産業メタバースに向けて：船舶・造船業における火災訓練と避難訓練のためのゲームベースVRアプリケーション

核心概念

本稿では、SOLAS条約の要件に準拠した、船舶火災時の訓練と避難のための、産業メタバース向けの新しいVRベースのアプリケーション開発について詳述し、ゲーム化による訓練効果と課題を初期ユーザー評価を通じて考察する。

要約

論文の概要

本稿は、ACM Web3D 2024に採択された会議論文のプレプリントである。
DOI: 10.1145/3665318.3678229

研究の背景と目的

• 船舶火災は、人命損失、経済的損害、環境への影響が大きい深刻なリスクであり、人的ミスと不十分な訓練が主な原因である。
• SOLAS条約では、定期的な火災訓練の実施が義務付けられている。
• 近年、XR技術は、没入型でインタラクティブな乗組員訓練のための有望なソリューションとして注目されている。
• 本研究では、船舶火災訓練のための新しいVRベースのアプリケーションを開発し、訓練生の意思決定とリスクアセスメント能力を評価することを目的とする。

システム設計

規制の枠組み

• SOLAS条約を遵守し、火災検知、消火、個人用保護具（PPE）、避難手順、危険物処理に関する規制を組み込んでいる。

仮想シナリオ

• 火災発生率の高いエンジンルームと厨房をシナリオの舞台として選択。
• 訓練生は、火災の発見、船長への報告、火災報知器の起動、火災の鎮圧または避難に関する意思決定など、火災発生時の重要な対応を訓練する。
• 火災の強度レベルと場所を変えたステージを設け、ゲームの原則を取り入れることで、問題解決能力と学習効果を高める。

ハードウェアとソフトウェア

• Meta Oculus Rift S HMD
• Unity Editor version 2022.3.15f1
• XR Interaction Toolkit
• OpenXR
• Blender

実装

シナリオレベル

• レベル1：厨房での小規模火災（消火可能）
• レベル2：厨房での大規模火災（消火不可能）
• レベル3：エンジンルームでの火災（消火可能）
• レベル4：エンジンルームでの急速に激化する火災（消火不可能）

バーチャル環境

• 貨物船のモデルをインポートし、BlenderとHomeBuilderアドオンを使用して船室内部を構築。
• エンジンルームは、概念設計を利用し、VR対応のエンジンモデルをインポートして修正。
• 消火器、警報機、緊急電話などのインタラクティブな要素、火災と煙の効果をシミュレート。

UIの実装

• Unity XRの機能を使用してUIを設計。
• テキスト要素とボタンによるインタラクション、視覚的なフィードバックを提供。

実験

ユーザー評価

• Erasmus Mundus Master Program on Sustainable Ship and Shipping 4.0の学生10名が参加。
• 各レベルでの所要時間に基づいて、訓練生の習熟度を評価。

結果

• レベル1は、消火プロセスに時間がかかるため、最も時間がかかった。
• レベルが進むにつれて、訓練生はより速く移動し、火災訓練をよりよく理解できるようになった。
• VRやビデオゲームの経験が豊富な訓練生は、そうでない訓練生に比べて、コントロールや仮想環境に慣れるのが早かった。
• ほとんどの訓練生は、火災の重大性を評価し、消火するか避難するかを判断する意思決定スキルを向上させた。

結論と今後の課題

本稿では、将来の産業メタバースに向けた、ゲームベースのVRアプリケーションの開発と予備評価について述べた。

今後の課題

• マップメニューやシナリオのクイックツアーの追加
• より良いナビゲーションのための直感的なオーバーレイ
• 訓練生が特定のタスクを見逃した場合に備えた、リアルタイムのタスク追跡
• より高度なレンダリングパイプライン、詳細な船舶モデリング、乗り物酔い対策によるリアリズムの向上
• マルチプレイヤー機能、AI制御のキャラクター、数値流体力学（CFD）火災シミュレーションモデルの統合

統計

2011年から2015年の間、船舶火災事故は、他の船舶事故よりも132%多く死亡者を出し、船舶事故全体の24%を占めた。
レベル1の消火プロセスには45秒かかる（レベル3より28秒長い）。

引用

"Fires occur more often in the engine room and galley due to machinery, oil and electrical faults."
"The Industrial Metaverse [6] is a virtual environment where Industry 4.0/5.0 technologies (e.g., Extended Reality (XR), Industrial Internet of Things (IIoT), Cloud Computing and Artificial Intelligence (AI)) converge for immersive and collaborative industrial applications."

抽出されたキーインサイト

Towards the Industrial Metaverse: A Game-Based VR Application for Fire Drill and Evacuation Training for Ships and Shipbuilding

by Musaab H. Ha... 場所 arxiv.org 11-05-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.01895.pdf

深掘り質問

船舶火災訓練のVRシミュレーションは、実際の火災現場での訓練と比較して、どのようなメリットとデメリットがあるか？

VRシミュレーションは、船舶火災訓練において、従来の訓練方法と比較して、以下のようなメリットとデメリットがあります。
メリット

安全性向上: 実際の火災では、訓練参加者や指導者に危険が伴いますが、VR空間では安全に火災発生時を体験できます。
コスト削減: 燃料費や資材費、消火剤の費用などが不要となり、繰り返し訓練を行う際のコスト削減に繋がります。
多様なシナリオ設定: 時間帯、天候、火災発生場所、火災の種類など、現実では再現困難な状況を自由に設定し、訓練効果を高めることができます。
客観的な評価: VRシミュレーションでは、訓練参加者の行動や判断をデータで記録し、客観的な評価に活用できます。
心理的負担の軽減: 実際の火災を想定した訓練は、参加者に大きなストレスを与える可能性がありますが、VR空間では心理的な負担を軽減できます。
デメリット

現実感の欠如: 現実の火災と比較して、熱や煙、臭いなどの五感を完全に再現することは難しく、現実感を損なう可能性があります。
VR酔い: VR空間での視覚情報と平衡感覚のズレにより、VR酔いを引き起こす可能性があります。
高額な初期費用: VRシステムの導入には、HMD、コントローラー、ソフトウェアなど、高額な初期費用が必要です。
技術的な制約: 現実の火災の複雑な挙動を完全にシミュレートするには、現状では技術的な制約があります。
システムへの慣れ: VRシステムの操作に慣れるまでは、訓練に集中できない可能性があります。

VR酔いの問題を解決するために、どのような技術的進歩が必要となるか？

VR酔いは、VR技術の普及における大きな課題となっており、解決には以下の技術的進歩が求められます。

ハードウェアの進化:

高フレームレート・低遅延化: ディスプレイのリフレッシュレート向上と、センサーの遅延低減により、視覚情報と体の動きのズレを最小限に抑え、VR酔いを軽減できます。
広視野角化: 人間の視野角に近い広視野角を実現することで、視覚情報と脳への認知のズレを減らし、より自然なVR体験を提供できます。
軽量化: HMDの軽量化により、装着時の負担を軽減し、長時間のVR体験を快適にします。

ソフトウェアの進化:

視覚効果の最適化: VR酔いを誘発しやすい視覚効果を特定し、最適化することで、不快感を軽減できます。
移動方法の改善: テレポート移動や視線移動など、VR酔いを軽減する移動方法の開発が進んでいます。
個人適応型VR: 利用者の体質やVR酔いへの耐性に合わせた、個人最適化されたVR体験を提供することで、酔いにくくすることができます。

コンテンツ制作:

VR酔いを考慮した設計: VR酔いを引き起こしやすい急激な動きや視点移動を避け、スムーズなカメラワークや演出を心がける必要があります。
休憩時間の設定: 長時間のVR体験は、酔いを誘発しやすいため、適切な休憩時間を設けることが重要です。

船舶の設計段階からVRシミュレーションを活用することで、火災安全性を向上させることができるか？

はい、船舶の設計段階からVRシミュレーションを活用することで、火災安全性を飛躍的に向上させることができます。具体的には、以下の点が挙げられます。

避難経路の検証: VR空間上に船舶の3Dモデルを構築し、様々な火災発生状況下での避難シミュレーションを行うことで、避難経路の安全性、適切な誘導灯や標識の位置、避難時の混雑状況などを検証し、設計にフィードバックできます。
消火設備の配置検討: 消火器、スプリンクラー、防火扉などの消火設備の配置をVR空間上でシミュレーションすることで、最適な設置場所や種類、数を検討し、火災発生時の被害を最小限に抑える設計を実現できます。
船員への事前訓練: 完成前の船舶をVR空間で体験することで、船員は実際の船内構造や避難経路を事前に把握し、火災発生時の行動をシミュレーションできます。
設計変更への柔軟な対応: 設計変更が生じた場合でも、VR空間上であれば容易に修正し、シミュレーションをやり直すことができます。
関係者間での情報共有: VR空間を用いることで、設計者、船員、火災安全の専門家など、関係者間で視覚的な情報を共有し、より円滑なコミュニケーションを図りながら、安全性の高い船舶設計を進めることができます。
このように、VRシミュレーションは、設計段階から火災安全性を考慮した船舶設計を可能にし、建造後の船舶の安全性向上、人命保護、環境保護に大きく貢献します。