（
，
）相关联，则该边为有向边，表示操作优先关系，
、
分别称之为边
的起始和终止节
点，并称设备
为设备
的优先交互设备。
图9中节点3与5的连接边属于无向边，设备3与5为连接关系；节点4与5的连接边属
于有向边，设备4与5之间具有交互优先关系(设备4为设备5的交互优先设备)。在协同配合
训练过程中，若将设备6的操作任务分配给2位作业人员，则总的操作流程为
，可分配给2位作业人员的操作任务分别为
和
，设
备1与设备4并行交互，设备3与6为串行交互。
所述的系统以一定的工作方法工作，包括：教员利用在加注设置台设置加注训练的气象、水文等海上环境条件，设置加注训练科目、场景，分配加注训练角色，保存为加注训练任务。加注过程监管模块通过局域网将设置好的训练任务发送到训练站。加注船训练站、受注船训练站收到训练任务后，启动设置的加注训练三维场景，指挥员及作业员在相应的指挥区和作业区进行协同操纵训练。加注过程监管模块此时可对整个加注训练过程进行监管，包括监管加注训练过程、设定加注训练故障、改变加注训练场景等。训练时，训练站分别记录每位学员的操作数据，完成训练任务并提交后，操作记录发送到加注导控站相应的数据库中，加注结果评估模块通过系统自动打分和教员人工打分两种方式给出学员的加注训练综合评分。训练数据管理模块保存每个科目中各项评估内容成绩，并对成绩进行分析、统计。
本方法的有益效果是：本系统可用于LNG船员和航海类专业学生对于船舶加注的教学与训练。
1、本发明提供的加注船与受注船之间的加注操作训练可反复进行，训练不受时间、场地、设备等因素影响，提高了船舶加注操纵的培训效率。
2、本发明可选择加注训练科目、设定加注训练船舶、设置加注训练场景、给出加注训练任务、指定训练站、分配加注训练角色等，学员可进行不同船舶、不同加注角色的训练；可与实船情况相一致，进行多人协同加注；在训练过程中可设定加注训练故障、改变加注训练场景等；这些功能模块可有效提高学员的业务能力、协作能力与应急能力。
3、本发明结合系统自动打分和教员人工打分两种方式对学员的加注训练进行综合评分，学员的训练成果可以得到及时的反馈，有助于学员进行针对性的训练，快速补齐技能短板。
4、本发明开发了LNG船舶间加注仿真训练系统，学员避免了实船加注训练可能带来的设备故障、加注事故或者其他因操作不当等造成的严重后果，降低培训风险与培训成本。
以上所述仅是本方法的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本方法原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本方法的保护范围。
Claims (4)
1.一种船舶间LNG加注仿真训练系统，其特征在于：包括加一个加注导控站和多个加/受注船训练站；
加注导控站包括加注设置台与加注监控台；
加/受注船训练站包括指挥区与作业区，用于模拟加/受注设备进行加注训练；
指挥区的用户为指挥员，指挥区包括场景显示模块和指挥功能模块，指挥区位于作业区的后方；
作业区的用户为作业员，作业区包括场景显示模块、设备交互模块、运动模型模块和协同配合模块，作业区设有虚拟现实头盔及手柄设备，在训练结束时记录并保存每名作业员的每一次操作，并将操作记录发送到加注导控站的数据库中；
加注导控站和加/受注船训练站之间通过局域网连接。
2.根据权利要求1所述的一种船舶间LNG加注仿真训练系统，其特征在于：作业区模拟的加注设备包括：加注软管/加注臂、软管托架、变径接头、承滴盘、储气罐、氮气吹扫装置、防静电罩、气相质量流量计、液相质量流量计、手提式或推车式干粉灭火器、大型干粉灭火系统；
模拟的受注设备包括：承滴盘、储气罐、防静电罩、气相质量流量计、液相质量流量计、手提式或推车式干粉灭火器、大型干粉灭火系统。
3.根据权利要求2所述的一种船舶间LNG加注仿真训练系统，其特征在于：作业区的模拟场景中每条加注软管用多个软管质点和多个软管限制表示，每个软管质点的属性包括质量、位置和速度，软管限制包括距离限制、变形限制、碰撞限制；
设软管有i∈[1，…，N]个质点，每个质点的位置为p i ，质点的距离变化为
，质点的距
离限制为d，则距离限制可以表示为：
在加注过程中软管会发生变形，变形限制是将不在一条直线上的三个粒子趋向一条线
段，对于相邻的直线(p 1，p 2)和(p 1，p 3)，其法线分别为
，
，
是两条直线的初始夹角，
则变形限制表示为：
在加注过程中，软管可能和船舶甲板或船舶设备发生碰撞，通过先确定每个粒子的接触面，然后计算接触面的法线n，设d rest 为绳索粒子静止时保持的距离，则对于软管的碰撞限制表示为：
设r i 和r j 为两个粒子的半径，则两个粒子p i 、p j 之间碰撞限制表示为：
4.根据权利要求2所述的一种船舶间LNG加注仿真训练系统，其特征在于：作业区的模
拟场景中海水粒子
的质量和压强分别为m j、Paj，设W为光滑核函数，在海水温度和盐度恒定
的情况下海水粒子
的密度
近似为
，动量方程可以表示为：
其中，Pai为另一海水粒子j的压强，
、
分别为粒子的运动黏度和三维空间位置向
量，引入人工粘性∏ij，计算公式如下：
其中，h是光滑半径，
，
，ν为黏性因子，
、
为另一海
水粒子j的三维空间位置向量，其计算公式为：
其中，c s为声速，μ为黏性系数。
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