基于虛擬現實技術的船舶輔鍋爐控制系統研究
論文關鍵詞：船舶輔鍋爐 虛擬現實 控制
論文摘要：結合實船燃油輔鍋爐的實際情況和具體操作要求，通過建立維模型、人機交互、Web 3D網頁瀏覽技術等米構建船舶輔鍋爐虛擬操控系統，達到以虛擬操作代替實際操作，節省開支、實現遠程培訓、以及人機交互的目的，克服了船舶輔鍋爐控制系統實際訓練中不可避免的資源消耗、維護費用高等難題。
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、多輸出且相互關聯的復雜的控制對象，其實際操作必須遵循嚴格的步驟，在和教學環節中，實現每個人都進行實際操作有難度。因燃油運行且可能出現操作失誤，會給實習和教學帶來一定的困難和不安全因素。隨著虛擬現實技術的產生，這些問題將逐步得到解決。
1 控制系統的組成
輔鍋爐是船舶上最早實現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 ，鍋爐點火及燃燒 時序 自動控制和 自動安全保護。
1)水位自動控制。控制給水量的多少，使進人鍋爐的給水量大致大于鍋爐的蒸發量。
在蒸發量比較小、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。雙水位控制系統指輔鍋爐的水位可以在一定范圍內波動，輔鍋爐水位所允許的變化范圍是 60～120 mm。當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 ；當給水量達到一定限度，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。被控量是輔鍋爐內的蒸汽壓力，根據汽壓的高低自動改變進入爐膛的噴油量和送風量。
對貨船輔鍋爐，燃燒自動控制系統的要求簡單、可靠，對輔鍋爐運行的經濟性要求不是很嚴格，大多數這樣的輔鍋爐采用汽壓的雙位控制，少數采用比例控制，并保證輔鍋爐在不同負荷下，其送風量基本適應噴油量的要求。在油船輔鍋爐中，要求汽壓必須穩定，同時對輔鍋爐的運行經濟性要求比較高，這樣輔鍋爐才能在不同的負荷情況下，保證有一個最佳的風油比，所以通常采用比例積分控制或更好的控制算法。
3)點火及燃燒時序控制。給鍋爐一個起動信號后，按時序的先后進行預掃風、預點火、噴油點火，點火成功后對鍋爐進行預熱，接著轉入正常燃燒的負荷控制階段，同時對鍋爐進行一系列的安全保護。
按下輔鍋爐啟動按鈕后，自動啟動燃油泵和鼓風機，關閉燃油電磁閥使燃油在輔鍋爐外面循環，此時風門開的最大，以最大風量進行預掃風，防止爐內殘存的油氣在點火中產生冷爆。
預掃風的時間根據輔鍋爐的結構形式不同而異，一般是 20～6O S。達到預掃風的時問后自動關小風門，同時點火電極打出火花進行預點火，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，即以小風量和少噴油進行點火。點火成功后，先維持一段 時間低火燃燒，對輔鍋爐進行預熱，再開大風門關小 回油閥或增加一個油頭向爐膛噴油，使輔鍋爐轉入高火燃燒，即進入正常燃燒的負荷控制階段。在預定的時間內若點火不成功或風機失壓、中間熄火等，會自動停爐，待故障排除后按恢復按鈕使時序控制恢復到起動前的狀態，方能重新起動輔鍋爐 。
2 設計的實現
該系統采用 TCP／IP結構，是一個開放 的模塊化 ，系統 的和三維模型 的實時渲染都在 web服務器上運行 ，客戶端只要連接到 Internet上的任意一 臺，下載一個很小的網頁插件就可以遍覽該系統。而它的實現方式就是通過網絡傳輸反映三維場景的模型文件，用戶根據自己的需求將相應的模型文件下載到客戶端，通過網頁插件來提供對模型文件的動態實施和實時渲染。方案流程見圖 1。
3 三維實體模型的建立
維實體模型是該系統實現漫游和交互的基礎，模型的好壞直接影響運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，失去原有實體模型 的真實性；模型建得過細，就會降低場景圖形的繪制效率，同時給渲染和計算機的顯示帶來麻煩，因此建模過程中，平衡模型細節度和復雜度顯得尤為重要。
采用 3ds max進行建模。逐級對船舶輔鍋爐的組成部分，各組成部分中的零部件進行分割，根據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，最后導入到虛擬編輯器(VRP編輯器)，以供底層的程序進行控制，形成一個完整動態模型。圖 2為鍋爐控制面版 的三維圖形。
4 交互功能的實現
在交互功能的實現過程中，首先使用 VisuaC++中的 MFC框架來設計服務器的用戶界面根據界面定義的功能，使用網絡類作為基類來設計一個專門處理自己窗口消息的網絡對象通過消息函數(CRemoteTestDlg：：()nButtonStartVrp())調入設計的三維場景，通過控件定義相應事件處理函數來驅動三維場景，從而實現對j維場景 中模型的控制 。
在=三維虛擬文件與 H'I’MI 網頁結合上采用超鏈接的方式：在 HTMI 網頁中，通過超鏈 接的設置來實現同維虛擬文件的結合。瀏覽者可以通過激活超鏈接來實現網頁與虛擬現實場景的轉換，雙方的平面顯示空間不受約束，為場景中的一些重要細節呈現提供更廣闊的空間。例如，當用戶點擊視點切換文本框 中的一個超鏈接 ，維虛擬場景中的視點就會 自動切換到相對應的場景。 以輔鍋爐水位控制算法程序為例說明交互的實現機制 。
水位控制的算法分為水位控制的運動算法和模擬水的行為算法。水位控制的運動算法相對簡單 ，根據鍋爐的運行狀態 ，水位做相應的變化 ，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現水位控制虛擬化的核心，采用四連通的五位區域采樣方法，將四連通周圍的五個點求平均值；通過引入阻尼系數來模擬水波上升或下降的震動效果，并反映到導航圖中；然后通過激活水波使整個水位控制更接近實際，真正達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 結束語
從開發高度逼真的船舶輔鍋爐系統的實際需要開發，設計出一種純軟件控制系統，在獨立的PC機上運行，將船舶輔鍋爐控制系統虛擬到上，操作人員調用內存中的船舶輔鍋爐操控系統的 維圖形 ，(用 鼠標控制瀏覽方 向)對三維對象進行虛擬控制，利用虛擬現實技術構建虛擬動態設備，仿真出與實際設備相近的運行過程，彌補傳統操作流程上真實感的不足。
同時利用虛擬現實技術提供的高速運行，能夠實現多人遠程實時操作和三維模型的瀏覽和交互動態演示，讓操作者與電腦實現人機交互，如同身臨其境，達到替代實際現場操作的目的，克服了實際操作的單一性和危險性等缺點，降低了船舶輔鍋爐控制系統運行演示的以及船舶輔鍋爐誤操作的影響。
參考文獻
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