基于Creator和Vega的分油機(jī)虛擬操作的實現(xiàn)

逄守文(山東交通學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院， 山東 威海 264200)

基于Creator和Vega的分油機(jī)虛擬操作的實現(xiàn)

逄守文
(山東交通學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院， 山東 威海 264200)

針對實際分油機(jī)操作過程中出現(xiàn)的燃油和電力過度消耗問題及其對分油機(jī)使用壽命的影響，利用三維仿真軟件Creator建模和采用Vega驅(qū)動的方法，建立分油機(jī)虛擬操作系統(tǒng)。在建模設(shè)計中，為提高仿真系統(tǒng)的實時性和逼真性，采用細(xì)節(jié)層次模型(Level Of Detail,LOD)技術(shù)、自由度(Degree Of Freedom,DOF)技術(shù)、Switch節(jié)點技術(shù)及儀表和聲音電模技術(shù)等高級建模技術(shù)。采用MATLAB數(shù)據(jù)擬合技術(shù)得到電流數(shù)學(xué)模型，真實地模擬分油機(jī)工作電流。通過MFC(Microsoft Foundation Classes)和Vega實現(xiàn)虛擬場景的驅(qū)動，給出驅(qū)動框架流程。虛擬操作試驗結(jié)果表明：分油機(jī)虛擬操作系統(tǒng)模型逼真、系統(tǒng)運(yùn)行快、交互操作反應(yīng)靈敏，能模擬真實的分油機(jī)操作過程，起到輔助教學(xué)培訓(xùn)的作用。

船舶工程；分油機(jī)；虛擬；交互；驅(qū)動

船用分油機(jī)是用來凈化燃油和滑油，除去其中的機(jī)械雜質(zhì)和水分，保證船舶主機(jī)、副機(jī)等設(shè)備正常工作，從而保證船舶安全航行的設(shè)備。對于輪機(jī)員而言，正確操作和管理分油機(jī)是必備技能，在日常教學(xué)中應(yīng)加強(qiáng)對輪機(jī)員實際操作分油機(jī)的訓(xùn)練。

分油機(jī)操作訓(xùn)練一般采用理論講解與實機(jī)操作相結(jié)合的方式，但是實機(jī)操作不僅會過度浪費(fèi)燃油和電能，而且頻繁進(jìn)行啟、停操作會降低分油機(jī)的使用壽命。因此，開發(fā)分油機(jī)虛擬操作系統(tǒng)，實現(xiàn)分油機(jī)的軟操作，顯得尤為重要。

虛擬現(xiàn)實是利用計算機(jī)技術(shù)和仿真軟件建立的逼真的虛擬環(huán)境，使用者可與之交互。當(dāng)前國內(nèi)外許多高校和廠家在對虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行研究，并將其轉(zhuǎn)化成了實用的技術(shù)。例如：英國TRANSAS開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的輪機(jī)模擬器，但價格較昂貴；國內(nèi)大連海事大學(xué)以C#作為開發(fā)工具建立了分油機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過PLC實現(xiàn)了分油機(jī)的自動控制，采用SolidWorks建立了分油機(jī)模型，應(yīng)用DirectX3D技術(shù)實現(xiàn)了分油機(jī)的部件信息和零件拆裝工作，但是作為仿真行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的工具軟件,Creator和Vega并未在其中得到廣泛應(yīng)用。

對此，以山東交通學(xué)院動力實驗室的手動控制全部排渣式分油機(jī)為原型，應(yīng)用虛擬仿真軟件Creator和Vega開發(fā)分油機(jī)虛擬操作系統(tǒng)。系統(tǒng)模型與實物保持一致，并實現(xiàn)整個分油機(jī)操作過程的模擬。將該系統(tǒng)應(yīng)用于輪機(jī)專業(yè)學(xué)生教學(xué)培訓(xùn)中，訓(xùn)練學(xué)生掌握分油機(jī)的操作流程。

1 開發(fā)工具介紹

1.1MultigenCreator[1]

Multigen Creator是美國Multigen-Paradigm公司開發(fā)的一個軟件包，擁有針對實時應(yīng)用優(yōu)化的OpenFlight數(shù)據(jù)格式，強(qiáng)大的多邊形建模、矢量建模和大面積地形準(zhǔn)確生成功能，具有多種選項和插件，能高效、最優(yōu)化地生成實時三維數(shù)據(jù)庫，并與實時仿真軟件緊密結(jié)合，在視景仿真、城市仿真、模擬訓(xùn)練、交互式游戲及工程應(yīng)用、科學(xué)可視化等實時仿真領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。

1.2MultigenVega[2]

Multigen Vega是美國Multigen-Paradigm公司的實時仿真軟件編程環(huán)境，用于實時視覺模擬、虛擬現(xiàn)實和普通視覺應(yīng)用。其將先進(jìn)的模擬功能與易用的工具相結(jié)合，對于復(fù)雜的應(yīng)用也能快速、高效地進(jìn)行創(chuàng)建和驅(qū)動。圖形化編程環(huán)境Lynx可擴(kuò)展成各種功能類面板，使用戶不用編程也能快速生成實時仿真環(huán)境。此外，Vega還包括了完整的C語言應(yīng)用程序接口，可為軟件開發(fā)人員提供最大限度的軟件控制和靈活性。

1.3MFC

MFC(Microsoft Foundation Classes)是微軟公司提供的一個類庫，以C++類的形式封裝了大部分Windows API，并包含一個應(yīng)用程序框架，以減少應(yīng)用程序開發(fā)人員的工作量。其中包含的類包含大量Windows句柄封裝類、很多Windows的內(nèi)建控件和組件的封裝類。

2 虛擬操作系統(tǒng)模型的建立

分油機(jī)虛擬操作系統(tǒng)模型包括分油機(jī)本體、電動機(jī)、控制箱、加熱器、供油泵、沉淀油柜、日用油柜、高置水箱及管系等。這些模型可分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩大類，其中：靜態(tài)模型是指在分油機(jī)操作過程中狀態(tài)不發(fā)生變化的模型，只呈現(xiàn)物體外觀形狀；動態(tài)模型是指在分油機(jī)操作過程中可動態(tài)顯示或交互操作的節(jié)點模型，如控制箱上的電流表、運(yùn)行指示燈、啟停按鈕和控制閥等。

2.1靜態(tài)模型的建立

Multigen Creator提供了多邊形和圓形等基本平面幾何體的建模工具[3]，并在變形工具箱中收集了10個幾何體變形工具，可利用該工具箱完成復(fù)雜幾何體的構(gòu)建和平面幾何體到3D模型的轉(zhuǎn)化。為優(yōu)化模型數(shù)據(jù)庫，提高系統(tǒng)顯示的實時性和逼真性，使用顏色、材質(zhì)、紋理和細(xì)節(jié)層次模型(Level Of Detail,LOD)等技術(shù)對整個模型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行優(yōu)化，建成分油機(jī)外觀靜態(tài)模型。

2.2動態(tài)節(jié)點模型的建立

除了平面幾何體建模工具以外，Multigen Creator還提供了自由度(Degree Of Freedom,DOF)技術(shù)、儀表建模技術(shù)、Switch節(jié)點技術(shù)和聲音建模技術(shù)等高級建模技術(shù)。利用這些建模技術(shù)，可實現(xiàn)使用者與場景模型的交互，建立交互式虛擬系統(tǒng)。建成的控制箱和控制閥模型見圖1。

圖1 控制箱和控制閥模型

2.2.1控制閥模型的建立

手動控制排渣分油機(jī)的控制閥用來控制分油機(jī)的工作過程，具有空位、密封、補(bǔ)償和開啟等4個工作位置，每個位置90°，繞固定軸旋轉(zhuǎn)一周。DOF技術(shù)可使模型對象具有活動的能力[4]，DOF節(jié)點可控制其所有子節(jié)點按照設(shè)置的自由度范圍進(jìn)行移動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此控制閥適合用DOF技術(shù)創(chuàng)建。創(chuàng)建步驟為

1) 建立控制閥模型。

2) 建立DOF節(jié)點，命名為“ctrl_valve”，DOF節(jié)點必須以組節(jié)點為父節(jié)點。

3)將控制閥節(jié)點放到DOF節(jié)點下，使其成為DOF子節(jié)點。

4)重新定位局部坐標(biāo)系，使其定位到控制閥的旋轉(zhuǎn)平面。

5)設(shè)置控制閥DOF的屬性，使其繞z軸旋轉(zhuǎn)，步長為90°(見圖2)。

圖2 控制閥DOF屬性設(shè)置窗口

2.2.2運(yùn)行指示燈、啟停按鈕模型的建立

Multigen Creator的OpenFlight 模型數(shù)據(jù)庫提供的節(jié)點(Switch)是一種可以控制其子節(jié)點顯示狀態(tài)的特殊節(jié)點類型[5]，包含一系列的節(jié)點掩碼，每個掩碼都可對應(yīng)一種子節(jié)點的顯示狀態(tài)組合。因此，可使用Switch節(jié)點技術(shù)建立運(yùn)行指示燈和啟停按鈕的模型。以運(yùn)行指示燈為例，其在分油機(jī)啟動后變亮，分油機(jī)停機(jī)后變暗，僅有2種狀態(tài)顯示。在Multigen Creator中建立Switch節(jié)點，命名為“l(fā)amp_r”，在該節(jié)點下建立“燈亮”和“不亮”2種狀態(tài)子節(jié)點模型，分別放置在2個Object節(jié)點下，燈亮用綠色表示，燈不亮用暗色表示。雙擊Switch 節(jié)點，打開屬性設(shè)置對話框(見圖3)，使節(jié)點在Mask lndex 1 狀態(tài)下顯示燈亮的狀態(tài)，在Mask lndex 2狀態(tài)下顯示燈不亮的狀態(tài)。啟停按鈕命名為“btn_start”和“btn_stop”。

圖3 Switch節(jié)點屬性設(shè)置對話框

2.2.3電流表模型的建立

Multigen Creator提供了儀表面板模塊，使用該模塊可完成盤式量表的創(chuàng)建。盤式量表的表盤尺寸、背景、刻度區(qū)域和數(shù)字標(biāo)示等參數(shù)均可在盤式量表設(shè)置窗口中完成。電流表中的指針也繞固定軸旋轉(zhuǎn)，因此也可使用DOF技術(shù)對電流表進(jìn)行建模，命名為“e_pointer”，具體建立過程參照控制閥模型。但這樣只是完成了電流表幾何建模，要使電流表的讀數(shù)能真實反映出分油過程中電流的變化情況，還應(yīng)根據(jù)分油機(jī)廠家提供的啟動電流和轉(zhuǎn)速變化曲線(見圖4)建立電流表的數(shù)學(xué)模型。[6]

圖4 分油機(jī)啟動電流和轉(zhuǎn)速變化曲線

由圖4可知：在分油機(jī)啟動瞬間，電流表讀數(shù)達(dá)到最大；在分油機(jī)加速過程中，電流表讀數(shù)有一次大的波動；當(dāng)分油機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，電流表讀數(shù)會穩(wěn)定在最小值；在分離過程中，電流表讀數(shù)基本不變；在排渣時，電流表讀數(shù)又會出現(xiàn)波動。

為得到分油機(jī)加速過程中啟動電流隨啟動時間的變化曲線函數(shù)方程，可用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以啟動時間的百分比為橫坐標(biāo)、啟動電流的百分比為縱坐標(biāo)把圖中的數(shù)據(jù)量化；若用五次方程擬合，則取點時一定要大于5個點。這里取10個點，取點數(shù)據(jù)見表1。

表1 分油機(jī)啟動電流量化數(shù)據(jù)取點表

使用MATLAB的Polyfit命令可得到擬合多項式

y=0.000 1x5-0.001x4+0.008 6x3+0.252 3x2+

2.326 3x+154.558 8

(1)

擬合得到的啟動電流圖形見圖5。

2.2.4虛擬聲音建模

為增強(qiáng)仿真效果，提高虛擬操作的真實性，Multigen Creator提供了聲音建模技術(shù)，即向模型數(shù)據(jù)庫中添加可驅(qū)動音頻的聲音節(jié)點。Multigen Creator的每個模型庫都有聲音調(diào)板，要添加到模型上的音頻文件必須先加載到聲音調(diào)板中。Multigen Creator支

圖5 啟動電流擬合曲線

持的音頻文件型包括：wav格式的波形文件和mid格式、rmi格式的MIDI文件。音頻文件在動力實驗室分油機(jī)操作時現(xiàn)場采集得到，保存為wav文件，包括分油機(jī)加速聲sep_acc.wav，分油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)聲sep_sta.wav和分油機(jī)停機(jī)減速聲sep_dec.wav。

指定父節(jié)點，點擊聲音節(jié)點創(chuàng)建按鈕即可在當(dāng)前節(jié)點下創(chuàng)建聲音節(jié)點，分別命名為“sound_acc”“sound_sta”和“sound_dec”，聲音調(diào)板中的音頻文件即可自動賦予該聲音節(jié)點。新建的聲音節(jié)點位置默認(rèn)在坐標(biāo)原點，使用Position命令可將其定位到合適的位置。通過設(shè)置聲音節(jié)點Priority的物理屬性，可設(shè)置分油機(jī)3個聲音節(jié)點的播放順序。

3 虛擬操作系統(tǒng)的驅(qū)動

3.1基于MFC的Vega程序框架

要實現(xiàn)Vega對虛擬場景的驅(qū)動，應(yīng)調(diào)用圖形式界面環(huán)境Lynx，在不編寫代碼的前提下便捷地改變應(yīng)用程序的性能，如顯示通道、多CPU分配、視點、觀察者、系統(tǒng)配置、模型和數(shù)據(jù)庫等，生成ADF文件，然后由Vega調(diào)用ADF文件實現(xiàn)虛擬交互操作。

Vega有基于Win32的控制臺程序、基于Windows的應(yīng)用程序和基于MFC的應(yīng)用程序等3種開發(fā)環(huán)境。[7]與另外2種應(yīng)用程序相比，基于MFC的應(yīng)用程序在應(yīng)用程序窗口管理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和減少編程的工作量方面更具優(yōu)勢，因此選擇基于MFC的應(yīng)用程序。通過vgInitWinSys()函數(shù)初始化系統(tǒng)，創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)；通過vgDefineSys()函數(shù)需要的事件和類定義系統(tǒng)；最后調(diào)用vgConfigSys()函數(shù)完成系統(tǒng)配置。Vega循環(huán)還需調(diào)用vgSyncFrame()函數(shù)和vgFrame ()函數(shù)刷新幀循環(huán)。

MFC提供了強(qiáng)大的AppWizard進(jìn)行程序設(shè)計，先新建zsVegaView類，為其添加成員函數(shù)runVega()，開啟Vega渲染線程和一些基本配置，主要代碼為：

void zsVegaView::runVega( void )

{ vegaThread =

afxBeginThread( runVegaApp, this );

window = vgGetWin( 0 );

channel = vgGetChan( 0 );

observer = vgGetObserv( 0 );

scene = vgGetScene( 0 );

vgProp(window, VGWIN_WINBORDER, 0 );

}

在runVegaApp()中完成配置三部曲和幀循環(huán)。

3.2分油機(jī)控制箱和控制閥驅(qū)動的實現(xiàn)

要實現(xiàn)對控制箱上電流表、運(yùn)行指示燈、啟動按鈕、停止按鈕和控制閥的驅(qū)動，首先應(yīng)該在Vega程序中定義相應(yīng)類型的變量[8]，主要代碼為：

vgPart *elec_pointer;

pfSwitch *lamp_run;

pfSwitch *button_start;

pfSwitch *button_stop;

vgPart *control_valve;

然后對變量初始化，在程序進(jìn)入主循環(huán)之前進(jìn)行，主要代碼為：

elec_pointer = vgFindPart(obj,”e_pointer”,NULL);

lamp_run = findSwitchInObject(obj,”lamp_r”);

button_start = findSwitchInObject(obj,”btn_start”);

button_stop = findSwitchInObject(obj,”btn_stop”);

control_valve = vgFindPart(obj,”ctrl_valve”,NULL);

最后添加鼠標(biāo)左鍵響應(yīng)函數(shù)OnLButtonDown，判斷按鈕或控制閥的狀態(tài)，完成電流表模型的計算，獲取電流表指針的數(shù)據(jù)，根據(jù)計算結(jié)果在while主循環(huán)中實現(xiàn)動作。[9-10]

程序執(zhí)行流程見圖6。

圖6 程序執(zhí)行流程圖

4 虛擬操作試驗驗證

分油機(jī)啟動前的工作全部完成之后，點擊“啟動”按鈕，運(yùn)行燈變亮，電流表指針指向最高，此時播放分油機(jī)加速的聲音文件，說明分油機(jī)已按預(yù)期啟動，電流表的讀數(shù)逐漸下降反映出分油機(jī)的轉(zhuǎn)速正在逐漸升高。當(dāng)電流表讀數(shù)降至最低點時，分油機(jī)達(dá)到了額定轉(zhuǎn)速，此時播放分油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音文件，進(jìn)行正常的分油作業(yè)。當(dāng)分油結(jié)束時，點擊“停止”按鈕，此時電流表讀數(shù)變?yōu)榱悖シ欧钟蜋C(jī)停機(jī)的聲音文件，直至結(jié)束。試驗結(jié)果表明：虛擬分油機(jī)操作系統(tǒng)可模擬實際分油機(jī)的工作過程，達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)束語

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于輪機(jī)工程專業(yè)教學(xué)培訓(xùn)中，應(yīng)用虛擬仿真建模軟件Creator和視景驅(qū)動軟件Vega開發(fā)了分油機(jī)虛擬操作系統(tǒng)。系統(tǒng)模型采用Openflight模型數(shù)據(jù)庫優(yōu)化數(shù)據(jù)格式，畫面逼真、立體感強(qiáng)、反應(yīng)靈敏，且具有良好的聽覺體驗和沉浸感，與利用3DMAX軟件開發(fā)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)相比交互性更強(qiáng)。輪機(jī)學(xué)員可通過該系統(tǒng)全面了解分油機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作管理要點，通過虛擬系統(tǒng)操作訓(xùn)練減少分油機(jī)實機(jī)的操作次數(shù)，提高分油機(jī)實操過程的經(jīng)濟(jì)性，延長設(shè)備使用壽命。目前該系統(tǒng)已用于本科在校生的評估訓(xùn)練操作中，取得了較好的效果，提高了教學(xué)培訓(xùn)的質(zhì)量，同時也能滿足《STCW公約馬尼拉修正案》對航海電化教育的要求。

[1] 王乘,周均清,李利軍.Creator可視化仿真建模技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2005:9-10.

[2] 王乘,李利軍,周均清，等.Vega實時三維視景仿真技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2005:1-2.

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[4] 王延紅,楊平利,仇小鵬，等.仿真建模軟件Creator的應(yīng)用技術(shù)[J].計算機(jī)仿真,2005,22(7)：179-181.

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[8] 莫衛(wèi)國,胡飛.基于Vega的視景仿真系統(tǒng)中的人機(jī)交互技術(shù)[J].計算機(jī)仿真,2007,24(10):177-187.

[9] 彭國均, 翁躍宗. 三維仿真技術(shù)在航標(biāo)管理中的應(yīng)用研究[J].中國航海，2007,73(4):17-23.

[10] 童小念, 羅鐵祥, 藍(lán)慶青. 在視景仿真系統(tǒng)中定制人機(jī)交互功能[J].深圳大學(xué)學(xué)報理工版，2008,25(1)：88-91.

RealizationofVirtualOilSeparatorOperationwithCreatorandVega

PANGShouwen
(Marine College, Shandong Jiaotong University, Weihai 264200, China)

With the aim for avoiding actual separation operation of oil separator for training, which consumes fuel and power and shorten service life of equipment, a virtual oil separator system is built, by means of the Creator modeling and the Vega driving. In order to improve the reality of the system, the technologies of Level Of Detail(LOD), Degree Of Freedom(DOF), Switch, instruments and sounds are used to build system models. To simulate working flow, the MATLAB data fitting technique is used. Tests prove that the virtual oil separator system can simulate the actual operation process and suitable for teaching and training.

ship engineering; oil separator; virtual; interaction; driving

2015-05-19

山東交通學(xué)院校科研基金(Z201101)

逄守文(1980—), 男, 山東威海人, 講師, 碩士, 從事輪機(jī)工程管理研究。E-mail: shwpang@126.com

1000-4653(2015)03-0029-04

TP391.9

A