航海模拟器平台下基于VDR数据的海事碰撞事故再现技术应用

摘 要：本文针对一起船舶碰撞事故，探索了基于VDR数据的海事碰撞事故再现技术应用。利用在事故船舶上VDR所采集到的船舶碰撞过程的有关航行数据（如航向、航速、船位等），结合计算机仿真技术，在航海模拟器中构建事故场景和验证事故前船舶应急操作过程是否有效。结果表明，该技术能够还原船舶事故经过，并可用于船舶事故当事放责任认定。

关键词：VDR 事故再现 事故分析 航海模拟器

近年来，随着我国乃至世界航运的快速发展，船舶通航密度呈快速上升趋势，船舶大型化、船种复杂化、船舶技术状r参差不齐等现象较为明显，这直接导致了船舶碰撞事故的频繁发生，从而引出了碰撞事故双方乃至多方在碰撞责任以及过失方面存在着争议，只有把事故过程再现并能三维可视化才能更很好地解决这一争议。应用船舶操纵模拟器的三维仿真技术，是目前进行海上事故鉴定和事故分析的重要技术手段，利用三维仿真技术可以很好地再现出当时碰撞过程，通过可视化的方式，将事故过程“四视角”展现在海事事故调查人员眼前。将极大地提高海事事故调查人员对事故过程进行系统的分析，较正确的判断出事故关键点和原因。事故证据很可能在风、浪、流等因素的作用下消失，事故现场也难以维持；而且在事故的调查取证过程中被调查一方通常会有一种自我保护意识，事故经过常被有意或无意地夸大或掩饰，这时的人证有相当大的主观性；另外，诸如海图、航海日志等资料也有可能在利益的驱使下人为地在事后进行修改，这样的物证就失去了调查的价值，这些都给海事事故的分析带来了极大的困难。此外，2010年生效实施的《国际海事安全调查规则》规定“如果存在海员自证其罪的风险，调嘶关必须告知海员享有保持沉默、不自证其罪的权利”，在这种情况下，越发显示VDR在调查取证发面的优势和重要性。

1. 船舶黑匣子（简称：VDR）

如今VDR在航海中的应用已经相当广泛，VDR在事故后能够保存船舶的操纵等数据并恢复和再现送些数据的功能，可以非常直观地辅助海事调查的进行。VDR所具有的实时监控、记录功能及毫无偏差的记录功能对事件的还原准确程度和为事故原因分析提供原始数据的程度是异常准确的。VDR能提供给海事调查官最原始最真实的船舶航行数据，海事调查官可将VDR所记录的数据通过海图作业再现于海图上，真实地反映出船舶在此期间的运动过程，这样便能更科学地分析事故发生的原因及船舶的行为，客观公平地判明责任。因此，船载航行数据记录仪大大推进了航海信息化和航海安全的进程，对于促进海事安全意义重大。

依据IMO的相关要求，自2002年7月1日后新建造的客船或客滚船、3000总吨以上的货船都需强制安装 VDR设备，2002年7月1日前建造的客船或客滚船、3000总吨以上的货船都需强制安装VDR设备或S-VDR设备（S-代表简易的含义）。各个VDR生厂商都已开发出能适合回放本生厂商记录的VDR航行数据，但是其数据只是简单的记录和单独回放，不能进行合理的集成分析。目前，日本的JRC、英国的KH公司，挪威的Kongsberg公司的VDR设备都有自己的回放软件产品。德国信息处理公司在最近几年也提出了将所有各个生产商的VDR存储数据进行标准化处理，便于统一其数据读出以便进行后续的研究。

为此，本文针对一起船舶碰撞事故，提取当事船舶VDR航行数据，结合计算机仿真技术，借助航海模拟器平台将船舶碰撞过程进行回放。

2.三维再现技术

2.1 事故海域三维实景建模

大面积三维海区数据建模的应用涉及地理信息系统、虚拟与现实、环境仿真、娱乐与游戏、地形的穿越飞行、海洋资源管理与利用、气象数据的可视化等领域。大面积虚拟三维地形的生成和显示方法，这是构建分布虚拟环境中的重要技术，它为模拟器系统提供了高沉浸感的可视化的地理环境。

三维实景建模，将基于电子海图数据为依据，参照海图数据库中的陆地，岸线，码头，桥梁，等深线，水深，助航标志等信息，将其信息进行数字化提取，并进行相关的三维可视化处理。

通过现场拍照方式，将岸线、码头和堤岸上显著的建筑物进行三维建模。依据国家开放地理信息高程数据，基于数字高程模型，建立事故水域陆地区域的地形，基于电子海图中所提取的等深线和水深点，通过三维网格化处理，建立三维水下地形数据库。

2.2事故船舶三维模型和船舶水动力模型建模

查找事故船舶的相关船舶水线图纸，总布置图，利用专业船舶设计软件，还原船舶三维结构，通过后续面数优化，美工和贴图等一系列工序建立起三维模型。同时基于船舶所采集到的车、舵、锚、缆和稳性等相关资料，利用船舶运动数学模型、船体上的水动力模型、螺旋桨推力及扭矩模型、主机扭矩模型、舵力及其力矩计算公式、风、流、浪的作用力计算公式、锚链、缆力计算公式等等，建立船舶在六自由度情况下的水动力模型。

2.3 航海模拟器平台三维驱动

本文所用的航海模拟器平台采用OpenSceneGraph作为底层的三维引擎。OpenSceneGraph是一个开源的三维引擎，被广泛的应用在可视化仿真、虚拟现实、科学计算、三维重建、地理信息、太空探索、石油矿产等领域。OSG采用标准C++和OpenGL编写而成，可运行在所有的Windows平台。

3.案例应证

以英国籍D轮集装箱船与巴拿马籍Z轮散货船碰撞事故为例进行相关研究成果的验证。

3.1 事故经过

2013年3月19日凌晨英国籍D轮集装箱船与巴拿马籍Z轮散货船在长江口灯船东北约124海里处发生碰撞，D号第五舱破损进水，有油污泄漏。

上海海上搜救中心立即组织救助力量赶赴现场，并就安全和污染情况展开事故调查。

据D轮报告，该船估计共泄漏燃料油674立方米，部分集装箱损坏或移位，其中未涉及危险品集装箱。 3.2D轮与Z轮VDR数据提取摘录

通过对上述两艘船舶的VDR数据进行分析，提取了其船位、航向和航速信息如表1。

3.3 基于VDR数据实现海事碰撞事故三维仿真再现过程

在航海模拟器教练站中，将两艘船舶的VDR所记录的关键点的GPS船位，时间信息，每个关键点的船速、航向信息输入形成各自船舶运动路径。如图2所示。

将所建立的两艘船舶和海区加载至教练站系统中，如图3所示。

运行方案，并通过相关录屏软件进行录屏，获得相关视频数据，如图4所示。

通过相关的视频编辑软件，可以将四种不同视角的视频文件剪辑合成，统一时间节点，形成如上图所示效果的三维可视化视频数据，供海事部门进行事故分析和供教师在航海教学中作为教学多媒体案例素材使用。

4.小结

海事碰撞事故三维仿真再现技术是指在船舶发生碰撞海事后， 利用在事故船舶上VDR所采集到的船舶碰撞过程的有关航行数据（ 如航向、航速、船位等），结合计算机仿真技术，三维再现船舶碰撞过程，使得人们能够以一种直观的方式了解船舶碰撞的全过程。由于船舶碰撞过程仿真系统对于了解船舶碰撞事故的原因、碰撞任的认定、总结经验教训等方面具有重要的现实意义，找到了利用VDR数据在航海模拟器中实现三维仿真再现海事碰撞事故的技术途径和方法，在具体应用过程中也发现了一些难点，为此后续的研究过程中将继续在次领域进行探索。

江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（201612679009Y）

江苏海事职业技术学院千帆项目（ XR1501、XR1504）

江苏高校品牌专业建设工程资助项目（ PPZY2015B177）

江苏省高等教育教改研究重中之重课题（2017JSJG010）

参考文献：

[1]王胜正，关克平.基于VDR与虚拟现实技术的海事分析系统的研究[C]//中国航海学会通信导航专业委员会2005年学术年会论文集.2005.

[2]刘大伟.基于虚拟现实技术的船舶电站训练系统的研究[D].大连海事大学，2012.

[3]姜传立.基于Creator/Vega船舶电站建模及虚拟并车的研究[D].集美大学，2009.

[4]卢森微.基于虚拟现实的船舶电站仿真训练系统的研究[D].江苏科技大学，2014.

[5]孙昱浩.航海模拟器中大规模冰区场景建模及可视化[D].大连海事大学，2017.

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