近年來，虛擬現(xiàn)實技術與增強現(xiàn)實技術已經(jīng)廣泛應用于醫(yī)療、軍事、航空、航天等領域。對船舶工業(yè)而言，虛擬現(xiàn)實技術和增強現(xiàn)實可在船舶設計、建造以及服務等產(chǎn)業(yè)鏈帶來顛覆性變革，大幅提高生產(chǎn)效率。
VR\AR技術
虛擬現(xiàn)實技術(也稱VR技術)是一種高度逼真地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的人機界面技術。增強現(xiàn)實(也稱AR技術)，是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像的技術，是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術。VR\AR技術綜合了計算機圖形技術、仿真技術、傳感器技術、顯示技術等多種信息技術，可在多維信息空間上創(chuàng)建一個虛擬信息環(huán)境，使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環(huán)境完善的交互作用能力，并有助于啟發(fā)思維。這種模擬具有兩種基本特征，即“沉浸”特征和“交互”特征。“沉浸”特征要求計算機所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境能使“參與者”得到全身心置于該環(huán)境之中的體驗；“交互”特性主要是指參與者通過使用專用設備實現(xiàn)用人類自然技能對虛擬環(huán)境中的實體進行交互考察與操作。因此，VR\AR技術將從根本上改變人與計算機系統(tǒng)的交互操作方式。
VR\AR技術對船舶工業(yè)領域產(chǎn)生了變革性影響，其視景仿真可用于產(chǎn)品方案評審與市場營銷，運維仿真可用于售后仿真培訓及可視化運營管理，工程仿真可用于工程設計評審、虛擬裝配及人機供銷分析，系統(tǒng)集成可用于CAVE、CADWALL虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)搭建。目前，VR\AR技術已經(jīng)逐步在船舶設計建造、教育培訓、船舶運營等領域船開始應用，如邁爾船廠的船舶虛擬制造計劃，康士伯的船員培訓系統(tǒng)等，大大提高了船舶設計制造水平，降低了相關成本。
對船舶設計的影響
將VR\AR技術應用于船舶研制，可以有效克服目前國內船舶研制中設計方法、手段和管理流程存在的問題。國外船廠應用VR\AR技術開發(fā)出3D虛擬場景，可以實時查看、修改船舶設計方案，管理船舶配件，對國內船廠具有較大借鑒意義。
船舶虛擬設計是船舶工程領域中信息化技術應用的較高層次。設計師通過建立船舶產(chǎn)品三維模型來實現(xiàn)產(chǎn)品的并行設計，在計算機中先“造”一艘“完整的船”，設計師就可以“進入”船體內部參觀，科學分析工人建造是否方便、人在船上是否舒適、進行故障模擬等，全方位驗證設計思路，供船舶數(shù)字制造過程進行分析校驗、評估評審、匯報演示等，讓船東對產(chǎn)品設計產(chǎn)生直觀感受。2017年8月，七一九所建成船舶行業(yè)首個沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(CAVE系統(tǒng))，該系統(tǒng)能夠為設計人員提供高分辨率三維立體影像、完全沉浸式體驗，為設計人員、客戶、建造廠技術人員提供一個共同參與設計的協(xié)同環(huán)境，在設計階段就能夠“走進船里”并在船里漫游，對設計合理性進行評估和檢查，提出改進意見。
通過對面向船舶全生命周期的虛擬設計，可大大提高船舶設計的質量，減少船舶建造成本，縮短船舶建造周期。邁爾船廠在2004年開始實施船舶虛擬制造計劃，該項計劃采用IBM公司開發(fā)的產(chǎn)品全壽命期管理系統(tǒng)，船舶設計時間縮短30%，建造時間下降20%，產(chǎn)品目錄減少50%，并于2006年在邁爾船廠全面投入使用。
對船舶建造的影響
虛擬制造可增強制造過程中各環(huán)節(jié)的決策與控制能力。虛擬制造是實際制造過程在信息系統(tǒng)中的映射，即采用計算機仿真與VR\AR技術，利用網(wǎng)絡各專業(yè)協(xié)同工作，實現(xiàn)工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質量檢驗等造船業(yè)務的管理與控制，增強制造過程中各環(huán)節(jié)的決策與控制能力。
在船舶建造過程中，通過虛擬現(xiàn)實技術能夠大幅提高生產(chǎn)效率。通過對船廠廠區(qū)、船舶內部結構和布置、船體建造工藝流程等進行逼真的3D可視化虛擬展示，模擬船廠實際建造情況，及時發(fā)現(xiàn)并解決在實船建造中可能出現(xiàn)的問題，真正實現(xiàn)殼舾涂一體化與設計、制造、管理一體化，提高生產(chǎn)效率、提升安全性、減少建造費用并縮短船舶建造周期。例如，富士通開發(fā)了一款用于管件安裝的AR系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過智能手機和平板電腦對安裝管件進行拍攝，系統(tǒng)畫面上可以呈現(xiàn)管件的安裝位置、安裝順序等指導安裝作業(yè)的信息，預計應用該系統(tǒng)可以將管件安裝效率提高十倍；2016年日本多家船廠與日本船舶技術研究協(xié)會合作開發(fā)基于VR\AR的現(xiàn)場工人行動分析系統(tǒng)和虛擬涂裝作業(yè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能分析工人最優(yōu)作業(yè)模型，可縮短約40%的作業(yè)時間；國內企業(yè)方面，江南造船集團有限公司完全通過數(shù)字化建造的船于2019年3月正式下水，該船先由三維體驗平臺進行設計和VR建造模型，提前進行評估，使得這條船的建造效率高了30%，返工率大幅下降了60%以上。
圖1虛擬船廠交互仿真實驗部分實驗場景
對船舶運營維護的影響
VR\AR技術還有助于船舶進行虛擬航行仿真。通過VR\AR技術和衛(wèi)星、CCTV、雷達、無人機等獲取影像的結合，可以將來往船舶通航情況更為直觀地展現(xiàn)出來，及時為來往船舶提供海況情況，為航海人員和海事管理人員更好地提供助航建議等，保障船舶通航安全。
國外船舶航運企業(yè)率先將虛擬現(xiàn)實技術應用于船舶導航、操作、檢修維護等環(huán)節(jié)，提高了船舶運行安全性和管理效率。2017年12月，商船三井等開始聯(lián)合開發(fā)一款使用AR技術的船舶操作系統(tǒng)，并于2019年在2艘船上安裝了AR導航系統(tǒng)，提高了船員的決策能力和船舶的安全性，成功完成試驗后，決定開始在21艘超大型油輪VLCC上安裝AR導航系統(tǒng)；2019年5月，江蘇移動南通分公司聯(lián)合招商局郵輪、愛立信(中國)三家單位開始共同探索基于船舶智慧設計及維護的5G+AR輔助生產(chǎn)應用，即在5G網(wǎng)絡下，進行遠程設備安裝維護、快速巡檢、設備交互等操作。
對于航道長度、寬度、深度，錨地位置范圍、碼頭泊位等數(shù)據(jù)信息，也可以通過VR\AR技術與測繪數(shù)據(jù)的結合，直接將數(shù)據(jù)轉化成影像，供海事管理者和航海人員直觀感知船舶航行環(huán)境，快速做出操作反應。2019年4月，加拿大皇家海軍實現(xiàn)了基于AR的船舶運營維護，專家可以在岸基通過交互式3D全息圖以及實時物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)觀測船舶和航道情況并提供操作建議，為無人船的運營奠定基礎。
對教育培訓的影響
VR\AR技術不僅僅運用于船舶制造的設計、工藝、虛擬航行，還可以運用于開發(fā)船舶模擬器，主要應用于船員培訓，船廠技術人員培訓、機構考核認證等。
評定模擬器仿真環(huán)境中學員的實際操縱水平，是船員和船廠工作人員教育培訓最核心的任務。模擬器可以模擬多種船型以及多種海況下的駕駛以及工作過程，并能夠對多人協(xié)作操船團隊和個人駕駛過程合理性進行綜合評分和評價。通過模擬器進行虛擬仿真實驗解決了大型裝備實驗難以開展、高危實驗無法操作、外地實習不易操控、學生學習興趣不高、優(yōu)質教學資源匱乏等問題。
國外在船舶模擬器中應用VR技術的研究時間較早，其中著名的有挪威的Kongsberg和KMSS公司、英國Transas公司和BMT公司等。英國Transas公司在ERS-4000型輪機模擬器中加入VR技術，使其具有機艙場景漫游及重要設備的交互功能；美國諾?？撕＼娫齑瑥S(NNSY)已與亨廷頓英格爾斯工業(yè)公司合作，對船舶進行激光掃描并為諾?？撕＼娫齑瑥S員工進行虛擬培訓模擬，工程師能夠在不離開辦公室的情況下，在船上進行船舶檢查和培訓。國內大連海事大學基于VR技術自主開發(fā)了航海、輪機模擬器，為國內眾多駕駛操控設備、自動舵系統(tǒng)、導航雷達、綜合船橋系統(tǒng)(IBS)、船舶機艙等提供了仿真驗證平臺，學生利用模擬器能夠自行檢驗學習效果，不受時間、空間和實驗條件限制；南通中遠海運川崎通過對VR噴涂作業(yè)培訓系統(tǒng)的開發(fā)應用，對采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、存儲和分析，實現(xiàn)了對噴涂作業(yè)培訓者技能狀況、成長軌跡建檔，并對整體的噴涂技能水平進行分析和評估的功能。
對船舶檢驗的影響
VR\AR技術以及數(shù)字孿生技術在船舶領域的發(fā)展為船舶遠程檢驗提供了可能。船級社可以通過數(shù)字手段遠程獲取船舶設計的數(shù)字模型進行設計的檢驗認證，也可以遠程獲取船舶建造以及運營過程中的數(shù)據(jù)，監(jiān)控船舶的建造及運營狀態(tài)，簡化船舶檢驗發(fā)證的過程，提升檢驗認證效率。
隨著智能化、數(shù)字化技術在造船工業(yè)的普及應用，以VR\AR技術為代表的新一輪科技革命將推動船舶設計、建造、運營維護、船員培訓、船舶檢驗等全生命周期的發(fā)展變化。我國作為造船大國，應該積極關注VR\AR等先進技術的發(fā)展前景，積極推進相關技術在造船領域的深度應用，實現(xiàn)我國船舶工業(yè)的高質量發(fā)展。
