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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。
輔鍋爐是船舶動力裝置中的重要組成部分其控制的可靠性和性對保證船舶安全航行有著重要的意義。
船舶輔鍋爐是一個多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜的控制對象，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)自動控制的裝置之一，其控制項目包括：水位自動控制，燃燒自動控制 ，鍋爐點(diǎn)火及燃燒 時序 自動控制和 自動安全保護(hù)。
1)水位自動控制�？刂平o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，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，自動起動給水泵 ，給水泵開始向輔鍋爐供水，輔鍋爐水位就會逐漸升高 ；當(dāng)給水量達(dá)到一定限度，也就是水位上限時，給水泵自動停止工作，不再向輔鍋爐供水。
2)燃燒自動控制。被控量是輔鍋爐內(nèi)的蒸汽壓力，根據(jù)汽壓的高低自動改變進(jìn)入爐膛的噴油量和送風(fēng)量。
對貨船輔鍋爐，燃燒自動控制系統(tǒng)的要求簡單、可靠，對輔鍋爐運(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，同時對輔鍋爐的運(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)火及燃燒時序控制。給鍋爐一個起動信號后，按時序的先后進(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，同時對鍋爐進(jìn)行一系列的安全保護(hù)。
按下輔鍋爐啟動按鈕后，自動啟動燃油泵和鼓風(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)的時問后自動關(guān)小風(fēng)門，同時點(diǎn)火電極打出火花進(jìn)行預(yù)點(diǎn)火，時間約為3 S。然后打開燃油電磁閥或開大回油閥，或讓一個油頭噴油工作，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 時間低火燃燒，對輔鍋爐進(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)定的時間內(nèi)若點(diǎn)火不成功或風(fēng)機(jī)失壓、中間熄火等，會自動停爐，待故障排除后按恢復(fù)按鈕使時序控制恢復(fù)到起動前的狀態(tài)，方能重新起動輔鍋爐 。
2 設(shè)計的實(shí)現(xiàn)
該系統(tǒng)采用 TCP／IP結(jié)構(gòu)，是一個開放 的模塊化 ，系統(tǒng) 的和三維模型 的實(shí)時渲染都在 web服務(wù)器上運(yùn)行 ，客戶端只要連接到 Internet上的任意一 臺，下載一個很小的網(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)頁插件來提供對模型文件的動態(tài)實(shí)施和實(shí)時渲染。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)，就會降低場景圖形的繪制效率，同時給渲染和計算機(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。逐級對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，然后把個部件組合成完整的三維場景，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，形成一個完整動態(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)計一個專門處理自己窗口消息的網(wǎng)絡(luò)對象通過消息函數(shù)(CRemoteTestDlg：：()nButtonStartVrp())調(diào)入設(shè)計的三維場景，通過控件定義相應(yīng)事件處理函數(shù)來驅(qū)動三維場景，從而實(shí)現(xiàn)對j維場景 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)場景的轉(zhuǎn)換，雙方的平面顯示空間不受約束，為場景中的一些重要細(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 中的一個超鏈接 ，維虛擬場景中的視點(diǎn)就會 自動切換到相對應(yīng)的場景。 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)動算法和模擬水的行為算法。水位控制的運(yùn)動算法相對簡單 ，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。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效果，并反映到導(dǎo)航圖中；然后通過激活水波使整個水位控制更接近實(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 ，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，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)對三維對象進(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)時操作和三維模型的瀏覽和交互動態(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)場操作的目的，克服了實(shí)際操作的單一性和危險性等缺點(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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