大型工程船舶虛擬仿真訓練系統

李 卓

(武漢船舶職業技術學院，湖北 武漢 430050)

0 引 言

大型工程船舶由于噸位大、功能復雜，對船舶操作人員的要求很高，采用實船操作培訓不僅培訓周期長，而且成本很高，因此，目前船舶領域采用模擬器的形式進行船員培訓。傳統的船員培訓模擬器以二維模擬軟件或半物理仿真為主，受訓人員的人機交互性差，無法實現對船舶機艙等操作環境的真實模擬，培訓效果一般[1]。隨著計算機技術的不斷發展，新興的虛擬現實技術、網絡技術被大量的應用于船舶仿真培訓中，基于虛擬現實技術的良好交互性，受訓人員可以獲得更好的培訓體驗和效果，浸入式進行工程船舶的操作模擬。

本文開發一種大型工程船舶的虛擬仿真訓練系統，介紹整體設計方案、電氣設備的數學建模、仿真系統的模型搭建和三維渲染等關鍵技術環節。

1 大型工程船舶虛擬仿真輔助訓練系統整體設計

為了滿足大型工程船舶操作人員的培訓需求，船舶虛擬仿真輔助系統開發需要滿足以下幾點：

1）空間布局要求

針對船舶操作人員的駕駛室培訓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、動力系統類型等因素相關，因此，在搭建虛擬仿真輔助訓練系統時，需要綜合考慮駕駛室中儀器、儀表、控制臺、顯示器等硬件的空間需求，一方面使虛擬訓練系統的空間特性與實際盡量相符，另一方面使受訓人員便于觀察和操作。

2）視野設計要求

工程船舶的培訓目標是操作人員能夠安全、熟練地駕駛船舶，并完成常規的作業任務。因此，虛擬仿真訓練系統需要具有良好的視野設計，比如駕駛室的前視窗等。

3）環境因素設計

為了盡可能地模擬現實中大型工程船舶的操作環境，虛擬仿真訓練系統的工作環境需要充分考慮實際船舶的不利條件，比如海浪造成的船舶晃動是重要的環境因素，受訓人員需要具有在晃動條件下還能正常執行操作任務的能力。此外，船舶機艙的振動、噪聲、光照條件等因素在虛擬仿真訓練系統開發時也需要考慮。

4）可達性設計要求

可達性是指受訓人員在培訓過程中，身體范圍內能夠達到的儀表和儀器，比如船舶駕駛過程中的操舵儀、各類控制按鈕等[2]。

5）安全性設計要求

安全性設計主要針對實際船舶駕駛過程中的危險因素進行設計，比如駕駛室環境中硬件故障導致的船舶危險和火災等事故造成的危險因素。

本文結合計算機和互聯網技術，進行船舶虛擬仿真訓練系統的開發，系統包括操縱計算機、模型處理計算機、虛擬場景計算機、服務器、傳感器等。圖1為大型工程船舶虛擬仿真訓練系統的原理，其中，受訓人員的操作通過三維模型以及圖像處理技術轉換為傳感器信號，這些傳感器信號通過一系列的信號處理后輸送到操縱計算機和模擬處理計算機，虛擬場景計算機則負責對場景進行模擬和計算，使得受訓人員能夠更加真實地感受船舶駕駛過程。

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

2 船舶虛擬仿真訓練系統的開發

2.1 工程船舶虛擬仿真系統的電氣、機械系統模型搭建

大型工程船舶由于功能復雜，其電氣、機械系統的操作具有一定的難度，因此，在搭建工程船舶虛擬仿真訓練系統時，需要針對電氣和機械系統進行詳細的數學建模。

電氣的建模需要充分考慮以下要求：

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

2）通過建模，在仿真系統中實現電氣系統的響應特性機制，受訓人員發出控制指令后，虛擬仿真系統的電氣元件能夠做出對應的響應；

3）仿真系統的輸入和輸出接口與實船電氣系統的接口一致，提高系統的仿真程度。

大型工程船舶電氣系統的建模流程如圖2 所示。

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

電氣系統的數學建模過程如下：

1）閥類組件建模

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

式中：cd為液壓在閥類組件管道中的壓力損失系數，T1為 閥工作的溫度系數，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[3]，按照下式計算：

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）船舵數學建模

工程船的船舵是重要的轉向控制部件，為了能夠有效地進行船舵數學建模，首先建立工程船舶舵葉的力學特性模型，如圖3 所示。

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

由圖3 力學模型，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，Fx為舵葉在水平軸方向的分力，Fy為側向的分力，Fz為豎直方向的分力。

從船舶-船舵的整體力學特性出發，建立船舵的轉船力矩如下式：

式中：K1為 船舵的升力系數，kg/m3；vm為舵葉與海水的相對流動速度；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的模型搭建

工程船舶虛擬仿真訓練系統中，三維模型的精度直接決定了受訓人員的感官接受程度，模型越貼近現實，仿真系統的培訓效果越好，因此，虛擬仿真系統的三維建模是一項非常重要的環節。本文針對虛擬仿真系統的三維建模采用的軟件是3D Max，該軟件是AutoDesk 公司開發的一種建模、渲染、動畫軟件，具有非常強的三維設計功能[4]。

基于3D Max 軟件的工程船舶仿真訓練系統建模采用間接建模法，首先利用圖紙和Tribon 三維模型進行格式轉換，將數據導入3D Max 中，軟件格式可以為.xt/.step 等。然后在3D Max 軟件中進行模型的優化和渲染，達到貼近真實的建模效果。

圖4 為基于3D Max 軟件的仿真系統建模流程圖。

圖4 基于3D Max 軟件的仿真系統建模流程圖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的模型渲染

模型渲染的功能是提供虛擬仿真系統的真實性，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的虛擬場景為機艙和駕駛室，為了提高虛擬場景的真實性，基于3D Max 軟件對場景中對象在光源照射下的表現形式進行渲染，不僅能夠仿真常用的模型反射和折射，還能添加動態光源，提高渲染效果。

2）貼圖渲染

由于三維建模的機艙場景中物體的材質和表面細節較差，采用貼圖渲染可以表現對象的細節，比如模型的材質特性等。基于3D Max 軟件的貼圖渲染可以調用現成的數據庫貼圖，也可以從外部導入實物圖，具有較好的渲染效果[5]。

基于3D Max 軟件的仿真訓練系統三維模型渲染流程如圖5 所示。在對建立的模型網格化后，選用所使用的材質，對環境中的光影和陰影進行渲染，最后達到和真實環境一致的環境效果。

圖5 基于3D Max 軟件的仿真訓練系統三維模型渲染流程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的三維建模和渲染時，將系統模型分為船舶輪廓等大面積模型和機艙控制臺、儀表盤等艙內設施模型，圖6 為工程船虛擬仿真系統的艙內設施三維模型示意圖。

圖6 工程船虛擬仿真系統的艙內設施三維模型示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the 3D model of the cabin facilities of the engineering ship virtual simulation system

3 結 語

本文基于虛擬現實技術和三維建模/渲染技術，搭建大型工程船舶的虛擬仿真訓練系統，從電氣、機械系統的數學建模、機艙設施的三維建模等方面進行展開，具有一定的實際應用價值。