船舶电站培训系统的设计与实现

陈 瑞，俞孟蕻，张之亮，王黎明

(江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003)

船舶电站培训系统的设计与实现

陈 瑞，俞孟蕻，张之亮，王黎明

(江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003)

船舶电站是船舶电力系统的核心，它保证给最恶劣的海洋环境下船舶负载连续供电的同时，也要保证工况多变情况下维持较高的供电品质。因此，除了提高船舶电站设备性能之外，还应该提高船舶电气管理人员的操作技能与素质。针对传统船舶电站培训系统的诸多缺点，文章提出了一种基于虚拟现实技术拥有多个优点的电站培训系统，并对该系统的框架设计、功能以及如何实现进行分析，最后，得到以数据访问为基础的教师机控制学员机的培训系统。

船舶电站；虚拟现实技术；框架设计

船舶电站系统是保证船舶顺利航行，确保船舶正常工作所需要的比较稳定的非常重要的子系统，也是船舶电力系统最重要的组成部分。不仅要保证在最恶劣的环境下连续给船舶供电，还要在工况多变的情况下维持较高的供电品质。因此，现代船舶除要装配性能优良的电站设备外，还应该提高船舶电气管理人员的技能与素质。而传统的各类电站培训系统与实际电站系统差别很大，且需大量投资，受场地影响，存在污染环境、维修保养困难、某些训练项目具有很高危险性等诸多问题。此外，也不可能为了满足培训要求，停止设备运行或制造事故来训练学员。针对以上问题，基于虚拟现实技术，开发了具有经济性好、交互功能好、安全性高、可视化效果好和训练效率高等优点的船舶电站培训系统[1]。该系统不仅可以提高学员对整个电站设备模拟操作的学习效率和对事故的处理能力，而且也能减少学员误操作对船舶电站造成的影响。

1 系统框架设计

本文设计的船舶电站培训系统主要是在一个网络中教学管理机由教师控制学员机。在每一次培训之前，首先由教师确定本次培训的综合要求，包括培训对象、内容、目标、具体要求等，并把对应任务的信息数据存入数据库；学员机实时读取存入数据库的教师机布置的任务数据，调用对应的后台应用程序，完成训练或考核，并把操作信息存入数据库，以便教师机读取学员的操作数据，对学员的操作训练进行评价打分。同时，训练的结果会由训练记录与回放模块实时保存，以备需要时进行回放出来。

2 系统功能

该培训系统能够模拟电站系统的发电机组启停、并车及其解列和负载转移、应急发电机组启停和蓄电池的投入运行、电站不正常运行状态及其处理方法、电站事故状态及其处理方法等项目，如图1所示。学员能在与实际船舶电站近似的三维虚拟环境中进行正常操作、事故处理操作等训练。该系统中，学员用鼠标点对应的设备，该设备就会模拟实际的操作过程，达到让受训人员掌握和熟悉能确保电站电能正常生产的各种相关电气设备操作的目的。从而提高受训人员在船舶电网正常时的值班技能和事故后的快速处理能力，迅速熟悉各种人机操作和操作规程中的各种倒闸操作。

图1 系统功能图

3 系统实现

3.1三维模型建立

根据现场拍摄的各种电站设备照片和收集到的CAD图纸为参考资料，应用三维建模软件3ds max的基本体、多边形、面片和NURBS等建模方式建立三维模型，并对建立的模型进行优化、添加材质和贴图，以及模型渲染处理[2]，之后导出以后缀名为.nmo的三维虚拟电站环境模型，图2为模型建立流程图。

图2 建立三维模型的流程图

3.2交互控制的建立

把在3ds max中建立的三维电站模型的.nmo文件导入虚拟平台Virtools下，对该场景进行添加灯光、添加摄像机、调整设备坐标、修改材质等一系列的修改之后，根据实际船舶电站设备的操作过程，选取对应的电站设备，右击创建该对象的脚本，利用鼠标拖拽Building Block/Category/Behavior Name下的交互控制模块进入Schematic脚本编辑区[3]，对各个模块的参数进行设置和连线之后，就可以完成与实际操作基本一致的互动模拟，待所有的设备都加上互动模拟之后，就可以将该文件打包成.exe的文件，供学员机调用该应用程序完成相应的训练考核。

由于该训练系统中有很多需要控制的电气设备模型，而大部分控制模块是相同的，如配电柜上开关开合的旋转、指示灯颜色改变、按钮按下的移动等控制模块。对重复应用的脚本封装成一个完整的功能模块并保存，在使用时直接调入，只需修改功能模块的参数就可以得到对应的效果，从而避免了模块的重复设计，缩短了脚本流程的开发时间，降低了开发成本。

3.3数据库建立

船舶电站培训系统涉及的数据众多，且同一数据可能被系统的多个培训模块所用。如果没有统一的管理和存储方式，数据之间就不容易保证一致性，且数据共享程度低。数据库技术能将全部数据组成一个整体，提供对不同数据文件交叉访问的手段和权限，在数据结构和应用程序间提供接口；提供统一的数据操作手段，消除了数据冗余性，提高数据的可靠性、数据独立性、实时性，保证数据的安全性。因此系统中应采用SQL Server 2000数据库来管理和维护船舶电站培训系统的数据[4]。该系统需要管理的数据[5]有以下方面。

1)描述电站系统一次与二次设备的相关数据，如名称、类型、参数和状态等。

2)描述电站设备之间的数据，包括设备逻辑控制关系、设备的电气连接关系等。

3)基础知识库数据，电气设备、电子及计算机等方面的基础知识。

4)仿真训练系统支撑数据，管理员、教员、学员权限信息。

5)训练系统人机接口数据，包括仿真训练人机接口信息。

6)训练过程产生的数据，如学员操作前后的提示或响应。

7)考核过程和结果的描述数据。

3.4基于数据库交互

三维虚拟平台Virtools开发的应用程序不能直接与SQL数据库进行交互，必须先把SQL数据库数据通过开放数据库互连(ODBC)驱动程序安装到Virtools Server之后，再通过脚本编程把培训过程中的模拟操作数据映射到Virtools开发环境下的数组Array中，才能实现数据库数据交互。

当然，该系统中不管是教师机写入培训任务数据和读取学员机操作信息数据，还是学员机读取任务数据和写入模拟操作数据，它们都需要多次与数据库进行交换，本文主要使用MFC(微软基础类库)开发应用程序对数据库中的数据进行读写操作[6]，以便完成培训任务和培训的目的。

3.5学员机实现

根据系统的要求，设计学员机的操作界面如图3所示。教师机给予学员机布置相应的培训任务后，学员机才可以进行相应培训模块操作训练。学员可以先通过调用三维虚拟平台Virtools开发的各类培训模块进行演练和考核，如果在演练过程中操作错误，系统会以选择对话框的形式给予提示，从而加深学习人员对错误操作带来的严重后果的印象，最后对学员操作进行考核评分。

除此之外，学员机实时读取来自教师机存入数据库的信息数据，以便学员机选择操作项目和操作模式等。同时，学员机还要把操作数据存入数据库，以便教师机读取数据，从而对学员的仿真操作训练给予考核评分，便于教师及时了解学员的学习情况。

图3 学员机界面图

3.6教师机实现

根据该培训系统的功能，设计如图4所示的教师机系统评估界面。从该界面可以看出教师机的主要功能：选择学员进行训练或考核；设置学员的仿真训练或考核项目；设置学员的操作模式，如操作演练、操作考核；对学员的操作进行评估打分。

除此之外，教师机还要把操作数据存入数据库，以便学员机读取数据，选择操作项目；同样，教师机也要实时读取学员机上传到数据库的操作数据码，以便给予学员操作错误的提示；最后，还要对学员机的仿真操作训练给予考核评分，以便及时了解学员的学习情况。

图4 教师机系统评估界面图

4 结束语

本文设计的电站培训系统结合三维建模技术、虚拟现实技术、数据库技术和数据交互等技术，研究出了具有经济性好、交互功能好、安全性高、可视化效果好和训练效率高等优点的电站培训系统，获得良好的效果。系统设计合理，能很好地满足广大在职船员和在校学员的培训需求，具有很好的应用前景。

[1]陈登冲. 基于Virtools的塔式起重机操作模拟培训系统[D]. 山东: 山东大学, 2011.

[2]张世懿. 基于XNA的柴油发电机系统虚拟现实的实现[D]. 大连: 大连海事大学,2011.

[3]刘明坤. 三维游戏设计师宝典-Virtools开发工具篇[M]. 成都: 四川出版集团,2005.

[4]谢成. 基于虚拟实境技术的变电站三维仿真培训平台的研制[D]. 上海：上海交通大学,2009.

[5]李春葆, 曾慧. SQL Server 2000应用系统开发教程[M]. 北京: 清华大学出版社,2008.

[6]任哲. MFC Windows应用程序设计[M]. 北京: 清华大学出版社,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

陈瑞(1989-)，男，江苏徐州人，在读硕士研究生，主要从事虚拟现实、船舶自动化等方面的研究。

2014-08-13