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VR\AR技术对船舶工业领域的影响

新闻来源:中国船检    浏览量:1345 杨世雄 2020-03-06
        近年来,虚拟现实技术与增强现实技术已经广泛应用于医疗、军事、航空、航天等领域。对船舶工业而言,虚拟现实技术和增强现实可在船舶设计、建造以及服务等产业链带来颠覆性变革,大幅提高生产效率。
        VR\AR技术
        虚拟现实技术(也称VR技术)是一种高度逼真地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机界面技术。增强现实(也称AR技术),是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术,是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术。VR\AR技术综合了计算机图形技术、仿真技术、传感器技术、显示技术等多种信息技术,可在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境,使用户具有身临其境的沉浸感,具有与环境完善的交互作用能力,并有助于启发思维。这种模拟具有两种基本特征,即“沉浸”特征和“交互”特征。“沉浸”特征要求计算机所创建的三维虚拟环境能使“参与者”得到全身心置于该环境之中的体验;“交互”特性主要是指参与者通过使用专用设备实现用人类自然技能对虚拟环境中的实体进行交互考察与操作。因此,VR\AR技术将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式。 
        VR\AR技术对船舶工业领域产生了变革性影响,其视景仿真可用于产品方案评审与市场营销,运维仿真可用于售后仿真培训及可视化运营管理,工程仿真可用于工程设计评审、虚拟装配及人机供销分析,系统集成可用于CAVE、CADWALL虚拟现实系统搭建。目前,VR\AR技术已经逐步在船舶设计建造、教育培训、船舶运营等领域船开始应用,如迈尔船厂的船舶虚拟制造计划,康士伯的船员培训系统等,大大提高了船舶设计制造水平,降低了相关成本。
        对船舶设计的影响
        将VR\AR技术应用于船舶研制,可以有效克服目前国内船舶研制中设计方法、手段和管理流程存在的问题。国外船厂应用VR\AR技术开发出3D虚拟场景,可以实时查看、修改船舶设计方案,管理船舶配件,对国内船厂具有较大借鉴意义。
        船舶虚拟设计是船舶工程领域中信息化技术应用的较高层次。设计师通过建立船舶产品三维模型来实现产品的并行设计,在计算机中先“造”一艘“完整的船”,设计师就可以“进入”船体内部参观,科学分析工人建造是否方便、人在船上是否舒适、进行故障模拟等,全方位验证设计思路,供船舶数字制造过程进行分析校验、评估评审、汇报演示等,让船东对产品设计产生直观感受。2017年8月,七一九所建成船舶行业首个沉浸式虚拟现实系统(CAVE 系统),该系统能够为设计人员提供高分辨率三维立体影像、完全沉浸式体验,为设计人员、客户、建造厂技术人员提供一个共同参与设计的协同环境,在设计阶段就能够“走进船里”并在船里漫游,对设计合理性进行评估和检查,提出改进意见。
        通过对面向船舶全生命周期的虚拟设计,可大大提高船舶设计的质量,减少船舶建造成本,缩短船舶建造周期。迈尔船厂在2004年开始实施船舶虚拟制造计划,该项计划采用IBM公司开发的产品全寿命期管理系统,船舶设计时间缩短30%,建造时间下降20%,产品目录减少50%,并于2006年在迈尔船厂全面投入使用。
        对船舶建造的影响
        虚拟制造可增强制造过程中各环节的决策与控制能力。虚拟制造是实际制造过程在信息系统中的映射,即采用计算机仿真与VR\AR技术,利用网络各专业协同工作,实现工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验等造船业务的管理与控制,增强制造过程中各环节的决策与控制能力。
        在船舶建造过程中,通过虚拟现实技术能够大幅提高生产效率。通过对船厂厂区、船舶内部结构和布置、船体建造工艺流程等进行逼真的3D可视化虚拟展示,模拟船厂实际建造情况,及时发现并解决在实船建造中可能出现的问题,真正实现壳舾涂一体化与设计、制造、管理一体化,提高生产效率、提升安全性、减少建造费用并缩短船舶建造周期。例如,富士通开发了一款用于管件安装的AR系统,该系统通过智能手机和平板电脑对安装管件进行拍摄,系统画面上可以呈现管件的安装位置、安装顺序等指导安装作业的信息,预计应用该系统可以将管件安装效率提高十倍;2016年日本多家船厂与日本船舶技术研究协会合作开发基于VR\AR的现场工人行动分析系统和虚拟涂装作业系统,该系统能分析工人最优作业模型,可缩短约40%的作业时间;国内企业方面,江南造船集团有限公司完全通过数字化建造的船于2019年3月正式下水,该船先由三维体验平台进行设计和VR建造模型,提前进行评估,使得这条船的建造效率高了30%,返工率大幅下降了60%以上。

虚拟船厂交互仿真实验部分实验场景
        对船舶运营维护的影响
        VR\AR技术还有助于船舶进行虚拟航行仿真。通过VR\AR技术和卫星、CCTV、雷达、无人机等获取影像的结合,可以将来往船舶通航情况更为直观地展现出来,及时为来往船舶提供海况情况,为航海人员和海事管理人员更好地提供助航建议等,保障船舶通航安全。
        国外船舶航运企业率先将虚拟现实技术应用于船舶导航、操作、检修维护等环节,提高了船舶运行安全性和管理效率。2017年12月,商船三井等开始联合开发一款使用AR技术的船舶操作系统,并于2019年在2艘船上安装了AR导航系统,提高了船员的决策能力和船舶的安全性,成功完成试验后,决定开始在21艘超大型油轮VLCC上安装AR导航系统;2019年5月,江苏移动南通分公司联合招商局邮轮、爱立信(中国)三家单位开始共同探索基于船舶智慧设计及维护的5G+AR辅助生产应用,即在5G网络下,进行远程设备安装维护、快速巡检、设备交互等操作。
        对于航道长度、宽度、深度,锚地位置范围、码头泊位等数据信息,也可以通过VR\AR技术与测绘数据的结合,直接将数据转化成影像,供海事管理者和航海人员直观感知船舶航行环境,快速做出操作反应。2019年4月,加拿大皇家海军实现了基于AR的船舶运营维护,专家可以在岸基通过交互式3D全息图以及实时物联网数据观测船舶和航道情况并提供操作建议,为无人船的运营奠定基础。
        对教育培训的影响
        VR\AR技术不仅仅运用于船舶制造的设计、工艺、虚拟航行,还可以运用于开发船舶模拟器,主要应用于船员培训,船厂技术人员培训、机构考核认证等。
        评定模拟器仿真环境中学员的实际操纵水平,是船员和船厂工作人员教育培训最核心的任务。模拟器可以模拟多种船型以及多种海况下的驾驶以及工作过程,并能够对多人协作操船团队和个人驾驶过程合理性进行综合评分和评价。通过模拟器进行虚拟仿真实验解决了大型装备实验难以开展、高危实验无法操作、外地实习不易操控、学生学习兴趣不高、优质教学资源匮乏等问题。
        国外在船舶模拟器中应用VR技术的研究时间较早,其中著名的有挪威的Kongsberg和KMSS公司、英国Transas公司和BMT公司等。英国Transas公司在ERS-4000型轮机模拟器中加入VR技术,使其具有机舱场景漫游及重要设备的交互功能;美国诺福克海军造船厂(NNSY)已与亨廷顿英格尔斯工业公司合作,对船舶进行激光扫描并为诺福克海军造船厂员工进行虚拟培训模拟,工程师能够在不离开办公室的情况下,在船上进行船舶检查和培训。国内大连海事大学基于VR技术自主开发了航海、轮机模拟器,为国内众多驾驶操控设备、自动舵系统、导航雷达、综合船桥系统(IBS)、船舶机舱等提供了仿真验证平台,学生利用模拟器能够自行检验学习效果,不受时间、空间和实验条件限制;南通中远海运川崎通过对VR喷涂作业培训系统的开发应用,对采集数据的统计、存储和分析,实现了对喷涂作业培训者技能状况、成长轨迹建档,并对整体的喷涂技能水平进行分析和评估的功能。
        对船舶检验的影响
        VR\AR技术以及数字孪生技术在船舶领域的发展为船舶远程检验提供了可能。船级社可以通过数字手段远程获取船舶设计的数字模型进行设计的检验认证,也可以远程获取船舶建造以及运营过程中的数据,监控船舶的建造及运营状态,简化船舶检验发证的过程,提升检验认证效率。
        随着智能化、数字化技术在造船工业的普及应用,以VR\AR技术为代表的新一轮科技革命将推动船舶设计、建造、运营维护、船员培训、船舶检验等全生命周期的发展变化。我国作为造船大国,应该积极关注VR\AR等先进技术的发展前景,积极推进相关技术在造船领域的深度应用,实现我国船舶工业的高质量发展。
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