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申请/专利权人：武汉理工大学

摘要：本发明公开了一种基于CAVE的沉浸式舰船动力仿真交互系统，属于舰船动力仿真系统的系统性能调试、人员操作培训等技术领域，包括半实物仿真系统、虚拟现实系统及千兆级网络交换机。虚拟现实系统通过高速网络实现与半实物仿真系统的实时交互与状态属性同步。虚拟现实系统包括CAVE沉浸式系统，驾驶台站位VR系统、集控台站位VR系统、电站站位VR系统、机旁操作台站位VR系统等多站位VR系统。通过CAVE沉浸式系统和多站位VR系统的集成与数据整合，完成三维图像的实时同步，增加了多站位VR系统协同交互操作的功能。本发明提供了舰船动力仿真系统在系统性能调试和人员操作培训的真实仿真环境，显著提高了仿真系统总体效率与效益。

主权项：1.一种基于CAVE的沉浸式舰船动力仿真交互系统，其特征在于，包括：半实物仿真系统、千兆级网络交换机和虚拟现实系统，所述虚拟现实系统通过所述千兆级网络交换机实现与所述半实物仿真系统的实时交互与状态属性同步；所述半实物仿真系统包括数学模型服务器、人机交互界面、数据采集系统、驾驶台、集控台、电站和机旁操作台，用于对舰船动力系统进行计算机仿真，模拟机舱内各种动力设备在各种工况、各种外界条件下的实际工作情况，以对人员在船舶维护、操作和管理方面进行培训，同时，将驾驶台、集控台、电站和机旁操作台上变量点的数据统一采集处理后发送至数学模型服务器，将来自数学模型服务器的数据加工处理后，发送给驾驶台、集控台、电站和机旁操作台上对应的点；所述虚拟现实系统包括机舱三维场景模型、CAVE沉浸式系统、驾驶台站位VR系统、集控台站位VR系统、电站站位VR系统及机旁操作台站位VR系统，通过构造沉浸式虚拟场景环境下的立体投影，实现与多站位VR系统的三维图像同步以及实时交互；所述数学模型服务器包括动力系统热力与控制数学模型、仿真支撑平台、共享内存区和通讯软件；所述动力系统热力与控制数学模型用于采用逻辑模型和数学模型对舰船系统及各设备工作过程的数学及逻辑关系进行描述，其中，逻辑模型用于描述舰船系统逻辑关系，数学模型用于描述舰船系统输入和输出定量关系；所述仿真支撑平台中装入动力系统热力与控制数学模型，仿真支撑平台软件运行在通讯软件服务器上，将动力系统热力与控制数学模型运行的数据结果传输到人机交互界面及实物盘台上进行显示，同时接收人机交互界面及实物盘台上输入的数据，并将实时仿真数据存放在实时仿真数据库中进行统一管理；所述共享内存区为所述仿真支撑平台和人机交互界面以及数据采集系统之间的交互提供媒介；所述通讯软件包括用户自行开发和仿真平台开发，用于实现人机交互界面及数据采集系统与动力系统热力与控制数学模型的数据通讯；所述动力系统热力与控制数学模型采用Fortran语言编写，包括主机系统数学模型、辅助系统数学模型和电站系统数学模型；所述主机系统数学模型以容积法为基础，建立主机的稳态、瞬态和故障态模型，对主机系统的各部分模型分别选择插值法和龙格一库塔法进行仿真计算，建立主机实时仿真系统，以反映主机在各种工况下的特征和故障状态下的行为；所述辅助系统数学模型包括空气系统、蒸汽系统、冷却水系统、燃油系统和滑油系统，利用面向对象的模块化建模思想，对所述冷却水系统、所述燃油系统、所述滑油系统、所述空气系统和所述蒸汽系统逐一建立精细的数学模型；所述电站系统数学模型用于根据电工学、热力学和动力学原理，用数学形式来表示电站系统特性和状态参数之间的关系，实时反映舰船电站系统中各状态量的动态变化特性，包括动态数学模型及逻辑和控制数学模型，所述动态数学模型用于模拟舰船电站设备中柴油机、发电机、附属设备和系统动态特性的数学模型；所述逻辑和控制数学模型用于模拟舰船电站保护、报警、操作和控制的数学关系；所述仿真支撑平台包括算法库管理、模块化建模管理、模型运行管理和数据服务管理，在Windows操作系统的支持下运行，采用Fortran语言编写，用于实现工况选择或工况保存功能、冻结或解冻仿真模型、故障加入或消除功能、回退至过去任一仿真状态功能、任一回退点对仿真支撑平台进行重演功能、按预设时间间隔快存任一时刻的特定工况功能、仿真模型的加速与减速功能和仿真模型的运行监视功能，其中，所述模块化建模管理用于提供开放的、搭积木式的模块化建模环境，以实现舰船系统模型功能的扩展、完善和修改；所述共享内存区包括：信息部分、操作界面系统与模型系统之间的双向模拟量的实时数值、操作界面系统与模型系统之间的双向数字量的实时数值、实物操作盘台与模型系统之间的双向模拟量的实时数值、实物操作盘台与模型系统之间的双向数字量的实时数值，其中，信息部分用于存放双向模拟量、双向数字量这四种类型变量的个数及共享内存的大小，模型系统是动力系统热力与控制数学模型与仿真支撑平台两部分的总称，所述共享内存区是所述操作界面系统、所述实物操作盘台与所述模型系统之间的桥梁；所述操作界面系统和所述实物操作盘台与所述模型系统的数据通讯由ModOperComServer和ModOperComClient完成，其中，ModOperComServer完成所述操作界面系统和所述实物操作盘台与共享内存区的通讯，ModOperComClient完成共享内存区与所述模型系统的通讯，定时从所述操作界面系统和所述实物操作盘台取得固定的模拟量和数字量的数值和状态传输到所述模型系统中，所述模型系统使用取得的数据进行计算，计算结果定时向所述操作界面系统和所述实物操作盘台发送，在ModOperComServer通讯程序中包括硬操模式和软操模式；用户自行开发的通讯软件用于完成所述操作界面系统及所述实物操作盘台与共享内存区的通讯，仿真平台开发的通讯软件用于完成共享内存区与所述模型系统的通讯，用户自行开发的通讯软件和仿真平台开发的通讯软件通过共享内存区的方式进行数据交换，用户自行开发的通讯软件从所述操作界面系统及所述实物操作盘台上读取发向所述模型系统的数据，并进行处理后放置到共享内存区中，从共享内存区中读取所述模型系统发向所述操作界面系统及所述实物操作盘台的数据，并发向所述操作界面系统及所述实物操作盘台，是共享内存区和所述操作界面系统及所述实物操作盘台之间的桥梁；仿真平台开发的通讯软件用于将所述操作界面系统及所述实物操作盘台发来的数据从共享内存区中读取，并放置到所述模型系统的模型中，将所述操作界面系统及所述实物操作盘台需要的数据从所述模型系统中写入到共享内存区中，是所述模型系统和共享内存区之间的桥梁；所述操作界面系统为人机交互界面，由驾驶台虚拟操作界面软件、集控台虚拟操作界面软件、电站虚拟操作界面软件、机旁操作台虚拟操作界面软件、柴油机示功图界面软件、机舱设备监控报警软件六部分组成，硬操模式和软操模式分别对应实物操作盘台操作与虚拟操作界面操作，虚拟操作界面软件安装在对应操作盘台的操作终端计算机上，其中，集控台包括两台监控计算机，分别运行柴油机示功图界面软件与机舱设备监控报警软件，通过对舰船柴油机及机舱设备的运行状况进行在线监控，采集相关运行参数并对运行参数进行分析，对工作中运行异常的数据给予相应的报警提示；所述实物操作盘台包括驾驶台、集控台、电站和机旁操作台，在各盘台的底部安装有倍福采集模块，安装在耦合器上，用于采集各盘台上实操变量点并汇总发送给倍福控制器，同时将从倍福控制器接收来的数据分别发送给盘台上对应的显示变量点；所述机舱三维场景模型在建模软件中进行建模、贴图，将建好的机舱三维模型导入引擎中进行驱动开发，对三维机舱设备的操作进行描述与定义、交互控制模式与机制确定，实现自动漫游、手动操作控制、碰撞检测、三维拾取、三维模型交互逻辑；所述驾驶台站位VR系统、集控台站位VR系统、电站站位VR系统、机旁操作台站位VR系统通过网络与数学模型服务器连接，各站位VR系统包括一套头戴式VR设备及一台客户端计算机，头戴式VR设备连接主机，主机通过网线连接千兆级网络交换机。

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