破損艦船進(jìn)塢過程虛擬仿真研究

朱志潔 朱曉軍 王 政

海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院 武漢 430033

破損艦船進(jìn)塢過程虛擬仿真研究

朱志潔 朱曉軍 王 政

海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院 武漢 430033

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，根據(jù)破損艦船狀態(tài)信息建立三維模型，在進(jìn)行浮態(tài)穩(wěn)性調(diào)整后，生成船塢布墩方案，并采用虛擬仿真軟件實(shí)現(xiàn)破損艦船虛擬進(jìn)塢過程，為部隊(duì)和船廠在戰(zhàn)時(shí)快速、科學(xué)地制定安全可靠的進(jìn)塢修理方案提供技術(shù)支持，對戰(zhàn)時(shí)破損艦船的進(jìn)塢修理提供了訓(xùn)練平臺，解決了破損艦船進(jìn)塢修理的快速性和安全性問題。

艦船 虛擬現(xiàn)實(shí) 進(jìn)塢 MultiGen

對于艦船水線以下的破損常用和有效的處理方法是進(jìn)塢修理。目前艦船進(jìn)塢大部分都是在船體無破損情況下進(jìn)行的，船廠方面很少有大破損艦船進(jìn)塢的經(jīng)驗(yàn)積累；船廠不可能，也沒有財(cái)力、物力對于各種破損情況的艦船進(jìn)行實(shí)物進(jìn)塢訓(xùn)練［1］。因此，如何確保在戰(zhàn)時(shí)使破損艦船快速進(jìn)塢修理是一項(xiàng)迫在眉睫的任務(wù)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬仿真系統(tǒng)是一種目前最有效的替代方法，特別是從訓(xùn)練的費(fèi)效比角度進(jìn)行考慮時(shí)，現(xiàn)有的技術(shù)能力表明虛擬仿真作為有價(jià)值的訓(xùn)練設(shè)備使投資得到極大的回報(bào)［2］。討論了破損艦船進(jìn)塢的組織實(shí)施過程，介紹三維建模理論和實(shí)時(shí)控制方法，實(shí)現(xiàn)了破損艦船進(jìn)塢修理的虛擬仿真過程，并就三維建模方法和實(shí)現(xiàn)、虛擬仿真環(huán)境和程序?qū)崿F(xiàn)過程進(jìn)行詳細(xì)說明。

1 系統(tǒng)平臺架構(gòu)

1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

破損艦船進(jìn)塢虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)基于分布式控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，它由現(xiàn)場設(shè)備（操作盤臺）、I／O接口系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)設(shè)備和通訊設(shè)備等組成一個(gè)三層構(gòu)造的集散型分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，平臺結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)上層有一臺仿真主計(jì)算機(jī)（兼作教練員工作站），用來存放仿真對象的數(shù)學(xué)模型及控制程序，控制整個(gè)仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行；中層有一臺接口計(jì)算機(jī)作接口管理，一臺計(jì)算機(jī)用來監(jiān)控破損艦船的狀態(tài)（浮態(tài)、穩(wěn)性、強(qiáng)度等），一臺計(jì)算機(jī)是監(jiān)控船塢閘門的狀態(tài)，一臺SGI工作站作為視景仿真計(jì)算機(jī)；下層有數(shù)個(gè)I／O接口機(jī)箱通過信號電纜線與操作盤臺設(shè)備相連，并連接通訊設(shè)備、打印機(jī)、投影儀等附屬設(shè)備。

1．2 系統(tǒng)流程

由于艦船在受到破損后，艦船本身的浮態(tài)和穩(wěn)性都受到了極大的破壞，要使艦船安全平穩(wěn)地進(jìn)塢和坐墩，首先要進(jìn)行浮態(tài)及穩(wěn)性的調(diào)整，使破損艦船具有足夠的穩(wěn)性。因此系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，首先要根據(jù)破損艦船的原始數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核計(jì)算，采取一系列浮態(tài)穩(wěn)性調(diào)整措施，使得進(jìn)塢前的破損艦船具有良好的穩(wěn)性和許可的漂浮狀態(tài)；在此基礎(chǔ)上得出船塢墩木的布置方案，生成布墩方案數(shù)據(jù)庫以備不同型號，或同一型號不同破損形式的艦船進(jìn)塢使用；同時(shí)，還需進(jìn)行一些艦船及進(jìn)塢設(shè)施的三維建模，生成系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)庫。最后，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中調(diào)用布墩方案數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)虛擬仿真控制，完成艦船虛擬進(jìn)塢過程。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)程序的實(shí)現(xiàn)過程通常可以分成3個(gè)主要的步驟：創(chuàng)建三維模型、生成虛擬環(huán)境、編寫可執(zhí)行程序文件。這些步驟既有一定的獨(dú)立性，又相互關(guān)聯(lián)。三維模型的制作由Creator工具完成，生成FLT格式的模型文件。艦船進(jìn)塢的虛擬環(huán)境在LynX中實(shí)現(xiàn)，由于它提供了一個(gè)直觀的操作界面，用戶可以方便地創(chuàng)建虛擬環(huán)境中窗口、圖形、通道等各種對象，調(diào)整它們的屬性和相互之間的關(guān)系。最后完成的產(chǎn)品除一個(gè)可執(zhí)行文件外，通常還包括一組相互關(guān)聯(lián)的文件：供這個(gè)可執(zhí)行文件調(diào)用的一個(gè)ADF文件，供這個(gè)ADF文件調(diào)用的一個(gè)或多個(gè)FLT模型文件，有時(shí)還需要為模型制作一些貼圖文件。可執(zhí)行文件在運(yùn)行的時(shí)候，還要調(diào)用一些庫文件。

2．1 三維建模

系統(tǒng)模型的建立采用目前通用的專業(yè)建模軟件MultiGen Creator。該軟件由美國MultiGen-Paradigm公司開發(fā)，它擁有針對實(shí)時(shí)應(yīng)用優(yōu)化的OpenFlight數(shù)據(jù)格式，強(qiáng)大的多邊形建模功能以及紋理應(yīng)用工具，構(gòu)造高逼真度、高度優(yōu)化的三維模型，并提供轉(zhuǎn)換工具，能將多種模型格式轉(zhuǎn)換成OpenFlight數(shù)據(jù)格式，并能與實(shí)時(shí)仿真軟件緊密結(jié)合，在實(shí)景仿真、模擬訓(xùn)練、城市仿真、交互式游戲等實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域有著世界領(lǐng)先的地位。Creator提供交互式多邊形建模及紋理應(yīng)用工具，專門用來創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)所用的三維模型。Creator的建模環(huán)境提供同時(shí)交互的、多重顯示和用戶定義的三維圖形觀察器和一個(gè)有二維層次的結(jié)構(gòu)圖［3］。

圖2 Creator建模工具的層次結(jié)構(gòu)視圖

圖2為Creator建模工具的層次結(jié)構(gòu)視圖，所有的顯示是交互的并是充分關(guān)聯(lián)的；這種靈活的組合加速了數(shù)據(jù)庫的組織、模型生成、修改編輯、賦予屬性和結(jié)構(gòu)關(guān)系的定義。Creator的邏輯結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能讓我們可以輕松地組織視景數(shù)據(jù)，為超級實(shí)時(shí)圖形硬件提供了優(yōu)化的性能。圖2中可見一個(gè)數(shù)據(jù)庫的等級結(jié)構(gòu)由許多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，頂層的唯一的結(jié)點(diǎn)被稱為數(shù)據(jù)庫頭節(jié)點(diǎn)。在其下的類群節(jié)點(diǎn)由Group，LOD，Switch，DOF，Light等構(gòu)成，DOF節(jié)點(diǎn)由許多子群節(jié)點(diǎn)和對象節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，而對象節(jié)點(diǎn)又由許多面所組成。面節(jié)點(diǎn)則由許多點(diǎn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成（點(diǎn)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)庫等級結(jié)構(gòu)中并不反映）。

2．2 虛擬仿真

Vega是MultiGen-Paradim公司最主要的工業(yè)軟件環(huán)境，用于實(shí)時(shí)視覺模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)和普通視覺應(yīng)用。Vega將先進(jìn)的模擬功能和易用工具相結(jié)合，對于復(fù)雜的應(yīng)用，能夠提供便捷的創(chuàng)建、編輯和驅(qū)動工具，是用來制作虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序的一個(gè)高性能軟件環(huán)境和工具箱。Vega具有良好的可視化編程環(huán)境，便于程序員和非程序員使用。它使用一種基于X／Motif基礎(chǔ)的點(diǎn)擊式圖形編輯環(huán)境LynX，可以快速、容易、顯著地改變應(yīng)用性能、視頻通道、多CPU分配、視點(diǎn)、觀察者、特殊效果、一天中不同的時(shí)間、系統(tǒng)配置、模型、數(shù)據(jù)庫及其它，而不用編寫源代碼。LynX可以擴(kuò)展成包括新的、用戶定義的面板和功能，快速地滿足用戶的特殊要求。Vega還包括完整的C語言應(yīng)用程序接口，為軟件人員提供最大程度的軟件和靈活性。Vega還支持多種數(shù)據(jù)輸入，允許多種數(shù)據(jù)格式綜合顯示。

雖然在LynX中修改參數(shù)的效率要比直接寫程序高，但是對于某些LynX不能實(shí)現(xiàn)的特殊效果，其算法必須用Visual C++編程來實(shí)現(xiàn)。在大多數(shù)情況下，在VC++中編譯Vega程序的方法和其它程序是一樣的：首先在VC++界面下輸入程序代碼，調(diào)試好后生成在操作系統(tǒng)下直接運(yùn)行的EXE文件。設(shè)置Vega應(yīng)用分為初始化、定義和配置三個(gè)步驟［4］：

1）調(diào)用vgInitSys初始化系統(tǒng)，用以創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)和信號量區(qū)。

2）通過創(chuàng)建必須需要的類的實(shí)例來定義系統(tǒng)，可以通過vgDefineSys調(diào)用應(yīng)用定義文件（ADF）。其ADF通過應(yīng)用程序接口Lynx創(chuàng)建、修改。也可以通過創(chuàng)建Vega類的實(shí)例。

在破損艦船的進(jìn)塢過程系統(tǒng)中結(jié)合了兩種方法，首先在Vega自帶的Lynx中新建damagedship．a(chǎn)df文件，在dock．a(chǎn)df文件中新建了一個(gè)稱為dock的object，對這個(gè)object的文件引用為主模型文件site．flt，同時(shí)在Scene中添加object的類實(shí)例dock，將光源中的環(huán)境顏色設(shè)置為白色。

3）最后調(diào)用vgConfigSys完成整個(gè)設(shè)置。

一個(gè)Vega應(yīng)用除了包含一個(gè)應(yīng)用定義文件（ADF文件）以及以上所提到的初始化函數(shù)外，還應(yīng)包括用于同步應(yīng)用進(jìn)程與給定幀率的vgSyncFrame和用于調(diào)用更新并應(yīng)用于下一楨的vgFrame系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)［4］。應(yīng)用定義文件定義了Vega的一般參數(shù)值，例如定義了一個(gè)docking．a(chǎn)df的應(yīng)用定義文件。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主控制程序框架如下：

Main（int argc，char*argv［］）

｛

vgObserver*obs；

vgChannel*chan；

vgWindow*win；

vgGfx*gfxl；

vgInitSys（）；／／系統(tǒng)初始化

vgDefineSys（argv［1］）；／／讀實(shí)時(shí)驅(qū)動文件

vgConfigSys（）；／／配置Vega系統(tǒng)環(huán)境

win＝vgetWin0；／／初始化驅(qū)動窗口

obs＝vgGetObserv0；／／初始化驅(qū)動通道

char＝vgGetObserChan（obs，0）；／／初始化觀察者運(yùn)動模式

gfx＝vgGetObservGfx（obs）；／／初始化驅(qū)動環(huán)境

env＝vgGetEnv0；

while（argc＞1）

｛

vgSyncFrame（）；／／幀同步

vgFrame（）；／／測定幀時(shí)間

change（win，gfx，chan，env）；／／調(diào)用VegaAPI函數(shù)，實(shí)現(xiàn)各種驅(qū)動功能

｝

｝

3 結(jié)束語

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，根據(jù)破損艦船狀態(tài)信息建立數(shù)學(xué)及幾何模型，使用專業(yè)仿真工具建立起了破損艦船進(jìn)塢過程虛擬仿真系統(tǒng)，可以為部隊(duì)和船廠在戰(zhàn)時(shí)快速、科學(xué)地制定安全可靠的搶修方案提供技術(shù)支持。也可以作為艦船進(jìn)塢訓(xùn)練平臺。該系統(tǒng)充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在現(xiàn)有情況下很好地解決了破損艦船進(jìn)塢修理的快速性和安全性問題，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

［1］朱曉軍，彭 飛．艦船維修虛擬訓(xùn)練平臺研究［J］．中國修船，2003（3）：34-37．

［2］楊建國，王 乘．基于MultiGen和Vega的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［J］．計(jì)算機(jī)仿真，2003，20（11）：75-77．

［3］龔卓榮，朱衡君．LynX圖形界面［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2002：212-218．

［4］龔卓榮，朱衡君．Vega程序設(shè)計(jì)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2002：8-34．

Simulation research on damaged warship docking based on real-time virtual technology

ZHU Zhi-jie ZHU Xiao-jun WANG Zheng
School of Naval Architecture and Power Naval University of Engineering Wuhan 430033

A virtual simulation system of damaged warship is introduced in this paper．After 3D modeling and a series of calculations to adjust the status and stabilization of damaged warship，the system is developed in virtual simulation environment．It can provide technical supports to make rapid and scientific projects of maintenance in dock in wartime．It can also be applied to build the training platform of maintenance in order to settle the problems of swiftness and security for docking of the damaged warships．

warship virtual reality docking MultiGen

TP391．9

A

1671-7953（2007）02-0087-03

2006-09-21

修回日期2006-10-27

朱志潔（1976—），男，學(xué)士，講師。