摘 要

船舶火灾由于其特殊性，对船员的消防技能提出了较高的要求。随着科技的进步，借助虚拟现实（简称VR）技术模拟船舶火灾场景来开展消防训练迫在眉睫。

本研究以散货船舰艏甲板失火场景下的消防模拟训练为研究对象、以3ds Max和Unity 3D作为开发工具，设计了一套基于VR的船舶消防训练系统。具体研究工作如下：

首先，通过查阅国内外相关文献资料，梳理船舶消防现存的问题，并引入VR技术这一概念，分析基于VR技术的船舶消防案例；

其次，选择研究所需的三维建模软件和构架引擎，并根据船舶消防模拟训练的预期效果，制定训练方案；

然后，完成必要的场景、元素建模及交互界面设计，阐述部分模块的实现过程，并对相关功能分步搭建实现；

最后，总结研究成果，分析不足，提出对后续研究工作的展望。

关键词：虚拟现实；Unity 3D；船舶消防；训练系统

Abstract

Due to the special property of ship fires, it puts higher requirements on the crew's firefighting skills. With the development of technology, it is urgent to carry out firefighting training with the help of Virtual Reality (VR) technology to simulate ship fire scenarios.

In this study, a VR-based ship firefighting training system is designed by tools like 3ds Max and Unity 3D to simulate a bulk carrier's bow deck fire scenario, which is the main research object. The specific studies are as follows.

First, analyze the existing problems of ship firefighting and introduce the concept of VR technology by consulting related literature at home and abroad, and analyze cases of ship firefighting based on VR technology.

Secondly, select the 3D modeling software and game engine required for the study and develop a training program based on the expected results of the ship firefighting training system.

Then, complete the necessary scenario, element modeling, and interactive interface design, elaborate on the implementation process of some modules, and implement related features step by step.

Finally, summarize the results of the research, analysis the inadequate, and propose an outlook for follow-up research.

Key Words：Virtual reality; Unity 3D; Ship firefighting; Training system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.1.1 研究目的 1

1.1.2 研究意义 2

1.2 国内外现状分析 3

1.2.1 国外现状分析 3

1.2.2 国内现状分析 3

1.3 本文的研究内容及思路 5

第2章 系统的相关理论与技术方案 7

2.1 虚拟现实技术 7

2.1.1 虚拟现实技术概述 7

2.1.2 虚拟现实技术特征 7

2.1.3 虚拟现实系统的组成 8

2.2 三维模型制作方法 9

2.2.1 三维建模技术 9

2.2.2 主流三维建模软件介绍 9

2.2.3 三维建模软件选择 10

2.3 开发构架引擎 11

2.3.1 Unity 11

2.3.2 Unreal Engine 12

2.3.3 Source 12

2.4 船舶消防训练内容 13

第3章 虚拟现实船舶消防训练系统的设计 14

3.1 系统需求功能综述 14

3.2 教学内容设计 14

3.3 三维建模 16

3.3.1 拟真船舶场景建模 16

3.3.2 消防交互物件与角色建模 17

3.3.3 不规则物体建模 17

3.4 界面设计 18

第4章 虚拟现实船舶消防训练系统的实现 23

4.1 场景的选择与布置 23

4.2 虚拟HMD及控制器的解决方案 24

4.3 教学演示功能的实现 25

4.4 VR模拟训练功能的实现 27

4.4.1 流程设计 27

4.4.2 灭火操作设计 27

4.5 异常碰撞纠正算法 32

第5章 总结与展望 33

5.1 研究总结 33

5.2 工作展望 33

参考文献 35

致谢 37

绪论

研究目的及意义

研究目的

作为在海运和内河航运等方面都十分发达的世界航运大国，我国拥有四通八达的河流以及长达3.2万公里的海岸线，可满足国内外各类船舶在我国沿海港口停靠。2019年，中国港口完成的货物吞吐量就高达1,395,083万吨。在如此庞大的交通流量下，如何保证船舶在航行途中的安全，成为各航运公司尤为重视的问题。

通常情况下，船舶海损按事故类型可分为船舶搁浅、船舶触礁、船舶碰撞、船舶火灾、船舶爆炸和船舶失踪等。据不完全统计，在全球船舶各类海损事故中，船舶火灾事故占比超过1/5^[1]。近年来，船舶火灾不断发生；仅在2016年，交通港航单位就发生火灾事故66起，其中船舶火灾44起，陆域火灾22起，死亡6人，失踪2人，受伤16人，直接财产损失2544.19万元^[2]。近年来，船舶火灾事故的不断发生，致使航运行业在人员伤亡、财产损失等方面造成了许多不良的社会影响。

区别于陆上火灾，由于船舶本身空间狭窄且机械设备密集，致使其热源分布复杂、火灾荷载密度较高，一旦发生火灾，其扑救行动变得异常困难^[3]。船舶是常见的水上运输工具，具有流动性和独立性的特点，其工作区域通常远离陆地和城市，运输过程中一旦发生火灾很难获得外界的增援，扑灭只能依靠自救。而自救能否成功不仅取决于火灾的初燃时间、燃烧的范围以及火势的蔓延速度，还与灭火动作的及时程度、灭火的方法是否正确等多种重要因素有关。通过国际海事组织的数据统计和分析，我们可以看出，在船舶火灾事故中因人为因素而导致的事故占比达到了80%；船舶火灾扑救和人员救助效果的好坏，在很大程度上取决于消防指战员和船员对火场情况的掌握及指挥上^[4]。鉴于此，国际海事组织对船员提出了要掌握消防知识、提高自身消防技能的职业要求；同时，为了防止船舶火灾发生后因消防人员不熟悉灭火要领而导致火势恶化的情况发生，在日常工作中进行定期开展消防训练，培训船员具备防火安全意识，并养成遇火后迅速的反应能力是至关重要的。