损管监控三维演示系统研究

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(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

舰船火灾仿真研究和损管模拟训练研究一直是当前的行业研究热点和难点。为此，结合损管试验平台建设项目，展开基于全舰计算环境下的损管监控三维演示系统研究，重点利用三维技术演示典型常规舱室火灾探测与灭火过程。

运用三维建模技术构建典型舱室的环境结构，渲染火灾烟雾场景，进行灾害条件下舱室环境模拟。系统基于全舰计算环境网络化的数据平台，可与损管监控系统同步接受平台数据库信号，通过系统仿真技术，真实再现重要舱室的火灾探测与灭火控制的逻辑过程，具有丰富的人机交互效果，对于舰员学习损管监控技术、指挥控制流程和基本操作，增强认知的感官度有重要的作用，对于开展损管监控技术试验和损管模拟训练技术研究有较大的参考价值。

1 损管监控三维演示系统试验平台

损管监控三维演示系统平台由硬件和软件组成。损管监控三维演示系统硬件平台由模拟计算机和3×3LCD图像拼接单元组成。模拟计算机通过以太网接收损管监控系统的火灾探测器状态数据和消防系统状态数据，以更新三维演示系统的场景。常规舱室的火灾探测与灭火控制三维模拟场景通过图像拼接控制器投影到3×3LCD图像拼接单元，便于直观演示典型舱室的三维仿真效果。本系统试验平台见图1。

图1 三维演示系统试验平台结构示意

损管监控三维演示系统平台软件由三维场景仿真软件组成。本试验平台基于全舰网络化计算环境构建，与损管模拟监控系统联动，从损管模拟监控系统数据服务器统一采集仿真设备的状态数据，对数据进行统一处理，统一分配，作为三维场景仿真软件的输入因素。三维仿真软件按照当前的状态数据对火灾场景、消防工作场景等进行渲染，进行演示场景输出，并通过图像拼接控制器，将场景界面综合显示在3×3LCD图像拼接单元组成大屏显示器上。

2 三维场景仿真软件设计

2.1 软件层次结构

损管监控三维演示系统的主要计算功能如设备状态数据、三维模块建立、火灾场景模拟、消防场景模拟等由三维场景仿真软件软件完成，依据损管监控三维演示平台结构，三维场景仿真软件可分为数据层、服务层及显示层，见图2。

数据层软件即OPC客户端软件，为三维演示软件提供三维场景仿真软件数据输入服务，实时采集平台网损管监控数据服务器的状态数据。采集数据主要有机舱、电站典型部位的火灾探测器、消防设施的运行数据。

服务层软件完成对设备状态数据的处理，提供火灾场景、消防场景、设备模型三维仿真运算和支撑三维场景显示。服务层软件构建演示设备的模型，模拟数据层采集的数据更新相关设备内部变量状态，改变设备模型和场景的显示属性，模拟火灾蔓延和消防灭火工作场景[1]。

图2 三维场景仿真软件软件结构

显示层软件是人机交互的接口，通过友好的可视化三维演示界面，渲染演示场景，对舱室设备和舱室环境进行实时模拟显示，执行典型火灾探测和灭火控制的案例演示。

2.2 软件信息流程

三维场景仿真软件主要接收基于全舰网络化计算环境的损管模拟监控数据服务器的损管设备状态数据，不对外产生数据，其信息流向几乎是单向的。三维场景仿真软件根据采集的设备动态状态数据，对相关联的设备模型的显示属性进行修改，更新显示界面。软件还可根据显示选项设置和人机交互，展现不同的显示效果。软件信息流程见图3。

图3 三维场景仿真软件工作流程

显示的内容场景分为三部分，①本舱设备环境场景，需要根据火灾情况有不同的显示场景，如着火设备被变黑等；②火灾场景，火势、烟雾蔓延范围，在视角范围内将本舱设备环境遮挡；③消防设施启动场景，当检测到消防设施启动数据后，模拟其灭火过程，如海水喷淋、气体淹没、泡沫淹没等，同时火势逐渐变小。

3 软件实现技术

三维场景仿真软件采用OPC协议与损管模拟监控系统的数据服务器软件进行通信，接收仿真舱室的火灾探测器和消防设施的工作状态数据。三维场景仿真软件独立开发OPC客户端，进行信息的接收和处理工作。

3.1 三维模型建立

三维场景仿真软件利用3DSMAX建立舱室结构环境和主要设备的三维模型。3DSMAX具有强大的三维建模功能，能制作每个舱室环境和主要设备模型，并把场景和设备的贴图赋给模型，以获得逼真的演示效果。建模完成后，以fbx格式输出模型数据，供三维动画驱动程序[2]。

3.2 舱室三维背景绘制

本软件的三维场景采用Unity3D开发。Unity3D是一款可以轻松创建三维可视化实时动画等互动内容的综合型的开发工具。在本软件中，Unity3D作为的三维动画驱动引擎，可导入3DSMAX的fbx格式的三维模型数据，通过绘制、贴图、着色的方式，建立起静态的舱室环境背景，显示效果见图4。

图4 舱室背景环境效果

3.3 三维动画处理

建立舱室三维环境背景后，需要处理火、水、气体、泡沫等动态场景元素。本软件采用粒子系统完成火灾和破损进水等灾害的模拟。粒子系统是一项专业表现火、爆炸、风、水、云、雾等抽象视觉效果的计算机图形学技术，可以有效弥补传统贴图、着色等传统渲染技术在表现模糊现象方面的不足。在粒子系统中，每个粒子实质是一张始终朝向视角的图片，当赋予上百个粒子一定的粒子运动效果时，就可模拟出火焰和破损进水时的灾害效果[3]。

粒子的属性有尺寸范围、能量范围、发射数量、世界速度、局部速度、随机速度和球形范围等，其具体定义见表1。

表1 粒子属性定义描述

除火灾、破损进水场景外，消防系统的水灭火、气体灭火、泡沫灭火效果的模拟也由粒子系统完成。

利用粒子系统和Unity3D完成的舱室火灾场景和破损进水的场景见图5，场景仿真度较好。

在图5的破损进水场景中，水柱是通过修改水粒子的属性值来模拟的，水面的模拟通过编辑水面着色器和反射效果实现，3D场景中设备材质通过软件中的着色器编辑实现。

图5 舱室损害效果

对于火灾引起周围设备的变化场景，是通过控制周围物体模型的材质贴图来实现，对重要模型如汽轮机和锅炉，在软件中会准备两张贴图，一张是正常状态的，一张是被火熏黑的，在3D端运行的时候根据当前状态进行贴图切换，实现不同场景的变化。

4 结束语

为实现对典型常规舱室的火灾探测和灭火控制逻辑过程的模拟，本文构建损管监控三维演示系统平台，规划了三维场景仿真软件的层次结构和软件信息流程;并对软件的三维实现技术进行探讨。试验结果表明，软件的仿真度较好，可应用于损管模拟训练系统的研究设计。

[1] 任 凯，浦金云.基于OpenGL 技术的火灾场景实时生成算法研究[J].系统仿真学报，2009，24(9):1063-1065.

[2] 刘 昆，王广生.基于三维实时渲染技术的虚拟火灾训练系统设计[J].计算机应用，2005，25(8):1962-1964.

[3] 邱金水，易祥烈，吴晓辉.基于Visual C ++的舰船水消防系统仿真研究[J].中国舰船研究，2008，3(6):38-40，48.