三维模拟器在航海教育中的应用及发展

三维模拟器在航海教育中的应用及发展1.引言当今社会，计算机，信息技术以及虚拟现实技术发生了日新月异的进步。海事教育及培训不但与这些变化息息相关，还应从中获益，尤其是出于航海驾驶和轮机操作安全性方面的考虑。现如今高速CPU、尖端图形卡以及先进的建模软件的发展为三维虚拟现实技术提供了更完美、更具体的开发平台。基于三维虚拟现实技术开发的轮机模拟器的目的是为了让机舱机械设备尽可能接近真实，从而使学员们更好的掌握真实机械的操作。本文将举例说明新一代三维虚拟机舱模拟器的运用。该模拟器是以中速柴油机集控室为基础，辅以发电机、冷却水系统、燃油系统、空压机设备等的机舱设备。2．轮机模拟器的发展历史利用模拟器进行训练是STCW78/95公约的强制性要求，一个轮机模拟器必须具有很强的仿真性，可以实现很多功能，包括船舶的推进装置、电站系统、燃油系统、滑油系统、冷却水系统、蒸汽系统、应急系统等的仿真，可为学员任意设置各种机械故障和紧急状态而无硬件设备损坏而带来的巨大代价。随着科技的进步，轮机模拟器的研制开发不断取得新成果。目前具有综合性能的轮机模拟器可分为传统型轮机模拟器和新型轮机模拟器两种。传统型轮机模拟器是以计算机为核心的机电系统，在空间上一般分为驾控室、集控室、模拟机舱和软操训练室。学员运用传统型轮机模拟器主要对主机操作系统、船舶电站系统以及监测报警系统进行较为接近实际的操作方法和步骤的训练学习，在此基础上进一步训练学习在各种航行条件下正常或应急情况，对轮机主辅设备的综合操作方法和步骤。其主要特点是微机+数学模型+多媒体显示界面+物理控制台+模拟图版。新型轮机模拟器，主要是应用虚拟现实等技术，完全对船舶机舱进行三维建模。虚拟现实技术的核心是通过计算机产生具有动态、声像功能的三维空间环境，使用者可以通过使用特殊的传感设备（比如投影仪、显示器、360度环绕屏），漫游在模拟机舱中，对设备进行操作，并得到实时的立体反馈，增强了机舱的真实感。新型轮机模拟器克服了传统型轮机模拟器物理模拟的局限性———不见机舱真面目。因此，将虚拟现实技术应用于轮机教学中，不但可以使教学计划高效率高质量地完成，而且也将大大提高训练与试验的逼真性、实效性和经济性。其主要特点是微机+数学模型+多媒体技术+虚拟现实技术。同时也必须指出，传统模拟器使用至今，仍有一些基本的不足之处。因为这些模拟器都以2D效果可视化呈现，包括了许多简化、缩写的机械系统。因此，学员在具体操作某一机械设备时将会遇到棘手的问题，这是因为图形演示和模拟器的操作程序和现实操作是有千差万别的。还有一个问题就是实际机舱的设备种类繁多、布置复杂、管系纵横、重叠交错、舱柜参差不齐、层次迭起，是一个复杂的、多层次、多任务的系统；机舱空间不仅分成数层安装甲板，而且又分割为辅机舱、锅炉舱、分油机间和集控室等若干空间。作为轮机专业学员必须系统地掌握这些知识，如果在实际中发生误操作，造成的后果则不堪设想。而传统的轮机模拟器在这方面的培训并不是很完善，这是因为传统模拟器并不能模拟出上述空间，或者说传统模拟器的培训软件都是相互独立的，没有无缝联接为一个整体系统，学员难以对机舱设备进行全方位、总体性的掌握。3.三维模拟器在轮机教学上的应用由于虚拟现实技术的种种优点，全世界多个高校和模拟器制造商都将研发重点集中在三维模拟器上，国外知名的有英国Transas公司开发的3DEngineRoominthesimulator，以及波兰Unitest公司开发出的MED3D产品。国内的大连海事大学也在新型轮机模拟器中引入了虚拟现实技术。下面就以Unitest公司开发的MED3D产品做一介绍。MED3D采用多媒体技术和虚拟现实技术，应用Macromedia公司的虚拟手段生成船桥遥控台、机舱集控室、主柴油机、柴油发电机以及诸如辅锅炉、空压机之类的辅机设备，这些三维立体图像上的各种手柄、按钮、阀门都可用鼠标进行操作，控制台上的各种仪表能实时显示数据。图1发电机组机舱实景主推进系统的3D仿真轮机模拟器是以机舱推进装置、管系、电站、辅机为主体的综合性模拟训练设备，与实船训练系统相比，模拟器没有庞大的机舱机械设备，一台主机要以百万美元计，所以模拟器不仅节省了大量的投资费，而且在维持正常运转中不消耗大量的燃油、蒸汽、水电等，可大大节省能源和日常维持费用。柴油机操纵系统元件较多、逻辑关系复杂、调整困难，是故障多发系统之一，在轮机模拟器训练中被列为重要内容。图二MED3D模拟了5400kW的中速柴油机，无论整体结构还是操控系统都与真实主机无异。图2主柴油机3D模型，图3机舱集中控制台图4为主机监控界面，界面中显示了每个汽缸的排气温度、滑油温度、燃油温度以及冷却水温度，这些数据都会实时更新，如果发生温度过高，模拟器则会报警，并且采用相应措施消除故障。图4主机监控系统船舶电站的系统仿真船舶电站模拟器的功能分为：日常运行管理方面，包括正常备车及瘫船起动、自动电站的使用管理与监控调节；应急措施方面，包括发电机突然失电跳闸的应急操作及发电机手动应急并车、应急发电机起动及应急供电；故障分析及排除方面，包括发电机、船舶电站故障分析及排除。MED3D模拟器配备了三台柴油发电机、一台轴带发电机和一台应急发电机，其电力管理系统（PMS）如图5所示，可以实现电力负载的智能分配和管理，以及应急发电的管理。图5PMS系统图6船舶电站配电屏及集控台燃油滑油系统仿真船舶燃油和滑油系统作为船舶的重要组成部分，其管系结构复杂、设备种类繁多。应用三维虚拟技术则可以直观的了解系统构成，管系走向。并且MED3D独特的变焦技术，可以让学员具体操作分油机上的阀门、开关、以及控制面板。图7燃油储罐以及分油机系统图8滑油分油机舵机系统仿真舵机模拟器由操纵装置、传动机构、舵机、控制屏组成，如图9所示。对于传统模拟器来说，舵机模拟器只有2D系统原理图，而并没有操纵设备的立体模型，但通过三维模拟器，学员可以结合舵机模型和原理图更深刻的了解系统，以及相应的操作，并且对液压系统有了更感性的认识。图9舵机操作机构图10舵机系统原理图其他辅机设备的仿真对于日常用到的多种辅机设备，都能在MED3D模拟器中实现，比较重要的有空调系统、锅炉设备、舱底水处理装置、油水分离器、空压机组等等。图11空调系统的模拟仿真图12锅炉系统的模拟仿真图13舱底水处理装置的模拟仿真机舱故障设置以及应急操控在实船上不敢轻易进行的某些操作，或者很难遇到的一些危险事故，在模拟器上都可以容易的模拟出来，如主机紧急制动、主机紧急起动、机舱着火、全船停电、发电机过载停机等，都可反复进行模拟操作。实践证明，应急操作和危险事故的处理对轮机员是一项很重要的锻炼。MED3D设置了38个故障点，在模拟器上可反复设置故障，观察现象，分析故障出现的先兆、后果，训练器应急处理的能力，这些既不会引起设备的损坏，又使学员在技术管理方面受到全面系统的训练。图14发电机组着火，消防设备启动模拟器除了可满足教学培训任务外，还能够适应科研及其它方面的专题研究的各种需要。由于模拟器各运转参数之间的关系是随机的，所以可以在模拟器上对一些研究课题进行试验，例如：对最佳经济航速的选择；采用不同品种的燃油对主机运转的影响；冷却水温度对主机的影响；机械故障的出现对轮机管理人员的影响。4结论综上所述，虚拟现实技术在轮机模拟器的成功应用，使轮机模拟器在机舱视景和互交性方面跨入一个新阶段，成为新一代产品的重要标志，进一步提高和完善轮机模拟器的培训功能和仿真水平。新一代轮机模拟器很大程度上提高了