船舶轮机仿真器引入虚拟现实技术分析

船舶轮机仿真器引入虚拟现实技术分析

王国生

黑龙江省航道局

摘要:随着国家在科学领域中不断尝试着各种研究与突破，越来越多先进的科学技术出现在人们的眼前，而且很多行业将这些先进的科学技术手段应用在自身的生产与建设中个，大大的提高了生产效率和质量，为国家整体的发展与建设贡献了不容小觑的力量。近年来，虚拟现实技术不断被人们重视起来，并凭借信息化时代的潮流步伐，涉及了大范围的行业领域，船舶行业就是其中之一。本篇文章就船舶轮机仿真器引入虚拟现实技术方面的内容进行论述，并提出一些个人观点，希望对国家船舶事业的发展贡献一点力量。

关键词：虚拟现实；船舶轮机；仿真器；动态视景

船舶轮机仿真器是船舶行业发展过程中重要的组成部分之一，其工作原理主要是对船舶和船舶运行过程中周围视景之间的相对运动进行仿真工作，并将仿真内容准确的传送到相关设备，如计算机、模拟器等，以便相关的工作人员观察。随着虚拟现实技术的出现，船舶行业根据发展需要，将这项技术与船舶轮机仿真器相结合，并在此基础上，希望能完善两者之间的运作关系，使两者在结合运用的过程中，发挥出最大的价值。但是，船舶轮机仿真器和虚拟现实技术在实际的运用过程中，都需要由专业的团队进行操作，同时操作手段也比较繁琐，因此加强船舶轮机仿真器引入虚拟现实技术的研究，成为相关研究人员重要的工作内容。

一、虚拟现实技术

虚拟现实技术属于多项技术的结合体，如媒体技术、人机对接技术以及仿真技术等都包含其中，更是在计算机技术基础上创立的新兴技术。这项技术的特点主要是以计算机为主体，然后通过大量数据生成视觉、听觉以及触觉等集于一体真实的虚拟环境，让工作人员在虚拟环境下，进行相关的工作实验与研究。用户使用必要的特定设备，例如:数据衣、数据手套、数据鞋、立体头盔和立体眼镜等，就可以自然地与虚拟环境中的客体进行交互并相互影响，从而产生身临现场的感受和体验。虚拟现实系统或环境是由图象识别与产生系统；声音识别与产生系统；触感识别与产生系统；网络通讯系统以及各种人工智能系统、传感器系统等具有不同功能和不同层次的子系统所构成的综合集成系统。

各种载运工具的操纵仿真器，都是对载运工具和视景之间的相对运动进行仿真。其仿真效果不仅取决于对运动体的建模与仿真，也与视景的生成质量紧密相关。计算机图形技术的发展使各种操纵模拟器更加形象逼真。然而长期以来由于船舶轮机舱设备繁多，视景杂乱，图像制作困难，使轮机模拟器至今与机舱视景无缘，只是推进装置运转工况参数的仪表指示仿真和报警显示。除仪表控制台之外，训练中不见机舱真面目，不知机舱为何物。只是用操作手柄或按钮实现相应的运转工况参数和声音，实现操纵程序的训练，进而设置各种故障时运转工况参数的变化以训练判断故障的能力。

二、船舶轮机仿真器的系统结构

1仿真程序

仿真程序的主要功能是对船舶主动力装置及各子系统的数学模型进行仿真计算。仿真系统由以下11个子系统组成。（1）船舶主柴油机系统仿真；（2）主机操纵系统仿真；（3）冷却水系统仿真；（4）燃油系统仿真；（5）滑油系统仿真；（6）压缩空气系统仿真；（7）分油机系统仿真；（8）锅炉及蒸汽系统仿真；（9）应急系统仿真；（10）舱底污油水系统仿真；（11）发电柴油机组与船舶电站系统仿真。

2硬件系统

（1）本系统中计算机采用Pentium400以上的微机；数据服务器和网络服务器可以使用小型服务器，也可以直接使用微机服务器。服务器采用SMP（对称多处理器）结构，以获得尽可能快的处理速度。（2）图形加速板在满足性能的前提下，选性能/价格比高的产品，例如ELSA公司的产品。（3）立体头盔可选V6或V8。（4）数据手套可选cyberglove。（5）立体无线红外眼镜。（6）手臂定位系统。

3系统的网络与软件结构

3.1本系统是由多个子系统构成，并且采用分布式仿真结构，因此应采用星型网络结构。这样就可避免总线结构存在的总线负担过重或环型网络由于某个模块故障而造成整个系统能工作的问题。

3.2操作系统的选择整个仿真系统需要一个稳定的运行环境。因此数据服务器可以安装WindowsNT；网络服务器上可安装NT或LINUX。在各个学员和教员用机上可以使用Windows95或Windows98。

3.3数据库管理软件的选择根据整个系统的设计，使用MSSQLSERVER网络数据库作为数据库服务器。选择MicrosoftSQLServer作为本分布式仿真系统的数据库管理软件。

三、船舶轮机仿真器引入虚拟现实技术应用

1可视化虚拟现实仿真

可视化虚拟现实仿真可实现虚拟驾驶台、虚拟主机、虚拟控制台、虚拟配电板、机舱漫游等功能。用户通过立体眼镜观看投影屏幕能得到身临机舱的感觉，而且可对屏幕上的手柄和按钮进行操作，使系统做出相应的反应。

2机舱漫游

机舱漫游以实船机舱数码像机照片，录像与三维建模相结合的方法用WTK软件开发生成。机舱设备分布情况以简单三维造型贴纹理方式实现漫游功能；当用鼠标器点击某设备时，可调出该设备的录象资料加强设备细节的显示，实现自动漫游或用户自选漫游，并实现机舱巡视路线录象资料的自动播放。

综合应用计算机生成的可运动的三维、2.5维图形，高画质录象投影和多媒体技术（视频、声光、图象文字信息），就可以生成比物理模拟更接近现实的仿真效果。例如，当进行在集控室遥控操纵主机训练时，系统将在投影仪的大屏幕上显示实船机舱集控室主机遥控系统和主机的录象资料，在计算机显示器上显示“虚拟操纵手柄”和“虚拟仪表板”。教师或学员可操纵鼠标器（也可以操纵实际车钟手柄）进入系统相应的运行状态，同时在虚拟仪表板上和实际仪表板上显示相应主机运行工况及参数。

四、结论

以上介绍了在船舶轮机仿真器中引入虚拟现实技术的研究并给出应用VR的船舶轮机仿真器的系统结构。与传统的设计相比，本文提出的新型轮机模拟器设计可使系统具有进入机舱的临场感，通过三维透视图像还可看到真实机舱封闭着的部件的运动工况，因而提高了轮机模拟器的功能:（1）大量生动的图像和图形动态显示完善了操纵功能，突破了仪表模拟的局限性，使船舶轮机操纵仿真器更有真实感；（2）故障设置更为形象；（3）增加机舱巡回检查功能；（4）增加结构维修功能。

五、结束语

船舶轮机仿真器引入虚拟现实技术对国家船舶行业的发展起着至关重要的作用，并在一定程度上取得了新的研究与突破。但是在现阶段的发展过程中，这项技术手段的应用，与国外一些科技实力雄厚的国家相比，还存在一些不成熟的地方，同时还有很多需要改进的地方。因此，未来船舶轮机仿真器引入虚拟现实技术在发展过程中，相关的科研人员一定要善于发现技术中存在的问题与不足，并通过大量的实验数据对其进行充分的分析；另外还可以借鉴其他国家运用这种手段的方式方法，完善国内船舶轮机仿真器引入虚拟现实技术的使用，提高运作效率和质量，为国家船舶行业的整体发展奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]船舶运动控制虚拟现实交互式仿真系统[J].郭晨，杨国勋，孙建波，沈智鹏，徐黎黎.系统仿真学报.2004（05）

[2]轮机模拟器辅锅炉仿真系统的设计与实现[J].李迪阳，张旭，叶光，史成军，郭晨.中国航海.2006（02）

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