陳　雷，胡以懷

（上海海事大學(xué)，上海201306）

基于Quest3D的船舶電站虛擬維修軟件開發(fā)

陳雷，胡以懷

（上海海事大學(xué)，上海201306）

針對(duì)目前船舶電站維修訓(xùn)練的實(shí)際情況，以Quest3D為虛擬引擎，應(yīng)用3Dmax2012建模軟件，結(jié)合VB系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，研發(fā)出一套船舶電站虛擬維修軟件。對(duì)系統(tǒng)的功能需求做了分析，重點(diǎn)研究了系統(tǒng)開發(fā)流程與關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)實(shí)測(cè)，該虛擬維修軟件不僅能夠節(jié)約開支，而且顯著提高培訓(xùn)效率。

Quest3D；船舶電站；虛擬維修；3Dmax；VB

0　引言

伴隨船舶大型化、智能化、自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，船舶用電設(shè)備逐漸增多，用電量攀升，相應(yīng)地船舶電站的容量不斷擴(kuò)充。船舶電站自動(dòng)化程度越發(fā)提高，在各種復(fù)雜工況環(huán)境下，工作穩(wěn)定性成為衡量船舶電站的重要因素。作為人為因素的重要一環(huán)，培養(yǎng)具有專業(yè)素質(zhì)和技能的船舶電氣管理員顯得極為重要。目前，國內(nèi)針對(duì)船舶電站的維修訓(xùn)練，主要采取利用半實(shí)物模擬器結(jié)合師資教學(xué)的方法，由于學(xué)員基礎(chǔ)參差不齊、實(shí)操場地有限、課時(shí)少，最終導(dǎo)致培訓(xùn)效率很低。與此同時(shí)，由于船舶電站配電屏數(shù)多，設(shè)備種類復(fù)雜、基數(shù)大等問題，現(xiàn)行的船舶電站仿真軟件并未將維修納入系統(tǒng)功能模塊，僅適用于普通的船舶柴油發(fā)電機(jī)組啟停、合閘供電、并車、解列等常規(guī)操作。因此，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶電站的虛擬維修，構(gòu)建功能全面的船舶電站仿真軟件，可解決目前存在的具體問題，具有廣闊的推廣意義與實(shí)用價(jià)值。

1　軟件開發(fā)

1.1開發(fā)平臺(tái)

Quest3D軟件是由荷蘭的Act 3D公司在1998年研發(fā)出來的專門從事虛擬現(xiàn)實(shí)方面的應(yīng)用軟件，軟件有豐富的功能模塊，可以實(shí)現(xiàn)模塊化、圖像化編程，不需要書寫代碼就能夠制作功能強(qiáng)大和畫面效果絢麗的VR項(xiàng)目。Quest3D是一個(gè)容易且有效的實(shí)時(shí)3D建構(gòu)工具。比起其他的可視化的建構(gòu)工具，如網(wǎng)頁、動(dòng)畫、圖形編輯工具來說，Quest3D能在實(shí)時(shí)編輯環(huán)境中與對(duì)象互動(dòng)。其特點(diǎn)是：（1）擁有一款強(qiáng)大的編輯器；（2）高超的性能；（3）強(qiáng)大而漂亮的圖形效果；（4）擁有真實(shí)的物理引擎，仿真物理模型；（5）人工智能，數(shù)據(jù)庫操作等附加功能；（6）支持力反饋的設(shè)備；（7）強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)模塊支撐；（8）漂亮的粒子特效系統(tǒng)。

1.2開發(fā)思路

虛擬維修技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)近年來的一個(gè)重要研究方向，是綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、建模仿真等形成的應(yīng)用。虛擬維修技術(shù)通過維修操作過程仿真支持維修訓(xùn)練與維修的實(shí)施，有效降低維修訓(xùn)練費(fèi)用，提高維修的準(zhǔn)確性與效率。突破了時(shí)間與空間上的束縛，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備故障的實(shí)時(shí)診斷與維護(hù)，延長了設(shè)備的整體生命周期［1］。

船舶電站虛擬維修軟件的開發(fā)，其實(shí)質(zhì)就是構(gòu)造一個(gè)虛擬的維修系統(tǒng)。該虛擬維修系統(tǒng)是以虛擬維修技術(shù)為基礎(chǔ)，采取3Dmax建模軟件構(gòu)建虛擬設(shè)備和虛擬維修環(huán)境，通過Quest3D進(jìn)行渲染、仿真、交互。受訓(xùn)人員通過鍵盤、鼠標(biāo)等外部工具來開展虛擬訓(xùn)練，利用虛擬維修工具對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆卸、裝配、故障維修，通過虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練使受訓(xùn)人員了解裝備的構(gòu)造原理和掌握裝備的維修技能，從而實(shí)現(xiàn)如同在實(shí)裝上進(jìn)行維修訓(xùn)練的效果［2］。

2　開發(fā)流程

船舶電站虛擬維修軟件開發(fā)流程如圖1所示，具體步驟分為5個(gè)部分。

圖1　開發(fā)流程示意圖

（1）3Dmax建模軟件由于視覺效果逼真、功能模塊豐富、簡單易學(xué)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。本文采用3Dmax2012版本構(gòu)造虛擬船舶電站系統(tǒng)及虛擬操縱場景，具體步驟為：1）建立模型，常規(guī)的建模方法包括：多邊形建模、布爾運(yùn)算、NURBS曲面、散布；2）賦予材質(zhì)，根據(jù)材料的質(zhì)感，賦予模型不同的物理屬性；3）布置燈光，通過布置局部、全局光源來體現(xiàn)模型的材質(zhì)、大小，為受訓(xùn)人員展現(xiàn)一個(gè)沉浸式維修環(huán)境；4）烘培，將材料的材質(zhì)、燈光、色彩通過烘培處理，以貼圖的形式貼在物體表面。

（2）利用Panda DirectX插件將制作好的模型從3Dmax2012導(dǎo)出，保存為.X文件。通過Quest3D虛擬引擎導(dǎo)入三維模型，利用Channel模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的選擇、操縱、行進(jìn)、維修的交互編程，生成一個(gè)視覺、聽覺、觸覺三位一體的人機(jī)交互虛擬仿真情景。

（3）以ACCESS數(shù)據(jù)庫作為Quest3D與VB數(shù)據(jù)連接，通過數(shù)據(jù)通信的控制與傳遞，實(shí)現(xiàn)船舶電站實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的自動(dòng)化控制。

（4）最后，利用Quest3D發(fā)布程序，生成*. Q3D文件或*.EXE文件，*.Q3D文件也可在網(wǎng)上發(fā)布，連接*.Q3D文件的Web網(wǎng)頁包含了Quest3D的媒體元素，可自動(dòng)下載文件播放器，為遠(yuǎn)程教育學(xué)員提供便利的學(xué)習(xí)途徑［3］。

（5）系統(tǒng)的集成過程中主要是通過特定的開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)將虛擬維修操作模型及數(shù)據(jù)庫等后臺(tái)程序集成到一個(gè)平臺(tái)，以方便用戶使用［4］。本系統(tǒng)仿真界面采用VB集成軟件開發(fā)，更加簡單、直觀，容易實(shí)現(xiàn)。界面主要包括用戶欄、工具欄、狀態(tài)欄、故障管理欄等。

圖2　機(jī)艙集控室效果圖

3　軟件功能設(shè)計(jì)

3.1仿真訓(xùn)練

對(duì)于船舶電站的操作訓(xùn)練，受訓(xùn)人員通過機(jī)艙漫游進(jìn)入虛擬集控室界面，通過鼠標(biāo)、鍵盤的聯(lián)合控制可完成船舶電站的日常運(yùn)行管理，主要包括：發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)、合閘供電；應(yīng)急發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)、合閘供電、自動(dòng)控制；同步發(fā)電機(jī)的手動(dòng)并車、自動(dòng)并車；動(dòng)力負(fù)載與照明負(fù)載的配電、切換等。

3.2虛擬拆卸及裝配

虛擬拆裝可以作為虛擬裝配的可逆操作，通過Quest3D虛擬引擎為受訓(xùn)人員構(gòu)建一個(gè)沉浸式虛擬維修場景。根據(jù)用戶的輸入信息調(diào)用虛擬工具，按照既定的拆裝順序來完成虛擬設(shè)備的分解、安裝。

3.3故障維修

設(shè)備在運(yùn)行的過程中或者在運(yùn)行一段時(shí)間之后，會(huì)出現(xiàn)一些常見的故障［5］。在船舶航行過程中，出現(xiàn)船舶電站失電故障，若不能及時(shí)排除，將會(huì)嚴(yán)重威脅航行安全。此功能模塊可通過模擬設(shè)置故障，讓受訓(xùn)人員利用檢測(cè)工具鎖定故障設(shè)備，經(jīng)過故障分析、診斷，最終完成維修工作。

3.4數(shù)據(jù)庫查詢

船舶電站設(shè)備的元器件繁多，相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)、設(shè)備信息、數(shù)據(jù)信號(hào)量很大，不同元器件出現(xiàn)的故障會(huì)對(duì)整個(gè)電站造成不同的危害。隨著器件的更換、故障類型的增加、功能要求的改變，數(shù)據(jù)庫也將隨之升級(jí)。因此構(gòu)建一個(gè)開放式的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對(duì)于維修系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性、完善性是相當(dāng)重要的。

4　軟件開發(fā)方法

（1）模型優(yōu)化：在三維建模階段，盡量減少模型的分段數(shù)、面數(shù)；在滿足功能要求的前提下，利用貼圖代替相應(yīng)的設(shè)備，或僅對(duì)外部構(gòu)造建模；使用optimize編輯修改器；在Quest3D操作平臺(tái)中，對(duì)于看不到的面，進(jìn)行刪除或隱藏；利用快捷方式代替相同的模型。

（2）場景漫游的實(shí)現(xiàn)：機(jī)艙漫游功能是通過漫游相機(jī)實(shí)現(xiàn)的。這種相機(jī)允許用戶在場景行走、漫游，提供沉浸式的體驗(yàn)?？稍O(shè)置任意快捷鍵，來控制前、后、左、右四個(gè)方向的行進(jìn)。具體實(shí)現(xiàn)方法：將Walkthrough Camera拖入Channel視圖中，連接到Render下，設(shè)置相機(jī)的碰撞體、速度、重力、旋轉(zhuǎn)控制，以達(dá)到最優(yōu)視角。

（3）維修工具跟隨：在虛擬維修過程中，受訓(xùn)人員需要調(diào)用檢測(cè)工具，來判斷、確定故障單元，繼而利用維修工具完成故障修復(fù)。在操縱的同時(shí)，工具需要跟隨鼠標(biāo)移動(dòng)到相應(yīng)位置，本系統(tǒng)用Quest3D內(nèi)置channel模塊進(jìn)行編程，通過鼠標(biāo)點(diǎn)選維護(hù)工具，將鼠標(biāo)的物理位置實(shí)時(shí)傳送工具的系統(tǒng)坐標(biāo)，以此來達(dá)到隨動(dòng)效果。

（4）雙向控制：使用ActiveX插件，通過Quest 3D中的“ActiveX Data”通道和“ActiveX Event”通道以及VB中的“Quest 3DCti14”控件來實(shí)現(xiàn)雙向控制［6］。在用戶界面，可用VB直接操縱Quest3D構(gòu)建的虛擬電站維修系統(tǒng)，提高辦公效率。

（5）故障維修：針對(duì)船舶電站的所有設(shè)備故障的特點(diǎn)，通過Quest3D中物體屬性模塊，設(shè)置故障部件的顏色、顯隱性、位置，來模擬實(shí)際故障中對(duì)應(yīng)的燒毀、缺失、異位的狀態(tài)，可定性地展示故障類型。

以2號(hào)發(fā)電機(jī)配電屏主開關(guān)故障為列，在用戶設(shè)置界面，進(jìn)行相應(yīng)故障的設(shè)置。受訓(xùn)人員在配電屏按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)無法合閘，利用萬用表進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)，最終鎖定故障所在位置，繼而進(jìn)入修復(fù)界面，完成故障清除。最終，2號(hào)發(fā)電機(jī)配電屏恢復(fù)正常供電。

圖3　故障維修實(shí)例

5　結(jié)束語

本文將虛擬維修技術(shù)融入到船舶電站仿真軟件的研發(fā)，通過開發(fā)船舶電站虛擬維修系統(tǒng)，解決了常規(guī)訓(xùn)練中教學(xué)資源、經(jīng)費(fèi)條件的限制，縮短培訓(xùn)周期，提高培訓(xùn)效率。滿足了電氣訓(xùn)練的要求，可用于船舶電機(jī)員、電氣工程師、陸上服務(wù)工程師、船廠維護(hù)人員的培訓(xùn)。對(duì)后續(xù)船舶電站維修軟件的開發(fā)具有一定參考意義。

［1］郝建平.虛擬維修仿真理論與技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［2］王勇.裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)綜述［J］.計(jì)算機(jī)光盤與應(yīng)用，2014（22）：165-166.

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Development of Virtual Maintenance Software for Marine Power Station Based on Quest3D

CHEN Lei，HU Yi-huai
（Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）

In the view of the actual situation of ship power station maintenance training，this paper describes a set of ship power plant virtual maintenance software based on the Quest3D virtual engine、3Dmax modeling software and VB system development platform.The functional requirement of the system was analyzed，and the key technology&development process of the system development were also studied.As a result，the software could not only save cost，but also significantly improve the training efficiency，and has wide application prospect and extension value.

Quest3D；ship power station；virtual maintenance；3Dmax；VB

TP319

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1009-9492（2015）12-0072-03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.020

陳雷，男，1992年生，山東臨沂人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：船舶動(dòng)力裝置。

（編輯：向飛）

2015-06-17