基于Quest3D的船舶电站虚拟维修软件开发

陈　雷，胡以怀

（上海海事大学，上海201306）

基于Quest3D的船舶电站虚拟维修软件开发

陈雷，胡以怀

（上海海事大学，上海201306）

针对目前船舶电站维修训练的实际情况，以Quest3D为虚拟引擎，应用3Dmax2012建模软件，结合VB系统开发平台，研发出一套船舶电站虚拟维修软件。对系统的功能需求做了分析，重点研究了系统开发流程与关键技术。经实测，该虚拟维修软件不仅能够节约开支，而且显著提高培训效率。

Quest3D；船舶电站；虚拟维修；3Dmax；VB

0　引言

伴随船舶大型化、智能化、自动化的发展趋势，船舶用电设备逐渐增多，用电量攀升，相应地船舶电站的容量不断扩充。船舶电站自动化程度越发提高，在各种复杂工况环境下，工作稳定性成为衡量船舶电站的重要因素。作为人为因素的重要一环，培养具有专业素质和技能的船舶电气管理员显得极为重要。目前，国内针对船舶电站的维修训练，主要采取利用半实物模拟器结合师资教学的方法，由于学员基础参差不齐、实操场地有限、课时少，最终导致培训效率很低。与此同时，由于船舶电站配电屏数多，设备种类复杂、基数大等问题，现行的船舶电站仿真软件并未将维修纳入系统功能模块，仅适用于普通的船舶柴油发电机组启停、合闸供电、并车、解列等常规操作。因此，利用虚拟现实技术实现船舶电站的虚拟维修，构建功能全面的船舶电站仿真软件，可解决目前存在的具体问题，具有广阔的推广意义与实用价值。

1　软件开发

1.1开发平台

Quest3D软件是由荷兰的Act 3D公司在1998年研发出来的专门从事虚拟现实方面的应用软件，软件有丰富的功能模块，可以实现模块化、图像化编程，不需要书写代码就能够制作功能强大和画面效果绚丽的VR项目。Quest3D是一个容易且有效的实时3D建构工具。比起其他的可视化的建构工具，如网页、动画、图形编辑工具来说，Quest3D能在实时编辑环境中与对象互动。其特点是：（1）拥有一款强大的编辑器；（2）高超的性能；（3）强大而漂亮的图形效果；（4）拥有真实的物理引擎，仿真物理模型；（5）人工智能，数据库操作等附加功能；（6）支持力反馈的设备；（7）强大的网络模块支撑；（8）漂亮的粒子特效系统。

1.2开发思路

虚拟维修技术是虚拟现实技术近年来的一个重要研究方向，是综合计算机技术、图形图像技术、虚拟现实技术、建模仿真等形成的应用。虚拟维修技术通过维修操作过程仿真支持维修训练与维修的实施，有效降低维修训练费用，提高维修的准确性与效率。突破了时间与空间上的束缚，实现了设备故障的实时诊断与维护，延长了设备的整体生命周期［1］。

船舶电站虚拟维修软件的开发，其实质就是构造一个虚拟的维修系统。该虚拟维修系统是以虚拟维修技术为基础，采取3Dmax建模软件构建虚拟设备和虚拟维修环境，通过Quest3D进行渲染、仿真、交互。受训人员通过键盘、鼠标等外部工具来开展虚拟训练，利用虚拟维修工具对设备进行拆卸、装配、故障维修，通过虚拟维修训练系统的模拟训练使受训人员了解装备的构造原理和掌握装备的维修技能，从而实现如同在实装上进行维修训练的效果［2］。

2　开发流程

船舶电站虚拟维修软件开发流程如图1所示，具体步骤分为5个部分。

图1　开发流程示意图

（1）3Dmax建模软件由于视觉效果逼真、功能模块丰富、简单易学等优点被广泛于工程设计领域。本文采用3Dmax2012版本构造虚拟船舶电站系统及虚拟操纵场景，具体步骤为：1）建立模型，常规的建模方法包括：多边形建模、布尔运算、NURBS曲面、散布；2）赋予材质，根据材料的质感，赋予模型不同的物理属性；3）布置灯光，通过布置局部、全局光源来体现模型的材质、大小，为受训人员展现一个沉浸式维修环境；4）烘培，将材料的材质、灯光、色彩通过烘培处理，以贴图的形式贴在物体表面。

（2）利用Panda DirectX插件将制作好的模型从3Dmax2012导出，保存为.X文件。通过Quest3D虚拟引擎导入三维模型，利用Channel模块，实现对设备的选择、操纵、行进、维修的交互编程，生成一个视觉、听觉、触觉三位一体的人机交互虚拟仿真情景。

（3）以ACCESS数据库作为Quest3D与VB数据连接，通过数据通信的控制与传递，实现船舶电站实时、动态的自动化控制。

（4）最后，利用Quest3D发布程序，生成*. Q3D文件或*.EXE文件，*.Q3D文件也可在网上发布，连接*.Q3D文件的Web网页包含了Quest3D的媒体元素，可自动下载文件播放器，为远程教育学员提供便利的学习途径［3］。

（5）系统的集成过程中主要是通过特定的开发环境实现将虚拟维修操作模型及数据库等后台程序集成到一个平台，以方便用户使用［4］。本系统仿真界面采用VB集成软件开发，更加简单、直观，容易实现。界面主要包括用户栏、工具栏、状态栏、故障管理栏等。

图2　机舱集控室效果图

3　软件功能设计

3.1仿真训练

对于船舶电站的操作训练，受训人员通过机舱漫游进入虚拟集控室界面，通过鼠标、键盘的联合控制可完成船舶电站的日常运行管理，主要包括：发电机的启动、合闸供电；应急发电机的启动、合闸供电、自动控制；同步发电机的手动并车、自动并车；动力负载与照明负载的配电、切换等。

3.2虚拟拆卸及装配

虚拟拆装可以作为虚拟装配的可逆操作，通过Quest3D虚拟引擎为受训人员构建一个沉浸式虚拟维修场景。根据用户的输入信息调用虚拟工具，按照既定的拆装顺序来完成虚拟设备的分解、安装。

3.3故障维修

设备在运行的过程中或者在运行一段时间之后，会出现一些常见的故障［5］。在船舶航行过程中，出现船舶电站失电故障，若不能及时排除，将会严重威胁航行安全。此功能模块可通过模拟设置故障，让受训人员利用检测工具锁定故障设备，经过故障分析、诊断，最终完成维修工作。

3.4数据库查询

船舶电站设备的元器件繁多，相应的技术参数、设备信息、数据信号量很大，不同元器件出现的故障会对整个电站造成不同的危害。随着器件的更换、故障类型的增加、功能要求的改变，数据库也将随之升级。因此构建一个开放式的数据库系统对于维修系统的数据通信的准确性、完善性是相当重要的。

4　软件开发方法

（1）模型优化：在三维建模阶段，尽量减少模型的分段数、面数；在满足功能要求的前提下，利用贴图代替相应的设备，或仅对外部构造建模；使用optimize编辑修改器；在Quest3D操作平台中，对于看不到的面，进行删除或隐藏；利用快捷方式代替相同的模型。

（2）场景漫游的实现：机舱漫游功能是通过漫游相机实现的。这种相机允许用户在场景行走、漫游，提供沉浸式的体验。可设置任意快捷键，来控制前、后、左、右四个方向的行进。具体实现方法：将Walkthrough Camera拖入Channel视图中，连接到Render下，设置相机的碰撞体、速度、重力、旋转控制，以达到最优视角。

（3）维修工具跟随：在虚拟维修过程中，受训人员需要调用检测工具，来判断、确定故障单元，继而利用维修工具完成故障修复。在操纵的同时，工具需要跟随鼠标移动到相应位置，本系统用Quest3D内置channel模块进行编程，通过鼠标点选维护工具，将鼠标的物理位置实时传送工具的系统坐标，以此来达到随动效果。

（4）双向控制：使用ActiveX插件，通过Quest 3D中的“ActiveX Data”通道和“ActiveX Event”通道以及VB中的“Quest 3DCti14”控件来实现双向控制［6］。在用户界面，可用VB直接操纵Quest3D构建的虚拟电站维修系统，提高办公效率。

（5）故障维修：针对船舶电站的所有设备故障的特点，通过Quest3D中物体属性模块，设置故障部件的颜色、显隐性、位置，来模拟实际故障中对应的烧毁、缺失、异位的状态，可定性地展示故障类型。

以2号发电机配电屏主开关故障为列，在用户设置界面，进行相应故障的设置。受训人员在配电屏按下启动按钮时，发现发电机无法合闸，利用万用表进行常规检测，最终锁定故障所在位置，继而进入修复界面，完成故障清除。最终，2号发电机配电屏恢复正常供电。

图3　故障维修实例

5　结束语

本文将虚拟维修技术融入到船舶电站仿真软件的研发，通过开发船舶电站虚拟维修系统，解决了常规训练中教学资源、经费条件的限制，缩短培训周期，提高培训效率。满足了电气训练的要求，可用于船舶电机员、电气工程师、陆上服务工程师、船厂维护人员的培训。对后续船舶电站维修软件的开发具有一定参考意义。

［1］郝建平.虚拟维修仿真理论与技术［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［2］王勇.装备虚拟维修训练系统综述［J］.计算机光盘与应用，2014（22）：165-166.

［3］靳少杉，郑华耀.Quest3D虚拟现实技术在轮机模拟器开发中的应用［J］.船海工程，2011（1）：70-72.

［4］袁先德，罗运同，王建，等.某型舰用柴油机虚拟维修技术研究［J］.中国修船，2011（6）：45-47.

［5］刘金林，曾凡明.舰船动力装置虚拟维修训练软件的开发［J］.计算机仿真，2009（5）：325-327.

［6］涂世恩，胡以怀.一种基于ActiveX控件的Quest3D与VB通信方法［J］.电脑知识与技术，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文献标识码：1009-9492（2015）12-0072-03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.020

陈雷，男，1992年生，山东临沂人，硕士研究生。研究领域：船舶动力装置。

（编辑：向飞）

2015-06-17