基于Quest3D的船舶電站虛擬維修軟件開發

陳　雷，胡以懷

（上海海事大學，上海201306）

基于Quest3D的船舶電站虛擬維修軟件開發

陳雷，胡以懷

（上海海事大學，上海201306）

針對目前船舶電站維修訓練的實際情況，以Quest3D為虛擬引擎，應用3Dmax2012建模軟件，結合VB系統開發平臺，研發出一套船舶電站虛擬維修軟件。對系統的功能需求做了分析，重點研究了系統開發流程與關鍵技術。經實測，該虛擬維修軟件不僅能夠節約開支，而且顯著提高培訓效率。

Quest3D；船舶電站；虛擬維修；3Dmax；VB

0　引言

伴隨船舶大型化、智能化、自動化的發展趨勢，船舶用電設備逐漸增多，用電量攀升，相應地船舶電站的容量不斷擴充。船舶電站自動化程度越發提高，在各種復雜工況環境下，工作穩定性成為衡量船舶電站的重要因素。作為人為因素的重要一環，培養具有專業素質和技能的船舶電氣管理員顯得極為重要。目前，國內針對船舶電站的維修訓練，主要采取利用半實物模擬器結合師資教學的方法，由于學員基礎參差不齊、實操場地有限、課時少，最終導致培訓效率很低。與此同時，由于船舶電站配電屏數多，設備種類復雜、基數大等問題，現行的船舶電站仿真軟件并未將維修納入系統功能模塊，僅適用于普通的船舶柴油發電機組啟停、合閘供電、并車、解列等常規操作。因此，利用虛擬現實技術實現船舶電站的虛擬維修，構建功能全面的船舶電站仿真軟件，可解決目前存在的具體問題，具有廣闊的推廣意義與實用價值。

1　軟件開發

1.1開發平臺

Quest3D軟件是由荷蘭的Act 3D公司在1998年研發出來的專門從事虛擬現實方面的應用軟件，軟件有豐富的功能模塊，可以實現模塊化、圖像化編程，不需要書寫代碼就能夠制作功能強大和畫面效果絢麗的VR項目。Quest3D是一個容易且有效的實時3D建構工具。比起其他的可視化的建構工具，如網頁、動畫、圖形編輯工具來說，Quest3D能在實時編輯環境中與對象互動。其特點是：（1）擁有一款強大的編輯器；（2）高超的性能；（3）強大而漂亮的圖形效果；（4）擁有真實的物理引擎，仿真物理模型；（5）人工智能，數據庫操作等附加功能；（6）支持力反饋的設備；（7）強大的網絡模塊支撐；（8）漂亮的粒子特效系統。

1.2開發思路

虛擬維修技術是虛擬現實技術近年來的一個重要研究方向，是綜合計算機技術、圖形圖像技術、虛擬現實技術、建模仿真等形成的應用。虛擬維修技術通過維修操作過程仿真支持維修訓練與維修的實施，有效降低維修訓練費用，提高維修的準確性與效率。突破了時間與空間上的束縛，實現了設備故障的實時診斷與維護，延長了設備的整體生命周期［1］。

船舶電站虛擬維修軟件的開發，其實質就是構造一個虛擬的維修系統。該虛擬維修系統是以虛擬維修技術為基礎，采取3Dmax建模軟件構建虛擬設備和虛擬維修環境，通過Quest3D進行渲染、仿真、交互。受訓人員通過鍵盤、鼠標等外部工具來開展虛擬訓練，利用虛擬維修工具對設備進行拆卸、裝配、故障維修，通過虛擬維修訓練系統的模擬訓練使受訓人員了解裝備的構造原理和掌握裝備的維修技能，從而實現如同在實裝上進行維修訓練的效果［2］。

2　開發流程

船舶電站虛擬維修軟件開發流程如圖1所示，具體步驟分為5個部分。

圖1　開發流程示意圖

（1）3Dmax建模軟件由于視覺效果逼真、功能模塊豐富、簡單易學等優點被廣泛于工程設計領域。本文采用3Dmax2012版本構造虛擬船舶電站系統及虛擬操縱場景，具體步驟為：1）建立模型，常規的建模方法包括：多邊形建模、布爾運算、NURBS曲面、散布；2）賦予材質，根據材料的質感，賦予模型不同的物理屬性；3）布置燈光，通過布置局部、全局光源來體現模型的材質、大小，為受訓人員展現一個沉浸式維修環境；4）烘培，將材料的材質、燈光、色彩通過烘培處理，以貼圖的形式貼在物體表面。

（2）利用Panda DirectX插件將制作好的模型從3Dmax2012導出，保存為.X文件。通過Quest3D虛擬引擎導入三維模型，利用Channel模塊，實現對設備的選擇、操縱、行進、維修的交互編程，生成一個視覺、聽覺、觸覺三位一體的人機交互虛擬仿真情景。

（3）以ACCESS數據庫作為Quest3D與VB數據連接，通過數據通信的控制與傳遞，實現船舶電站實時、動態的自動化控制。

（4）最后，利用Quest3D發布程序，生成*. Q3D文件或*.EXE文件，*.Q3D文件也可在網上發布，連接*.Q3D文件的Web網頁包含了Quest3D的媒體元素，可自動下載文件播放器，為遠程教育學員提供便利的學習途徑［3］。

（5）系統的集成過程中主要是通過特定的開發環境實現將虛擬維修操作模型及數據庫等后臺程序集成到一個平臺，以方便用戶使用［4］。本系統仿真界面采用VB集成軟件開發，更加簡單、直觀，容易實現。界面主要包括用戶欄、工具欄、狀態欄、故障管理欄等。

圖2　機艙集控室效果圖

3　軟件功能設計

3.1仿真訓練

對于船舶電站的操作訓練，受訓人員通過機艙漫游進入虛擬集控室界面，通過鼠標、鍵盤的聯合控制可完成船舶電站的日常運行管理，主要包括：發電機的啟動、合閘供電；應急發電機的啟動、合閘供電、自動控制；同步發電機的手動并車、自動并車；動力負載與照明負載的配電、切換等。

3.2虛擬拆卸及裝配

虛擬拆裝可以作為虛擬裝配的可逆操作，通過Quest3D虛擬引擎為受訓人員構建一個沉浸式虛擬維修場景。根據用戶的輸入信息調用虛擬工具，按照既定的拆裝順序來完成虛擬設備的分解、安裝。

3.3故障維修

設備在運行的過程中或者在運行一段時間之后，會出現一些常見的故障［5］。在船舶航行過程中，出現船舶電站失電故障，若不能及時排除，將會嚴重威脅航行安全。此功能模塊可通過模擬設置故障，讓受訓人員利用檢測工具鎖定故障設備，經過故障分析、診斷，最終完成維修工作。

3.4數據庫查詢

船舶電站設備的元器件繁多，相應的技術參數、設備信息、數據信號量很大，不同元器件出現的故障會對整個電站造成不同的危害。隨著器件的更換、故障類型的增加、功能要求的改變，數據庫也將隨之升級。因此構建一個開放式的數據庫系統對于維修系統的數據通信的準確性、完善性是相當重要的。

4　軟件開發方法

（1）模型優化：在三維建模階段，盡量減少模型的分段數、面數；在滿足功能要求的前提下，利用貼圖代替相應的設備，或僅對外部構造建模；使用optimize編輯修改器；在Quest3D操作平臺中，對于看不到的面，進行刪除或隱藏；利用快捷方式代替相同的模型。

（2）場景漫游的實現：機艙漫游功能是通過漫游相機實現的。這種相機允許用戶在場景行走、漫游，提供沉浸式的體驗?？稍O置任意快捷鍵，來控制前、后、左、右四個方向的行進。具體實現方法：將Walkthrough Camera拖入Channel視圖中，連接到Render下，設置相機的碰撞體、速度、重力、旋轉控制，以達到最優視角。

（3）維修工具跟隨：在虛擬維修過程中，受訓人員需要調用檢測工具，來判斷、確定故障單元，繼而利用維修工具完成故障修復。在操縱的同時，工具需要跟隨鼠標移動到相應位置，本系統用Quest3D內置channel模塊進行編程，通過鼠標點選維護工具，將鼠標的物理位置實時傳送工具的系統坐標，以此來達到隨動效果。

（4）雙向控制：使用ActiveX插件，通過Quest 3D中的“ActiveX Data”通道和“ActiveX Event”通道以及VB中的“Quest 3DCti14”控件來實現雙向控制［6］。在用戶界面，可用VB直接操縱Quest3D構建的虛擬電站維修系統，提高辦公效率。

（5）故障維修：針對船舶電站的所有設備故障的特點，通過Quest3D中物體屬性模塊，設置故障部件的顏色、顯隱性、位置，來模擬實際故障中對應的燒毀、缺失、異位的狀態，可定性地展示故障類型。

以2號發電機配電屏主開關故障為列，在用戶設置界面，進行相應故障的設置。受訓人員在配電屏按下啟動按鈕時，發現發電機無法合閘，利用萬用表進行常規檢測，最終鎖定故障所在位置，繼而進入修復界面，完成故障清除。最終，2號發電機配電屏恢復正常供電。

圖3　故障維修實例

5　結束語

本文將虛擬維修技術融入到船舶電站仿真軟件的研發，通過開發船舶電站虛擬維修系統，解決了常規訓練中教學資源、經費條件的限制，縮短培訓周期，提高培訓效率。滿足了電氣訓練的要求，可用于船舶電機員、電氣工程師、陸上服務工程師、船廠維護人員的培訓。對后續船舶電站維修軟件的開發具有一定參考意義。

［1］郝建平.虛擬維修仿真理論與技術［M］.北京：國防工業出版社，2008.

［2］王勇.裝備虛擬維修訓練系統綜述［J］.計算機光盤與應用，2014（22）：165-166.

［3］靳少杉，鄭華耀.Quest3D虛擬現實技術在輪機模擬器開發中的應用［J］.船海工程，2011（1）：70-72.

［4］袁先德，羅運同，王建，等.某型艦用柴油機虛擬維修技術研究［J］.中國修船，2011（6）：45-47.

［5］劉金林，曾凡明.艦船動力裝置虛擬維修訓練軟件的開發［J］.計算機仿真，2009（5）：325-327.

［6］涂世恩，胡以懷.一種基于ActiveX控件的Quest3D與VB通信方法［J］.電腦知識與技術，2013（34）：7710-7712.

Development of Virtual Maintenance Software for Marine Power Station Based on Quest3D

CHEN Lei，HU Yi-huai
（Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）

In the view of the actual situation of ship power station maintenance training，this paper describes a set of ship power plant virtual maintenance software based on the Quest3D virtual engine、3Dmax modeling software and VB system development platform.The functional requirement of the system was analyzed，and the key technology&development process of the system development were also studied.As a result，the software could not only save cost，but also significantly improve the training efficiency，and has wide application prospect and extension value.

Quest3D；ship power station；virtual maintenance；3Dmax；VB

TP319

A文獻標識碼：1009-9492（2015）12-0072-03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.020

陳雷，男，1992年生，山東臨沂人，碩士研究生。研究領域：船舶動力裝置。

（編輯：向飛）

2015-06-17