大型工程船舶虚拟仿真训练系统

李 卓

(武汉船舶职业技术学院，湖北 武汉 430050)

0 引 言

大型工程船舶由于吨位大、功能复杂，对船舶操作人员的要求很高，采用实船操作培训不仅培训周期长，而且成本很高，因此，目前船舶领域采用模拟器的形式进行船员培训。传统的船员培训模拟器以二维模拟软件或半物理仿真为主，受训人员的人机交互性差，无法实现对船舶机舱等操作环境的真实模拟，培训效果一般[1]。随着计算机技术的不断发展，新兴的虚拟现实技术、网络技术被大量的应用于船舶仿真培训中，基于虚拟现实技术的良好交互性，受训人员可以获得更好的培训体验和效果，浸入式进行工程船舶的操作模拟。

本文开发一种大型工程船舶的虚拟仿真训练系统，介绍整体设计方案、电气设备的数学建模、仿真系统的模型搭建和三维渲染等关键技术环节。

1 大型工程船舶虚拟仿真辅助训练系统整体设计

为了满足大型工程船舶操作人员的培训需求，船舶虚拟仿真辅助系统开发需要满足以下几点：

1）空间布局要求

针对船舶操作人员的驾驶室培训需要满足空间布局要求，船舶驾驶室空间布局与船舶种类吨位、动力系统类型等因素相关，因此，在搭建虚拟仿真辅助训练系统时，需要综合考虑驾驶室中仪器、仪表、控制台、显示器等硬件的空间需求，一方面使虚拟训练系统的空间特性与实际尽量相符，另一方面使受训人员便于观察和操作。

2）视野设计要求

工程船舶的培训目标是操作人员能够安全、熟练地驾驶船舶，并完成常规的作业任务。因此，虚拟仿真训练系统需要具有良好的视野设计，比如驾驶室的前视窗等。

3）环境因素设计

为了尽可能地模拟现实中大型工程船舶的操作环境，虚拟仿真训练系统的工作环境需要充分考虑实际船舶的不利条件，比如海浪造成的船舶晃动是重要的环境因素，受训人员需要具有在晃动条件下还能正常执行操作任务的能力。此外，船舶机舱的振动、噪声、光照条件等因素在虚拟仿真训练系统开发时也需要考虑。

4）可达性设计要求

可达性是指受训人员在培训过程中，身体范围内能够达到的仪表和仪器，比如船舶驾驶过程中的操舵仪、各类控制按钮等[2]。

5）安全性设计要求

安全性设计主要针对实际船舶驾驶过程中的危险因素进行设计，比如驾驶室环境中硬件故障导致的船舶危险和火灾等事故造成的危险因素。

本文结合计算机和互联网技术，进行船舶虚拟仿真训练系统的开发，系统包括操纵计算机、模型处理计算机、虚拟场景计算机、服务器、传感器等。图1为大型工程船舶虚拟仿真训练系统的原理，其中，受训人员的操作通过三维模型以及图像处理技术转换为传感器信号，这些传感器信号通过一系列的信号处理后输送到操纵计算机和模拟处理计算机，虚拟场景计算机则负责对场景进行模拟和计算，使得受训人员能够更加真实地感受船舶驾驶过程。

图1 大型工程船舶虚拟仿真训练系统的原理Fig. 1 The principle of virtual simulation training system for large engineering ships

2 船舶虚拟仿真训练系统的开发

2.1 工程船舶虚拟仿真系统的电气、机械系统模型搭建

大型工程船舶由于功能复杂，其电气、机械系统的操作具有一定的难度，因此，在搭建工程船舶虚拟仿真训练系统时，需要针对电气和机械系统进行详细的数学建模。

电气的建模需要充分考虑以下要求：

1）结合工程船舶的电气系统工作原理，建立系统的仿真模拟，能够模拟工程船舶电气正常的工作状态和异常的故障状态；

2）通过建模，在仿真系统中实现电气系统的响应特性机制，受训人员发出控制指令后，虚拟仿真系统的电气元件能够做出对应的响应；

3）仿真系统的输入和输出接口与实船电气系统的接口一致，提高系统的仿真程度。

大型工程船舶电气系统的建模流程如图2 所示。

图2 大型工程船舶电气系统的建模流程Fig. 2 Modeling process for electrical systems for large engineering vessels

电气系统的数学建模过程如下：

1）阀类组件建模

阀类组件是工程船舶电气-液压系统的重要组件，在阀类组件建模时，将阀类组件简化为小截面管道，模型为：

式中：cd为液压在阀类组件管道中的压力损失系数，T1为 阀工作的温度系数，P1为 液体入口压力，D为阀类组件的等效直径， θ为阀门的开度。

阀类组件的出口压力为P2，Nc为阀类组件的压力差系数[3]，按照下式计算：

2）液压控制回路建模

本文采用整体法建立液压控制回路模型，基于能量守恒原理，建立模型如下：

3）船舵数学建模

工程船的船舵是重要的转向控制部件，为了能够有效地进行船舵数学建模，首先建立工程船舶舵叶的力学特性模型，如图3 所示。

图3 工程船舶舵叶的力学特性模型Fig. 3 Model of mechanical properties of rudder blades of engineering ships

由图3 力学模型，可建立工程船舶的舵叶受力平衡方程如下：

式中：P为舵叶吃水位置的压力，Fx为舵叶在水平轴方向的分力，Fy为侧向的分力，Fz为竖直方向的分力。

从船舶-船舵的整体力学特性出发，建立船舵的转船力矩如下式：

式中：K1为 船舵的升力系数，kg/m3；vm为舵叶与海水的相对流动速度；A0为 船舵的有效面积；L为船舵重心到oy轴的距离。

2.2 基于3DMax 的工程船舶虚拟仿真系统的模型搭建

工程船舶虚拟仿真训练系统中，三维模型的精度直接决定了受训人员的感官接受程度，模型越贴近现实，仿真系统的培训效果越好，因此，虚拟仿真系统的三维建模是一项非常重要的环节。本文针对虚拟仿真系统的三维建模采用的软件是3D Max，该软件是AutoDesk 公司开发的一种建模、渲染、动画软件，具有非常强的三维设计功能[4]。

基于3D Max 软件的工程船舶仿真训练系统建模采用间接建模法，首先利用图纸和Tribon 三维模型进行格式转换，将数据导入3D Max 中，软件格式可以为.xt/.step 等。然后在3D Max 软件中进行模型的优化和渲染，达到贴近真实的建模效果。

图4 为基于3D Max 软件的仿真系统建模流程图。

图4 基于3D Max 软件的仿真系统建模流程图Fig. 4 Flow chart of simulation system modeling based on 3D Max software

2.3 大型工程船舶虚拟仿真系统的模型渲染

模型渲染的功能是提供虚拟仿真系统的真实性，基于3D Max 软件的模型渲染主要包括以下几部分：

1）光影效果渲染

工程船舶虚拟仿真系统的虚拟场景为机舱和驾驶室，为了提高虚拟场景的真实性，基于3D Max 软件对场景中对象在光源照射下的表现形式进行渲染，不仅能够仿真常用的模型反射和折射，还能添加动态光源，提高渲染效果。

2）贴图渲染

由于三维建模的机舱场景中物体的材质和表面细节较差，采用贴图渲染可以表现对象的细节，比如模型的材质特性等。基于3D Max 软件的贴图渲染可以调用现成的数据库贴图，也可以从外部导入实物图，具有较好的渲染效果[5]。

基于3D Max 软件的仿真训练系统三维模型渲染流程如图5 所示。在对建立的模型网格化后，选用所使用的材质，对环境中的光影和阴影进行渲染，最后达到和真实环境一致的环境效果。

图5 基于3D Max 软件的仿真训练系统三维模型渲染流程Fig. 5 Model rendering process of simulation training system based on 3D Max software

本文在工程船虚拟仿真系统的三维建模和渲染时，将系统模型分为船舶轮廓等大面积模型和机舱控制台、仪表盘等舱内设施模型，图6 为工程船虚拟仿真系统的舱内设施三维模型示意图。

图6 工程船虚拟仿真系统的舱内设施三维模型示意图Fig. 6 Schematic diagram of the 3D model of the cabin facilities of the engineering ship virtual simulation system

3 结 语

本文基于虚拟现实技术和三维建模/渲染技术，搭建大型工程船舶的虚拟仿真训练系统，从电气、机械系统的数学建模、机舱设施的三维建模等方面进行展开，具有一定的实际应用价值。