陳 瑞，俞孟蕻，張之亮，王黎明

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船舶電站培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 瑞，俞孟蕻，張之亮，王黎明

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船舶電站是船舶電力系統(tǒng)的核心，它保證給最惡劣的海洋環(huán)境下船舶負(fù)載連續(xù)供電的同時(shí)，也要保證工況多變情況下維持較高的供電品質(zhì)。因此，除了提高船舶電站設(shè)備性能之外，還應(yīng)該提高船舶電氣管理人員的操作技能與素質(zhì)。針對(duì)傳統(tǒng)船舶電站培訓(xùn)系統(tǒng)的諸多缺點(diǎn)，文章提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)擁有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)的電站培訓(xùn)系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)、功能以及如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，最后，得到以數(shù)據(jù)訪問為基礎(chǔ)的教師機(jī)控制學(xué)員機(jī)的培訓(xùn)系統(tǒng)。

船舶電站；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；框架設(shè)計(jì)

船舶電站系統(tǒng)是保證船舶順利航行，確保船舶正常工作所需要的比較穩(wěn)定的非常重要的子系統(tǒng)，也是船舶電力系統(tǒng)最重要的組成部分。不僅要保證在最惡劣的環(huán)境下連續(xù)給船舶供電，還要在工況多變的情況下維持較高的供電品質(zhì)。因此，現(xiàn)代船舶除要裝配性能優(yōu)良的電站設(shè)備外，還應(yīng)該提高船舶電氣管理人員的技能與素質(zhì)。而傳統(tǒng)的各類電站培訓(xùn)系統(tǒng)與實(shí)際電站系統(tǒng)差別很大，且需大量投資，受場(chǎng)地影響，存在污染環(huán)境、維修保養(yǎng)困難、某些訓(xùn)練項(xiàng)目具有很高危險(xiǎn)性等諸多問題。此外，也不可能為了滿足培訓(xùn)要求，停止設(shè)備運(yùn)行或制造事故來訓(xùn)練學(xué)員。針對(duì)以上問題，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開發(fā)了具有經(jīng)濟(jì)性好、交互功能好、安全性高、可視化效果好和訓(xùn)練效率高等優(yōu)點(diǎn)的船舶電站培訓(xùn)系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)不僅可以提高學(xué)員對(duì)整個(gè)電站設(shè)備模擬操作的學(xué)習(xí)效率和對(duì)事故的處理能力，而且也能減少學(xué)員誤操作對(duì)船舶電站造成的影響。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的船舶電站培訓(xùn)系統(tǒng)主要是在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中教學(xué)管理機(jī)由教師控制學(xué)員機(jī)。在每一次培訓(xùn)之前，首先由教師確定本次培訓(xùn)的綜合要求，包括培訓(xùn)對(duì)象、內(nèi)容、目標(biāo)、具體要求等，并把對(duì)應(yīng)任務(wù)的信息數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)；學(xué)員機(jī)實(shí)時(shí)讀取存入數(shù)據(jù)庫(kù)的教師機(jī)布置的任務(wù)數(shù)據(jù)，調(diào)用對(duì)應(yīng)的后臺(tái)應(yīng)用程序，完成訓(xùn)練或考核，并把操作信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以便教師機(jī)讀取學(xué)員的操作數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)員的操作訓(xùn)練進(jìn)行評(píng)價(jià)打分。同時(shí)，訓(xùn)練的結(jié)果會(huì)由訓(xùn)練記錄與回放模塊實(shí)時(shí)保存，以備需要時(shí)進(jìn)行回放出來。

2 系統(tǒng)功能

該培訓(xùn)系統(tǒng)能夠模擬電站系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組啟停、并車及其解列和負(fù)載轉(zhuǎn)移、應(yīng)急發(fā)電機(jī)組啟停和蓄電池的投入運(yùn)行、電站不正常運(yùn)行狀態(tài)及其處理方法、電站事故狀態(tài)及其處理方法等項(xiàng)目，如圖1所示。學(xué)員能在與實(shí)際船舶電站近似的三維虛擬環(huán)境中進(jìn)行正常操作、事故處理操作等訓(xùn)練。該系統(tǒng)中，學(xué)員用鼠標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的設(shè)備，該設(shè)備就會(huì)模擬實(shí)際的操作過程，達(dá)到讓受訓(xùn)人員掌握和熟悉能確保電站電能正常生產(chǎn)的各種相關(guān)電氣設(shè)備操作的目的。從而提高受訓(xùn)人員在船舶電網(wǎng)正常時(shí)的值班技能和事故后的快速處理能力，迅速熟悉各種人機(jī)操作和操作規(guī)程中的各種倒閘操作。

圖1 系統(tǒng)功能圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1三維模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的各種電站設(shè)備照片和收集到的CAD圖紙為參考資料，應(yīng)用三維建模軟件3ds max的基本體、多邊形、面片和NURBS等建模方式建立三維模型，并對(duì)建立的模型進(jìn)行優(yōu)化、添加材質(zhì)和貼圖，以及模型渲染處理[2]，之后導(dǎo)出以后綴名為.nmo的三維虛擬電站環(huán)境模型，圖2為模型建立流程圖。

圖2 建立三維模型的流程圖

3.2交互控制的建立

把在3ds max中建立的三維電站模型的.nmo文件導(dǎo)入虛擬平臺(tái)Virtools下，對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行添加燈光、添加攝像機(jī)、調(diào)整設(shè)備坐標(biāo)、修改材質(zhì)等一系列的修改之后，根據(jù)實(shí)際船舶電站設(shè)備的操作過程，選取對(duì)應(yīng)的電站設(shè)備，右擊創(chuàng)建該對(duì)象的腳本，利用鼠標(biāo)拖拽Building Block/Category/Behavior Name下的交互控制模塊進(jìn)入Schematic腳本編輯區(qū)[3]，對(duì)各個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和連線之后，就可以完成與實(shí)際操作基本一致的互動(dòng)模擬，待所有的設(shè)備都加上互動(dòng)模擬之后，就可以將該文件打包成.exe的文件，供學(xué)員機(jī)調(diào)用該應(yīng)用程序完成相應(yīng)的訓(xùn)練考核。

由于該訓(xùn)練系統(tǒng)中有很多需要控制的電氣設(shè)備模型，而大部分控制模塊是相同的，如配電柜上開關(guān)開合的旋轉(zhuǎn)、指示燈顏色改變、按鈕按下的移動(dòng)等控制模塊。對(duì)重復(fù)應(yīng)用的腳本封裝成一個(gè)完整的功能模塊并保存，在使用時(shí)直接調(diào)入，只需修改功能模塊的參數(shù)就可以得到對(duì)應(yīng)的效果，從而避免了模塊的重復(fù)設(shè)計(jì)，縮短了腳本流程的開發(fā)時(shí)間，降低了開發(fā)成本。

3.3數(shù)據(jù)庫(kù)建立

船舶電站培訓(xùn)系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)眾多，且同一數(shù)據(jù)可能被系統(tǒng)的多個(gè)培訓(xùn)模塊所用。如果沒有統(tǒng)一的管理和存儲(chǔ)方式，數(shù)據(jù)之間就不容易保證一致性，且數(shù)據(jù)共享程度低。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)能將全部數(shù)據(jù)組成一個(gè)整體，提供對(duì)不同數(shù)據(jù)文件交叉訪問的手段和權(quán)限，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序間提供接口；提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)操作手段，消除了數(shù)據(jù)冗余性，提高數(shù)據(jù)的可靠性、數(shù)據(jù)獨(dú)立性、實(shí)時(shí)性，保證數(shù)據(jù)的安全性。因此系統(tǒng)中應(yīng)采用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)來管理和維護(hù)船舶電站培訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)[4]。該系統(tǒng)需要管理的數(shù)據(jù)[5]有以下方面。

1)描述電站系統(tǒng)一次與二次設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，如名稱、類型、參數(shù)和狀態(tài)等。

2)描述電站設(shè)備之間的數(shù)據(jù)，包括設(shè)備邏輯控制關(guān)系、設(shè)備的電氣連接關(guān)系等。

3)基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)，電氣設(shè)備、電子及計(jì)算機(jī)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)。

4)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)支撐數(shù)據(jù)，管理員、教員、學(xué)員權(quán)限信息。

5)訓(xùn)練系統(tǒng)人機(jī)接口數(shù)據(jù)，包括仿真訓(xùn)練人機(jī)接口信息。

6)訓(xùn)練過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如學(xué)員操作前后的提示或響應(yīng)。

7)考核過程和結(jié)果的描述數(shù)據(jù)。

3.4基于數(shù)據(jù)庫(kù)交互

三維虛擬平臺(tái)Virtools開發(fā)的應(yīng)用程序不能直接與SQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，必須先把SQL數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)通過開放數(shù)據(jù)庫(kù)互連(ODBC)驅(qū)動(dòng)程序安裝到Virtools Server之后，再通過腳本編程把培訓(xùn)過程中的模擬操作數(shù)據(jù)映射到Virtools開發(fā)環(huán)境下的數(shù)組Array中，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)交互。

當(dāng)然，該系統(tǒng)中不管是教師機(jī)寫入培訓(xùn)任務(wù)數(shù)據(jù)和讀取學(xué)員機(jī)操作信息數(shù)據(jù)，還是學(xué)員機(jī)讀取任務(wù)數(shù)據(jù)和寫入模擬操作數(shù)據(jù)，它們都需要多次與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交換，本文主要使用MFC(微軟基礎(chǔ)類庫(kù))開發(fā)應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作[6]，以便完成培訓(xùn)任務(wù)和培訓(xùn)的目的。

3.5學(xué)員機(jī)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)學(xué)員機(jī)的操作界面如圖3所示。教師機(jī)給予學(xué)員機(jī)布置相應(yīng)的培訓(xùn)任務(wù)后，學(xué)員機(jī)才可以進(jìn)行相應(yīng)培訓(xùn)模塊操作訓(xùn)練。學(xué)員可以先通過調(diào)用三維虛擬平臺(tái)Virtools開發(fā)的各類培訓(xùn)模塊進(jìn)行演練和考核，如果在演練過程中操作錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)以選擇對(duì)話框的形式給予提示，從而加深學(xué)習(xí)人員對(duì)錯(cuò)誤操作帶來的嚴(yán)重后果的印象，最后對(duì)學(xué)員操作進(jìn)行考核評(píng)分。

除此之外，學(xué)員機(jī)實(shí)時(shí)讀取來自教師機(jī)存入數(shù)據(jù)庫(kù)的信息數(shù)據(jù)，以便學(xué)員機(jī)選擇操作項(xiàng)目和操作模式等。同時(shí)，學(xué)員機(jī)還要把操作數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以便教師機(jī)讀取數(shù)據(jù)，從而對(duì)學(xué)員的仿真操作訓(xùn)練給予考核評(píng)分，便于教師及時(shí)了解學(xué)員的學(xué)習(xí)情況。

圖3 學(xué)員機(jī)界面圖

3.6教師機(jī)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)該培訓(xùn)系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)如圖4所示的教師機(jī)系統(tǒng)評(píng)估界面。從該界面可以看出教師機(jī)的主要功能：選擇學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練或考核；設(shè)置學(xué)員的仿真訓(xùn)練或考核項(xiàng)目；設(shè)置學(xué)員的操作模式，如操作演練、操作考核；對(duì)學(xué)員的操作進(jìn)行評(píng)估打分。

除此之外，教師機(jī)還要把操作數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以便學(xué)員機(jī)讀取數(shù)據(jù)，選擇操作項(xiàng)目；同樣，教師機(jī)也要實(shí)時(shí)讀取學(xué)員機(jī)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)的操作數(shù)據(jù)碼，以便給予學(xué)員操作錯(cuò)誤的提示；最后，還要對(duì)學(xué)員機(jī)的仿真操作訓(xùn)練給予考核評(píng)分，以便及時(shí)了解學(xué)員的學(xué)習(xí)情況。

圖4 教師機(jī)系統(tǒng)評(píng)估界面圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的電站培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)合三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和數(shù)據(jù)交互等技術(shù)，研究出了具有經(jīng)濟(jì)性好、交互功能好、安全性高、可視化效果好和訓(xùn)練效率高等優(yōu)點(diǎn)的電站培訓(xùn)系統(tǒng)，獲得良好的效果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，能很好地滿足廣大在職船員和在校學(xué)員的培訓(xùn)需求，具有很好的應(yīng)用前景。

[1]陳登沖. 基于Virtools的塔式起重機(jī)操作模擬培訓(xùn)系統(tǒng)[D]. 山東: 山東大學(xué), 2011.

[2]張世懿. 基于XNA的柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)[D]. 大連: 大連海事大學(xué),2011.

[3]劉明坤. 三維游戲設(shè)計(jì)師寶典-Virtools開發(fā)工具篇[M]. 成都: 四川出版集團(tuán),2005.

[4]謝成. 基于虛擬實(shí)境技術(shù)的變電站三維仿真培訓(xùn)平臺(tái)的研制[D]. 上海：上海交通大學(xué),2009.

[5]李春葆, 曾慧. SQL Server 2000應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)教程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2008.

[6]任哲. MFC Windows應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2007.

Ship power station is the core of the ship power system.It can not only ensure the continuous power supply of the vessel in the worst environment,also maintain high quality of power supply in changeable working condition.Therefore,the operation skills and quality of the ship electric management must be improved and the performance of modern ship power station equipment should be improved as well.Aiming at the disadvantages of traditional ship power station training system,this paper proposes a new ship power station training system based on virtual reality technology,which has many advantages.The system framework is designed and the function is analyzed.At last,the raining system of ship power plant is realized that is based on the data access,and the teacher 's computer can control students ' computer.

ship power station;virtual reality technology;architecture design

U665.12

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.01.007

陳瑞(1989-)，男，江蘇徐州人，在讀碩士研究生，主要從事虛擬現(xiàn)實(shí)、船舶自動(dòng)化等方面的研究。

2014-08-13