船舶工程师虚拟培训系统的开发
沈浩生张俊东曾红
大连海事大学海洋工程学院中国大连shen7231591@126.com
景峰
大连民族学院生命科学学院
中国大连709568246@qq.com
摘要：针对目前船舶工程师培训领域存在的不足，本设计开发了一套完整的船舶工程师虚拟培训系统，由全任务船舶机舱模拟器模块和三维虚拟船舶机舱模块组成，分别针对培养船舶机舱系统和船用发动机设备的操作能力，认识船舶机舱的实际工作环境。这个培训体系已经应用于中国几所海事院校和坦桑尼亚达累斯萨拉姆大学的本科和研究生的教学任务，取得了良好的效果。
关键词 ： 虚拟培训; 船舶机舱模拟器; 虚拟现实; 海洋工程师
一，简介
随着计算机技术，通信技术等相关技术的飞速发展，基于虚拟仿真技术的各类培训系统在工程教育领域得到广泛应用，达到了预期的目标。在船舶工程师培训领域，基于虚拟仿真技术的培训系统也得到了广泛的应用。挪威KONSBERG开发的船用机舱模拟器可用于每个船用发动机系统的操作培训[1]。同时还配备了三维虚拟船机房软件。但三维虚拟场景只包含一部分船舶发动机系统，场景内容有限，虚拟场景只能在几个固定的视角观察，这使得船舶发动机的实时漫游和整个运行系统不可能。针对当前国内VLCC（超大型载货船）船用机舱模拟器缺乏货轮系统培训方案的现状，Gan [2]开发了货轮系统的硬件仿真平台和软件仿真系统。但是，该培训系统没有配备三维场景软件，导致学员无法掌握该涡轮机的结构特点。Sun [3]开发的船舶机舱虚拟现实训练系统可以实现虚拟船舶机房漫游和功能的功能，但虚拟场景中的设备数量有限，虚拟场景比较粗糙，与实际的船舶机舱环境有很大差距。 Cwilexicz [4]开发了一个虚拟船舶机舱软件，它可以实现阀门，按钮和开关的虚拟操作，但是没有配备相应的二维船舶机舱模拟器，并且完成了船用发动机系统的所有计算任务在虚拟船舶机房软件中，这将增加计算机的负担并通过提高虚拟场景模型的准确性来限制虚拟场景图形的推广。
二，系统结构
如图1所示，虚拟训练系统由全任务船舶机舱模拟器模块和三维虚拟船舶机舱模块组成，旨在培养船舶机舱系统和船用发动机设备的操作能力，并认识实际船用机舱的工作环境。
图1.系统结构
三，机舱模拟器模块
全任务船用机舱模拟器模块采用半物理模拟方法搭建了与实际船用发动机系统高度一致的仿真操作平台，可以在模拟船用发动机系统时获得与实船相似的系统响应程序[ 5] [6]。本单元重点研究船用发动机系统原理，掌握设备操作程序评估。同时也注重沟通和企业能力的培养。如图2所示，全任务船用机舱模拟器模块以集中式仿真结构的形式构建而成，其使用单个仿真服务器作为核心单元。该模块由二维可视化模拟组成软件，船用发动机系统马赛克面板，半物理仿真控制台和船用发动机子系统模拟站。二维可视化仿真软件运行在仿真服务器上，负责船舶发动机系统的实时计算。为了实现各部分之间的状态同步，本部分通过建立通信协议与其他部分进行连接。
图2 FMMERS的模块结构
A.二维可视化仿真软件（TVSS）
二维可视化仿真软件的用户界面是根据各船用发动机系统的原理图设计开发的。界面不仅清晰地显示了船用发动机系统，而且为掌握船用发动机系统的操作方法提供了学习平台。图3是二维可视化仿真软件的主界面，学员可以通过点击相应的船用发动机系统名称进入操作界面。该软件共开发了77个船用发动机系统人机交互界面，其中包含大部分主辅系统。所以它可以为学员提供完整的培训内容。
图3. TVSS的主界面
图4显示了HTFW（高温淡水）系统的界面。 接口中的按钮，阀门和开关可由学员操作，以执行各种培训任务。 通过读取数学模型计算出的系统运行参数，压力标签，温度标签和流量标签会实时变化，学员可以观察各个运行参数的变化趋势，掌握各个船用发动机系统的性能特点，
例如，图5清楚地显示了低温淡水系统的PID控制器的运行状态。
图4. HTFW冷却系统的接口
图5. PID控制器的接口
B.海军发动机系统镶嵌仿真面板
如图6所示，船用发动机系统镶嵌模拟面板完全显示了船用发动机系统模块。各系统之间的关系可以清楚地观察到。 模拟面板上的阀门可以打开或关闭，还可以启动或停止多个泵，辅助设备。 船用发动机系统的运行参数如温度，压力和液位可以通过指针式仿真仪和条形仪清晰显示。该镶嵌模拟面板可以帮助学员掌握船用发动机系统的原理，各系统与船用发动机设备运行管理要点之间的关系。
图6.镶嵌仿真面板
C.半实物仿真控制台
半实物仿真控制台由发动机控制台，简易桥架，配电盘，以及某些重要设备的本地控制箱组成。 如图7所示，半实物调音台是严格参照实船的相应调音台构建而成的，无论在结构，布置和功能上，模拟调音台都与实际调音台高度一致，这无疑为学员提供了实习 高度现实感和操作感。 通过半实物仿真控制台，学员可以完成主机遥控，机房与发动机控制室通讯，发电站运行等培训内容。
图7.半物理仿真控制台
事实证明，与实际仿真控制台高度一致的半物理仿真控制台将使训练环境与真实船舶相似，提高训练效率。
D.船舶发动机子系统的仿真站
为了实施团队合作训练模式，整个船用发动机系统通过每个船用发动机系统的功能和每个子系统分别分为燃料油系统，润滑油系统，淡水系统和其他系统在内的几个子系统 运行在独立的模拟站。 为了完成整个船用发动机系统的运行，学员必须与其他学员进行交流和合作。
如实践证实，这部分的设置可以有效提高学员的沟通，合作和领导能力。
四。三维虚拟船舶机舱模块
计算机技术在工程教育领域的进步和发展极大地受益于终端用户。同时，他们还为开发人员提供了更丰富的性能指标，以建立更加强大实用的教育培训体系。其中，虚拟现实技术在教育，科研，旅游等领域得到广泛应用。凭借其能够为虚拟操作环境提供逼真视觉，听觉和触觉的特点，虚拟现实技术在船舶发动机教育和培训领域取得了满意的效果，大多数传统的船舶机舱模拟器都是以半物理模拟的形式建造的，只能提供船舶机舱系统原理和操作程序的学习和培训。但是，对于大多数受训者来说，实际的船舶机舱的环境和布置并不熟悉。为解决这一矛盾，本文基于虚拟现实技术构建了三维虚拟机房模块。在这个三维虚拟机房中，学员可以漫游和操作设备和船用发动机系统。三维虚拟机舱模块的开发，对于提升基于传统船用机舱模拟器的训练效果，是有益的补充。
A.三维虚拟船舶机舱建模
为建造结构精确，尺寸精确的虚拟船舶机舱，为学员提供逼真的漫游和操作环境，三维虚拟机舱的造型按以下步骤进行：
首先，船舶机舱分为发动机控制室，主压缩机室等几个独立的房间。每个船舶机舱的结构按照实船结构和船舶机舱布置方案的图片进行建模，尺寸精确。同时，每台船用发动机设备根据其实际图片和规格进行建模，然后根据机房布置图计划放置在虚拟机房的正确位置。然后根据船用发动机系统原理图绘制连接设备的管道系统。最后，将固定角铁，传感器和温度计等设备附件绘制并添加到虚拟环境中。本程序建立的虚拟船舶机舱模型可以具有正确的结构和精确的尺寸。同时，由于管道系统完全基于船用发动机系统原理图连接，可以保证管道系统的完整性和正确性，学员可以对管道系统进行跟踪，研究各个船用发动机系统的原理，可以实现在实船追踪管道系统的实习任务。图8是虚拟主压缩机室与真实主压缩机室的比较图，虚拟主压缩机室与实际的主压缩机室的比较图高度一致。为满足实时场景模拟的需求，在虚拟船舶机房施工过程中采用了动态加载，细节层次（LOD），实例化技术，纹理映射等优化方法[7] [8] ]。
图8.虚拟环境和真实环境的比较
B.三维虚拟船舶机舱模块和全任务船用机舱模拟模块之间的通信协议设计
由于三维虚拟机房模块将完成包括虚拟场景的实时渲染，碰撞检测，人机交互等在内的一定任务，必然会消耗大量的计算机资源。如果在三维虚拟机舱模块中完成船用发动机系统数学模型的计算，则会增加计算机的负担和虚拟现场帧率下降，延迟交互动作等不健康现象。为了解决这个问题，通过建立UDP通信协议来连接三维虚拟船舶机舱模块和全任务船用机舱模拟器模块。三维虚拟船舶舱室模块接收来自全任务船舶机舱模拟器的实时计算数据，并实时更新虚拟船舶机舱中的相互作用实体的状态。同时，全任务船用机舱模拟器模块反馈交互实体的操作。这样的设计可以保证三维虚拟船舶机舱流畅运行，并使三维虚拟船舶机舱模块和全任务船用机舱模拟模块之间的状态同步。更重要的是，学员可以完成每个船用发动机系统的操作任务，真正实现了三维虚拟船舶机舱模块和全任务船用机舱模拟器模块的有机结合。
当设计全任务船用机舱模拟器模块的程序结构时，可操作的相互作用点如阀门，开关和按钮以及系统运行参数（如电流值，温度值和压力值）都以变量形式描述。变量的命名规则为“日期类型 全局标识 实际名称”，例如变量“B24134_MainCompresserAirOutletValve”表示主压缩机的出口阀门，其数据类型为布尔型，全局标识为24134。通信协议主要是关于变量的，通信协议格式如下[9]：第一个字节表示起始字符，规定为0Xfd;最后一个字节代表结尾字符，规定为0xFF;第二个字节表示通信字符串的长度，从起始字符到结束字符为11;第三个字节表示数据类型的标识，具体规则如下：布尔值规定为0x00，INT规定为0x01，Float规定为0x02，String规定为0x03;第四和第五字节表示全局标识;第六，第七和第八字节表示通信数据的内容;第十个字节代表结账方式，本文采用XOR结账。
通过建立上述通信协议，可以实现虚拟船舶机房内各船用发动机系统的运行任务。同时三维虚拟船舶机舱的状态也可以与全任务船用机舱模拟机保持同步。图9是启动应急发电机并将应急发电机关闭到应急发电站的操作演示。图10为三维虚拟船舶机舱与全任务船用机舱模拟器之间的应急柴油发电机组面板状态比较图。从图9和图10中可以看出，学员可以在虚拟船舶机房中成功完成上述操作任务，仪表，灯，开关等状态可以与全站仪相应的交互实体保持一致，任务型船舶机舱模拟器，充分验证了三维虚拟船舶机舱的实用性。
图9.虚拟场景中的操作演示
图10.状态同步演示
C.设备和交互实体的信息显示功能
对于新生实习生来说，很难区分某个设备或交互实体的应用和状态，因此学员对于如何按照标准程序操作船舶发动机系统没有任何想法。为了解决这个问题，在三维虚拟船舶机舱模块中开发了设备和交互实体的信息显示功能。当鼠标移动到某个设备或交互实体时，它的名称和状态信息将立即显示。如图11所示，当鼠标移动到应急发电机的出口阀门时，信息框将显示阀门名称“EM#39;CY GENERATOR FUEL TANK OUTLETVALVE“，其状态为”CLOSED“，当鼠标移动到应急发电机的频率计上时，消息框将显示仪表指示的运行参数”EM#39;CY GENERATOR OUTPUT FREQUENCY OF EM#39;CY GENERATOR“的名称和参数” 55Hz的”。在实际应用中，该功能将帮助学员快速有效地完成船用发动机系统的各项作业任务。
图11.信息显示功能
V.CONCLUSIONS
本文充分利用虚拟仿真技术，设计开发了一套完整的船舶工程师虚拟训练系统，由全任务船舶机舱模拟器模块和三维虚拟船舶机舱模块组成，旨在培养操作船舶机舱系统和船用发动机设备的能力，并认识到船舶机舱的实际工作环境。这个培训体系已经应用于中国几所海事院校和坦桑尼亚达累斯萨拉姆大学的本科和研究生的教学任务，取得了良好的效果。
致谢
本课题得到中央大学基础研究基金资助3132015023的资助。
参考文献：
[1] R.I。 Laskowski，L. Chybowski，K. Gawdziska。2015作为船舶工程师的工具环境教育的机舱模拟器，世界信息系统和技术会议（WorldCIST）会议录，4月1 - 3日，葡萄牙亚速尔群岛。
[2]H. B. Gan，J. D. Zhang，D. Y. Jiang和Q. Yong。“VLCC货泵水轮机系统仿真研究（J）”，中国造船，vol。 55没有。 1，第164-174页，2014年3月。
[3：J. Sun，C. Lu和S. W. Pang。 “船舶机舱可视化仿真系统的实现方法（J）”，系统仿真学报，vol。 19号。 15，第3456-3459页，2007年8月。
[4] Cwilewicz和L. Tomczak。2008应用虚拟现实机房模拟器改善船舶运行安全性，第6届国际计算机模拟风险分析与减灾会议（CSRAHM）会议记录。5月5日至7日，希腊凯法利尼亚岛。
[5]曹和J.D.张。 2011船舶机舱模拟器上层计算机网络设计与实现，2011年国际信息科学与技术大会（ICIST）会议录，3月26-28日，中国南京。
[6] Z. Jia，H. Cao，J.D. Zhang和Y. J. Lin。 “船用机舱模拟机及其关键技术（J）”，中国航海学报， 35没有。 1，pp.35-39 40，2012年3月。
[7] Keum-Wang Lee和Myoung-Kwan Oh。 “提高虚拟现实软件的质量和加载速度的技巧（J）”，International Journal of Multimedia and Ubiquitous Engineering，vol。 8 no.
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