新型轮机模拟器系统功能和结构设计

第25卷　第4期大连海事大学学报V ol.25,N o.4 1999年11月Journa l of Da l i a n M ar iti m e Un i versity N ov.,1999文章编号:100627736(1999)0420056205新型轮机模拟器系统功能和结构设计Ξ史成军,吴　恒,郭　晨(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连　116026)摘要:该方案综合应用计算机网络、数据库、虚拟现实和分布式仿真技术,采用多台微机组网运行协同完成新型轮机模拟器的任务,各台微机也可单独运行完成特定系统的仿真功能.该方案使系统具有扩充性好,更换对象方便等特点.关键词:轮机模拟器;虚拟现实技术;计算机网络分类号:TP392;TP393.1 文献标识码:A系统以交换机为中心将各个子系统仿真工作站、服务器、相关控制台、配电盘和V R工作站以星型网络结构构成分布式仿真系统.系统以虚拟现实(V irtual R eality,V R)技术柔和集控室控制台、配电盘和船桥控制台等实物相配合再现船舶的实际机舱,使受训人员具有实船的感觉,以达到较好的训练效果.1　系统功能和系统结构系统由教员室功能模块、集控室功能模块、机舱设备功能模块、学员操作功能模块和电源(U PS不间断电源)五大部分组成.111　教员室功能模块配有驾驶台主机遥控台(包括报警系统、车钟记录仪、多通道记录仪和网络打印机)、仿真服务器、数据库服务器(W eb服务器)、工控机、教员工作站、声音合成及功率输出设备和音箱(放置机舱).教员室具有遥控主机及控制台上相关设备的功能,修改参数和设置故障、对受训人员进行评估和对网络进行管理的功能.仿真服务器完成总体仿真程序(瘫船起动、稳定运行、超 亚实时、风浪程序和子系统不能完成的任务)及协调各子系统工作站的任务.数据库服务器提供船舶数据、仿真系统变量数据、故障诊断专家系统数据库和评估规则数据库数据共享服务.W eb服务器提供Internet Intranet(或远程通信)服务,为远程学生(或其他人员)提供在线模拟器仿真服务和专家系统服务.工控机完成驾驶台主机遥控台的信号采集和控制输出Ξ收稿日期:1999204222基金来源:辽宁省科学技术基金资助项目(9810200306)作者简介:史成军(1963～),男,讲师功能与网络通信任务.教员工作站完成网络管理、网络监视、故障设置、模拟器训练评估系统的任务.多通道记录仪连续实时记录各种参数.打印机供评估系统使用.112　集控室功能模块配有集控室控制台(包括各类仪表、转换开关、声光报警系统和网络打印机)、巡回检测工作站、系统图示工作站、配电盘(仪表和开关)、船舶电力系统工作站、工控机、两台V R 工作站、两台投影仪和两块投影幕.集控室具有对主机及机舱各设备的远距离控制功能、巡回检测和报警功能、主机工况监视和主机遥控系统的显示功能、配电盘上发电机并车操作(包括调频调载)等功能.通过立体眼镜观看投影幕具有身临机舱的感觉(临场感).工控机完成控制台、配电盘信号的采集和控制信号的输出功能,同时完成与其他计算机的网络通信任务.巡回检测子系统完成报警上下限的设置、正常值的显示和报警参数的显示.船舶电力系统子系统完成船舶电力系统的仿真.V R 工作站、投影仪和投影幕一起实现虚拟控制台、虚拟主机、虚拟驾驶台和机舱漫游功能.V R 功能如表1所示.表1　V R 功能V R 功能投影幕A投影幕B 虚拟驾驶台虚拟船舶(三维模型)三维立体驾驶台和控制台.操作鼠标可在虚拟控制台上模拟控制主机三维立体船舶,机舱部位剖视,显示主机、轴系和螺旋桨;当主机变工况运行时,水流和浪花随之改变虚拟集控室虚拟主机(三维模型)三维立体集控室和主机控制台.可在虚拟控制台通过鼠标控制主机三维立体主机(赋予透明材料),可透视主机观看主机内部部件的运动情况;当主机变工况运行时,虚拟主机运动情况随之改变机舱漫游(录像为主,三维模型为辅)通过立体眼镜观看投影幕,具有身临实船机舱的感觉通过立体眼镜观看投影幕,具有身临实船机舱的感觉 以上V R 显示根据需要可使用一个幕,也可同时使用两个幕.113　机舱设备功能模块由各仿真子系统工作站组成.各仿真子系统既可独立仿真,也可组网构成全系统(整个机舱)仿真.由主机、主机操纵系统、发电柴油机组、锅炉系统(惰性气体)、分油机系统、舱底水系统、消防和应急系统、压缩空气系统、机舱燃油系统、机舱滑油系统和冷却水系统组成机舱功能模块.采用三维设备模型和二维系统图相结合的方法实现计算机图形界面.114　学员操作功能模块学员教室由大型图示板、教员站和15台学员工作站组成.图示板反映机舱各设备分布、设备工作状态和各液位的在线指示;教员站和15台工作站与教员室、集控室、机舱设备子系统联网.在学生工作站可获取船舶全部资料,船舶各系统结构和相关设备的工作原理图(两维、三维动画、图片和录像).115　电源配置交流稳压电源和U PS 不间断电源.交流稳压电源提供稳定的交流电压,保证系统正常工作.当市电停止供电时,U PS 不间断电源可继续向系统提供电力.116　系统数据关系仿真系统以数据服务器为中心,将各个子系统工作站、工控机、V R 工作站、教员站和学生工作站组成一个分布式仿真系统.其系统数据关系如图1所示.75第4期史成军等:新型轮机模拟器系统功能和结构设计 图1　轮机模拟器系统数据结构图2　系统网络结构211　星形网络结构目前,网络结构主要分为总线结构、环形结构和星型结构.总线结构主要优点是结构简单,而且比其他结构使用更少的电缆线;主要缺点是当电缆线任何地方断开时,所有工作站都不能通信.当入网计算机较多,多个计算机发送数据时易发生数据碰撞,产生大量无用数据(计算机必须重新发送数据),造成整个系统性能下降.环形结构具有总线结构的优缺点.比星型结构使用更少的电缆,但和总线结构一样难于查错,且如果环中发生断开,整个网络就会瘫痪.星型结构使用集线器(交换机),每个工作站直接连到集线器,在这条线路上不连其他设备.其优点是易于维护和查错,电缆问题只影响连在该线路上的单个设备,不影响其他设备及网络的正常工作.唯一缺点是使用更多的电缆.目前大多数网络采用星型结构.根据系统功能和系统结构分析,系统中存在大量实时仿真数据、图形数据和声音数据,而E thernet 网在一个网段接入的计算机较多时易发生数据碰撞,频繁的数据碰撞造成网络有效传输速率下降.为满足实时性要求,网络中只传递仿真数据和命令数据,图形数据和声音数据存在本地机上,将网络用交换机分段来减少数据碰撞的机会,提高网络的有效传递速率.综上所述,模拟器网络采用以交换机为中心的星型网络结构.交换机上连口接仿真服务器,速率可达100 10M bp s .网络可以较高的速率进行实时数据的传递.212　以交换机为中心的星型网络结构的特点从先进性、可维护性、可开放性和可扩展性等方面考虑,网络特点如下:整个网络采用结构化布线,模块化设计.布线物理通道采用五类屏蔽电缆,速率可达155M bp s ,一次到位.采用星型结构和快速交换技术,将各个部分连成一个整体.实现客户(C lient ) 服务器(Serv 2er )计算模式体系结构.充分利用W indow s N T 功能,发挥其抢占式多任务多线程系统功能及良好的图形操作界面.建立W eb 服务器,以满足Internet In tranet 的可靠运行,为模拟器进行远程服务打下基础.213　网络结构组成交换机拟采用I BM 8271,8271采用特有的随收随发技术,提供高速交换服务,并使用“短帧免发模式”来提高网络操作效率.8271具有8个10Base 2T 交端口和一个高速上连口,各口都可配置成全双工工作,一个端口的实际信息流量可达20M bp s.高速上连口可以选择100Base 2T 、FDD I 或155M A TM 等高速网络.集线器采用中档产品.(1)服务器:采用微机服务器,支持对称多处理器S M P ,CPU 可升级,多个托架以便增加硬盘容量,具有足够的内存以便同时运行多个任务.本系统采用分布式仿真模式,用微机工作站模拟仿真某个设备或某个子系统,服务器协调各工作站运行及微机工作站无法完成85大连海事大学学报第25卷　的工作.(2)仿真服务器:运行总体仿真程序,从各工作站接收数据,经仿真计算将数据发送给各工作站.(3)数据库服务器:向各工作站或服务器提供共享数据(船舶常数数据,各变量当前数据,专家系统数据和评估系统数据).(4)W eb (或远程通信)服务器:提供Internet In tranet (或远程通信)服务,为远程学生(或其他人员)提供在线模拟器仿真服务.(5)学生工作站:可获取船舶全部资料,船舶各系统结构图和相关设备的工作原理图(两维、三维动画、图片和录像),可单机运行子系统仿真程序或全船仿真程序(各学生工作站改变不影响其他工作站),网络仿真(各工作站运行同一仿真程序,一个工作站改变参数,各工作站同时也改变相应参数).(6)子系统工作站:主机工作站、主机操纵系统工作站、发电柴油机组工作站、锅炉系统工作站、惰性气体系统工作站、净化系统工作站、防污系统工作站、消防和应急系统工作站、压缩空气系统工作站、机舱燃油系统工作站、机舱滑油系统工作站、冷却水系统工作站、船舶电力系统工作站、巡检和报警工作站等,分别运行各子系统的仿真程序.(7)V R 工作站:运行V R 程序,按仿真的要求,输出视频信号分别送到投影仪,投影仪将图像投到一个幕上,通过立体眼镜可观看立体视景.(8)教练员工作站:监视网络工作情况,设置运行状态和故障,对模拟器训练人员进行评估.(9)工控机:完成控制台上各模拟仪表的模拟量输出和指示灯的开关量的输出及各开关、车钟和操车手柄位置信号的采集,配电盘上各模拟仪表的模拟量输出和指示灯的开关量的输出及各开关信号的采集,网络结构见文献[7].3　软件选择311　操作系统软件微机采用W indow s 95 W indow s 98等32位操作系统,服务器采用W indow s N T ,利用N T 的安全管理机制来管理整个网络.312　数据库软件采用M SSQL 6.5SERV ER 作为服务器数据库软件,将整个系统的接口定义和所需数据全部存储在数据库中供系统各工作站共享使用,系统以数据库为交换数据的媒介,同时,数据库必须按教练员工作站的指令完成数据的存取功能.313　子系统软件采用VB 或V C 面向对象的编程语言针对本子系统的数学模型编程,只要和其他子系统的接口定义保持不变,便可随时变更子系统的数学模型(即可更换子系统).单机运行时从本地数据库取得数据进行仿真运算,组网运行时从数据库服务器取得数据进行仿真运算,其结果返回数据库供其他子系统使用.314　总控软件教练员工作站运行总控软件,控制模拟器的起停、进度的存取、各子系统的协调、故障的设置和取消、学员的操作记录以及对学员的训练结果进行评估.95第4期史成军等:新型轮机模拟器系统功能和结构设计 06大连海事大学学报第25卷　315　工控软件按模拟器要求以一定采样周期对控制台、配电盘的各开关量和操车手柄的模拟量进行采样,并送往数据库,对部分采样数据经处理后向控制台或配电盘发出控制信号,从数据库取得与配电盘或控制台相关数据输出到控制台或配电盘显示.4　结论以上介绍了基于虚拟现实的轮机模拟器的系统结构和功能.与传统的设计相比,对部分子系统的修改和更换不需修改整个系统,对系统增加或减少设备非常方便.整个系统的维护方便.上述轮机模拟器的设计方案目前正在实施中.参　考　文　献[1]　谢群.上海八运会网络工程建设分析[J].中国计算机用户,1997,25(216):43.[2]　王晶.市场常见集线器产品介绍[J].中国计算机用户,1997,25(216):46.[3]　张孟顺.100Base2T在局域网的应用[J].中国计算机用户,1997,36(227):25.[4]　汤子赢,哲凤屏,汤小丹,等.计算机网络技术及其应用[M].成都:电子科技大学出版社,1996.[5]　鲁士文.计算机网络原理与网络技术[M].北京:机械工业出版社,1996.[6]　汪成为,高文,王行仁1灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M].北京:清华大学出版社,南宁:广西科学技术出版社,1996.[7]　郭晨,吴恒,史成军.应用虚拟现实技术的新型轮机模拟器总体设计与系统结构[J].大连海事大学学报,1999,25(2):672711The syste m functi on and conf i gurati on desi gn ofa new type propulsi on plan t tra i n erSH I Cheng2jun,WU H eng,GUO Chen(M arine E ng ineering Colleg e,D alian M ariti m e U n iv.,D alian116026,Ch ina)Abstract:Based on computer netwo rk,database,virtual reality and distributed si m ulating technol ogy,th is p roject is to comp lete the task of a ne w p ropulsi on p lant trainer by m eans of num erous computers online.Each computer can als o be used to ach ieve the s pecial si m ulating functi on individually.It m akes the syste m a quire characteristics of good expandedness and convenience in changing objects.Key words:p ropulsi on p lan t trainer;virtual reality technol ogy;computer network。