適合多種顯示設(shè)備的輪機模擬器GUI縮放技術(shù)

唐元元, 張均東, 賈寶柱, 姜瑞政, 于長宏

(1.大連海事大學(xué) 輪機工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026； 2.大連船舶重工集團有限公司, 遼寧 大連 116028)

隨著計算機及電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，智能終端設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)和學(xué)員培訓(xùn)等領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。用來進行船員培訓(xùn)及評估的輪機模擬器隨著船舶的更新?lián)Q代而不斷出現(xiàn)新的產(chǎn)品。為適應(yīng)當(dāng)前的培訓(xùn)需求，會將輪機模擬器二維培訓(xùn)軟件在臺式計算機顯示器、LG 4K電視、Surface及工控電腦等主要設(shè)備上運行。以Windows Form為顯示框架的輪機模擬器受不同顯示設(shè)備的分辨率不統(tǒng)一的限制，無法通用。對此，須針對特定的顯示設(shè)備重新開發(fā)圖形用戶接口(Graphical User Interface,GUI)。輪機模擬器包含的子系統(tǒng)數(shù)量巨大、設(shè)備邏輯復(fù)雜，重復(fù)開發(fā)會顯著增加輪機模擬器研發(fā)人員的開發(fā)成本、維護成本和升級成本。在對當(dāng)前主流的顯示方案及WPF(Windows Presentation Foundation)顯示技術(shù)進行研究的基礎(chǔ)上，認為基于WPF顯示框架的輪機模擬器GUI開發(fā)可有效解決上述問題。

輪機模擬器在船員培訓(xùn)中具有重要作用，國際公約和我國法規(guī)均有相關(guān)規(guī)定。[1]當(dāng)前已有許多研究人員對輪機模擬器及其子系統(tǒng)進行研究。LASKOWSKI等[2]使用Konsberg Neptune MC90-IV型全任務(wù)輪機模擬器分析具有不同百分比的水乳化燃油(Fuel-Water Emulsion)對柴油機有害物質(zhì)排放和柴油機經(jīng)濟性的影響，并說明輪機模擬器在學(xué)員培訓(xùn)上的可行性。甘輝兵等[3]針對國內(nèi)超大型油船(Very Large Crude Carrier,VLCC)輪機模擬器缺乏貨油透平仿真系統(tǒng)的現(xiàn)狀，基于Windows Form應(yīng)用程序,采用機理建模與實船操作仿真相結(jié)合的混合仿真技術(shù)，建立典型的VLCC船舶貨油透平仿真系統(tǒng)。SHANG[4]開發(fā)輪機系統(tǒng)中的造水機3D模型和數(shù)學(xué)模型，使用VC++ 6.0開發(fā)數(shù)據(jù)接口。曹輝等[5]采用模糊綜合評判方法并結(jié)合主觀權(quán)重因素開發(fā)輪機模擬器船員適任評估系統(tǒng),該系統(tǒng)可實現(xiàn)評估大綱中關(guān)于既定項目和情景自定義項目的評估考核，降低評估員的主觀判斷對結(jié)果的影響，改善評估的客觀性。這些研究豐富了輪機模擬器的子系統(tǒng)，改善了輪機模擬器的性能，但未對如何減少重復(fù)開發(fā)并適用于多種終端設(shè)備的問題進行研究。WPF顯示框架的推出和不斷改進得到了許多軟件開發(fā)人員的關(guān)注。KOZMINSKI[6]對WPF技術(shù)的原理進行介紹并說明使用WPF框架創(chuàng)建測試操作接口的優(yōu)越性。MITSOPOULOS等[7]使用C#語言和WPF框架開發(fā)一套火災(zāi)管理軟件。WANG等[8]采用WPF技術(shù)開發(fā)一套Mini OA系統(tǒng)。PAN等[9]基于WPF開發(fā)一套可縮放GUIAC(Graphics User Interface Architecture for Open Computer Numerical Control)應(yīng)用。李方芳等[10]基于WPF技術(shù)開發(fā)一套應(yīng)用于飛行模擬器中的通用可配置式教員控制臺軟件引擎。

這里在分析計算機主要顯示方案及輪機模擬器的顯示需求的基礎(chǔ)上，提出通過顯示縮放方式滿足適應(yīng)多種分辨率顯示設(shè)備的要求。在對WPF顯示框架進行研究的基礎(chǔ)上，以WPF顯示框架為基礎(chǔ)開發(fā)輪機模擬器顯示框架和應(yīng)用于VLCC上的輪機系統(tǒng)控件庫。

1 新型平臺及GUI設(shè)計方案

1.1 新型平臺結(jié)構(gòu)

輪機模擬器與其他培訓(xùn)模擬器類似，利用計算機軟件和真實機艙實物等,以半實物仿真的形式再現(xiàn)輪機系統(tǒng)原理、輪機虛擬場景，提高船員對輪機原理的理解，縮短船員的實船實習(xí)周期。[11]輪機模擬系統(tǒng)的功能主要包括系統(tǒng)模擬、學(xué)員考評、故障分析、場景回放和教練員指導(dǎo)等，并集成重要設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)操作培訓(xùn)和機艙監(jiān)控與報警系統(tǒng)。輪機模擬器既有通用型輪機模擬器，也有針對特定母型船的分船型輪機模擬器，如VLCC型輪機模擬器、海洋石油支持船輪機模擬器及液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)船輪機模擬器等。[12]為滿足數(shù)學(xué)模型精細化、培訓(xùn)形式多樣化和仿真功能全面化等方面的需求，新型輪機模擬器系統(tǒng)以模塊化的形式分離。分離型輪機仿真平臺可減少各模塊的耦合，提高分工協(xié)作的效率。[13]

分離型輪機模擬器采用總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(見圖1)。當(dāng)前的輪機模擬器培訓(xùn)系統(tǒng)包含多套二維交互系統(tǒng)和三維交互系統(tǒng)、1套硬件交互系統(tǒng)及1套仿真平臺。當(dāng)進行協(xié)同培訓(xùn)時，各交互系統(tǒng)的交互信息需發(fā)送至仿真平臺，經(jīng)仿真平臺運算后同步給在網(wǎng)的所有其他交互系統(tǒng)，達到狀態(tài)同步的目的。當(dāng)前系統(tǒng)同步機制采用局域網(wǎng)組播技術(shù)，交互系統(tǒng)采用輪詢查詢的方式保持同步。

1.2 GUI設(shè)計方案

根據(jù)輪機模擬器二維培訓(xùn)軟件的運行特點及輪機培訓(xùn)軟件的行業(yè)習(xí)慣，輪機模擬器軟件被劃分為頂部功能區(qū)、輪機系統(tǒng)視圖區(qū)和底部功能區(qū)等3大區(qū)域(見圖2)。功能區(qū)包含常用的功能按鈕(如系統(tǒng)啟動、停止及狀態(tài)保存)、其他功能的跳轉(zhuǎn)按鈕(如監(jiān)測報警系統(tǒng)按鈕、系統(tǒng)設(shè)置按鈕)及信息顯示區(qū)域(如閥件信息說明、報警指示等)。輪機系統(tǒng)視圖區(qū)是最復(fù)雜的區(qū)域，承載著所有的輪機系統(tǒng)，并包含更深層次的監(jiān)控軟件GUI邏輯和設(shè)備控制系統(tǒng)GUI邏輯等。為避免重復(fù)開發(fā)和方便使用，設(shè)計的輪機模擬器GUI應(yīng)滿足以下2點要求：

1) 承載輪機系統(tǒng)的窗體能適應(yīng)多種分辨率的顯示設(shè)備。

2) 輪機系統(tǒng)視圖區(qū)能局部放大，對超出窗口的區(qū)域進行裁剪。

傳統(tǒng)的Windows Form顯示框架和基于分辨率無關(guān)的顯示均不能直接滿足以上要求。基于WPF的顯示系統(tǒng)包裝元素布局和渲染變換,采用新的布局系統(tǒng)和已包裝的變換過程，可為程序員處理GUI邏輯及元素變換節(jié)省很多時間和精力。這樣，在基于WPF的顯示框架上，為滿足設(shè)計要求，將窗體作為一級變換層，將輪機系統(tǒng)視圖區(qū)作為二級變換層。采用這種設(shè)計方式可確保一級變換層的變換均可應(yīng)用到二級變換層，而二級變換層的變換不會影響一級變換層;同時,符合用戶的邏輯和使用習(xí)慣。

2 GUI開發(fā)

2.1 系統(tǒng)框架開發(fā)

桌面應(yīng)用程序以窗體為單位。1個應(yīng)用程序?qū)?yīng)1個主窗體，定義應(yīng)用程序的可視化邊界。為準確描述GUI的開發(fā)結(jié)構(gòu)，將輪機模擬器的整個GUI結(jié)構(gòu)拆解為多個功能小塊進行描述。根據(jù)輪機模擬器的布局設(shè)計方案，GUI的功能劃分見圖3。主窗體承載輪機模擬器的輪機模擬圖系統(tǒng)和輪機監(jiān)測與報警系統(tǒng)2大子系統(tǒng)。主窗體內(nèi)的承載容器處理其內(nèi)部可視化元素的縮放，實現(xiàn)輪機模擬器整體的自由縮放和多分辨率的適應(yīng)。模擬圖系統(tǒng)包含功能區(qū)、容器及其他顯示區(qū)域,其中容器用于承載模擬器所有的輪機子系統(tǒng)，并負責(zé)處理其承載內(nèi)容的縮放，實現(xiàn)輪機系統(tǒng)視圖區(qū)的局部縮放。

輪機模擬器的主窗體和縮放處理為整個系統(tǒng)的框架，內(nèi)容由全船輪機系統(tǒng)的模擬圖填充。輪機系統(tǒng)模擬圖需從WPF提供的可視化元素中繼承,以獲得WPF顯示框架的支持。船舶輪機系統(tǒng)眾多，其中輪機子系統(tǒng)模擬圖就多達150幅左右，包括船舶電站、主推進系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)及消防系統(tǒng)等。為降低輪機模擬器系統(tǒng)框架與各輪機系統(tǒng)之間的耦合度，需對其進行隔離。

該輪機模擬器采用子系統(tǒng)文件即時加載機制實現(xiàn)系統(tǒng)框架與模擬圖子系統(tǒng)的隔離(見圖4)。此外,該機制能極大地降低輪機模擬器運行時對計算機配置的要求，為輪機模擬器在研發(fā)階段進行單系統(tǒng)調(diào)試、多系統(tǒng)調(diào)試和全船輪機系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試提供方便。

系統(tǒng)框架在輪機模擬器啟動之后一直存在,而MIMIC系統(tǒng)并不存在。主窗體中具有導(dǎo)航按鈕，當(dāng)用戶需要時，系統(tǒng)框架通過文件即時加載方式創(chuàng)建子系統(tǒng)對象并導(dǎo)航到特定的輪機子系統(tǒng)中。通過對文件加載方法進行處理，可確保系統(tǒng)框架與MIMIC系統(tǒng)完全隔離，具體的導(dǎo)航結(jié)構(gòu)見圖5。導(dǎo)航系統(tǒng)中的每個按鈕對應(yīng)1個PageInfo對象。根據(jù)面向?qū)ο缶幊痰乃枷耄總€PageInfo對象代表1個MIMIC子系統(tǒng)并負責(zé)記錄該系統(tǒng)的相關(guān)標識，如序號ID及系統(tǒng)ID等。PageInfo中的MIMIC ID標識用于確定特定的MIMIC子系統(tǒng)，通過文件加載的方式實現(xiàn)。文件加載方式還負責(zé)子系統(tǒng)生命周期管理、子系統(tǒng)丟失處理及向其他相關(guān)系統(tǒng)發(fā)出加載通知。

為實現(xiàn)子系統(tǒng)的縮放和管理，輪機子系統(tǒng)需在WPF提供的Page類的基礎(chǔ)上作進一步的開發(fā)和處理(見圖6)。ICommon接口負責(zé)實現(xiàn)子系統(tǒng)刷新和語言切換等功能。MimicBase類從Page類繼承并實現(xiàn)ICommon接口，作為輪機子系統(tǒng)的實現(xiàn)基類。此外,MimicBase類還提供文件即時加載方式，以滿足圖4中MIMIC的進一步嵌套。這種模式適于輪機模擬器中的主機遙控系統(tǒng)等有多重嵌套需求的GUI開發(fā)。既可直接從MimicBase繼承實現(xiàn)子系統(tǒng)開發(fā),也可在對MimicBase作進一步擴展后再實現(xiàn)子系統(tǒng)開發(fā)，這主要是由于輪機子系統(tǒng)過于龐大。目前輪機模擬器中的主機主操縱面板(Main Operation Panel)就使用該種方式開發(fā)。

2.2 控件庫框架開發(fā)

以上實現(xiàn)的只是輪機模擬器的GUI框架。制作輪機子系統(tǒng)GUI，控件庫是其中非常重要的一部分。船舶機艙設(shè)備及控制元器件各不相同，基于母型船設(shè)計的輪機模擬器的器件繁多,許多器件雖然外觀不同，但功能相同。控件通常用于人機交互,對控件的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)進行良好的規(guī)劃可減少開發(fā)時間、方便維護管理。在WPF顯示框架的基礎(chǔ)上，按照系統(tǒng)交互需求對WPF提供的基礎(chǔ)類型進行擴展。

按照面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法和輪機系統(tǒng)中元器件的特點，擴展的類型從功能上主要分為具有復(fù)雜外觀變換邏輯的裝飾類、具有復(fù)雜可視化外觀的交互類和具有復(fù)雜邏輯的交互類等3類。所有擴展類型均需獲得FrameworkElement及其子類的特性支持。為便于人機交互，具有交互能力的元器件對應(yīng)的交互類需實現(xiàn)IManipulate接口，該接口定義交互點的ID及對應(yīng)的字段值信息。為此，控件庫中定義實現(xiàn)IManipulate接口的ExFrameworkElement和ExContentControl類，與FrameworkElement類一起構(gòu)成輪機模擬器控件庫的基礎(chǔ)擴展框架。輪機系統(tǒng)中元器件分為燈、按鈕、旋鈕、斷路器、車鐘、閥、泵、管道和儀表等類型，構(gòu)成主體擴展類。主體擴展類從基礎(chǔ)擴展類繼承，并根據(jù)對象特征定義相應(yīng)的屬性(見圖7)。輪機模擬器中的通用型控件從主體擴展類繼承，特殊類型的控件從基礎(chǔ)擴展類繼承。

3 演示示例

演示示例使用的是實驗室新開發(fā)的VLCC型輪機模擬器，該系統(tǒng)現(xiàn)已交付給國內(nèi)某大學(xué)進行船員培訓(xùn)使用。新型輪機模擬器中的GUI完全采用WPF提供的基礎(chǔ)框架和實驗室自主研發(fā)的適用于輪機專業(yè)的擴展框架建立。開發(fā)的輪機模擬器可自動適應(yīng)顯示器的分辨率和屏幕尺寸,且模擬圖區(qū)域可自由縮放，實現(xiàn)同一套輪機模擬器運行于不同顯示設(shè)備的方案。

圖8中演示的是新型輪機模擬器的多分辨率適應(yīng)能力，并與采用Windows Form開發(fā)的輪機模擬器相對比,顯示的是該實驗室的2臺輪機模擬器測試用顯示器，其中:較大的顯示器為LG 65UF8580型65寸4K智能液晶電視，外加紅外觸控功能;較小的顯示器為AOC U2868PQU型28寸顯示器，顯示的是VLCC型輪機模擬器的主機燃油供給系統(tǒng)。2臺顯示器連接在同一臺計算機上，其中LG智能電視當(dāng)前的顯示分辨率為3 840×2 160，AOC顯示器當(dāng)前的顯示分辨率為1 920×1 080。從圖8中可明顯看出，由于該套輪機模擬器的設(shè)計分辨率為1 920×1 080，因此只能在AOC顯示器中占滿整個屏幕，在LG 4K電視中仍只能使用1 920×1 080的像素，不能充分利用4K顯示器的高清分辨率。若要充分利用4K高清顯示,須重新開發(fā)輪機模擬器的交互界面。從圖8b)中可看出，運行的輪機模擬器可在同一臺計算機搭載的3 840×2 160像素的LG 4K電視和1 920×1 080像素的AOC顯示器中呈現(xiàn)不同的分辨率并占滿屏幕。在LG 4K電視中，輪機模擬器的GUI交互界面充分利用4K高清顯示器的性能，GUI以更多的像素渲染自身，GUI呈現(xiàn)更加細膩、豐富。通過應(yīng)用該技術(shù)，開發(fā)的輪機模擬器可適用于不同分辨率的顯示器，減少輪機模擬器的開發(fā)工作量，為以后系統(tǒng)的維護和升級提供便利。

圖9為新型輪機模擬器的輪機系統(tǒng)視圖區(qū)的局部放大能力。當(dāng)輪機模擬器運行于尺寸較小的顯示器時,可通過放大局部區(qū)域，方便使用者操作。圖9中的輪機模擬器在微軟Surface Pro3平板電腦上運行，屏幕尺寸為12英寸，分辨率為2 160×1 440。由圖9可知，在不改變輪機模擬器應(yīng)用程序的Window尺寸的情況下，輪機系統(tǒng)視圖區(qū)被放大。圖9中的高溫淡水泵及泵前壓力表清晰可見。在Window尺寸較小的情況下，通過拖曳輪機系統(tǒng)視圖區(qū)，可在放大的情況下逐步操作所有設(shè)備。

4 結(jié)束語

為使輪機模擬器適用于多種分辨率和尺寸的顯示設(shè)備，對當(dāng)前主流的計算機顯示方式和軟件設(shè)計技術(shù)進行研究。通過縮放輪機模擬器的整個Window得到使輪機模擬器適用于多種分辨率的顯示設(shè)備的方案，通過縮放輪機模擬器的局部區(qū)域，方便輪機模擬器在小尺寸顯示設(shè)備中操作。基于WPF的顯示框架實現(xiàn)輪機模擬器的無級自由縮放。在WPF顯示框架的基礎(chǔ)上開發(fā)適用于輪機模擬器的控件框架和控件庫，開發(fā)輪機模擬器所有系統(tǒng)的GUI交互界面。實踐應(yīng)用結(jié)果表明：基于WPF的無級縮放技術(shù)可實現(xiàn)1套輪機模擬器運行于多種分辨率顯示器。WPF中提供的模板與樣式系統(tǒng)的使用可提高GUI開發(fā)的效率。文件即時加載機制可減少輪機子系統(tǒng)之間的耦合度。在高分辨率的顯示器中，輪機模擬器中的GUI顯示更為細膩。在小尺寸的顯示器中，通過縮放輪機模擬器的系統(tǒng)視圖區(qū),可方便用戶操作。新型輪機模擬器在如何適用多種分辨率顯示器的問題上得到了良好的解決方案。

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