基于二维/三维混合仿真技术的船舶轮机员虚拟训练系统

办公文教;装订;广告设备的制造及其产品制作工艺1.本发明涉及虚拟模拟训练技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于二维/三维混合仿真技术的船舶轮机员虚拟训练系统。背景技术：2.目前，应用计算机仿真技术研发的轮机模拟训练系统被广泛应用于船舶轮机员的培训领域，旨在快速提升轮机员的理论知识水平与实操能力，其典型成果为由轮机系统二维仿真软件与半实物物理仿真盘台组成的轮机模拟器。根据对现有技术的了解与分析，现有轮机模拟训练系统存在如下缺陷和不足：3.轮机模拟器中的半实物物理仿真盘台(包括集控台、驾驶台、配电板与本地控制箱)仿照实船盘台进行设计制作，可保证一定的训练环境真实感。另一方面，轮机系统二维仿真软件则依据各轮机系统原理图设计仿真界面，它与轮机员的真实工作环境相差甚远，这无疑会削弱轮机模拟器在提升轮机员理论知识水平和实操能力方面的效能；4.为解决传统轮机模拟器训练环境真实感欠佳的问题，国外知名轮机模拟器厂商，如挪威的kongsberg公司、芬兰的wartsila公司以及波兰的unitest公司在传统轮机模拟器基础上引入了基于三维视景仿真技术研发的船舶三维虚拟机舱系统。然而，目前的三维虚拟机舱场景普遍存在着场景粗糙的共性问题，轮机设备的许多细节表现程度不到位且可供人机交互的内容不够丰富。该问题主要源于三维虚拟场景真实感与运行流畅性之间的矛盾关系，即提升三维虚拟场景的细节程度势必会大幅增加场景几何模型与贴图的资源量，从而会影响三维虚拟场景的加载速度与运行流畅性；5.目前，国际市场中用于船舶轮机员培训的三维虚拟机舱软件与轮机系统二维仿真软件之间的联系不够紧密，仅限于交互元素的状态同步与互操作。然而，对于大型商船而言，具有机舱空间庞大、轮机系统复杂、交互元素繁多的特点，在利用三维虚拟机舱软件开展模拟训练时将会花费大量时间用于寻找某一交互元素在三维虚拟机舱场景中的具体位置，这无疑会极大削弱训练效率。技术实现要素：6.针对上述所提出的现有技术中存在的相关技术问题，本发明遵循分离式设计理念提供一种基于二维/三维混合仿真技术的船舶轮机员虚拟训练系统，该发明丰富了传统轮机模拟器的功能、增强了培训效果、促进了学员理论知识水平与实操能力的提升。7.本发明采用的技术手段如下：8.基于二维/三维混合仿真技术的船舶轮机员虚拟训练系统，其特征在于，包括：9.用于数学模型的实时计算以及系统参数的配置的轮机系统数学模型管理端、用于二维仿真环境下的模拟训练的轮机系统二维仿真端、用于三维仿真环境下的模拟训练的三维虚拟机舱端以及用于储存定义轮机系统交互元素状态信息的仿真数据的数据池；10.所述轮机系统数学模型管理端通过对各轮机系统数学模型的联合仿真计算，仿真数据得以不断更新并注入数据池中，所述轮机系统二维仿真端与所述三维虚拟机舱端则根据所述数据池中的仿真数据分别对交互元素的状态进行更新；所述轮机系统二维仿真端与所述三维虚拟机舱端接受用户的操作并将操作信息注入数据池传送至所述轮机系统数学模型管理端，实现轮机系统数学模型的外部激励。11.较现有技术相比，本发明具有以下优点：12.1、本发明提供的基于二维/三维混合仿真技术的船舶轮机员虚拟训练系统涵盖了典型大型商船的绝大部分轮机系统。所涉及的轮机系统主要包括主推进装置系统、电站系统、冷却水系统、燃油系统、滑油系统、发电机系统、锅炉系统、消防系统、空调冷藏系统、舱底水系统、渣油系统、日用淡水系统、压缩空气系统、生活污水处理系统、舵机系统、集中控制系统、机舱通风系统，因此可满足各层次轮机员的培训需求；13.2、本发明综合运用包括多层次细节模型技术、精简模技术、纹理贴图优化技术与资源分块动态加载技术对三维虚拟机舱端中的资源加载过程和实时渲染过程进行优化。可在不明显影响三维虚拟机舱场景加载速度与运行流畅性的前提下尽可能丰富三维虚拟机舱场景的细节程度、大幅提升真实感。基于上述优化技术，用户可实现在三维虚拟机舱场景中的无缝连续漫游；14.3、本发明提供的基于二维/三维混合仿真技术的船舶轮机员虚拟训练系统采用了分离式设计理念，其中轮机系统数学模型管理端为一独立的核心应用程序，包括轮机系统二维仿真端与三维虚拟机舱端在内的训练端也分属不同的应用程序，数据池中的实时仿真数据一直在网络中传输，从而任何形式的软硬件训练端均可从网络中获取实时仿真数据。这种设计理念可增加训练模式的多样性，比如全任务模拟训练、单机模拟训练以及团队协作式训练。此外，各软硬件训练端均为可选项，可根据培训目的合理选择，使得船舶轮机员虚拟训练系统的配置方案更加灵活；15.4、应用本发明提供的基于二维/三维混合仿真技术的船舶轮机员虚拟训练系统，用户可同步开展二维与三维仿真环境下的模拟训练，可有效增强训练效果，促进了学员理论知识水平与实操能力的提升；16.5、本发明提供的基于二维/三维混合仿真技术的船舶轮机员虚拟训练系统设计有二维/三维跳转功能，即二维仿真界面中的阀门可直接定位到其在三维虚拟机舱场景中的具体位置，反之，三维虚拟机舱场景中的阀门也可直接定位置其在二维仿真界面中的具体位置，该功能可极大促进培训效率的提升。17.基于上述理由本发明可在虚拟模拟训练等领域广泛推广。附图说明18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。19.图1为本发明的系统结构图。具体实施方式20.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。21.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。22.如图1所示，本发明提供了一种基于二维/三维混合仿真技术的船舶轮机员虚拟训练系统，其特征在于，包括：23.用于数学模型的实时计算以及系统参数的配置的轮机系统数学模型管理端、用于二维仿真环境下的模拟训练的轮机系统二维仿真端、用于三维仿真环境下的模拟训练的三维虚拟机舱端以及用于储存定义轮机系统交互元素状态信息的仿真数据的数据池；24.所述轮机系统数学模型管理端通过对母型船轮机系统数学模型的联合仿真计算，通过对轮机系统数学模型仿真计算获取到的仿真数据得以不断更新并注入数据池中，数据池实际上为c#中的一个公共类，这个类中定义了若干数据变量(如压力、温度、流量参数，阀门的开关状态，开关的位置信息)并根据仿真数据对类中的数据变量进行更新所述轮机系统二维仿真端与所述三维虚拟机舱端则根据所述数据池中的仿真数据分别对交互元素的状态进行更新；所述轮机系统二维仿真端与所述三维虚拟机舱端接受用户的操作，即通过鼠标操作轮机系统二维仿真端与三维虚拟机舱端中的交互元素，如阀门、按钮与开关等。并将操作信息注入数据池传送至所述轮机系统数学模型管理端，实现轮机系统数学模型的外部激励。即通过用户的操作，该变交互元素的状态，比如开关阀门对轮机系统运行状态的影响。25.作为一种优选的实施方式，数据池实际上为c#中的一个公共类，在该类中定义有用于储存交互元素状态的变量，以某个阀门为例，它有开、关两种状态，因此在该类中可利用一个bool变量来定义，用户在轮机系统二维仿真端与三维虚拟机舱端中对该阀门进行操作，比如从关到开，该bool变量就会由false变为true，从而实现操作信息向数据池的注入。26.在本技术中，轮机系统的种类由母型船(即仿真对象)的类型确定，如海水冷却系统、燃油系统、滑油系统等；这里所说的数学模型，指根据特定母型船的轮机系统，建立相应的数学模型，在本发明中这些数学模型利用c#编程语言编写的。27.作为一种优选的实施方式，在本技术中，所述数据池中的仿真数据为全局共享公共数据；所述全局共享公共数据为整个船舶轮机员虚拟训练系统中实现人机交互与交互元素状态实时更新的重要数据变量。为了便于数据的识别、调用与管理，本发明对数据池中仿真数据的命名方法制定了统一的规范。对于一个全局共享公共变量，它的名称共有五个字段组成，每一个字段的用途与意义如下：第一个字段用于表示该变量所代表的物理量，规定为一个大写字母，例如t表示温度、g表示质量流量、p表示压力；第二个字段用于标识该变量所属的轮机子系统，规定为一个两位数字，例如10表示主机燃油供给系统；第三个字段规定为一个三位数字，用于标识变量在当前轮机子系统中的序号，结合前三个字段可保证当前变量在数据池中的唯一性；第四个字段为分隔符，规定为一下划线，用于分割前三个字段与第五个字段；第五个字段由轮机子系统的开发人员自行定义，具有一定的灵活性，主要用于对该变量的简洁描述。28.优选地，所述轮机系统数学模型端是整个船舶轮机员训练系统的核心部分，包括：用于各轮机系统数学模型的联合仿真计算的数学模型模块及用于轮机系统数学模型端各运行参数的设置的参数设置模块：29.所述参数设置模块包括：网络参数的设置、仿真数据的手动修改、训练初始条件的快捷设置以及仿真速度的设置；30.作为一种优选的，作为优选的实施方式，所述轮机系统二维仿真端基于二维仿真技术并根据各轮机系统原理图建立二维仿真训练环境，包括：资源加载模块、实时渲染绘制模块以及人机交互模块：31.所述资源加载模块用于根据用户的指令加载当前激活的轮机子系统二维仿真界面资源；所述实时渲染绘制模块实时绘制当前激活的轮机子系统二维仿真界面，并具有支持多种分辨率显示设备的自适应显示与界面局部放大/缩小的特色功能；所述人机交互模块用于处理用户在二维仿真环境中的人机交互，一方面支持用户利用鼠标操作交互元素，另一方面根据数据池中的仿真数据实时更新交互元素的状态。32.优选地，所述三维虚拟机舱端充分运用视景仿真技术、人机交互技术以及网络技术建立与真实船舶机舱环境相等的三维仿真训练环境，同时提供用户包括虚拟漫游与虚拟操作在内的人机交互功能。33.6、根据权利要求5所述的基于二维/三维混合仿真技术的船舶轮机员虚拟训练系统，其特征在于：所述三维虚拟机舱端包括：用于三维虚拟机舱端各运行参数的设置的参数设置模块、用于处理用户在三维虚拟机舱场景中的人机交互的人机交互模块、场景漫游模块、特效模块、场景资源库模块以及资源加载与实时渲染模块：34.所述参数设置模块包括：网络参数的设置、画面显示质量与分辨率的设置、操作快捷键的设置、中英文显示的切换、帧频显示的开关、网络连接状态提示的开关以及交互元素动态信息显示的开关；35.所述人机交互模块，能够实现用户利用鼠标操作交互元素，同时可以根据数据池中的仿真数据实时更新交互元素的状态；36.所述场景漫游模块用于实现虚拟人物在三维虚拟机舱场景中的行走、视角的转换、视距的远近调整、视点高低的调整以及正常行走/加速行走的切换；37.所述特效模块用于实现船舶机舱中的各类应急情景，包括火灾、机舱进水、细水雾释放以及泡沫释放；38.所述场景资源库模块用于储存三维虚拟机舱场景的几何模型资源与贴图资源；39.所述资源加载与实时渲染模块用于实现三维虚拟机舱场景几何模型资源与贴图资源的加载与实时渲染。40.进一步地，所述多层次细节模型技术如下。船舶机舱虽然属于一类大规模场景且内部存在大量的几何模型元素，但由于同一时刻可观察到的对象与目标数量有限，因此可采用多层次细节模型技术动态地对几何模型的精细程度进行调整。本发明在应用多层次细节模型技术时根据虚拟人物视点位置与各模型元素的距离来切换具有不同精细程度的模型，即对于能够近距离观察的模型元素显示高精度的模型，以提升三维机舱场景的真实感，对于离视点较远的模型元素则显示低精度的模型，以提升实时渲染效率。此外，为了不额外增加系统的承载负荷，本发明以简化模型在程序中的处理为原则，采用了静态多层次细节模型技术，即预先建立多个具有不同精细程度的模型再根据不同的控制条件进行多个模型间的切换显示。41.进一步地，所述纹理贴图优化技术如下。虽然通过几何建模方法，能够使得虚拟场景中模型元素的精度得以大幅提升、细节特征进一步丰富，然而对于某些模型元素，例如螺栓上的螺纹，需要大量的增加模型面片数方可表现出它的细节特征。相比场景真实感的提升程度，这往往是得不偿失的。针对该问题，本发明采用了法线贴图来表现此类模型元素的细节特征，它可以在不额外增加模型面片数与内存空间占用的前提下，使模型元素获得较为真实的视觉效果。除法线贴图外，本发明还应用了alpha贴图来表现格栅、冷却罩壳等具有镂空特征的模型元素，以及凹凸贴图来表现部分具有颗粒感的模型元素，均可在不额外增加模型面片数的前提下获得较为真实的视觉效果。42.进一步地，所述精简模技术如下。本发明将三维虚拟机舱场景中的部分复杂模型元素拆分为主体部分、细节部分1与细节部分2。当虚拟人物距模型元素较远时，仅显示主体部分，用户可观察到模型元素的外部轮廓。随着虚拟人物与模型元素之间的距离拉近，模型元素将在主体部分基础上额外显示细节部分1。随着距离的进一步拉近，模型元素将在主体部分与细节部分1的基础上再额外显示细节部分2。相比多层次细节模型技术，精简模技术无需预先建立多套具有不同精细程度的几何模型，只需建立一套几何模型即可，因此，可明显降低三维虚拟机舱场景的几何模型建模工作量。在优化三维虚拟机舱场景实时渲染速度方面，精简模技术可实现与多层次细节模型技术相近的优化效果。43.进一步地，所述资源分块动态加载技术如下。按照船舶机舱各轮机设备的关联性将其划分为若干块，每个块有三种状态，分别为显示、加载与卸载。为了实现三维虚拟机舱场景的资源分块动态加载，本发明利用了双缓存-多线程技术。当用户进入场景后，主线程会根据虚拟人物的位置、视距与视野直接从硬盘将需要的资源加载到内存中并予以显示，而绝大部分的资源加载与卸载逻辑则通过副线程来执行。主线程根据虚拟人物的位置对即将需要加载以及卸载的资源进行预判，然后通过线程间的通信将加载与卸载指令发送给副线程完成资源的预加载与卸载。当需要在虚拟场景中显示这些已预加载完毕的资源时，可通过进程间的内存共享机制，把已加载好的资源共享给主线程并予以显示。通过上述加载方法，主线程仅需要维护一个较小的内存空间，大量的资源加载与卸载均在另一个线程中处理，如此三维虚拟机舱场景的资源加载过程得以大幅优化，能够有效降低对计算机硬件配置的要求，同时能够缓解实时渲染压力。44.为加强三维虚拟机舱端与轮机系统二维仿真端之间的联系，本发明设计并实现了二维/三维跳转功能。为实现二维/三维跳转功能定义了跳转数据表，数据表中针对每一个交互元素定义了包括仿真数据变量、所在轮机系统二维仿真界面编号、所在三维虚拟机舱场景舱室编号以及所在三维虚拟机舱场景舱室中的三维坐标值。45.进一步地，用户在由三维虚拟机舱端向轮机系统二维仿真端跳转时，将向轮机系统二维仿真端发送跳转请求命令及跳转数据，包括交互元素对应的仿真数据变量以及所在轮机系统二维仿真界面的编号。轮机系统二维仿真端将首先根据所在轮机系统二维仿真界面编号信息切换至相应二维仿真界面，然后根据交互元素对应的仿真数据变量定位该交互元素在该界面中的位置并予以高亮闪烁显示。46.进一步地，用户在由轮机系统二维仿真端向三维虚拟机舱端跳转时，将向三维虚拟机舱端发送跳转请求命令及跳转数据，仅包括交互元素对应的仿真数据变量。三维虚拟机舱端将首先根据仿真数据变量于跳转数据表中查询该交互元素的所在三维虚拟机舱场景舱室编号信息以及三维虚拟机舱场景舱室中的空间坐标值信息，然后据此信息加载该交互元素所在的舱室并根据交互元素的空间坐标值信息切换虚拟人物在该舱室中的位置，最后会在该交互元素上出现闪烁光圈并持续5秒钟(该时间可调)。47.实施例148.本实施例以一台配有双屏显示器的台式计算机运行本发明提供的基于二维/三维混合仿真技术的船舶轮机员虚拟训练系统，计算机主要配置为：i9-10900k cpu@3.70hz，32gb内存，geforce rtx 2080ti显卡，windows10操作系统。49.用户分别运行轮机系统数学模型管理端、轮机系统二维仿真端以及三维虚拟机舱端，一屏幕显示轮机系统二维仿真端，另一屏幕显示三维虚拟机舱端。50.用户对三维虚拟机舱端的运行参数进行设置。根据计算机的硬件配置选择三维虚拟机舱的显示画质，包括低质量画质、中等质量画质、高等质量画质以及超高质量画质。根据计算机显示设备的配置选择三维虚拟机舱的显示分辨率。根据用户自己的操作习惯设置操作快捷键，设置中文或英文显示、帧频显示的开关、网络连接状态提示的开关以及交互元素状态动态信息显示的开关。设置网络ip地址，即轮机系统数学模型管理端所在计算机的ip地址，实现三维虚拟机舱端与轮机系统数学模型管理端之间的网络连接。51.轮机系统数学模型管理端默认的运行参数一般无需调整。用户激活轮机系统数学模型管理端后可从瘫船状态直接开始训练或加载已有轮机系统运行状态文件开始训练。为提升培训效率，用户既可直接手动修改数据池中的部分仿真数据，例如油舱与水舱的液位、压缩空气瓶的压力以及油舱的温度，还可以快捷设置训练初始条件，例如可以选择全船电力备妥、全船蒸汽备妥或是全船压缩空气备妥。52.轮机系统二维仿真端无需任何设置，二维仿真界面将高清无损的自适应显示设备的分辨率。53.用户在三维虚拟机舱端通过点击舱室选择界面中的舱室图标可以快速进入相应舱室，包括主机舱各层、集控室、驾驶台、应急发电机间、分油机间、舵机间、空调室以及消防控制站等。进入舱室后用户可利用键盘与鼠标完成虚拟漫游，包括行走、视角的转换、视距的远近调整、视点高低的调整以及正常行走/加速行走的切换。基于所应用的资源加载与实时渲染优化技术，可实现用户在三维虚拟机舱场景中的无缝连续漫游。用户使用鼠标移至三维虚拟机舱场景中的各类交互元素，鼠标光标将变成小手样式，表明用户已成功拾取交互元素，同时屏幕左下角将显示所选交互元素的状态信息，包括交互元素的名称、编号(仅限阀门类交互元素)、所属轮机子系统名称、物理单位(仅限模拟量仿真数据，如电压、电流以及压力等)以及状态信息。用户成功拾取交互元素后，通过鼠标可完成交互元素的操作，包括阀门、按钮、空气开关、万转开关、组合开关、车钟手柄、调速手柄、应急停止按钮以及手摇泵等。用户的操作信息将注入数据池中并传送至轮机系统数学模型管理端，实现轮机系统数学模型管理端中数学模型的外部激励。数学模型模块对各轮机系统数学模型进行联合仿真计算，仿真数据得以不断更新并注入数据池中，轮机系统二维仿真端与三维虚拟机舱端则根据数据池中的仿真数据分别对交互元素的状态进行同步更新。用户成功拾取交互元素后，按下鼠标滚轮，屏幕中会显示“switch to 2d”按钮，点击该按钮，轮机系统二维仿真端将立刻切换至该交互元素所在的二维仿真界面，同时二维仿真界面中对应的交互元素将高亮闪烁显示。54.用户在轮机系统二维仿真端通过点击代表各轮机子系统的标签即可进入相应的二维仿真界面。用户通过通过鼠标可完成二维仿真界面中交互元素的操作，包括阀门、按钮、空气开关、万转开关、组合开关、车钟手柄、调速手柄、应急停止按钮以及手摇泵等。用户的操作信息将注入数据池中并传送至轮机系统数学模型管理端，实现轮机系统数学模型管理端中数学模型模块的外部激励，数学模型模块对各轮机子系统数学模型进行联合仿真计算，仿真数据得以不断更新并注入数据池中，轮机系统二维仿真端与三维虚拟机舱端则根据数据池中的仿真数据分别对其中交互元素的状态进行同步更新。用户点击位于二维仿真界面右下角的3d按钮即可进入跳转模式，在跳转模式下点击二维仿真界面中的交互元素，三维虚拟机舱端则从当前三维虚拟场景立即切换至该交互元素所在的具体位置，同时会在该交互元素上出现闪烁光圈并持续5秒钟(时间可调)。55.在上述功能基础上，用户可完成从瘫船到船舶海上全速航行的一系列虚拟训练任务。此外，用户还可以完成其它辅助系统的虚拟训练任务，包括生活污水处理系统、油水分离系统、空调冷藏系统、日用淡水系统、防海洋生物系统、阴极保护系统、消防系统、燃油驳运系统、滑油驳运系统、燃油净化系统以及滑油净化系统。56.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。57.在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。58.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。









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