船舶柴油机交互式虚拟现实仿真

上海海事大学商船学院 江国和 严迤

随着现代科学技术的迅猛发展，虚拟现实技术开始广泛应用于船舶、汽车等行业。船舶柴油机是船舶机舱中的主要设备，可以通过虚拟现实技术对其进行虚拟仿真，达到以计算机为中心，以显示器为窗口，仅借助鼠标与键盘实现船舶柴油机全方位人机交互的目的。

一、虚拟现实技术的概念

虚拟现实（Virtual Reality, 简称VR），这一名词是由美国科学家拉尼尔（Jaron Lanier）在20世纪中期提出的，近年来该技术在各个领域获得迅速发展。VR是一项综合集成技术，虚拟现实综合了控制学、计算机图形学、多媒体技术、传感和显示技术等，从开始兴起，它就引起了全世界的广泛关注。它最早开始于美国军方的作战模拟系统，从1990年初开始，这种新型的人机交互技术旨在建立一种更加友好的人机交互关系,使人机交互的界面从单一的视觉感知跨越到包括听觉、触觉等在内的多种感觉感知，给人身临其境的感觉。

二、虚拟现实技术的特征

随着科学技术的迅速发展，人们希望人类日常生活中的所有行为都能在信息运行处理的环境中得到体现。虚拟现实具有满足人们这些需求的四个重要特征：是多感知性(multi-sensation)、浸没性(immersion)、交互性(interaction)和想象性(imagination)。图1说明了上述四者之间的关系[1]。

由于这些特性，用户可以足不出户，在各种虚拟现实设备帮助下，只需坐在家中就能享受“桂林山水”奇观，感受过山车所带来的惊险刺激。

图1 虚拟现实技术要素和特征

三、船舶柴油机的虚拟现实仿真研究现状

从20世纪80年代开始，国外已经展开了对船舶动力装置的系统仿真。当时具有代表性的有英国AVEN公司为英国华什西航海学院建造的轮机仿真训练器，以及挪威NORCON公司建造的轮机仿真训练器[2]。

中国对虚拟现实的研究起步较晚，与发达国家相比仍有一定的差距。2001年清华大学、大连海事大学合作研制出了中国第一台虚拟现实船舶轮机仿真训练系统，系统中含有虚拟视景，可以通过虚拟集控室和虚拟驾控台对虚拟机舱设备进行操作。另外，上海海事大学也一直致力于轮机模拟器的研究，目前已经开始着手在虚拟现实技术的基础上开发第三代虚拟仿真轮机模拟器，并已取得了初步成效。

四、基于Quest 3D的船舶柴油机交互式虚拟仿真

在使用Quest 3D实现虚拟现实的过程中，主要操作流程通常包括基于3ds Max的场景建模、场景创建互动效果及虚拟现实浏览三个部分。

(一) 船舶柴油机三维实体建模

6S35MC机型的柴油机是MAN—B&W公司生产的可逆转废气涡轮增压式直流扫气的超长行程大型低速二冲程船用柴油机,在国际商船上广泛应用。建模过程采用该机型的参数，其部分参数如表1所示。

表1 6S35MC型船舶柴油机部分参数

若柴油机曲轴—飞轮结构使用3ds Max的三维模型作参考，在建模之前，需要首先通过图纸、说明书以及现场图等资料了解曲轴飞轮的构造和尺寸，然后分析曲轴飞轮的组成部分，其主要由曲轴臂、曲轴颈、飞轮等部分组成，再对各子模块进行逐个建模，最后组装整个曲轴飞轮结构。

1.打开3ds Max，单击命令面板中的圆柱体，在画图窗口中拉出圆柱体，然后再根据收集的曲轴资料通过修改命令框进行修改。

2.单击样条线面板选择矩形，在圆柱体所处的X—Y平面上拉出矩形，并打开捕捉开关，同样启动弧形命令，在矩形两端节点分别用弧形接好，启用一维方向对齐，否则影响曲柄销在曲轴颈上的正确对应位置，然后启动可编辑样条线的焊接点融合[3]。

3.在修改器列表中找出挤出命令，通过旁边的命令框输入或者拖拉出具体的数据，通过俯视图和前视图进行观察。

4.修改曲轴臂在连杆大端上的斜切口。

5.镜像操作。选择好曲轴臂和之前的圆柱体之后，单击镜像操作按钮，将对应新曲轴臂和曲轴颈。

9.柴油机较佳的发火顺序为1-6-2-4-3-5，二冲程机的发火间隔角度360°/6=60°，其效果如图2所示。

图2 曲轴效果图

10.复制。拉伸曲轴颈，此时解组一个曲轴颈，横向复制，准备后续推力盘、飞轮、卡位做准备。

11.画出推力盘等模型。

12.飞轮盘的模型建立。

13.组合飞轮盘和曲轴。

14.对各部分进行颜色渲染，打开颜色命令窗口，分部分选择合适颜色对应相应的系统部分结构[4]。

15.完成曲轴飞轮系统的模型建立，从不同角度显示完成后的效果，如图3所示。

图3 曲轴—飞轮模型效果图

其他3ds Max所建三维模型依此类似，其建模过程不再详述。图4为建好后的船舶柴油机三维模型。

图4 柴油机整体三维模型效果图

(二) Quest 3D三维场景创建

将3ds Max中建好的柴油机模型导入Quest 3D中，以进行机舱三维场景的创建。Quest 3D场景主要由3D物体、摄影机及灯光组成，3D场景的编辑也主要是对这三者的编辑，可以在动画编辑器中编辑，也可以通过编辑通道结构中的相关通道来实现[5]。

关于灯光参数设计。进入灯光标签视窗，对于所有的灯光都可以像编辑物体一样去进行移动、旋转或缩放的操作，在标签视窗的顶部列出了灯光的属性，在其中可进行灯光属性、灯光颜色等方面的设置。全部模型导入完毕，灯光设置完成以后，整体效果如图5所示。

图5 全部模型导入完毕效果图

(三) 添加漫游相机

漫游相机也称“行走”相机，它的作用是以观察者的视角在虚拟场景中进行漫游，用户可以控制行进的方向和目的地。行走相机通道主要包括以下两部分内容：

1.Camera Logic（摄像机逻辑）部分创建了一个逻辑结构，当用户按空格键时，摄像机回到初始位置，这个是默认设置。

2.摄像机通道结构本身。其中，在摄像机运动矩阵中，用到了一个基类型为Vector（矢量）的Fast Collision Response（碰撞反应）通道结构来控制摄像机的位置。其通道下面的模块主要用来控制摄像机的运动设置、重力、碰撞半径的大小、碰撞物体、摄像机焦距和视野半径等参数。

这里要注意的是，当所有参数设置完成之后，将Walkthrough Camera模块连到Render通道上，而连接Camera Logic通道到Start3Dscene通道上。

在运动的按键控制上，采用默认设置。即：通过键盘上↑、↓、←、→键或者W、A、S、D键来进行“行走”，通过鼠标来确定视野方向。若要改“行走”速度，可以通过改变Movement文件夹里面的Speed模块的值来实现，最终效果如图6所示。

图6 虚拟机舱行走漫游

五、结语

以往的轮机柴油机模拟器都是实物或者半实物轮机类型，而此次交互式仿真软件开发是基于虚拟现实基础之上，以虚拟场景中的模型作为控制对象，完全摆脱了对实物的依赖，从而实现了仅使用一台电脑就可以对船舶柴油机系统进行虚拟仿真操作，在船员培训以及船舶设计等领域的应用前景十分广阔。

[1]Song J，Shi F Z.A Survey of Virtual Assembly System.Proceedings of SPIE，2003，5444：337-344.

[2]宁汝新，郑轶.虚拟装配技术的研究进展及发展趋势[J].中国机械工程, 2005，8(16) ：139-144.

[3]瞿颖健,曹茂鹏.3ds Max 2010完全自学教程[M],人民邮电出版社,2010.

[4]火星时代.3ds Max 2010大风暴[M],人民邮电出版社,2010.

[5]路朝龙.Quest 3D从入门到精通[M],中国铁道出版社,2012.