李 卓

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050)

0 引 言

大型工程船舶由于噸位大、功能復(fù)雜，對(duì)船舶操作人員的要求很高，采用實(shí)船操作培訓(xùn)不僅培訓(xùn)周期長(zhǎng)，而且成本很高，因此，目前船舶領(lǐng)域采用模擬器的形式進(jìn)行船員培訓(xùn)。傳統(tǒng)的船員培訓(xùn)模擬器以二維模擬軟件或半物理仿真為主，受訓(xùn)人員的人機(jī)交互性差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶機(jī)艙等操作環(huán)境的真實(shí)模擬，培訓(xùn)效果一般[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，新興的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被大量的應(yīng)用于船舶仿真培訓(xùn)中，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的良好交互性，受訓(xùn)人員可以獲得更好的培訓(xùn)體驗(yàn)和效果，浸入式進(jìn)行工程船舶的操作模擬。

本文開發(fā)一種大型工程船舶的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，介紹整體設(shè)計(jì)方案、電氣設(shè)備的數(shù)學(xué)建模、仿真系統(tǒng)的模型搭建和三維渲染等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

1 大型工程船舶虛擬仿真輔助訓(xùn)練系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為了滿足大型工程船舶操作人員的培訓(xùn)需求，船舶虛擬仿真輔助系統(tǒng)開發(fā)需要滿足以下幾點(diǎn)：

1）空間布局要求

針對(duì)船舶操作人員的駕駛室培訓(xùn)需要滿足空間布局要求，船舶駕駛室空間布局與船舶種類噸位、動(dòng)力系統(tǒng)類型等因素相關(guān)，因此，在搭建虛擬仿真輔助訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮駕駛室中儀器、儀表、控制臺(tái)、顯示器等硬件的空間需求，一方面使虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的空間特性與實(shí)際盡量相符，另一方面使受訓(xùn)人員便于觀察和操作。

2）視野設(shè)計(jì)要求

工程船舶的培訓(xùn)目標(biāo)是操作人員能夠安全、熟練地駕駛船舶，并完成常規(guī)的作業(yè)任務(wù)。因此，虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)需要具有良好的視野設(shè)計(jì)，比如駕駛室的前視窗等。

3）環(huán)境因素設(shè)計(jì)

為了盡可能地模擬現(xiàn)實(shí)中大型工程船舶的操作環(huán)境，虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的工作環(huán)境需要充分考慮實(shí)際船舶的不利條件，比如海浪造成的船舶晃動(dòng)是重要的環(huán)境因素，受訓(xùn)人員需要具有在晃動(dòng)條件下還能正常執(zhí)行操作任務(wù)的能力。此外，船舶機(jī)艙的振動(dòng)、噪聲、光照條件等因素在虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)時(shí)也需要考慮。

4）可達(dá)性設(shè)計(jì)要求

可達(dá)性是指受訓(xùn)人員在培訓(xùn)過(guò)程中，身體范圍內(nèi)能夠達(dá)到的儀表和儀器，比如船舶駕駛過(guò)程中的操舵儀、各類控制按鈕等[2]。

5）安全性設(shè)計(jì)要求

安全性設(shè)計(jì)主要針對(duì)實(shí)際船舶駕駛過(guò)程中的危險(xiǎn)因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如駕駛室環(huán)境中硬件故障導(dǎo)致的船舶危險(xiǎn)和火災(zāi)等事故造成的危險(xiǎn)因素。

本文結(jié)合計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行船舶虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)包括操縱計(jì)算機(jī)、模型處理計(jì)算機(jī)、虛擬場(chǎng)景計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、傳感器等。圖1為大型工程船舶虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的原理，其中，受訓(xùn)人員的操作通過(guò)三維模型以及圖像處理技術(shù)轉(zhuǎn)換為傳感器信號(hào)，這些傳感器信號(hào)通過(guò)一系列的信號(hào)處理后輸送到操縱計(jì)算機(jī)和模擬處理計(jì)算機(jī)，虛擬場(chǎng)景計(jì)算機(jī)則負(fù)責(zé)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行模擬和計(jì)算，使得受訓(xùn)人員能夠更加真實(shí)地感受船舶駕駛過(guò)程。

圖1 大型工程船舶虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的原理Fig. 1 The principle of virtual simulation training system for large engineering ships

2 船舶虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 工程船舶虛擬仿真系統(tǒng)的電氣、機(jī)械系統(tǒng)模型搭建

大型工程船舶由于功能復(fù)雜，其電氣、機(jī)械系統(tǒng)的操作具有一定的難度，因此，在搭建工程船舶虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)，需要針對(duì)電氣和機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)學(xué)建模。

電氣的建模需要充分考慮以下要求：

1）結(jié)合工程船舶的電氣系統(tǒng)工作原理，建立系統(tǒng)的仿真模擬，能夠模擬工程船舶電氣正常的工作狀態(tài)和異常的故障狀態(tài)；

2）通過(guò)建模，在仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)的響應(yīng)特性機(jī)制，受訓(xùn)人員發(fā)出控制指令后，虛擬仿真系統(tǒng)的電氣元件能夠做出對(duì)應(yīng)的響應(yīng)；

3）仿真系統(tǒng)的輸入和輸出接口與實(shí)船電氣系統(tǒng)的接口一致，提高系統(tǒng)的仿真程度。

大型工程船舶電氣系統(tǒng)的建模流程如圖2 所示。

圖2 大型工程船舶電氣系統(tǒng)的建模流程Fig. 2 Modeling process for electrical systems for large engineering vessels

電氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模過(guò)程如下：

1）閥類組件建模

閥類組件是工程船舶電氣-液壓系統(tǒng)的重要組件，在閥類組件建模時(shí)，將閥類組件簡(jiǎn)化為小截面管道，模型為：

式中：cd為液壓在閥類組件管道中的壓力損失系數(shù)，T1為 閥工作的溫度系數(shù)，P1為 液體入口壓力，D為閥類組件的等效直徑， θ為閥門的開度。

閥類組件的出口壓力為P2，Nc為閥類組件的壓力差系數(shù)[3]，按照下式計(jì)算：

2）液壓控制回路建模

本文采用整體法建立液壓控制回路模型，基于能量守恒原理，建立模型如下：

3）船舵數(shù)學(xué)建模

工程船的船舵是重要的轉(zhuǎn)向控制部件，為了能夠有效地進(jìn)行船舵數(shù)學(xué)建模，首先建立工程船舶舵葉的力學(xué)特性模型，如圖3 所示。

圖3 工程船舶舵葉的力學(xué)特性模型Fig. 3 Model of mechanical properties of rudder blades of engineering ships

由圖3 力學(xué)模型，可建立工程船舶的舵葉受力平衡方程如下：

式中：P為舵葉吃水位置的壓力，F(xiàn)x為舵葉在水平軸方向的分力，F(xiàn)y為側(cè)向的分力，F(xiàn)z為豎直方向的分力。

從船舶-船舵的整體力學(xué)特性出發(fā)，建立船舵的轉(zhuǎn)船力矩如下式：

式中：K1為 船舵的升力系數(shù)，kg/m3；vm為舵葉與海水的相對(duì)流動(dòng)速度；A0為 船舵的有效面積；L為船舵重心到oy軸的距離。

2.2 基于3DMax 的工程船舶虛擬仿真系統(tǒng)的模型搭建

工程船舶虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中，三維模型的精度直接決定了受訓(xùn)人員的感官接受程度，模型越貼近現(xiàn)實(shí)，仿真系統(tǒng)的培訓(xùn)效果越好，因此，虛擬仿真系統(tǒng)的三維建模是一項(xiàng)非常重要的環(huán)節(jié)。本文針對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)的三維建模采用的軟件是3D Max，該軟件是AutoDesk 公司開發(fā)的一種建模、渲染、動(dòng)畫軟件，具有非常強(qiáng)的三維設(shè)計(jì)功能[4]。

基于3D Max 軟件的工程船舶仿真訓(xùn)練系統(tǒng)建模采用間接建模法，首先利用圖紙和Tribon 三維模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D Max 中，軟件格式可以為.xt/.step 等。然后在3D Max 軟件中進(jìn)行模型的優(yōu)化和渲染，達(dá)到貼近真實(shí)的建模效果。

圖4 為基于3D Max 軟件的仿真系統(tǒng)建模流程圖。

圖4 基于3D Max 軟件的仿真系統(tǒng)建模流程圖Fig. 4 Flow chart of simulation system modeling based on 3D Max software

2.3 大型工程船舶虛擬仿真系統(tǒng)的模型渲染

模型渲染的功能是提供虛擬仿真系統(tǒng)的真實(shí)性，基于3D Max 軟件的模型渲染主要包括以下幾部分：

1）光影效果渲染

工程船舶虛擬仿真系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景為機(jī)艙和駕駛室，為了提高虛擬場(chǎng)景的真實(shí)性，基于3D Max 軟件對(duì)場(chǎng)景中對(duì)象在光源照射下的表現(xiàn)形式進(jìn)行渲染，不僅能夠仿真常用的模型反射和折射，還能添加動(dòng)態(tài)光源，提高渲染效果。

2）貼圖渲染

由于三維建模的機(jī)艙場(chǎng)景中物體的材質(zhì)和表面細(xì)節(jié)較差，采用貼圖渲染可以表現(xiàn)對(duì)象的細(xì)節(jié)，比如模型的材質(zhì)特性等。基于3D Max 軟件的貼圖渲染可以調(diào)用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)庫(kù)貼圖，也可以從外部導(dǎo)入實(shí)物圖，具有較好的渲染效果[5]。

基于3D Max 軟件的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)三維模型渲染流程如圖5 所示。在對(duì)建立的模型網(wǎng)格化后，選用所使用的材質(zhì)，對(duì)環(huán)境中的光影和陰影進(jìn)行渲染，最后達(dá)到和真實(shí)環(huán)境一致的環(huán)境效果。

圖5 基于3D Max 軟件的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)三維模型渲染流程Fig. 5 Model rendering process of simulation training system based on 3D Max software

本文在工程船虛擬仿真系統(tǒng)的三維建模和渲染時(shí)，將系統(tǒng)模型分為船舶輪廓等大面積模型和機(jī)艙控制臺(tái)、儀表盤等艙內(nèi)設(shè)施模型，圖6 為工程船虛擬仿真系統(tǒng)的艙內(nèi)設(shè)施三維模型示意圖。

圖6 工程船虛擬仿真系統(tǒng)的艙內(nèi)設(shè)施三維模型示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the 3D model of the cabin facilities of the engineering ship virtual simulation system

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維建模/渲染技術(shù)，搭建大型工程船舶的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，從電氣、機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、機(jī)艙設(shè)施的三維建模等方面進(jìn)行展開，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。