損管監(jiān)控三維演示系統(tǒng)研究

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(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

艦船火災(zāi)仿真研究和損管模擬訓(xùn)練研究一直是當(dāng)前的行業(yè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。為此，結(jié)合損管試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目，展開基于全艦計(jì)算環(huán)境下的損管監(jiān)控三維演示系統(tǒng)研究，重點(diǎn)利用三維技術(shù)演示典型常規(guī)艙室火災(zāi)探測(cè)與滅火過(guò)程。

運(yùn)用三維建模技術(shù)構(gòu)建典型艙室的環(huán)境結(jié)構(gòu)，渲染火災(zāi)煙霧場(chǎng)景，進(jìn)行災(zāi)害條件下艙室環(huán)境模擬。系統(tǒng)基于全艦計(jì)算環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)平臺(tái)，可與損管監(jiān)控系統(tǒng)同步接受平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)信號(hào)，通過(guò)系統(tǒng)仿真技術(shù)，真實(shí)再現(xiàn)重要艙室的火災(zāi)探測(cè)與滅火控制的邏輯過(guò)程，具有豐富的人機(jī)交互效果，對(duì)于艦員學(xué)習(xí)損管監(jiān)控技術(shù)、指揮控制流程和基本操作，增強(qiáng)認(rèn)知的感官度有重要的作用，對(duì)于開展損管監(jiān)控技術(shù)試驗(yàn)和損管模擬訓(xùn)練技術(shù)研究有較大的參考價(jià)值。

1 損管監(jiān)控三維演示系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

損管監(jiān)控三維演示系統(tǒng)平臺(tái)由硬件和軟件組成。損管監(jiān)控三維演示系統(tǒng)硬件平臺(tái)由模擬計(jì)算機(jī)和3×3LCD圖像拼接單元組成。模擬計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接收損管監(jiān)控系統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)器狀態(tài)數(shù)據(jù)和消防系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，以更新三維演示系統(tǒng)的場(chǎng)景。常規(guī)艙室的火災(zāi)探測(cè)與滅火控制三維模擬場(chǎng)景通過(guò)圖像拼接控制器投影到3×3LCD圖像拼接單元，便于直觀演示典型艙室的三維仿真效果。本系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖1。

圖1 三維演示系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

損管監(jiān)控三維演示系統(tǒng)平臺(tái)軟件由三維場(chǎng)景仿真軟件組成。本試驗(yàn)平臺(tái)基于全艦網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算環(huán)境構(gòu)建，與損管模擬監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，從損管模擬監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器統(tǒng)一采集仿真設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，統(tǒng)一分配，作為三維場(chǎng)景仿真軟件的輸入因素。三維仿真軟件按照當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景、消防工作場(chǎng)景等進(jìn)行渲染，進(jìn)行演示場(chǎng)景輸出，并通過(guò)圖像拼接控制器，將場(chǎng)景界面綜合顯示在3×3LCD圖像拼接單元組成大屏顯示器上。

2 三維場(chǎng)景仿真軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件層次結(jié)構(gòu)

損管監(jiān)控三維演示系統(tǒng)的主要計(jì)算功能如設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、三維模塊建立、火災(zāi)場(chǎng)景模擬、消防場(chǎng)景模擬等由三維場(chǎng)景仿真軟件軟件完成，依據(jù)損管監(jiān)控三維演示平臺(tái)結(jié)構(gòu)，三維場(chǎng)景仿真軟件可分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層及顯示層，見(jiàn)圖2。

數(shù)據(jù)層軟件即OPC客戶端軟件，為三維演示軟件提供三維場(chǎng)景仿真軟件數(shù)據(jù)輸入服務(wù)，實(shí)時(shí)采集平臺(tái)網(wǎng)損管監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)服務(wù)器的狀態(tài)數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)主要有機(jī)艙、電站典型部位的火災(zāi)探測(cè)器、消防設(shè)施的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

服務(wù)層軟件完成對(duì)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的處理，提供火災(zāi)場(chǎng)景、消防場(chǎng)景、設(shè)備模型三維仿真運(yùn)算和支撐三維場(chǎng)景顯示。服務(wù)層軟件構(gòu)建演示設(shè)備的模型，模擬數(shù)據(jù)層采集的數(shù)據(jù)更新相關(guān)設(shè)備內(nèi)部變量狀態(tài)，改變?cè)O(shè)備模型和場(chǎng)景的顯示屬性，模擬火災(zāi)蔓延和消防滅火工作場(chǎng)景[1]。

圖2 三維場(chǎng)景仿真軟件軟件結(jié)構(gòu)

顯示層軟件是人機(jī)交互的接口，通過(guò)友好的可視化三維演示界面，渲染演示場(chǎng)景，對(duì)艙室設(shè)備和艙室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬顯示，執(zhí)行典型火災(zāi)探測(cè)和滅火控制的案例演示。

2.2 軟件信息流程

三維場(chǎng)景仿真軟件主要接收基于全艦網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算環(huán)境的損管模擬監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)服務(wù)器的損管設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，不對(duì)外產(chǎn)生數(shù)據(jù)，其信息流向幾乎是單向的。三維場(chǎng)景仿真軟件根據(jù)采集的設(shè)備動(dòng)態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)相關(guān)聯(lián)的設(shè)備模型的顯示屬性進(jìn)行修改，更新顯示界面。軟件還可根據(jù)顯示選項(xiàng)設(shè)置和人機(jī)交互，展現(xiàn)不同的顯示效果。軟件信息流程見(jiàn)圖3。

圖3 三維場(chǎng)景仿真軟件工作流程

顯示的內(nèi)容場(chǎng)景分為三部分，①本艙設(shè)備環(huán)境場(chǎng)景，需要根據(jù)火災(zāi)情況有不同的顯示場(chǎng)景，如著火設(shè)備被變黑等；②火災(zāi)場(chǎng)景，火勢(shì)、煙霧蔓延范圍，在視角范圍內(nèi)將本艙設(shè)備環(huán)境遮擋；③消防設(shè)施啟動(dòng)場(chǎng)景，當(dāng)檢測(cè)到消防設(shè)施啟動(dòng)數(shù)據(jù)后，模擬其滅火過(guò)程，如海水噴淋、氣體淹沒(méi)、泡沫淹沒(méi)等，同時(shí)火勢(shì)逐漸變小。

3 軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)

三維場(chǎng)景仿真軟件采用OPC協(xié)議與損管模擬監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件進(jìn)行通信，接收仿真艙室的火災(zāi)探測(cè)器和消防設(shè)施的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。三維場(chǎng)景仿真軟件獨(dú)立開發(fā)OPC客戶端，進(jìn)行信息的接收和處理工作。

3.1 三維模型建立

三維場(chǎng)景仿真軟件利用3DSMAX建立艙室結(jié)構(gòu)環(huán)境和主要設(shè)備的三維模型。3DSMAX具有強(qiáng)大的三維建模功能，能制作每個(gè)艙室環(huán)境和主要設(shè)備模型，并把場(chǎng)景和設(shè)備的貼圖賦給模型，以獲得逼真的演示效果。建模完成后，以fbx格式輸出模型數(shù)據(jù)，供三維動(dòng)畫驅(qū)動(dòng)程序[2]。

3.2 艙室三維背景繪制

本軟件的三維場(chǎng)景采用Unity3D開發(fā)。Unity3D是一款可以輕松創(chuàng)建三維可視化實(shí)時(shí)動(dòng)畫等互動(dòng)內(nèi)容的綜合型的開發(fā)工具。在本軟件中，Unity3D作為的三維動(dòng)畫驅(qū)動(dòng)引擎，可導(dǎo)入3DSMAX的fbx格式的三維模型數(shù)據(jù)，通過(guò)繪制、貼圖、著色的方式，建立起靜態(tài)的艙室環(huán)境背景，顯示效果見(jiàn)圖4。

圖4 艙室背景環(huán)境效果

3.3 三維動(dòng)畫處理

建立艙室三維環(huán)境背景后，需要處理火、水、氣體、泡沫等動(dòng)態(tài)場(chǎng)景元素。本軟件采用粒子系統(tǒng)完成火災(zāi)和破損進(jìn)水等災(zāi)害的模擬。粒子系統(tǒng)是一項(xiàng)專業(yè)表現(xiàn)火、爆炸、風(fēng)、水、云、霧等抽象視覺(jué)效果的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)貼圖、著色等傳統(tǒng)渲染技術(shù)在表現(xiàn)模糊現(xiàn)象方面的不足。在粒子系統(tǒng)中，每個(gè)粒子實(shí)質(zhì)是一張始終朝向視角的圖片，當(dāng)賦予上百個(gè)粒子一定的粒子運(yùn)動(dòng)效果時(shí)，就可模擬出火焰和破損進(jìn)水時(shí)的災(zāi)害效果[3]。

粒子的屬性有尺寸范圍、能量范圍、發(fā)射數(shù)量、世界速度、局部速度、隨機(jī)速度和球形范圍等，其具體定義見(jiàn)表1。

表1 粒子屬性定義描述

除火災(zāi)、破損進(jìn)水場(chǎng)景外，消防系統(tǒng)的水滅火、氣體滅火、泡沫滅火效果的模擬也由粒子系統(tǒng)完成。

利用粒子系統(tǒng)和Unity3D完成的艙室火災(zāi)場(chǎng)景和破損進(jìn)水的場(chǎng)景見(jiàn)圖5，場(chǎng)景仿真度較好。

在圖5的破損進(jìn)水場(chǎng)景中，水柱是通過(guò)修改水粒子的屬性值來(lái)模擬的，水面的模擬通過(guò)編輯水面著色器和反射效果實(shí)現(xiàn)，3D場(chǎng)景中設(shè)備材質(zhì)通過(guò)軟件中的著色器編輯實(shí)現(xiàn)。

圖5 艙室損害效果

對(duì)于火災(zāi)引起周圍設(shè)備的變化場(chǎng)景，是通過(guò)控制周圍物體模型的材質(zhì)貼圖來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)重要模型如汽輪機(jī)和鍋爐，在軟件中會(huì)準(zhǔn)備兩張貼圖，一張是正常狀態(tài)的，一張是被火熏黑的，在3D端運(yùn)行的時(shí)候根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行貼圖切換，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)典型常規(guī)艙室的火災(zāi)探測(cè)和滅火控制邏輯過(guò)程的模擬，本文構(gòu)建損管監(jiān)控三維演示系統(tǒng)平臺(tái)，規(guī)劃了三維場(chǎng)景仿真軟件的層次結(jié)構(gòu)和軟件信息流程;并對(duì)軟件的三維實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行探討。試驗(yàn)結(jié)果表明，軟件的仿真度較好，可應(yīng)用于損管模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)。

[1] 任 凱，浦金云.基于OpenGL 技術(shù)的火災(zāi)場(chǎng)景實(shí)時(shí)生成算法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，24(9):1063-1065.

[2] 劉 昆，王廣生.基于三維實(shí)時(shí)渲染技術(shù)的虛擬火災(zāi)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005，25(8):1962-1964.

[3] 邱金水，易祥烈，吳曉輝.基于Visual C ++的艦船水消防系統(tǒng)仿真研究[J].中國(guó)艦船研究，2008，3(6):38-40，48.