（轮机工程专业论文）基于web3d主机控制台的建模及起动与安全保护虚拟操作研究.pdf

学术诚信声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导f 独立进行的研究工作及取 得的研究成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。本人依法享有和承担由此 论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：刁夺哩 时间：7 7 f 保护知识产权声明 作者( 签名) ：孑哥害 、 鬻肴孪哆 基于w e b 3 d 主机控制台的建模及起动与安全保护 虚拟操作研究 摘要 在虚拟现实技术与网络技术快速发展的今天，基于w e b 3 d 虚拟轮机模拟器的研究与 开发是这些技术在航海教育培训领域的创新与应用。网络式三维图形建模及其仿真技术， 由于其场景画面的逼真性、交互过程的实时性、管理的方便性以及价格上的优势，已越来 越受到广大用户的青睐。 当前，广泛应用于海船轮机管理人员实操培训的模拟器是一种半物理量式、混合型的 仿真模拟器，这种模拟器在日常的使用中存在着诸如：工作稳定性较差、系统扩展功能较 为薄弱、二次开发稍显不足以及受训人员数量和培训地点受限制等问题。基于w e b 3 d 虚 拟轮机模拟器可以让学员在逼真度非常高的三维场景中，在模拟真实轮机设备的操控环境 下通过交互设备实现机电设备实时交互式的仿真操作，该模拟器具有明显的优势：1 ) 基 于互联网可实现学员无限次数、场地和人数、远程网络式的培训工作；2 ) 在高性价比的 基础上，可以显著地提高培训质量。 作为虚拟轮机模拟器的重要组成部分，本课题以本校用于海事局各等级轮机员适任证 书实操培训之用的轮机模拟器( 模拟器的类型为w m s 2 0 0 0 型) 作为三维建模的原型，以 该模拟器采用的在一艘1 6 0 0 t e u 集装箱船使用的a u t o c h i e fi v 主机控制系统作为操作仿真 过程的原型，基于i n t e m e t 和v r m l 语言的开发环境进行课题的研究，研究内容和设计方 案如下：1 ) 采用合适的三维建模工具建立主机虚拟控制台及台上所属设备的三维造型并 建构主机虚拟控制台三维场景；2 ) 根据实际的操作逻辑，基于主机虚拟控制台场景设计 主机起动和安全保护虚拟操作仿真过程；3 ) 设计人机交互界面，实现具有起动和安全保 护虚拟操作功能的控制台三维场景的网上发布。由于采用了特殊场景运行环境，课题平台 克服了传统浏览方式只能在w e b 服务器端生成图像，再将图像一幅幅地传给客户端显示的 弊病。实现了在网络带宽有限的情况下，三维场景的快速渲染和实时的动态交互。 主机虚拟控制台三维场景的建构及起动与安全保护的虚拟操作是本文的研究重点：采 用3 d sm a x 、w e b 3 d t o o l s 等建模工具建立虚拟控制台所有设备的三维造型，在此基础上， 利用v r _ m l 语言的插补器节点、传感器节点以及s c r i p t 节点，结合j a v a s c r i p t 脚本程序实 现主机起动和安全保护虚拟操作过程的仿真。为了达到快速的网上传输功能，采取了必要 的优化措施，尽可能减少场景数据量，便于用户的浏览和实时的交互操作。 关键词w e b 3 d ，v r m l ，主机控制台建模，起动与安全保护，虚拟操作 s t u d y o nc o n t r o lc o n s o lm o d e l i n ga n ds t a r t i n ga n d s a f e t yp r o t e c t i o ns i m u l a t i n go p e r a t i o n f o rm eb a s e d o nw e b 3 d a b s t r a c t i nt h ed a yw h e nv i r t u a lr e a l i t yf v r ) t e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n i q u eh a v eb e e nr a p i d l y d e v e l o p i n g , i ti sa ni n n o v a t i o na n da p p l i c a t i o ni nm a r i t i m ee d u c a t i o na n dt r a i n i n gf i e l df o rt h e r e s e a r e ha n dd e v e l o p m e n to fe n g i n er o o ms i m u l a t o rb a s e do nw e b 3 d t h et e c h n o l o g yo f t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n go l li n t e r n e th a sb e e nm o r ea n dm o r ef a v o r sb yu s e r s o w i n g t ot h r e e d i m e n s i o n a ls c o n e sr e a l i t y , i n t e r a c t i n g 、历ms c e n ei nr e a l t i m e , m a n a g e m e n ti n c o n v e n i e n c ea n dc h e a p n e s si np r i c e t o d a y , e n g i n er o o ms i m u l a t o r , w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e di n m a r i n ee n g i n e e r i n g t r a i n i n g - o p e r a t i o n , i sa k i n do fs e m i - p h y s i c a l ，m i x i n gs i m u l a t o r d u r i n gp r a c t i c a lu s i n g , t h i sk i n d o fp l a n th a sa p p e a r e dm a n yp r o b l e m s ，s u c ha s ：w e a k n e s si nw o r k i n gs t a b i l i t y , e x t e n d i n gf u n c t i o n , s e c o n d d e v e l o p m e n ta n dl i m i t a t i o ni n t h eq u a n t i t yo fr e c e i v et r a i n i n gs t u d e n t sa n di nt h et r a i n i n g p l a c e b e c a u s ev r e n g i n er o o ms i m u l a t o rc a nb e e nu s e db yr e c e i v et r a i n i n g s t u d e n t st o a c c o m p l i s hi n t e r a c t i n gw i t ht h es c e n ei nt h es t a t eo fs i m u l a t i n gp r a c t i c a lo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n ，i t h a sar e m a r k a b l ea d v a n t a g e ：1 ) b a s i n go ni n t e r n e t , s t u d e n t sc a nu s et h i sp l a n tt ot r a i ni nt h e m o d eo fu n l i m i t e dt i m e s ，p l a c e sa n dp e r s o n a ln u m b e r , 2 ) i tc a nh e l pp r o m o t i n gt r a i n i n gq u a l i t y i l lm 曲一p e r f o r m a n c ea n dl o w - p r i c e b e i n g a so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r to fv r e n g i n er o o ms i m u l a t o r , t h er e s e a r c h i n gi t e mi nt h i s p a p e ru s e sw m s 2 0 0 0e n g i n er o o ms i m u l a t o ra st h ep r o t o t y p eo ft h r e e d i m e n s i o n a ls c e n eo fm a i n e n g i n ec o n t r o lc o n s o l ，a n du s e sa u t o c h i e fi vm a i ne n g i n er e m o t ec o n t r o l l i n gs y s t e mu s e di n 16 0 0t e u c o n t a i n e r , w h i c hh a sb e e na d o p t e db yw m s 2 0 0 0e n g i n er o o ms i m u l a t o r , a st h ep r o t o t y p e o fs i m u l a t i n go p e r a t i o n b a s i n go i lt h er e s e a r c h i n ge n v i r o n m e n to fi n t e m e ta n dv r m l , t h es t u d y c o n t e n t sa n dd e s i g n e dm o d eo ft h i si t e mi n c l u d e ：1 ) b ym e a no fu s i n gs u i t a b l em o d e l i n gt o o l s t h r e e d i m e n s i o n a lm a i ne n g i n ec o n t r o lc o n s o li ne n g i n ec o n t r o lr o o n ( e c r ) a n di t si n s t r u m e n t s a n dm e t e r sa r em o d e l e d ，a n dt h e nc o n s t r u c tv r m ec o n t r o le o n s o l ；2 ) a c c o r d i n gt op r a c t i c a l o p e r a t i o n a ll o g i ca n dp r o c e s s ，b a s i n go nt h ev r m ec o n t r o lc o n s o l ，t h es t a r t i n ga n ds a f e t y p r o t e c t i o ns i m u l a t i n go p e r a t i o nf o rm ea r ed e s i g n e d ；3 ) t h ei n t e r a c t i n gi n t e r f a c ei sd e s i g n e dt o r e a l i t yi s s u i n gt h es c e n eo ni n t e r n e t o w i n gt ou s i n gas p e c i a ls c e n ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ，v r m ec o n t r o lc o n s o lc a nb er a p i d l yd o w n l o a d e da n ds h o w e da n db ed y n a m i c a l yi n t e r a c t i n gw i m s c e n ei nr e a l - t i m e ，a n da l s oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a ld o w n l o a d i n gm o d e ，w h i c h i i i m a g e sa r ed e l i v e r e dt ou s e ro n eb yo n ef r o mw e bs e r v e r i ti sa ne m p h a s i s 向rm e s t u d yo f m a i ne n g i n ec o n l r o lc o n s o lm o d e l i n ga n di t ss t a r t i n ga n ds a f e t y p r o t e c t i o ns i m u l a t i n go p e r a t i o ni nt h i sp a p e r u s i n gt h em o d e l i n gt o o l ss u c ha s3 d sm a x ，r e b 3 d t o o l st o c o n s t r u c tt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fv r m 厄c o n t r o lc o n s o l a n di t sf a c i l i t i e s t h e ni t s s t a r t i n ga n ds a f e t yp r o t e c t i o ns i m u l a t i n go p e r a t i o nc a nb ei m p l e m e n t e db ym e a no fu s i n gt h en o d e so f i n t e r p o l a t o r , “s e n s o r a n d “s c r i p t ”i nv r m la n dj a v a s c r i p tp r o g r a m i no r d e rt om a k et h es c e n e b e i n gt r a n s m i t t e dr a p i d l y , s o m eo p t i m i z i n gm e a s u r e sa r ei n t r o d u c e da n dc a r r i e do u tt or e d u c et h e d a t aq u a n t i t yo ft h i ss y s t e m u s e r sc a nb ec o n v e n i e n c et ov i s i t , b r o w s ea n di n t e r a c tw i t hs c e n ei n r e a lt i m e g e y w o r d $ ：w e b 3 d ，v r m l ，m a i ne n g i n ec o n t r o lc o n s o lm o d e l i n g ，s t a r t i n ga n ds a f e t yp r o t e c t i o n , s i m u l a t i n go p e r a t i o n i l l 目录 第一章引言1 1 1 课题研究的必要性1 1 2 船舶轮机模拟器的发展历程及其存在的问题1 1 3 国内外轮机模拟器的发展现状2 1 3 1 国外发展现状3 1 - 3 2 国内发展现状3 1 4 论文的主要研究内容4 1 4 1 主要研究内容：；5 1 4 2 论文的整体结构安排6 第二章主机控制台介绍及起动与安全保护过程分析8 2 1 主机控制台的分类及各控制台的组成8 2 1 1 驾驶室主机控制台8 2 1 2 集控室主机控制台8 2 1 3 机旁主机控制台1 0 2 2 主机起动逻辑回路1 0 2 2 1 主起动逻辑回路1 1 2 2 2 慢转起动控制逻辑回路1 1 2 3 主机转速与负荷逻辑控制1 2 2 3 1 主机加速速率限制回路1 3 2 3 2 程序负荷逻辑1 3 2 3 3i 临界转速回避控制1 4 2 4 驾控下主机遥控起动控制过程1 4 2 4 1 起动前的准备1 4 2 4 2 驾控下主机遥控起动控制过程1 5 2 5 集控台报警面板介绍与安全保护过程分析1 5 2 5 1 集控台报警面板1 5 2 5 2 主机安全保护过程分析1 6 第三章主机控制台建模及起动与安全保护虚拟操作的开发环境1 7 3 1 虚拟现实建模语言( v r m l ) 概述1 7 3 1 1v r m l 的发展历程j 1 7 3 1 2v r m l 语言的工作原理1 8 3 1 3v r m l 语言具有的特色1 9 i v 3 1 4v r m l 语言的核心概念一2 0 3 1 5 虚拟场景重要节点介绍2 1 3 1 6v r m l 浏览器插件的选择及其应用2 3 3 2w e b 3 d 模型对象的建构2 4 3 2 1 三维场景模型的建构方法2 4 3 2 2 三维建模工具的选择2 5 3 3 场景对象交互方式的实现2 7 3 3 1v r m l 传感器节点2 8 3 3 2v r m l 自身动画交互功能的实现2 8 3 3 3 外部程序与场景对象之间交互方式的实现2 9 3 4v r m l 场景文件的网络运行环境3 1 3 4 1 课题系统平台硬件的配置3 l 3 4 2a p a c h e 服务器、v r m l 文件与m y s q l 数据库的结合3 1 3 4 3 课题系统平台的整体架构3 2 第四章w e b 3 d 主机虚拟控制台的建构3 4 4 1 主机三维虚拟控制台的搭建过程3 4 4 2 主机控制台部分设备三维模型的建构过程3 5 4 2 1 主副车钟3 5 4 2 2 主机起动状态显示与辅助鼓风机控制面板3 8 第五章驾控下主机起动与安全保护虚拟操作过程的实现4 0 5 1 驾控下主机起动虚拟操作过程及其逻辑控制回路数学模型4 0 5 1 1 主机虚拟起动前的准备工作4 0 5 1 2 主机虚拟起动操控过程的实现4 1 5 2 主机安全保护虚拟操作过程的实现4 4 5 3h t m l 页面与主机虚拟控制台v r m l 文件的结合4 7 第六章场景及模型文件的优化技术4 9 6 1 场景建模过程文件的优化4 9 6 1 1v r m l 场景文件的优化4 9 6 1 23 ds t u d i om a x 文件的优化方式5 1 6 2 提高主机虚拟控制台场景的渲染速度5 2 6 2 1 采用性能优越的i e 浏览器5 2 6 2 2 合理设置视点( v i e w p o i n t ) 控制5 2 6 2 3 优化碰撞检测5 2 第七章w e b 3 d 船舶轮机模拟器在线考核评估系统的研究5 4 7 1w e b 3 d 船舶轮机模拟器功能简介5 4 v 7 2w e b 3 d 船舶轮机模拟器在线考核评估系统的设计思路5 4 7 2 1w e b 3 d 轮机模拟器三维场景的搭建5 4 7 2 2w e b 3 d 轮机模拟器在线考核评估功能的设计5 4 第八章总结与展望5 7 致谢5 8 附录5 9 在学期间发表的学术论文：7 7 v i 集美大学硕士学位论文基于w e b 3 d 主机控制台的建模及起动与安全保护虚拟操作研究 1 1 课题研究的必要性 第一章引言 经国际海事组织( i m o ) 通过并于1 9 9 7 年生效的经1 9 9 5 年修正的1 9 7 8 年海员培 训、发证和值班标准国际公约( 以下简称“s t c w 公约) 明确规定轮机部高级船员要取得 相应等级的适任证书必须经过轮机仿真模拟器的训练和培训【l 】。作为i m o 的缔约国，2 0 0 4 年，交通运输部颁布并实施了中华人民共和国海船船员适任考试、评估和发证规则( 以 下简称“0 4 发证规则”) ，规则同样规定：凡申请船长、轮机长等高级船员必须完成并通过 岸上相应仿真训练器的训练【2 】。 随着船舶日益向大型化、智能化、信息化、自动化方向发展，加强船舶轮机模拟器 的训练和培训更具重要性。这种训练不仅提高了轮机管理人员管理和驾驭自动化程度较高 的现代化船舶的能力，而且也有助于提高船员的个人综合素质，以适应中国航运企业以及 国际海员市场对高素质海员提出的新要求。现阶段，航海类院校和海员培训机构均加强了 轮机学员的模拟器训练和培训，这种培训不仅是海员自身素质提高的需要，也是我国履约 的需要，更是航运业健康、持续发展的重要保证。船舶轮机模拟器操作训练主要分为三部 分：主机及其动力与控制系统的操作、船舶电站的操作、船舶辅助设备的操作。目前，培 训机构使用的轮机模拟器是一种采用软件、硬件结合、有力感的、物理量式模拟器1 3 j 。该 模拟器在各等级轮机员适任证书实操培训和评估中发挥着巨大的作用，但在船员培训过程 中也一些问趔4 1 。随着船舶机电设备自动化和信息化程度的快速提高，开展虚拟轮机模拟 器的研究并在实操训练和培训中加以应用，以适应新形势下现代化船舶对高素质海员提出 的新要求。本课题是虚拟轮机模拟器重要组成部分，建模主机三维虚拟控制台及在所建控 制台上实现主机起动与安全保护的虚拟操作仿真研究具有重要现实意义。 1 2 船舶轮机模拟器的发展历程及其存在的问题 科学技术的不断发展以及船舶轮机设备现代化进程的加快，轮机模拟器的发展也经历 了不断发展和更新的过程，作为船舶轮机模拟器的重要组成部分，主机及其起动与控制系 统的仿真操作过程同样经历了快速发展、更新的过程。 从上世纪7 0 年代至9 0 年代初，第一代船舶轮机模拟器( 严格意义上应称为“船舶自 动化机舱”) 是一种纯实物式的船舶自动化机舱：大多数以现实中一条具有一定自动化程 度母型船的真实机舱作为设计或建造标准，由实际轮机设备组成的“自动化机舱”。主要 的机电设备包括：具有一定自动化程度的主动力装置及其机旁、集控室、驾驶室操作控制 系统( 控制台) ；船舶副机、船舶电站、船舶辅助设备及其操控系统等组成。这些设备与 实船设备基本上相同，或者按照实船设备进行等比例缩小后进行配置，而操作与控制方面 1 集美大学硕士学位论文基于w e b 3 d 主机控制台的建模及起动与安全保护虚拟操作研究 则基于母型船轮机设备的运行和控制功能来设计。轮机部各等级学员可以利用“自动化机 舱”的轮机实物设备在模拟实船环境下进行各种操作技能训练并接受海事主管机关的实操 考核评估。 9 0 年代中、后期以来，随着计算机技术、传感和自动控制技术的迅速发展及在航海教 学和培训领域的广泛应用，第二代船舶轮机仿真模拟器孕育而生，这种模拟器是一种半物 理量式、混合型的仿真模拟器。该装置中用于实现主推进装置、船舶电站、辅助设备操作 与控制的盘台采用了实物设备进行设计，这些设备的操控、运行和监控、报警等内部运行 规律和逻辑关系则采用仿真数学模型来实现，装置通过微处理器、p l c 控制器和i o 接口 与外部设备进行操作、控制等逻辑功能的信息交流，以完成相应的操作、控制和显示功能。 混合型的轮机仿真模拟器主要包括如下一些设备：可操作的大型动态示教板、模拟推进系 统、推进装置机旁、集控室、驾驶室操作控制台、船舶电站等设备。这种轮机模拟器满足 国家“0 4 发证规则”训练和评估相关功能的要求，目前，我国海事局对轮机部各等级高级船 员的实操训练与考核评估都是在这种模拟器上进行的。 上述两种轮机模拟器及其主机操控装置在不同时期的海船船员实操训练和评估过程 中发挥着巨大的作用，对轮机管理人员实践操作技能的提高，分析问题、解决问题能力的 提高具有重要的推动作用。但，这种传统的船舶轮机模拟器及主机操控装置在实操训练和 评估过程中也存在如下一些缺点： 设备占用的场地较大，投资费用高，运行、维护成本较高； 可扩展功能较为薄弱、二次开发稍显不足，维护性较为麻烦； 工作稳定性较差及出于人员和设备安全的考虑，故障设置和模拟能力稍显不足； 受训人员的数量有限、培训地点过于集中等不利因素，对学员的训练与考核评估会 产生一定影响； 评估过程主观性强，客观评判差，缺乏公平性。 总之，尽管传统的轮机模拟器在海船船员的实操训练和评估发挥很大的作用，但也存 在着不足和缺点，一定程度上影响培训质量和轮机模拟器应有价值的发挥。面对现代化船 舶轮机设备的日新月异以及操作和控制过程自动化、智能化程度的全面提高，如何适应现 代化船舶的发展方向，开发新型船舶轮机模拟器及其主机操控仿真装置，以培养符合航运 市场急需的高素质轮机管理人才是海事主管机关、海员培训机构必须共同面对的问题。 1 3 国内外轮机模拟器的发展现状 目前，国内外许多公司、航海院校以及科研机构都在积极地研究、开发新型轮机仿真 模拟器及主机操控仿真装置，到目前为止，已经开发出不少产品。这些轮机模拟器尽管采 用的技术手段有所不同，但它们的应用功能是一致的，也就是均能满足“s t c w 公约 及 我国“0 4 发证规则对轮机管理人员实操训练和考核评估所规定的要求。 2 集美大学硕士学位论文基于w e b 3 d 主机控制台的建模及起动与安全保护虚拟操作研究 1 3 1 国外发展现状 在国外，航海培训领域内船用设备的计算机仿真研究与开发始于2 0 世纪6 0 年代，挪威 的n o r e o n t r o l ( 挪康) 公司在7 0 年代初就开始航海类仿真模拟器的研究与生产，其产品遍及 航海教育和培训领域内的各种实物设备的仿真，到9 0 年代这些仿真设备的开发技术已经十 分成熟。一般地，国外研制的轮机模拟器软、硬件水平都比较高，但价格相对昂贵【5 1 。典 型的轮机仿真模拟器产品有：挪威n o r c o n t r o l 公司系列轮机模拟器、英国的t r a n s a s 公司的 e r s 系列轮机模拟器、德国的s t n 公司的s e s 4 0 0 0 系列轮机模拟器，部分造船大公司也生产 与主、副机设备相配套的仿真训练器，如s i e m e n s 、m i t s v b i s h i 及m t u 掣3 1 。上述产品 主要是基于实际硬件平台的物理仿真。 挪威n o r c o n t r o l 公司生产的轮机模拟器一种基于真实船舶机舱设备的仿真模拟器，开 发了包含不同船型、不同主机类型以及船机不同配置的数学模型。从软件设计角度看，采 用模块化结构，根据用户的要求，调取存放在数学模型库中船型、主机类型的数学模型， 根据相应的功能要求进行连接，得到适用于不同船型和主机型号的仿真模拟器。该公司研 制的轮机模拟器种类齐全，开发技术处于世界领先，产品约占世界市场份额的8 0 。目前 该公司正致力于船上模拟训练系统和远程在线模拟教学训练系统的开发和改进【6 j 。 英国t r a n s a s 公司生产e r s 系列轮机模拟器，包括e r s 2 0 0 0 ，e r s 3 0 0 0 和e r s 4 0 0 0 型轮机模拟器。e r s 4 0 0 0 轮机模拟器采用虚拟现实技术制作。集控室包括：主推进装置控 制台、主配电盘、岸电装置等设备。机舱包括一台主柴油机，两台柴油发电机、一台轴带 发电机等。系统由教练员台和学员工作站组成，教练员工作站可以在线监视和控制学员工 作站的操作，学员工作台可运行不同的柴油主机模型、电站模型以及与其相配的控制系统 和设备【刀。 德国s t na t l a se l e k t r o n i k 公司生产的s e 4 0 0 0 系列轮机模拟器开发思路主要基于对仿 真环境真实性的考虑，对机电设备运行和控制的所有物理过程都进行建模、图形显示，主 机和集控室都采用硬件实物设备，每个系统的泵浦和管线都予以再现，并且考虑到了液体 或气体的流动特性1 8 】。 l - 3 2 国内发展现状 在国内，应用于航海教育和培训之用的轮机模拟器的研制起步较晚，研发条件相对薄 弱，但研究的起点高，发展迅速。大连海事大学、上海海事大学、武汉理工大学等国内航 海院校及其研究机构是开展轮机模拟器研究的最具代表性单位。 大连海事大学研制的新型轮机模拟器系统，运用了虚拟现实技术，采用集控室控制台、 配电盘和驾驶室控制台等实物设备再现船舶的实际机舱，增加了机舱巡回检查和结构维修 功能。采用分布式、模块化结构的网络系统，对部分子系统的修改和更换不需修改整个系 绀9 1 。其中d m s 2 0 0 0 型船舶轮机仿真系统采用了世界工具包w o r l d t o o l k i t ( w t k ) 和桌面 虚拟环境系统玎虚拟环境开发工具开发的一种轮机仿真模拟器，该仿真系统在保留轮机 3 集美大学硕士学位论文 基于w e b 3 d 主机控制台的建模及起动与安全保护虚拟操作研究 模拟器主要实物盘台和仪表板的同时，增加了机舱的虚拟现实可视化场景，设计了虚拟机 舱漫游仿真系统和虚拟集控室与虚拟驾驶台遥控仿真系统【l o 】。 武汉理工大学研制的轮机模拟器比较典型的型号有：w m s 2 0 0 0 、w m s 2 0 0 4 。其中， w m s 2 0 0 4 是在w m s 2 0 0 0 型轮机模拟器的基础上开发出来的。w m s 2 0 0 0 型轮机模拟器采 用u n i x 操作系统和亚洲仿真器公司先进的实时仿真支撑软件，以1 6 0 0 t e u 集装箱船为母 型船仿真标准，大部分机械设备及其运行特性都按母型船标准设计，可再现母型船机舱各 种机电设备的主要操作控制功能【l 。w m s 2 0 0 4 型轮机模拟器以我国最新建造下水的 5 6 6 8 t e u 集装箱船的轮机设备为母型船。它较w m s 2 0 0 0 型轮机模拟器在计算机系统配置 及性能上有很大提高；网络通讯及i o 系统的配置与性能也有较大改进；仿真轮机设备的 内容和功能有多项扩充及提高；教练员台的功能及界面性能、监控系统的功能及界面性能 有很大改进。目前，该校虚拟仿真中心根据己建成的c r e a t o r v e g a 虚拟现实仿真系统，正 致力于新型轮机仿真模拟器的研究，采用三维建模软件c r e a t o r 建立了虚拟机舱三维视景 仿真系统，包括虚拟机舱及船舶主机、发电机、分油机和锅炉等机舱内主要设备的模型， 使用实时三维视景驱动软件v e g a 实现了场景的手动漫游和碰撞检测等功能【l 引。 上海海事大学研制的s m s c 2 0 0 0 大型轮机模拟器，以一艘较为先进的2 7 0 0 t e u 集装 箱船作为仿真对象，机电设备的造型及面板结构的设计充分基于仿真母型船的实际情况。 模拟器总体布局由4 个仿真训练舱室( 集控室、模拟机舱室、驾驶室教练员室、轮机长室) 及延伸培训室( 学员软操训练室、讲习室) 组成，还配置有若干个其它辅助舱室【1 3 j 。 根据相关资料的分析【6 ”】，到目前为止，无论是在国内还是在国外，船舶轮机模拟器 正呈现双轨发展的态势，传统轮机模拟器在功能实现方面除了兼顾软硬件相结合的技术之 外，正逐步引入虚拟现实技术；另一方面，基于c r e a t o r v e g a 以及w e b 3 d 虚拟现实仿真系 统的新型轮机仿真模拟器，也在快速的发展之中。 1 4 论文的主要研究内容 本文的研究对象集控室内主机控制台及驾控下主机起动与安全保护的操作过程 是船舶轮机模拟器的重要组成部分。论文主要以本校用于各等级轮机员适任证书实操训练 和考核评估的轮机模拟器( 模拟器的类型为w m s 2 0 0 0 型模拟器) 为主机虚拟控制台的建 模原型，以该模拟器采用的在一艘1 6 0 0 t e u 集装箱船使用的n o r c o n t r o l 公司生产的 a u t o c h i e fi v 主机控制系统作为起动和安全保护操作仿真过程的原型，在深入研究w e b 3 d 技术及查阅大量相关资料后，运用了虚拟现实技术、网络与多媒体技术以及计算机、图形 处理技术建构基于w e b 3 d 主机虚拟控制台及台上所属仪器仪表等设备的数字化模型，在 已建立的三维主机控制台场景下，实现驾控下主机起动与安全保护操作过程的交互式仿真 研究。 4 集美大学硕士学位论文基于w e b 3 d 主机控制台的建模及起动与安全保护虚拟操作研究 1 4 1 主要研究内容 1 基于w e b 3 d 主机三维虚拟控制台的搭建 主机集控室内虚拟控制台及台上所属设备数字化模型的建立主要采用可视化建模软 件3 d s m a x 、第三方建模软件w e b 3 d t o o l s 以及v r m l 编辑器v r m l p a d 等三维建模工具建 构如下设备的可视化三维造型，包括： 1 ) 主机控制台及所属仪器仪表等设备：用于监控主机、副机、船舶电站运行状态的 显示器、主机安保系统面板、主机遥控系统面板、集控室内主副车钟、调速器及其执行器 面板、主机运行参数显示仪表等设备； 2 ) 用于实现驾控下操控主机的主副车钟。 2 驾控下主机起动与安全保护虚拟操作仿真过程的实现 基于已建成的主机三维虚拟控制台，实现驾驶台内起动主机操作过程的仿真以及主机 全速运行时出现故障后产生的故障现象、主机故障减速安全保护过程与故障减速复位后主 机运行过程的仿真。由于没有建模驾驶室主机控制台，为了便于驾控下上述两种仿真过程 的研究，本课题在所建集控室内主机虚拟控制台上人为设置用于实现驾控下操控主机的主 副车钟，方便主机起动与故障减速安全保护操作仿真过程的实现。主机虚拟起动操作仿真 过程的实现方式是：在驾驶台通过点击主车钟手柄，车钟手柄移至不同车速位置时，集控 室内主机虚拟控制台上与起动过程有关的各面板上的仪表、指示灯会产生相应的显示和指 示变化来反映起动过程的各种逻辑关系，通过在虚拟仪器仪表上设置各种不同的数值显示 和指示灯的不同变化过程来模拟主机真实起动的操作过程。主机故障减速安全保护虚拟操 作过程的实现，其设计思路类似于主机虚拟起动过程。驾驶台主机起动虚拟操作过程按照 如下过程进行： 集控室内主机起动操作前的准备- 驾驶台主车钟推至“d e a ds l o w ( a h e a d ) ” 位- 集控室控制台上出现慢转起动_ 慢转起动结束后，转入正常起动( 转速从2 r m i n 上升至3 2 r m i n ) - - 车钟继续推至“s l o w ( a h e a d ) 位，进入加速速率限制( 主机转 速从3 2r m i n 经一定的时间后上升至4 0r m i n ) _ 进入临界转速限制( 转速由4 0r m i n 立即上升到4 9r m i n ) ，而后继续上升到5 2r m i n _ 车钟继续推至“n a v i g a t i o nf u l l ( a h e a d ) 位，主机继续受加速速率的限制转速从5 2r m i n 缓慢上升至8 0r m i n _ 转 速达到8 0r m i n 进入程序负荷限制，从8 0r m i n 须经更长的时间才能达到到1 0 4r m i n _ 主 机转速在1 0 4r r a i n 转速上稳定运行( 额定转速为1 0 8r m i n ) 。 主机虚拟起动操作过程中，除了转速表出现上述的变化之外，用于显示进入起动各个 阶段的逻辑指示灯以及主机功率表、增压压力表等仪表的数值也会同步地发生相应的变 化。整个虚拟起动操作过程可以完全模拟真实状态进行。 驾控下主机安全保护的虚拟操作过程如下：当主机在1 0 4r m i n 正常运行时，通过人为 5 集美大学硕士学位论文基于w e b 3 d 主机控制台的建模及起动与安全保护虚拟操作研究 设置让主机缸套冷却水进口压力下降到o 1 4 m p a ( 主机缸套冷却水低压故障减速设定值) ， 故障指示灯闪亮提醒故障问题出现，过了报警延时时间( 6 s ) 后，主机转速自动降至“s l o w d o w n ”所对应的转速( 5 2r m i n ) ，相关显示仪表也对应地跟着发生变化。当缸套冷却水进 口压力故障问题解决后，也就是冷却水进口压力重新回到正常值时，在集控室主机控制台 上按下“r e s e ts l o wd o w n ”按钮复位故障降速，主机将自动恢复到原来的转速( 1 0 4 r m i n ) 。这就是驾控下主机故障减速安全保护虚拟操作的整个过程。 3 具有起动和安全保护虚拟操作功能的主机虚拟控制台场景的网页设计与发布 采用d r e a mw e a v e 网页软件制作h t m l 网页，利用p h p + m y s q l + a p a c h e 结构方式实 现具有起动和安全保护虚拟操作功能的主机虚拟控制台场景的网上发布。将主机虚拟控制 台三维场景文件( 宰w r l 格式) 嵌入到h t m l 网页中，存储在w e b 服务器并发布到i n t e r n e t 上，通过主机虚拟控制台网页交互界面实现场景设备的动画效果及与用户的动态交互。 4 基于w e b 3 1 ) 船舶轮机模拟器在线考核评估系统的研究 简单分析如何在所建w e b 3 d 船舶轮机模拟器上实现各实操项目的远程在线考核与评 估，就系统的设计思路及相应功能提出了一些思索。 1 4 2 论文的整体结构安排 根据上述的研究内容及各部分之间的相互关系，论文的整体结构按如下的几个章节进 行阐述： 第一章：引言。介绍了选题的背景，该领域国内外的研究现状及论文主要研究内容。 第二章：主机控制台介绍及起动与安全保护过程的分析。介绍了机旁、集控室和驾驶 室主机控制台的功能，重点分析了集控室内主机控制台部分面板的功能，并针对驾控下主 机遥控起动过程和安全保护操作过程进行详细地阐述。 第三章：主机控制台建模及起动与安全保护虚拟操作的开发环境。简要介绍了虚拟现 实建模语言( 洲l ) 的基本知识。结合主机虚拟控制台的建模和起动和安全保护操作交 互逻辑的设计，详细阐述了以下过程的实现方式：三维图形和场景对象的建模、脚本编程、 人机交互过程、网页发布及数据库的连接等过程。 第四章：w e b 3 d 主机虚拟控制台的建构：介绍了集控室内主机虚拟控制模型建构方式 和过程，并分析了部分代表性设备的建模过程。 第五章：驾控下主机起动与安全保护虚拟操作过程的实现。分析了驾控下主机起动与 安全保护的虚拟操作过程。列出了实现这些过程所编写的脚本程序代码。 第六章：场景及模型文件的优化技术。介绍了主机控制台三维场景建模过程中文件的 优化，包括3 dm a x 文件和v r m l 文件的优化。分析了提高三维场景渲染速度的措施。 第七章：w e b 3 d 船舶轮机模拟器在线考核评估系统的研究。简单分析了w e b 3 d 船舶 轮机模拟器在线考核评估系统的功能，结合本课题的实现方式提出了实现在线考核评估的 6 集美大学硕士学位论文基于w e b 3 d 主机控制台的建模及起动与安全保护虚拟操作研究 设计思路和系统应涵盖的内容。 第八章：总结与展望。全文总结与未来工作的展望。 7 集美大学硕士学位论文基于w e b 3 d 主机控制台的建模及起动与安全保护虚拟