船舶電站培訓系統的設計與實現

陳 瑞，俞孟蕻，張之亮，王黎明

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

船舶電站培訓系統的設計與實現

陳 瑞，俞孟蕻，張之亮，王黎明

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

船舶電站是船舶電力系統的核心，它保證給最惡劣的海洋環境下船舶負載連續供電的同時，也要保證工況多變情況下維持較高的供電品質。因此，除了提高船舶電站設備性能之外，還應該提高船舶電氣管理人員的操作技能與素質。針對傳統船舶電站培訓系統的諸多缺點，文章提出了一種基于虛擬現實技術擁有多個優點的電站培訓系統，并對該系統的框架設計、功能以及如何實現進行分析，最后，得到以數據訪問為基礎的教師機控制學員機的培訓系統。

船舶電站；虛擬現實技術；框架設計

船舶電站系統是保證船舶順利航行，確保船舶正常工作所需要的比較穩定的非常重要的子系統，也是船舶電力系統最重要的組成部分。不僅要保證在最惡劣的環境下連續給船舶供電，還要在工況多變的情況下維持較高的供電品質。因此，現代船舶除要裝配性能優良的電站設備外，還應該提高船舶電氣管理人員的技能與素質。而傳統的各類電站培訓系統與實際電站系統差別很大，且需大量投資，受場地影響，存在污染環境、維修保養困難、某些訓練項目具有很高危險性等諸多問題。此外，也不可能為了滿足培訓要求，停止設備運行或制造事故來訓練學員。針對以上問題，基于虛擬現實技術，開發了具有經濟性好、交互功能好、安全性高、可視化效果好和訓練效率高等優點的船舶電站培訓系統[1]。該系統不僅可以提高學員對整個電站設備模擬操作的學習效率和對事故的處理能力，而且也能減少學員誤操作對船舶電站造成的影響。

1 系統框架設計

本文設計的船舶電站培訓系統主要是在一個網絡中教學管理機由教師控制學員機。在每一次培訓之前，首先由教師確定本次培訓的綜合要求，包括培訓對象、內容、目標、具體要求等，并把對應任務的信息數據存入數據庫；學員機實時讀取存入數據庫的教師機布置的任務數據，調用對應的后臺應用程序，完成訓練或考核，并把操作信息存入數據庫，以便教師機讀取學員的操作數據，對學員的操作訓練進行評價打分。同時，訓練的結果會由訓練記錄與回放模塊實時保存，以備需要時進行回放出來。

2 系統功能

該培訓系統能夠模擬電站系統的發電機組啟停、并車及其解列和負載轉移、應急發電機組啟停和蓄電池的投入運行、電站不正常運行狀態及其處理方法、電站事故狀態及其處理方法等項目，如圖1所示。學員能在與實際船舶電站近似的三維虛擬環境中進行正常操作、事故處理操作等訓練。該系統中，學員用鼠標點對應的設備，該設備就會模擬實際的操作過程，達到讓受訓人員掌握和熟悉能確保電站電能正常生產的各種相關電氣設備操作的目的。從而提高受訓人員在船舶電網正常時的值班技能和事故后的快速處理能力，迅速熟悉各種人機操作和操作規程中的各種倒閘操作。

圖1 系統功能圖

3 系統實現

3.1三維模型建立

根據現場拍攝的各種電站設備照片和收集到的CAD圖紙為參考資料，應用三維建模軟件3ds max的基本體、多邊形、面片和NURBS等建模方式建立三維模型，并對建立的模型進行優化、添加材質和貼圖，以及模型渲染處理[2]，之后導出以后綴名為.nmo的三維虛擬電站環境模型，圖2為模型建立流程圖。

圖2 建立三維模型的流程圖

3.2交互控制的建立

把在3ds max中建立的三維電站模型的.nmo文件導入虛擬平臺Virtools下，對該場景進行添加燈光、添加攝像機、調整設備坐標、修改材質等一系列的修改之后，根據實際船舶電站設備的操作過程，選取對應的電站設備，右擊創建該對象的腳本，利用鼠標拖拽Building Block/Category/Behavior Name下的交互控制模塊進入Schematic腳本編輯區[3]，對各個模塊的參數進行設置和連線之后，就可以完成與實際操作基本一致的互動模擬，待所有的設備都加上互動模擬之后，就可以將該文件打包成.exe的文件，供學員機調用該應用程序完成相應的訓練考核。

由于該訓練系統中有很多需要控制的電氣設備模型，而大部分控制模塊是相同的，如配電柜上開關開合的旋轉、指示燈顏色改變、按鈕按下的移動等控制模塊。對重復應用的腳本封裝成一個完整的功能模塊并保存，在使用時直接調入，只需修改功能模塊的參數就可以得到對應的效果，從而避免了模塊的重復設計，縮短了腳本流程的開發時間，降低了開發成本。

3.3數據庫建立

船舶電站培訓系統涉及的數據眾多，且同一數據可能被系統的多個培訓模塊所用。如果沒有統一的管理和存儲方式，數據之間就不容易保證一致性，且數據共享程度低。數據庫技術能將全部數據組成一個整體，提供對不同數據文件交叉訪問的手段和權限，在數據結構和應用程序間提供接口；提供統一的數據操作手段，消除了數據冗余性，提高數據的可靠性、數據獨立性、實時性，保證數據的安全性。因此系統中應采用SQL Server 2000數據庫來管理和維護船舶電站培訓系統的數據[4]。該系統需要管理的數據[5]有以下方面。

1)描述電站系統一次與二次設備的相關數據，如名稱、類型、參數和狀態等。

2)描述電站設備之間的數據，包括設備邏輯控制關系、設備的電氣連接關系等。

3)基礎知識庫數據，電氣設備、電子及計算機等方面的基礎知識。

4)仿真訓練系統支撐數據，管理員、教員、學員權限信息。

5)訓練系統人機接口數據，包括仿真訓練人機接口信息。

6)訓練過程產生的數據，如學員操作前后的提示或響應。

7)考核過程和結果的描述數據。

3.4基于數據庫交互

三維虛擬平臺Virtools開發的應用程序不能直接與SQL數據庫進行交互，必須先把SQL數據庫數據通過開放數據庫互連(ODBC)驅動程序安裝到Virtools Server之后，再通過腳本編程把培訓過程中的模擬操作數據映射到Virtools開發環境下的數組Array中，才能實現數據庫數據交互。

當然，該系統中不管是教師機寫入培訓任務數據和讀取學員機操作信息數據，還是學員機讀取任務數據和寫入模擬操作數據，它們都需要多次與數據庫進行交換，本文主要使用MFC(微軟基礎類庫)開發應用程序對數據庫中的數據進行讀寫操作[6]，以便完成培訓任務和培訓的目的。

3.5學員機實現

根據系統的要求，設計學員機的操作界面如圖3所示。教師機給予學員機布置相應的培訓任務后，學員機才可以進行相應培訓模塊操作訓練。學員可以先通過調用三維虛擬平臺Virtools開發的各類培訓模塊進行演練和考核，如果在演練過程中操作錯誤，系統會以選擇對話框的形式給予提示，從而加深學習人員對錯誤操作帶來的嚴重后果的印象，最后對學員操作進行考核評分。

除此之外，學員機實時讀取來自教師機存入數據庫的信息數據，以便學員機選擇操作項目和操作模式等。同時，學員機還要把操作數據存入數據庫，以便教師機讀取數據，從而對學員的仿真操作訓練給予考核評分，便于教師及時了解學員的學習情況。

圖3 學員機界面圖

3.6教師機實現

根據該培訓系統的功能，設計如圖4所示的教師機系統評估界面。從該界面可以看出教師機的主要功能：選擇學員進行訓練或考核；設置學員的仿真訓練或考核項目；設置學員的操作模式，如操作演練、操作考核；對學員的操作進行評估打分。

除此之外，教師機還要把操作數據存入數據庫，以便學員機讀取數據，選擇操作項目；同樣，教師機也要實時讀取學員機上傳到數據庫的操作數據碼，以便給予學員操作錯誤的提示；最后，還要對學員機的仿真操作訓練給予考核評分，以便及時了解學員的學習情況。

圖4 教師機系統評估界面圖

4 結束語

本文設計的電站培訓系統結合三維建模技術、虛擬現實技術、數據庫技術和數據交互等技術，研究出了具有經濟性好、交互功能好、安全性高、可視化效果好和訓練效率高等優點的電站培訓系統，獲得良好的效果。系統設計合理，能很好地滿足廣大在職船員和在校學員的培訓需求，具有很好的應用前景。

[1]陳登沖. 基于Virtools的塔式起重機操作模擬培訓系統[D]. 山東: 山東大學, 2011.

[2]張世懿. 基于XNA的柴油發電機系統虛擬現實的實現[D]. 大連: 大連海事大學,2011.

[3]劉明坤. 三維游戲設計師寶典-Virtools開發工具篇[M]. 成都: 四川出版集團,2005.

[4]謝成. 基于虛擬實境技術的變電站三維仿真培訓平臺的研制[D]. 上海：上海交通大學,2009.

[5]李春葆, 曾慧. SQL Server 2000應用系統開發教程[M]. 北京: 清華大學出版社,2008.

[6]任哲. MFC Windows應用程序設計[M]. 北京: 清華大學出版社,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

陳瑞(1989-)，男，江蘇徐州人，在讀碩士研究生，主要從事虛擬現實、船舶自動化等方面的研究。

2014-08-13