摘 要

在当今航海领域，船舶轮机模拟器已经成为轮机教育与培训的重要手段，STCW78/95公约中规定轮机员，必须要经过轮机模拟器的培训；虚拟现实技术作为目前国内外非常热门的仿真技术之一，将其引入船舶轮机模拟器中的应用具备着安全、高效、低成本等优点；而虚拟轮机模拟器里面能使学员沉浸其中的船舶机场模拟环境需要大量3D建模工作。

船舶电站作为船舶电气设备的核心，担负着全船发、配电的重要任务。而主配电板是对船舶正常航行和生活使用的所有电力负载进行配电的开关设备和控制设备的组合装置。

本文主要工作如下：借助绘图软件3ds Max，对船舶机舱集控室内船舶电站进行三维实体建模；论述了虚拟现实技术在轮机模拟器中应用的发展历程及意义，以及详细说明3ds Max制作船舶电站三维模型的方法和过程。

关键词：3ds MAX；虚拟现实技术；轮机模拟器；船舶电站

Abstract

In today’s marine field, marine turbine simulator has become an important method for turbine education and training. The STCW78/95 Convention requires that turbine engineers must be trained in marine simulators; virtual reality technology is currently a very popular simulation technology at home and abroad. The application of this technology to marine turbine simulators has the advantages of safety, high efficiency, and low cost. However, in the virtual turbine simulator, the airport simulation environment in which the trainee is immersed can require a lot of 3D modeling work.

The ship power station, as the core of the ship's electrical equipment, is responsible for the important tasks of ship dispatch and distribution. The main switchboard is a combined device of switchgear and control equipment that distributes power to all electric loads that the ship normally navigates and uses.

The main work of this paper is as follows: Using 3ds Max graphics software, the 3D solid modeling of ship power station control center indoor ship power station is carried out; the development and significance of virtual reality technology applied in marine engine simulator is discussed, and the detailed description of ship making with 3ds Max Power plant three-dimensional model method and process.

Key Words：3ds MAX; virtual reality technology; marine simulator; marine power station

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 相关技术的国内外发展现状和发展趋势 3

1.2.1 虚拟现实技术国内外发展现状 6

1.2.2 轮机模拟器国内外发展现状 6

1.2.3 虚拟现实技术在轮机模拟器中的应用及发展趋势 6

1.3 论文研究的主要内容和结构安排 3

1.3.1 论文研究的主要内容 6

1.3.2 论文结构 6

1.4 本章小结 3

第二章 虚拟现实技术 26

2.1 虚拟现实技术概念及技术特征 26

2.2 虚拟现实系统的构成及其建模与仿真 28

2.3 本章小结 3

第三章 轮机模拟器 26

3.1 轮机模拟器概念及技术特征 26

3.2 轮机模拟器电站系统的组成 26

3.3 本章小结 3

第四章 设计开发工具及其环境简介 26

4.1 3D建模概述 26

4.2 设计所使用软件介绍 26

4.3 本章小结 3

第五章 实例制作过程 26

第六章 结论与展望 26

参考文献 50

致谢 51

第一章 绪论

• 1. 研究的背景及意义

1.1.1 研究背景

在国际贸易的运输总量中，60％以上都是通过海洋运输，中国进出口货运量的90％左右也是通过船舶运输。在中国经济快速发展的同时，航运业也变得越来越重要。但随着科学技术的发展，船舶越来越大型化，专业化程度和自动化程度也越来越高，与此同时对船员的专业要求也越来越高。因此，为了满足船员对船舶相关技能的培训需求，轮机模拟器的培训已成为必然^[1]。

近年来，随着计算机、光学和图像等技术的不断进步，从全息投影技术能够创造梦幻般的舞台效果，到已经进入人们日常生活的虚拟现实头盔，虚拟现实技术迎来了新的发展机遇。尽管相关技术在中国的起步比较晚，但发展非常迅速。而在影视娱乐，游戏动画，多媒体，虚拟模拟，数字博物馆，教学与培训，工业测量，智慧城市，医学可视化，遥感，智能制造，国防工业，检测与识别，3D打印等行业均显示出广阔的应用前景^[2]。作为一个多源信息融合，基于3D动态视觉的沉浸式互动环境，虚拟现实是一个新的能够支持各个行业和领域的发展的信息技术支持平台。

国际海事组织已将轮机模拟器操作和训练纳入到STCW 78/95公约中有关船员培训和提升的相关法律法规^[3]。然而，基于实际的硬件平台，轮机模拟器在设置故障和突发情况方面存在很大困难。为了解决各种训练问题，有效方法是研制开发具有更多功能的轮机模拟器。

在轮机模拟器系统中引入虚拟现实技术，是解决实际硬件平台中各种困难非常有效可行的方法，在虚拟机舱中建立主要引擎和其他对象的三维模型。可以利用Unity 3D建立三维虚拟现实机舱，让学员能够像在实船一样漫游其中，提供一个比传统轮机模拟器更加真实的环境，极大提高训练效果。

1.1.2 研究意义

船舶电站是船舶很重要的组成部分，是船舶电力系统的核心，船舶电站的可靠运行对保证船舶安全具有重要意义。为了减少船舶电站发生安全事故的频率，就需要提高船员对船舶电站的故障维修水平，能够使船员及时找出问题和故障所在位置，从而对故障进行排查和维修。但是安排船员在实船训练的条件要求比较苛刻，而且对于一些特殊工况或重大故障在实船上训练是不现实的。

然而，轮机模拟器能解决这些问题，学员可以在模拟器上进行反复训练，有效地解决了在实船上训练时间不足的问题；对于重大故障和特殊工况的训练，轮机模拟器也有着不可替代的作用，针对重大故障，实船没有办法实现正常的故障训练，但是通过轮机模拟器就可以迎刃而解，增强了故障训练的多样性；基于虚拟现实技术的轮机模拟器具有逼真的虚拟环境，能使得学员在训练时可以轻松的沉浸其中，效果就像跟在真实的船上一样，大大提高了学员的适应性；关于虚拟装配的问题，学员能够在虚拟环境中观察装配过程，有效的促进了学员对装配工作的理解和感知，提高训练的经济性和实用性^[1]。

将虚拟现实技术引入轮机模拟器，能够使学员在逼真的环境中自然地与客观物体进行互动，体验亲临现场的感觉，在进行一些实船上无法实现的特殊训练方面具有不可替代的优势。因此，虚拟现实技术在船舶模拟仿真系统中具有重要意义。

1.2 相关技术在国内外的发展现状和发展趋势

1.2.1 轮机模拟器国内外发展现状

早在20世纪60 年代，国外针对船舶领域的计算机仿真的研究就已经开始进行了，到了90年代，虚拟现实技术在船舶领域的仿真已经非常成熟^[26]。其中挪威，美国，英国等国家也都对该技术进行了深入研究，并且已经形成了产业规模，尤其是挪威的NOR Control公司，在世界上运行的轮机仿真训练器中，80%的市场份额都属于这家公司。在很多发达国家中，众多航海院校以及培训中心都已经开发或正在使用各种类型的航海模拟器和轮机模拟器^[4]。

然而，我们国家对于轮机模拟器研究的起步比较晚，跟发达国家比起来比较落后的。20世纪70年代末，大连海事大学首先在NOR Control公司引进了轮机模拟器，青岛远洋船院也随后引进了该公司的轮机模拟器^[5]。1994 年，武汉理工大学成功研制出第一台国产轮机模拟器WMS-1，增加了先进和复杂的仿真对象，以及复杂的仿真内容，采用最先进的计算机实时仿真技术等其他技术，与上世纪90年代国际同类设备相比，该轮机模拟器的总体技术、制造质量以及系统性能，均已达到世界先进水平^[6]。1999年5月，上海海运学院成功验收SMSC-2000型轮机模拟器，此轮机模拟器的整个仿真系统中应用了DCS网络，DCS网络分为三级：数据采集站、仿真工作站和主控站。CONGLOG公司的PLC担任了该系统的数据采集系统，相比之下，SMSC-2000型轮机模拟器具有更确定的优势。

随着计算机仿真技术的不断发展，轮机模拟器的自动化水平也将不断提高，轮机模拟器的功能也会越来越强大，从而更好的为轮机工程教学与培训进行服务。

1.2.2 虚拟现实技术的国内外发展现状

虚拟现实技术的实质是构建一个人造的能与之进行互动的“世界”，在这个“世界”中参与者可以和里面的对象进行实时地探索和互动，沉浸式的虚拟现实是最理想的追求目标^[7]。但是，如果我们研究虚拟现实的相关技术是为了遵循“低成本、高性能”的原则，比较好的选择当然是桌面虚拟现实。因此，根据实际需要，虚拟现实技术的未来发展趋势有两个方面^[8]：一方面，它主要向着桌面虚拟现实的方向发展，到目前为止，已经有数百家公司正在开发桌面式虚拟现实，它的主要用途是仿真游戏、教育培训以及商业展示等。当然，随着网络的迅速发展，网络化桌面虚拟现实也如约而至了；另一方面，主要在航空航天、军事训练和模拟训练等众多高科技领域中发展高性能的沉浸式虚拟现实，因其对于训练的要求非常特殊，有的甚至需要完全地沉浸在环境中来进行模拟实验。这两种类型的虚拟现实系统在未来的发展主要体现在建模与绘制方法，系统构建和交互方式等方面提出了新的要求，表现出一些新的特点和技术要求^[8]。

美国作为VR技术的发源地，其对于VR的研究水平基本上能够代表国际VR技术发展的最高水平。近几年来，虚拟现实技术在美国军事领域和航空航天的一些成功应用取得了巨大经济效益和社会效益，这促使美国政府对虚拟现实技术研究的支持力度进一步加大^[9]。美国已经初步建成了一些洲际范围的虚拟现实环境，并将有人操纵的和半自主的兵力引入虚拟战役空间，这在世界处于领导地位。在航天领域，NASA已经建立了航空和卫星维护的VR训练系统以及空间站VR训练系统，并且建立了可提供全国范围内使用的VR教育系统^[9]。美国空军技术研究所主要针对人类因素的检测、计算机图形学以及与大规模分布综合环境应用有关的人机交互问题进行研究。尤其是研究训练实际操作人员的虚拟环境，其目标是在大规模的复杂环境中，活动者在明确目标的驱动下，采取主动行动的过程。海军研究院图形和图像实验室专注于研究基于网络化虚拟环境的交互仿真，开发低价格模拟器^[10]。

在欧洲，英国关于虚拟现实技术在分布并行处理、辅助设备（包括触觉反馈）设计和应用研究等方面，相对而言，仍然处于领先地位，英国的Bristol[17]公司认为，VR技术应用的焦点应该集中于整体的综合技术上[11]。瑞典的 DIVE 分布式虚拟交互环境是一个基于UNIX的，不同节点上的多个进程可以在同一个世界中工作的异质分布系统[8]。由荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室开发的训练和模拟系统，通过改善人机界面来改进现有的仿真系统，以使用户完全进入模拟环境[12]。德国在应用虚拟现实技术方面取得了令人瞩目的成就，如传统产业的转型方面，首先是用于产品的设计来压缩成本，以降低甚至避免新产品开发的风险；其次通过产品展示吸引客户，以达到赢得订单的目的；第三，主要用于培训方面，在新的生产设备投入使用之前，可以利用虚拟工厂来提高工人对生产设备的操作水平[8]。

日本VR技术的发展也同样在世界上某些相关领域的研究中占有重要地位。它在建立大型虚拟现实知识库和基于VR的游戏方面取得了非常好的效果，东京工业大学精密和智能实验室已经实施了一个用来建立3D模型的人机界面。Spm AR公司开发了一套虚拟现实系统，实现了借助代用手来处理CAD中三维模型的功能，通过数据手套把操作者的手部动作与对模型的处理联系起来^[13]，日本国际工业和商业部产品科学研究所研究并开发了一种使用XY记录器的受力反馈装置，东京大学主要专注于遥控方面，最近的研究项目是可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的机械人手臂的主从系统^[14]。日本奈良尖端技术大学院大学的Chiwon Kunihiro教授带领的一个研究小组在2004 年开发了一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间中的某种水果放到鼻尖闻一闻，装置就会在鼻尖处释放出相应水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的首次突破^[11]。

在我国，对虚拟现实技术的研究起步比较晚，并且对于虚拟现实技术的研究与发达国家之间仍存在一定差距。但随着计算机图形学，计算机系统工程和其他技术的极速发展，虚拟现实技术已经引起了有关国家当局和科学家们的高度重视，得到了我国各界人士的关注、研究与应用^[16]。根据中国国情，九五规划、国家自然科学基金会和国家高技术研究发展计划都已将对虚拟现实技术的研究列为重点研究项目。国内许多研究机构和各大学也陆续开展了对虚拟现实技术的研究和应用，取得了丰硕的研究成果^[17]。目前，虚拟现实技术在中国的广泛的应用主要体现在城市规划、教育培训、文物保护、医疗、房地产、互联网、勘探和测绘、工业制造和军事航天等几十个重要行业。

1.2.3 虚拟现实技术在轮机模拟器中的应用及发展趋势

在国外，对于虚拟现实技术在船舶操纵的应用研究始于20世纪50年代，并且在20世纪80年代发展成熟^[1]。美国在船舶中应用虚拟现实的研究一直处于世界先进水平，虚拟现实技术在该领域的最突出的例子就是在洛杉矶的潜水艇训练系统，此系统具有逼真的潜艇的三维外观设计，内部二维控制面板的设计，可以模拟潜艇在各个方位的实时运动^[18]，并配备了综合损害控制的培训系统，来对船艇上发生的各种紧急情况进行模拟，比如火灾或船体破损后进水等等。不仅如此，该系统还使用先进的交互多媒体设计技术，为学员提供更加逼真的视觉、听觉、触觉的虚拟现实环境^[1]。加拿大的虚拟现实模拟器MSRS系统主要用于训练甲板部的低级船员，学员无需使用大屏幕和投影仪，只要佩戴上HMD头盔就可以进行培训了。英国船商公司推出了ERS-4000轮机模拟器，该轮机模拟器通过引入虚拟现实技术来实现机舱漫游以及机舱设备的基本操作^[18]。德国STN Atlas Elektronik公司生产的SES 4000系列[33]的轮机模拟器，考虑到对仿真环境真实性，该系列模拟器能够建模和显示所有的物理过程，但所有主机和集控室使用的都是硬件设备^[19]。

在中国，大连海事大学、武汉理工大学和上海海事大学对虚拟现实技术在轮机模拟器中的应用方面具有较强科研实力。其中，大连海事大学的DMS-200轮机模拟器实现虚拟现实机舱模拟系统，首次对船舶柴油主机的三维运动控制模型进行了建模^[1]，而且实现了虚拟机舱漫游。经过大连海事大学师生们的不断研究和探索，DMS轮机模拟器已经得到了更多的发展。武汉理工大学的WMS2000型轮机模拟器，在功能方面，可以在主机机旁、集控台和驾控式的主机遥控台三个地方对主机进行操纵模拟^[20]。船舶电站系统可以操控发电柴油机、发电机和配电板，并可实现各种动态图形的监视和故障报警。上海海事大学的SMSC-2000型的轮机模拟器最大的特点就是它能够模拟实船上的大部分自动控制系统，并使用人工智能故障诊断系统^[21]。

虚拟现实系统通常也被称为视景仿真系统，因为视景仿真是虚拟现实技术的重要的表现形式。把虚拟现实技术应用到轮机模拟器中，其实就是增加机舱视景仿真系统。而在轮机模拟器仿真软件中实现的功能之一就是“机舱漫游虚拟现实系统”，该系统的功能是实现可视化图形交互仿真，改进船舶轮机模拟器的技术水平，提高学员的训练效果。

随着网络技术、多媒体技术、计算机图形技术、传感技术和WEB3D技术的飞速发展，虚拟轮机模拟器在网络化的方向发展的研究已经成为热门问题^[1]。

基于WEB3D的虚拟现实系统的开发主要由4 个部分组成，它们是：图形的三维建模；交互仿真程序设计；发布在网上；三维显示以及互动的实现^[22]。基于 WEB3D的船舶轮机模拟器可以实现机电设备的控制，机电设备的实时运行以及在三维场景中进行交互式仿真^[23]。具有更加明显的优势，能够节约开支，因为用户只需要一台 PC ，并且通过互联网就可以不限地域的实现网络远程培训。

1.3 论文研究的主要内容和结构安排

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：