VR/AR技术在船舶工业领域的技术体系和应用探讨

    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，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、虚拟装配及人机工效分析，系统集成可用于CAVE、CADWALL等虚拟现实系统搭建。
    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。

VR/AR技术在船舶行业的应用

一、VR/AR虚拟仿真技术在船舶行业的应用体系
    VR/AR技术在虚拟造船领域的应用体系从支撑技术、应用技术两个层面较全面地展示虚拟仿真技术在船舶行业的应用范畴，如图2所示。船舶建造支撑技术是船舶建造虚拟仿真应用技术的基础，涵盖船舶虚拟建造的各种关键技术，包括异构系统数据转换平台，三维快速建模技术、网络与数据库技术、物流仿真技术等。
    船舶虚拟仿真应用技术则详细描述虚拟仿真在船舶行业的应用范畴，主要包含四部分内容：船舶虚拟设计评估与优化技术、船舶建造工艺仿真与优化技术、船厂物流仿真与能力评估技术与作业、运行保障仿真技术。国内船舶行业在前三个方向都开展了一些工作，基本突破了常用异构系统数据转换、船舶产品虚拟评估技术、船舶工艺自动建造技术、船舶焊接工艺智能设计与统计技术等关键技术，并开展海工装备的总体建造方案仿真，多型船舶与海工装备的建造工艺仿真，船厂建造资源能力评估等工作。然而，在建造工艺深化应用、船厂物流仿真、运行保障领域的应用较少，深度也较浅，将是未来发展重点。

船舶虚拟仿真应用技术体系

    （一）船舶虚拟设计评估与优化技术
    船舶不同于一般批量产品制造，是资金、技术密集型产品，具有系统复杂、空间狭小等特点。在无物理样船的情况下，往往造成船舶制造返工多，周期长，质量无法控制等问题。在船舶设计阶段，应用虚拟评估与优化技术，设计单位、制造厂、配套厂、船东、客户等各方参与，对船舶的总体布置、舱室布置、设备布置、系统管路与电缆走向、结构开孔等进行总体协调与平衡，对提高船舶产品的设计质量、可制造性、可维护性等具有重要意义。

VR应用于船舶的虚拟设计评估与优化

    （1）总布置虚拟评估与优化
    在船舶详细设计前，在虚拟环境下对其总体布置进行仿真，建立船体、舱室、设备、装置、逃生装置等完整的数字化环境。以总体功能和性能发挥最佳效能、安全性、装备安装和操作空间、可操纵性、船员逃生、船员舒适性等为评价原则，对船舶总体布置的合理性进行验证和优化。
    （2）舱室布局虚拟评估与优化
    采用专业工具将船舶的设计模型导入仿真软件，在虚拟环境下建立逼真的1:1全尺寸虚拟模型，各舱室内部安装着千百台与实际设备相同尺寸的虚拟设备模型和综合交错的系统管路和电缆。设计、建造与使用人员共同参与，进行舱室布局的虚拟评估。通过反复调整每一台设备、装备的位置，实现舱室布局优化。开展所有水密舱室结构开孔位置的虚拟评估，确保开孔位置的合理性，并在加工阶段进行数控切割提供依据。
    （3）虚拟综合平衡
    船舶具有结构复杂、系统密集、精度要求高等特点，若设备布置、系统走向、结构开孔等不合理，将对船舶的安全、性能、可制造性、可操作性、可维修性等都会产生严重影响。
    在虚拟环境下，设计、制造、使用、配套等各方人员在设计阶段共同参与虚拟综合平衡，实现所有设备、仪表、系统管路、电缆的合理布置和精确定位，并取得整个船舶的协调平衡，从而在设计过程更全面的考虑建造、使用和维修等方面的问题。
    （4）总体建造方案仿真
    根据船舶产品的具体参数、企业的设备资源、生产计划大节点，对总体建造策略进行虚拟仿真，船东、船级社、船企设计人员共同对建造方案的可行性进行共同评估，根据评估结果对建造策略进行修改和优化：
    （5）工程分析数据可视化
    在船舶设计阶段，需要进行结构强度、水动力、稳性等性能分析，其数据以数字、二维图形或三维图形二维显示等形式表达，性能评估效果受到限制。工程数据可视化技术解决CAE仿真分析数据在虚拟环境的可视化，将变形、应力、应变、温度、流体速度、加速度、噪声等数据在超大屏幕上以立体方式直观、形象地展示给工程设计人员，深入挖掘各种性能数据，为船舶的性能优化提供决策。
    （二）船舶建造工艺仿真与优化技术
    船舶工艺仿真与优化技术对建造过程、工艺规划、制造精度、吊装安全等进行虚拟仿真与验证，若问题在建造前改进，可避免重大失误，确保船舶的质量和周期。船舶建造工艺仿真与优化技术包含以下内容：

VR应用于船舶建造工艺仿真与优化

    （1）焊接工艺虚拟设计与验证
    焊接是船舶最主要的连接方式，其焊接工艺信息将为计划制定、物资采购、人员安排、设备配备、生产组织等提供基础数据。由于单个产品的焊缝数量达到数百万条，设计工程量巨大，船厂一般只设计少量重要焊缝的工艺信息。焊接工艺智能设计技术将综合考虑船厂实际制造能力、船舶的制造特点，结合三维设计系统、焊接工艺规范等信息，进行焊缝识别、焊接工艺的智能设计与虚拟设计，实现各种焊接工艺信息统计与管理，为各种需求提供最真实的基础数据。焊接工艺可视化则提供可视化环境，对焊缝信息进行检查与修改。
    （2）船体典型建造工艺仿真技术
    船体结构是船舶建造的重要内容，贯穿整个建造过程，按制造阶段划分为小组立、中组立、大组立、总组与搭载等阶段：在解决船舶建造工艺基础技术的基础上，根据船舶建造工艺方案，对船舶建造各阶段的典型结构进行仿真。在分段建造阶段，对箱部、艇部、双层底、货舱、锚台等分段的建造工艺仿真，形象地展示建造工艺流程，对建造工艺的合理性和可行性进行验证，并形成建造工艺的仿真视频，指导现场作业。
    （3）栖装作业仿真技术
    船舶的硒装作业约占据整船建造周期的三分之一，覆盖船舶建造的主要阶段。在先进造船模式下，分段栖装、总段栖装是栖装作业的重点。硒装作业仿真时，模型包括船体、栖装以及工装，模型规模比较大，需突破海量数据实时仿真技术，并开发专业软件，对栖装作业过程进行可视化仿真，以大幅度减少建造返工。
    （4）建造主流程仿真
    建造主流程体现了船舶的总体建造策略，传统采用框图方式阐述，直观性差，且无法体现船厂的建造资源。根据建造主流程方案，建立船厂建造资源的三维模型，按分道建造方式进行仿真。对码头下料、堆场、钢材预处理、钢材切割、小组立、中组立、大组立、总组与搭载的船体结构分道建造过程进行仿真；对单元模块制作、安装，托盘集配、分段栖装、总段栖装等仿真；在结构、硒装制造与安装过程中，穿插涂装过程仿真；通过壳、栖、涂一体化仿真，形象地展示船舶总装建流程。
    （三）船厂物流仿真与能力评估技术
    船厂的资源布置、建造物流、场地利用率、设备的能力是开展船舶建造的基础条件，以建造计划为核心，开展船厂总体布局仿真与优化、车间建造资源布局与物流仿真、场地物流仿真、建造资源能力与负荷评估、建造计划验证，将有利于船厂提高船舶建造能力。

VR应用于船厂物流仿真与能力评估

    （1）船厂总体布局仿真与优化
    船厂各个车间、堆场、船坞和吊装设备等资源的布置以及道路分布对于物流畅通、设备操作可行性和便利性及提高场地面积使用率等起着至关重要的作用。无论是新建船厂，还是旧船厂的改造，船厂的总体布局优化都是必需的。采用船厂布局和漫游软件系统，实现基于建造主流程的船厂布局三维可视化；研究总装建造模式下，基于生产纲领的船厂布局优化技术，寻找船厂布局的瓶颈，并利用仿真实现船厂布局优化。
    （2）内业车间建造资源布局与物流仿真
    建立船舶内业车间的各种资源模型，包括各类车间、道路、起重设备、运输工具、中转场地以及切割、焊接、弯管等各种设备及辅助工具的三维可视化模型，并实现车间层制造物流资源在虚拟环境的整合配置和生产系统的布局。
    按建造工艺和建造计划，对内场建造过程的各个阶段过程仿真，包括如下料、切割、弯管、焊接、成型、加工、组立和物资运输等立体作业流程仿真，提高内场作业流水线生产效率，提高制造节拍，解决生产瓶颈。根据栖装件种类、作业流程，对硒装件加工车间进行三维布局，结合船厂资源对管子切割、焊接、弯管，硒装件加工与制作等作业流程进行仿真。
    按生产计划对栖装件的集配与运输过程进行仿真，结合集配车间的制造能力、场地空间等因素，对托盘集配计划进行验证。
    （3）船厂外场物流仿真与优化
    以生产计划为导向，对船厂外场运输、堆放、存储、涂装等流通过程仿真，对分段堆放场地、预硒装场地、总组场地的堆放空间、堆放时间等信息统计和分析，并计算场地的使用周期，提高船厂堆场等资源利用，防止长期堆放质量下降等问题。
    （4）船厂建造资源能力评估与负荷分析
    收集各阶段作业过程工时物量的基础数据、各种建造资源的能力数据，根据船厂大日程、中日程和小日程计划，开展各制造阶段作业过程的仿真，实现负荷计划进行验证与优化。
    （5）船舶建造计划仿真与验证
    收集建造资源能力数据、各项目不同阶段的工时物量数据，根据产品的建造工艺，分别从工位、工序、车间层对建造计划进行仿真与优化。
    （四）作业、运行保障仿真技术
    作业、运行保障仿真技术包括设备、仪表、管路系统、电缆等布置的三维电子手册，船舶虚拟操作手册，典型故障虚拟维修手册，运行保障与维护电子手册，远程可视化维修技术以及作业人员虚拟培训技术等。

AR应用于作业及运行保障仿真

    （1）船舶运行保障电子手册
    大型集装箱船、LNG等新型船舶的系统复杂、舱室密集，其使用与维护相关的资料若以纸质文件存在，往往超过几十吨，占用大量存放空间。由于资料规模过大，只携带部分最重要的资料，检索有价值资料的难度大、时间长：以船舶设计、建造阶段的各种设计、工艺文件为基础，建立交互性强、容易使用、易于维护的运行保障与维护电子技术手册，将对员工培训、日常工作、维修维护等提供全面、准确的资料。
    （2）数字样船技术
    总体所、总装厂在船舶设计时，通常都采用专业设计软件建立了船舶的三维模型，并包含各种设计、工艺信息。建立数字样船，需要先异构系统的数据转换技术，实现船舶三维设计模型、产品结构树、制造与管理信息的重用。根据船舶操作、维修、保障等需求，在三维数字船舶中增加使用、操作、维护等各种信息，形成船舶生命周期服务的数字样船。
    （3）船舶虚拟操作三维电子手册
    船舶中包含主机、齿轮箱、轴系等设备装置，还可能包含钻井装置、储油装置等特殊装备：根据设计所、配套厂商提供的设备与系统资料，对主要系统装置的操作过程进行仿真，并形成船舶设备与装置虚拟操作管理手册。
    （4）典型故障虚拟维修技术
    船舶包含大量数以百计的设备装置，在使用过程中难免会出现各种问题。为提高船舶的使用价值，船员应具备解决各种基本问题的能力。在船舶交付船东前，突破主要系统、设备的典型故障的虚拟维修技术，对典型故障的解决过程进行可视化仿真，切实提高船员的技术水平，提升解决各种突发问题的能力。
    （5）远程可视化维修技术
    船舶在海上工作时可能会出现重大故障，回厂修理将可能受条件限制。远程可视化技术在解决远程通讯保密、图像实时传输等技术基础上，能够支持船舶的海上远程可视化维修，提供远程测试、诊断、远程维修决策支持，实现紧急状态下设备抢修。
二、VR/AR技术在船舶设计方向的应用
    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，719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。
三、VR/AR技术在船舶建造方向的应用
    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10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。
四、VR/AR技术在船舶运营维护方向的应用
    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、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了基础。
五、VR/AR技术在船舶教育培训方向的应用
    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。
六、VR/AR技术在船舶检验方向的应用
    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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