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基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)研究
論文關(guān)鍵詞：船舶輔鍋爐 虛擬現(xiàn)實(shí) 控制
論文摘要：結(jié)合實(shí)船燃油輔鍋爐的實(shí)際情況和具體操作要求，通過建立維模型、人機(jī)交互、Web 3D網(wǎng)頁瀏覽技術(shù)等米構(gòu)建船舶輔鍋爐虛擬操控系統(tǒng)，達(dá)到以虛擬操作代替實(shí)際操作，節(jié)省開支、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程培訓(xùn)、以及人機(jī)交互的目的，克服了船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)實(shí)際訓(xùn)練中不可避免的資源消耗、維護(hù)費(fèi)用高等難題。
輔鍋爐是船舶動(dòng)力裝置中的重要組成部分其控制的可靠性和性對(duì)保證船舶安全航行有著重要的意義。
船舶輔鍋爐是一個(gè)多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜的控制對(duì)象，其實(shí)際操作必須遵循嚴(yán)格的步驟，在和教學(xué)環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)每個(gè)人都進(jìn)行實(shí)際操作有難度。因燃油運(yùn)行且可能出現(xiàn)操作失誤，會(huì)給實(shí)習(xí)和教學(xué)帶來一定的困難和不安全因素。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)生，這些問題將逐步得到解決。
1 控制系統(tǒng)的組成
輔鍋爐是船舶上最早實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的裝置之一，其控制項(xiàng)目包括：水位自動(dòng)控制，燃燒自動(dòng)控制 ，鍋爐點(diǎn)火及燃燒 時(shí)序 自動(dòng)控制和 自動(dòng)安全保護(hù)。
1)水位自動(dòng)控制。控制給水量的多少，使進(jìn)人鍋爐的給水量大致大于鍋爐的蒸發(fā)量。
在蒸發(fā)量比較小、蒸汽壓力比較低的船舶輔鍋爐中，大部分采用雙水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。雙水位控制系統(tǒng)指輔鍋爐的水位可以在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，輔鍋爐水位所允許的變化范圍是 60～120 mm。當(dāng)水位下降到水位下限時(shí)，自動(dòng)起動(dòng)給水泵 ，給水泵開始向輔鍋爐供水，輔鍋爐水位就會(huì)逐漸升高 ；當(dāng)給水量達(dá)到一定限度，也就是水位上限時(shí)，給水泵自動(dòng)停止工作，不再向輔鍋爐供水。
2)燃燒自動(dòng)控制。被控量是輔鍋爐內(nèi)的蒸汽壓力，根據(jù)汽壓的高低自動(dòng)改變進(jìn)入爐膛的噴油量和送風(fēng)量。
對(duì)貨船輔鍋爐，燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求簡(jiǎn)單、可靠，對(duì)輔鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性要求不是很嚴(yán)格，大多數(shù)這樣的輔鍋爐采用汽壓的雙位控制，少數(shù)采用比例控制，并保證輔鍋爐在不同負(fù)荷下，其送風(fēng)量基本適應(yīng)噴油量的要求。在油船輔鍋爐中，要求汽壓必須穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)輔鍋爐的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性要求比較高，這樣輔鍋爐才能在不同的負(fù)荷情況下，保證有一個(gè)最佳的風(fēng)油比，所以通常采用比例積分控制或更好的控制算法。
3)點(diǎn)火及燃燒時(shí)序控制。給鍋爐一個(gè)起動(dòng)信號(hào)后，按時(shí)序的先后進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)、預(yù)點(diǎn)火、噴油點(diǎn)火，點(diǎn)火成功后對(duì)鍋爐進(jìn)行預(yù)熱，接著轉(zhuǎn)入正常燃燒的負(fù)荷控制階段，同時(shí)對(duì)鍋爐進(jìn)行一系列的安全保護(hù)。
按下輔鍋爐啟動(dòng)按鈕后，自動(dòng)啟動(dòng)燃油泵和鼓風(fēng)機(jī)，關(guān)閉燃油電磁閥使燃油在輔鍋爐外面循環(huán)，此時(shí)風(fēng)門開的最大，以最大風(fēng)量進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)，防止?fàn)t內(nèi)殘存的油氣在點(diǎn)火中產(chǎn)生冷爆。
預(yù)掃風(fēng)的時(shí)間根據(jù)輔鍋爐的結(jié)構(gòu)形式不同而異，一般是 20～6O S。達(dá)到預(yù)掃風(fēng)的時(shí)問后自動(dòng)關(guān)小風(fēng)門，同時(shí)點(diǎn)火電極打出火花進(jìn)行預(yù)點(diǎn)火，時(shí)間約為3 S。然后打開燃油電磁閥或開大回油閥，或讓一個(gè)油頭噴油工作，即以小風(fēng)量和少噴油進(jìn)行點(diǎn)火。點(diǎn)火成功后，先維持一段 時(shí)間低火燃燒，對(duì)輔鍋爐進(jìn)行預(yù)熱，再開大風(fēng)門關(guān)小 回油閥或增加一個(gè)油頭向爐膛噴油，使輔鍋爐轉(zhuǎn)入高火燃燒，即進(jìn)入正常燃燒的負(fù)荷控制階段。在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)若點(diǎn)火不成功或風(fēng)機(jī)失壓、中間熄火等，會(huì)自動(dòng)停爐，待故障排除后按恢復(fù)按鈕使時(shí)序控制恢復(fù)到起動(dòng)前的狀態(tài)，方能重新起動(dòng)輔鍋爐 。
2 設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)
該系統(tǒng)采用 TCP／IP結(jié)構(gòu)，是一個(gè)開放 的模塊化 ，系統(tǒng) 的和三維模型 的實(shí)時(shí)渲染都在 web服務(wù)器上運(yùn)行 ，客戶端只要連接到 Internet上的任意一 臺(tái)，下載一個(gè)很小的網(wǎng)頁插件就可以遍覽該系統(tǒng)。而它的實(shí)現(xiàn)方式就是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸反映三維場(chǎng)景的模型文件，用戶根據(jù)自己的需求將相應(yīng)的模型文件下載到客戶端，通過網(wǎng)頁插件來提供對(duì)模型文件的動(dòng)態(tài)實(shí)施和實(shí)時(shí)渲染。方案流程見圖 1。
3 三維實(shí)體模型的建立
維實(shí)體模型是該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)漫游和交互的基礎(chǔ)，模型的好壞直接影響運(yùn)行的效果和客戶端瀏覽的逼真度。粗糙 的模型，不能給人視覺上的美感，失去原有實(shí)體模型 的真實(shí)性；模型建得過細(xì)，就會(huì)降低場(chǎng)景圖形的繪制效率，同時(shí)給渲染和計(jì)算機(jī)的顯示帶來麻煩，因此建模過程中，平衡模型細(xì)節(jié)度和復(fù)雜度顯得尤為重要。
采用 3ds max進(jìn)行建模。逐級(jí)對(duì)船舶輔鍋爐的組成部分，各組成部分中的零部件進(jìn)行分割，根據(jù)部件的形狀和工作特征，選擇不同的建模方法，然后把個(gè)部件組合成完整的三維場(chǎng)景，最后導(dǎo)入到虛擬編輯器(VRP編輯器)，以供底層的程序進(jìn)行控制，形成一個(gè)完整動(dòng)態(tài)模型。圖 2為鍋爐控制面版 的三維圖形。
4 交互功能的實(shí)現(xiàn)
在交互功能的實(shí)現(xiàn)過程中，首先使用 VisuaC++中的 MFC框架來設(shè)計(jì)服務(wù)器的用戶界面根據(jù)界面定義的功能，使用網(wǎng)絡(luò)類作為基類來設(shè)計(jì)一個(gè)專門處理自己窗口消息的網(wǎng)絡(luò)對(duì)象通過消息函數(shù)(CRemoteTestDlg：：()nButtonStartVrp())調(diào)入設(shè)計(jì)的三維場(chǎng)景，通過控件定義相應(yīng)事件處理函數(shù)來驅(qū)動(dòng)三維場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)j維場(chǎng)景 中模型的控制 。
在=三維虛擬文件與 H'I’MI 網(wǎng)頁結(jié)合上采用超鏈接的方式：在 HTMI 網(wǎng)頁中，通過超鏈 接的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)同維虛擬文件的結(jié)合。瀏覽者可以通過激活超鏈接來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁與虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換，雙方的平面顯示空間不受約束，為場(chǎng)景中的一些重要細(xì)節(jié)呈現(xiàn)提供更廣闊的空間。例如，當(dāng)用戶點(diǎn)擊視點(diǎn)切換文本框 中的一個(gè)超鏈接 ，維虛擬場(chǎng)景中的視點(diǎn)就會(huì) 自動(dòng)切換到相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景。 以輔鍋爐水位控制算法程序?yàn)槔f明交互的實(shí)現(xiàn)機(jī)制 。
水位控制的算法分為水位控制的運(yùn)動(dòng)算法和模擬水的行為算法。水位控制的運(yùn)動(dòng)算法相對(duì)簡(jiǎn)單 ，根據(jù)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài) ，水位做相應(yīng)的變化 ，可以勻速上升、勻速下降、加速上升、加速下降以及在某一水平線的波動(dòng)。模擬水的行為算法是實(shí)現(xiàn)水位控制虛擬化的核心，采用四連通的五位區(qū)域采樣方法，將四連通周圍的五個(gè)點(diǎn)求平均值；通過引入阻尼系數(shù)來模擬水波上升或下降的震動(dòng)效果，并反映到導(dǎo)航圖中；然后通過激活水波使整個(gè)水位控制更接近實(shí)際，真正達(dá)到虛擬仿真的效果以下是模擬水的行為算法的部分程序：
for Y：一1 toM AXY一 ]do again
for x：一 1 to MAXY一 1 do again
xDiff：一Trunc(WaveMapEx+1，y]一WaveMapEx)；
yDiff：一Trunc(WaveMapE X，y+1]一WaveMapE xy2)；
xAngle：arctan(xDiff)；
xRefraction：一aresin(sin(xAngle)／rlndex)；
xDisplace：一Trunc(tan(xRefraction) xDiff)；
yAngle：arctan(yDiff)；
yRefraction：一arcsin(sin(yAngle)／rlndex)；
yDisplace：==Trunc(tan(yRefraction) yDiff)；
if xDiff<0 then begin／／當(dāng)處在高水位時(shí) ，殲始下降
if yDiff< 0 then
newcolor：==BackgroundImage[X— xDisplace，Y～yDisplace]；
else
newcolor：一Backgroundhnage[x x1)isplace，Y+yDisplace]；
if yDiff<0 then／／當(dāng)處于低低水位時(shí)，開始上升
newcolor：一 Backgroundlmage[x—xI)isplace，Y～yDisplace]；
else
newcolor：-_Backgroundlmage[X xI)isplace，Y+yDisplace]；Targetlmage[x，y]
end；
end；
5 結(jié)束語
從開發(fā)高度逼真的船舶輔鍋爐系統(tǒng)的實(shí)際需要開發(fā)，設(shè)計(jì)出一種純軟件控制系統(tǒng)，在獨(dú)立的PC機(jī)上運(yùn)行，將船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)虛擬到上，操作人員調(diào)用內(nèi)存中的船舶輔鍋爐操控系統(tǒng)的 維圖形 ，(用 鼠標(biāo)控制瀏覽方 向)對(duì)三維對(duì)象進(jìn)行虛擬控制，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬動(dòng)態(tài)設(shè)備，仿真出與實(shí)際設(shè)備相近的運(yùn)行過程，彌補(bǔ)傳統(tǒng)操作流程上真實(shí)感的不足。
同時(shí)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的高速運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)多人遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操作和三維模型的瀏覽和交互動(dòng)態(tài)演示，讓操作者與電腦實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，如同身臨其境，達(dá)到替代實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)操作的目的，克服了實(shí)際操作的單一性和危險(xiǎn)性等缺點(diǎn)，降低了船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)運(yùn)行演示的以及船舶輔鍋爐誤操作的影響。
參考文獻(xiàn)
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