摘  要： 基于船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)建設(shè)過程中的技術(shù)與應(yīng)用問題提出相應(yīng)的解決辦法。介紹了作為船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所應(yīng)達(dá)到的功能要求，以及與船舶設(shè)計(jì)、制造的相關(guān)問題。對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和船舶工程仿真有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 船舶工程；虛擬現(xiàn)實(shí)；設(shè)計(jì)

1 船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用
    基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶設(shè)計(jì)、虛擬模擬器、系統(tǒng)仿真及控制研究越來越多地受到關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于船舶工程、制造業(yè)、生產(chǎn)前的產(chǎn)品及工作過程展示、遠(yuǎn)程教育等。船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一個(gè)較大的體系，學(xué)科交叉性大，涉及的應(yīng)用范圍廣。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，嶄新的人機(jī)交互工作方式，將大大提高工作效率，讓用戶更直觀、更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)操作意圖[1，5]。
    由于船舶機(jī)艙設(shè)備繁多、空間布置緊密、視景雜亂、圖像制作困難，使輪機(jī)模擬器至今與機(jī)艙視景無緣，只有推進(jìn)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)工況參數(shù)的儀表指示仿真和報(bào)警顯示。除儀表控制臺(tái)(物理模型)之外，在操縱程序訓(xùn)練中看不見機(jī)艙實(shí)物，只是依靠操作手柄或按鈕實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況參數(shù)及聲音的模擬，以此設(shè)置各種故障時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)工況參數(shù)的變化以訓(xùn)練判斷故障的能力，因此在視景方面明顯落后于其他載運(yùn)工具操縱模擬器。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，采用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、三維動(dòng)態(tài)仿真、漫游等實(shí)現(xiàn)機(jī)艙動(dòng)感視景的技術(shù)條件已經(jīng)成熟[3-4]。目前在船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用研究方面，國(guó)內(nèi)外還沒有形成完整的體系，處于將半物理仿真的模擬平臺(tái)向虛擬化轉(zhuǎn)化的階段[2]。本文以船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)與應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)過程為背景，論述技術(shù)與應(yīng)用問題及其解決辦法。
2 船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)
    船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建設(shè)的目的是為船舶工程的教學(xué)、科研和生產(chǎn)應(yīng)用服務(wù)的，該系統(tǒng)必須具備以下的功能要求：(1)從教學(xué)目的考慮，系統(tǒng)必須具備全船的虛擬漫游，在漫游中通過交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶設(shè)備(主要為機(jī)艙設(shè)備)虛擬操作，這些虛擬操作必須能夠使其他相關(guān)設(shè)備聯(lián)動(dòng)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備或機(jī)器的虛擬拆卸和裝配，以滿足設(shè)備結(jié)構(gòu)教學(xué)和實(shí)操教學(xué)需要。(2)從科研目的考慮，系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備或機(jī)器進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)、虛擬實(shí)驗(yàn)或虛擬演示，實(shí)現(xiàn)制造前設(shè)備的工作過程預(yù)演和測(cè)試。(3)從生產(chǎn)應(yīng)用需要考慮，可提供虛擬船舶設(shè)計(jì)、運(yùn)行和試驗(yàn)，也可提供船舶設(shè)備相關(guān)產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、修改和運(yùn)行過程演示，可進(jìn)行設(shè)備或產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)、修改，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的零投入。
    為此，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)提出如下要求：
    (1)虛擬輪機(jī)機(jī)艙(虛擬輪機(jī)模擬器)、虛擬船體、虛擬漫游、虛擬操作；
    (2)設(shè)備或機(jī)器的虛擬拆裝；
    (3)虛擬設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)；
    (4)利用多終端及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)；
    (5)虛擬實(shí)驗(yàn)、進(jìn)程演示；
    (6)模型或數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。
3 船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)中的問題和解決方案
3．1 中心計(jì)算機(jī)選型存在的問題
    虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心設(shè)施是高性能工作站或程序、圖像處理設(shè)備，其主要問題是設(shè)備的選型和配置。中心計(jì)算機(jī)一般為高性能的專業(yè)圖形工作站(對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng))或?qū)I(yè)的大型并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(對(duì)于海量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))，通常從系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性(速度)、圖形處理能力、數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)學(xué)計(jì)算能力幾方面考慮。
    大型圖形圖像和數(shù)據(jù)處理的設(shè)備有2種，(1)美國(guó)SGI公司的超級(jí)可視化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)SGI系列；(2)PC集群系列。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要處理海量仿真圖形圖像數(shù)據(jù)，并且要求必須實(shí)時(shí)處理，即同時(shí)處理的數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性要求高?？v觀目前計(jì)算機(jī)市場(chǎng)，只有第1種情況符合。SGI系列計(jì)算機(jī)內(nèi)的CPU數(shù)量根據(jù)需要配置可達(dá)幾百個(gè)，內(nèi)存的配置也可達(dá)幾十或上百GB。內(nèi)存的使用也是其他所有計(jì)算機(jī)所不能比擬的，由于其采用Numaflex體系結(jié)構(gòu)專利技術(shù)，對(duì)于SGI內(nèi)任何CPU來說，所有的內(nèi)存都可使用，這是其他集群系列所遠(yuǎn)不能比的，對(duì)于圖形的并行處理、實(shí)時(shí)性和圖形圖像等數(shù)據(jù)輸出通道有足夠保證。PC集群機(jī)雖然也可以由幾十臺(tái)或上百臺(tái)組成，但其對(duì)圖形的快速實(shí)時(shí)性方面卻遠(yuǎn)不如SGI。原因之一是其單個(gè)CPU所能使用的內(nèi)存有限，因此處理的數(shù)據(jù)量受到限制；原因之二是其輸出只有某一通道，對(duì)于圖形數(shù)據(jù)量太大、實(shí)時(shí)性要求高的系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)。但如果圖形數(shù)據(jù)量小、實(shí)時(shí)性要求不高時(shí)，采用集群方式會(huì)節(jié)省很大成本。部分圖形工作站的比較可參閱表1。

3．2 軟件的集成應(yīng)用存在的問題
    應(yīng)用軟件主要包括三維仿真建模、視景仿真驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)建模等高端軟件，聲音模擬、動(dòng)畫設(shè)計(jì)、實(shí)體設(shè)計(jì)等低端應(yīng)用軟件。對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)的大型系統(tǒng)，必須聯(lián)合多種軟件共同應(yīng)用。為了協(xié)調(diào)不同軟件之間設(shè)計(jì)的互通問題，達(dá)到共同完成虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的對(duì)象，根據(jù)應(yīng)用情況，集成本項(xiàng)目應(yīng)用系統(tǒng)所需軟件：VegaPrime、Multigen Creator、CAXA、Pro/Engineer、Solidwork、3D MAX等。低端部分可多人同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)或建模的軟件有：CAXA、Pro/Engineer、Solidwork。模型設(shè)計(jì)后由高端調(diào)用，如圖1所示。經(jīng)研究和調(diào)試，獲得了一些有參考價(jià)值的結(jié)果。

    (1)Creator可通過中間插件Polytrans與主要CAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可轉(zhuǎn)換的格式主要有Iges、Dxf、3DMAX等。Pro/E、UGS、CATIA是傳統(tǒng)的高端CAD/CAE/CAM一體化軟件，與常用的CAD/CAE/CAM軟件之間有通用或?qū)Ｓ玫臄?shù)據(jù)接口。
    (2)各種CAD軟件只有通過權(quán)威組織制定的接口標(biāo)準(zhǔn)，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其中通用的數(shù)據(jù)接口主要有：
    IGES：基本圖形轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)Initial Graphics Exchange Standard，大部分CAD軟件都采用此規(guī)范。
    STEP：STEP的ISO正式代號(hào)為ISO 10303，是關(guān)于產(chǎn)品數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)表示和交換的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，并能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。
    ACIS：用于保存關(guān)于實(shí)體對(duì)象信息的實(shí)體造型文件格式，該文件的后綴為*.sat。
    x_t/x_b：即Parasolid內(nèi)核文件，UG、Solidworks、Solidedge等軟件均以Parasolid為核心。內(nèi)核文件能最大程度地避免數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。
    STL：用于有限元分析，大多數(shù)有限元軟件支持該文件的輸入；大多數(shù)三維CAD軟件支持該文件的輸出。
    DWG、DXF：AutoCAD軟件的文件格式，可用于跨平臺(tái)數(shù)據(jù)交互。三維CAD軟件與AutoCAD之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，需要在轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行DWG輸入輸出配置。且三維軟件與AutoCAD之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，只限于工程圖和草圖。兩種軟件可以通過格式或中間軟件互相調(diào)用各自的設(shè)計(jì)模型，然而在實(shí)際應(yīng)用中，任意兩種軟件間的模型調(diào)用均會(huì)產(chǎn)生模型信息的丟失或失真，因此就要在模型調(diào)用后進(jìn)行人工修補(bǔ)。船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺(tái)用于船舶虛擬仿真，其功能如上所述。所需要處理的設(shè)備模型非常巨大，船舶制造業(yè)主流專業(yè)軟件是Tribon與CADDS 5，目前他們之間尚無任何的數(shù)據(jù)接口，而如何將上述其他模型設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的設(shè)備模型結(jié)合船舶主流軟件形成虛擬船舶，也將是后續(xù)的許多課題需要研究的。
3．3 軟件模型及數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)
    在解決了高端大型軟硬件系統(tǒng)后，該船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠虛擬整條船舶的相關(guān)工作過程，實(shí)時(shí)性好。在其后的應(yīng)用中，研發(fā)各種設(shè)備模型或數(shù)據(jù)庫(kù)就顯得尤為重要：(1)這些產(chǎn)品之間必須能夠兼容，特別是各種應(yīng)用性的數(shù)據(jù)模型必須能夠連接到系統(tǒng)的主體軟件(或虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái))上，而不是封閉型的傻瓜式應(yīng)用系統(tǒng)，目前銷售的很多虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品(如虛擬輪機(jī)模擬器模型、船體模型、各種機(jī)艙設(shè)備模型等)大都是封閉型的數(shù)據(jù)模型。(2)應(yīng)該考慮這些數(shù)據(jù)模型是否提供二次開發(fā)功能，是否提供用戶使用的接口功能，即產(chǎn)品的接口代碼是否對(duì)用戶開放，產(chǎn)品的原碼是否可適當(dāng)修改。(3)對(duì)于不同低端應(yīng)用軟件，組成開放性的協(xié)同設(shè)計(jì)體系，設(shè)計(jì)結(jié)果可相互使用或轉(zhuǎn)換，能夠大大擴(kuò)展虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用。
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