摘 要

在船舶航行过程中，轮机部的管理人员的操纵直接关乎人身安全，其操纵技术可以通过训练逐渐培养。船舶轮机模拟器设备真实的模拟出海上船舶的各种操作环境和应急状况，轮机管理人员可以通过操作该设备提高自己综合能力。在当代先进计算机技术的辅助下，轮机模拟器在丰富管理人员经验的同时，也提高了其管理水平。船舶轮机模拟器利用虚拟现实技术，建立与实体船大体一致的模拟操作平台，轮管人员进入模拟操作平台提升实操能力，在降低训练成本、保证训练的效果的同时，降低船舶实际受到的航行、环境等因素的影响。自从1970年起，轮机模拟器开始应用后，其不断更新，为了适应新时期培训需求，对其提出了更高的要求。

本文内容为使用3dsmax软件将实际的轮机模拟器在电脑做出，实现虚拟轮机模拟器的可应用性，供其他团队应用。并就轮机模拟器的研究内容及技术进行了分析，旨在为推动其进一步发展。

关键词：虚拟现实技术；轮机模拟器；3dsmax；核心技术；应用及发展前景；

Abstract

In the process of ship, engine management control about personal safety directly, the control technology can be gradually developed through training. Marine engine simulator equipment to simulate the real Marine ship operating environment and emergency situations. With the help of modern advanced computer technology, the management level of the turbine simulator has been improved while the experience of managers has been enriched. The ship turbine simulator utilizes virtual reality technology to establish a simulation operation platform roughly consistent with the real ship. When the vessel management personnel enter the simulated operation platform, they can improve their practical operation ability. While reducing the training cost and ensuring the training effect, they can also reduce the influence of navigation, environment and other factors on the ship. Since 1970, the turbine simulator has been continuously updated to meet the needs of training in the new period, and it has put forward higher requirements.

In this paper, the actual engine simulator is made by using 3ds Max software to realize the applicability of virtual turbine simulator for other team applications. This paper analyzes the research content and technology of the Marine engine simulator and aims to promote its further development.

Key words: Virtual reality；Marine engine simulator; 3dsmax; Core technology；Application and development prospects

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 虚拟现实技术 2

1.3 轮机模拟器研究国内外现状 3

1.4 论文研究内容 6

1.5 本章小结 7

第二章 利用3dsmax建模 8

2.1 3dsmax简介 8

2.1.1 3dsmax软件背景简介 8

2.1.2 3dsmax软件界面介绍 9

2.2 轮机模拟器构建关键操作 11

2.3 3dmax建模步骤 12

2.3.1 数据点的采集 12

2.3.2 三维模型的建立 13

2.3.3 模型的贴图和渲染 14

2.4 3dsmax建模发展趋势 15

2.5 本章小结 15

第三章 虚拟轮机模拟器的建立 16

3.1 轮机模拟器设计参数测量 16

3.2 轮机操控台的模型绘制 16

3.2.1 操控台架的绘制 16

3.2.2 控制台仪表盘绘制 18

3.2.3 车钟的绘制 20

3.2.4 显示器及控制盘的绘制 21

3.2.5 贴图操作 22

3.3 整体模型导出 23

3.4 动画操作 24

3.5 本章小结 25

第四章 3dsmax与Unity3D结合 26

4.1 Unity3D介绍 26

4.2 Unity3D关键技术 26

4.2.1 场景建模技术 26

4.2.2 交互技术 26

4.2.3 碰撞检测技术 27

4.3 3dsmax模型导入Unity3D 27

4.4 本章小结 27

第五章 结论与展望 28

5.1 本文总结 28

5.2 展望 28

参考文献 30

致谢 31

第一章 绪论

1.1 研究的背景及意义

现代大型海上运输船舶正给全球各国经济发展注入巨大能量，由于海上运输是比空运陆运更为安全廉价的方式，操纵一条船舶运输货物从一个地方到另一个地方成为各国积极采用的外贸运输方法。

确保船舶在运输途中的内部与外部的安全是各大船舶公司首先要做到的，外部的危险可以来自海盗，大风浪，而内部的安全隐患一大部分原因来自于船舶操纵人员对船舶的不正确操纵，船员操纵技术可以通过训练逐渐培养，在当今船舶业快速发展的大背景下，船舶用人单位运用船舶轮机模拟器，可以将原本固定形式的教学方式，改为实际的操纵方式，能够最快速度的让轮机管理人员能从入手学习开始，接触到轮机设备，如此以来，就有一个十分形象的认知，这对于轮管人员的发展培养起到强大的推动作用，因此，在各大船舶公司经过多年的实际测试之后，在国际航海界达成了共同的结论，采用轮机模拟器对轮机管理人员进行培训是培养船员的第一步，也是最重要的一步。与此同时，国际海事组织在1995年修订船员培训和发证规则，并在值班标准国际公约中明确强调了轮机模拟器在船员训练中所发挥的不可替代的作用，国际海事组织在航海训练规则中做出明确的强制性规定，该组织要求国际轮机管理人员的成长必须经过轮机模拟器的多次操作实验操作体验，只有经过实地学习，才有机会进行下一步学习，方可进入到实际船舶进行操作。相应的，我国的国家海事局在根据我国船员整体素质并经过大量实际考察之后，在制定本国的“海船船员适任考试和评估大纲”中再次规定了船员培训中轮机模拟器培训的具体实施项目与方案^[1]。

轮机模拟器通过最大程度的模拟现实中船舶可操纵设备，将该模拟器用于船舶公司的船员培训和学校的轮机课堂教学中，可以让轮机管理人员和学生有着较为直观的感受，可以大幅提高轮机管理人员在船舶操作中的快速应答能力，增强学生动手操作和理解能力，建立轮机模拟器还可以模拟船舶设备在海上发生的种种突发安全情况，适用于锻炼轮机管理人员处理突发状况的安全处置，提高安全处置能力，同时这也是在缩短轮机员在航上航行时的突发情况处理时间，减少海上事故的发生，因此它是一种培训现代近洋与远洋轮机管理人员，培养学生实际操作能力最为经济、安全、高效的方式之一。

轮机模拟器意在满足社会中涉及船舶操纵的人员的训练需求，随着社会不断发展，轮机模拟器在前期发展的基础上更加着重完善了网络化、可触摸化、三维化等技术，不断引领着轮机模拟器训练的智能化和云端化迅速发展，并且一大批新兴的突破三维交互实用化的关键技术已经涌现，总体来说，加强轮机模拟器理论的深化，开创技术上的新颖程度，简洁操作设计，通过模拟现实环境提升用户的使用操作体验，进而不断改进，使得该应用更加高效，更为实用，为机舱资源管理人员的的高品质训练奠定坚实的技术基础。

1.2 虚拟现实技术

虚拟现实技术诞生于上世纪60年代初期，美国军方为了作战需要，为锻炼士兵临场应战能力，开发了虚拟战场模拟系统。虚拟现实中的“虚拟”是指用计算机生成实际环境的意思，而“现实”是指在物理环境上存在的世界上的任何事物，它可以是实际上的，也可以是实际上难以实现的。因此，虚拟现实是指用计算机生成一种特殊假设的环境，人们可以通过使用各种特殊装置身临其境，并可以进行模拟操作，实现特殊目的，即人是这种环境的开发者，并将其服务于人类^[2]。

虚拟现实技术是一项合成的综合技术，涉及计算机技术、传感器技术、人工智能技术等自然科学。虚拟现实技术体系十分复杂，是各类技术的结合体，又推动各项技术的快速发展，举例来说有建模技术、交互技术、感知与反馈技术。其中，建模技术重中之重，也是本文所讨论的重点。

虚拟现实技术具有三个基本特点，一是沉浸感。沉浸感又称临场感，指用户作为主角存在于模拟环境中的真实程度，虚拟和现实的差距越小，虚拟现实技术的复杂程度就越高，虚拟现实技术最主要的技术特征是让用户可以感受到身临其境，使用户由观察者变成参与者，沉浸其中并参与虚拟世界的活动，这样的系统的完善程度就越高。二是想象性。这是指虚拟是现实技术具有无限的想象空间，并不一定要求虚拟现实必须是现实存在的事物，也可以是假象的事物，可以超出当前人类认知范围的界限，甚至是不可能发生的环境。三是交互性。指的是操作用户在模拟环境范围内除去观察事物之外，还可以与虚拟设备发生的可操作程度， 并且用户可以从模拟的环境中感知到虚拟设备反馈回来的程度。虚拟现实技术是各种技术的结合产物，其中交互性的产生，可以通过佩戴虚拟现实系统的特殊硬件设备，配合相应的辅助配件，使用户能能够通过简单的方式，产生如同在真实世界一样的感觉。虚拟现实系统发展的同时着重强调人与虚拟世界之间进行自然交互的程度，包括交互的实时性和真实反馈性。

虚拟现实技术主要沿着多样化逼真感觉、内容与环境交互的方向发展，长远看来，计算机平台移动化是该行业发展的领头技术，计算机已经无处不在，将计算机技术与虚拟现实相互融合，发挥各自的最大优势，在移动设备演化过程中，可以大力发展手持式计算设备，方便人类生存，这都是虚拟现实发展道路上必不可少并且着重发展的一环，环境信息综合发展要求虚拟现实不仅仅考虑表面数据，也需要对大气电磁等环境信息进行处理，这样就可以更真实的表现环境效果，用不同的表现方式表现出最佳状态。

虚拟现实产业是科技业新兴的高新技术产业，是具有巨大潜力的电子技术产业，举例来说，2014年美国电子通讯公司Facebook以20亿美元价格收购Oculus，这拉开了虚拟现实产业在全球铺开的序幕，根据统计数据，2015年全球虚拟现实和增强现实两大电子领域共吸引商业投资6.86亿美元，虚拟现实技术逐渐席卷硬件、软件和服务行业，极大推动经济的发展。

目前，国内外高速发展的虚拟现实技术也正逐渐渗透到我们日常生过的每个领域，将其引入船舶轮机模拟器的建设中，将会推动该行业高效、安全、低成本发展进步，这种相互结合的方法已经越来越受到各个国家的各个领域的重视。在当今航海领域，普通的授课方式已经无法满足训练船员的任务，利用船舶轮机模拟器培养船员已经发展成轮机教育与轮机培训的重要手段，因其效果出众，国际海事组织在STCW78/95公约中还有规定经历轮机模拟器培训操作是所有船员必要经历的一步^[3]。

将虚拟现实技术融入到轮机模拟器中，采用电脑可视化虚拟现实技术虚拟仿真出轮机部的各个功能结构设备，实现虚拟控制台、虚拟驾控台、虚拟配电板、等的动态控制，用户配戴VR眼镜可以通过亲身体验体会到轮机部的各种操作，另外，运用机舱漫游功能，基于真实数据建立数字模型组合，通过一个逼真的视、听、触的虚拟环境，操纵者借助必要的设备例如VR眼镜对轮机部设备和机舱环境进行观察，操纵者可以在机舱中运动，感受虚拟场景中的场景变化，并且可以亲自进行相应的操作，具有极大的双向互动功能^[4]。

操纵者在以第一人称视角在虚拟场景中进行移动操作时，不经任何操作的情况下在遇到其他障碍物的阻碍时常常会发生“穿透”现象，这并不符合现实世界中的物理操作行为，在此我们可以利用碰撞检测技术，这样就可以合理地解决这个问题，多次进行场景漫游的测试，确保虚拟角色在虚拟场景中的漫游达到了我们预期的效果，该过程需要利用3dsmax、Unity3D相关技术进而实现船舶轮机实验室虚拟漫游。

1.3 轮机模拟器研究国内外现状

轮机模拟器研究随着船舶业的迅速发展，在国际国内都有着相应的发展进步。

在国际上，自20世纪80年代初期，一些专家团队就开始对船舶系统进行仿真研究，对船舶的动力装置的仿真研究进度飞速发展，越来越多的团队发现仿真技术对船舶轮机训练带来的经济和效率效益。但是受到当时的计算机水平技术的限制，整个船舶动力装置的计算机数学建模系统还是较为简单的。另外不可否认的是，海外研制的轮机模拟器一般硬件水平较国内研制水平高,同时带来的效应还有昂贵的价格，其中极具有代表性的轮机模拟器有英国AVEN公司为本国华什西航海学院出资建造的轮机模拟器，一批著名轮机模拟器生产厂商应运而生，代表性的有挪威的KMSS公司、德国的STN公司还有英国的Transas公司^[4]。

随着国际社会航海界的飞速发展，2000年，挪威KMSS公司生产出了较为完善的PPT2000系列轮机模拟器，该模拟器是根据真实的船舶机舱设备和环境而开发的，这在当时具有代表性地开创了轮机模拟器的先河，引得各种团队争相开发，模拟器水平极速发展，大致来说，各大公司制作出的轮机模拟器系统主要部件包括主机遥控系统、报警系统、电力供给系统、车钟系统等。主机系统方面不仅含有二冲程低速柴油机的数学建模模型，同时包括四冲程高速柴油机数学模型，PPT2000系列轮机模拟器从推进方式上看，可以是对由燃气轮机推进的军舰以及定距桨和变距桨船舶进行仿真；而从软件工程的角度看，可以采用模块化结构，不同船舶类型、主机的数学模型都已经存放在模型库中，商家可以根据用户的要求，把不同类型的数学模型连接起来，经过调试之后，交付用户使用。PPT2000除了上述系统组成部分外，还因为其采用了开放式结构，而大大增加了它的曝光使用率，这就为用户在该系统的基础上开发新的功能创造了便利条件，同时作为公共产品，该系统也便于用户进行升级换代^[5]。

在国内，我国轮机模拟器的研制起步比较晚，我国经济社会发展的初期，航海业发展并没有明显起色，在科学团队研究起步阶段，行业的研究条件较差，研究环境不佳，这并没有阻挡我国航海业虚拟研究的飞快进步，凭借海外背景，站在较高的研究起点上，该行业发展很快，轮机模拟器虚拟器也成为学术机构教育学生和船舶公司培训船员必要经历的一环。举例来说，大连海事大学科学团队自主成功研制出新型虚拟轮机模拟器系统，并应用于学生教学阶段，该系统通过以交换机为中心构建成单独系统，为完善整个系统的运行更加符合现实情况，提高轮机训练人员的真实感受性，在单独系统上又将各个子系统仿真控制台、服务器以星型网络结构构成的分布式密布式仿真系统，各子系统相互联系增强，可与航海电子监控实时联网，建设成为驾机联网模拟训练中心，按照这种发展模式，中国航海界的轮机模拟器已经实现较为完善的全方位发展，基本上满足了轮机管理人员训练模拟操纵的要求。

我国在70年代末期与80年代初期建造的轮机模拟器和我国在1980年首次引进的Norocntorl柴油机动力装置模拟器是当时世界上屈指可数的轮机模拟器之一。它综合电子计算机技术和数学模型技术，其中核心电子计算机为Nbrd一42型小型工业机,它用数学模型模拟出一艘16万吨位的油船机舱设备，并通过软磁盘输人。在轮机管理人员培训手册上明确提出了数十幅模型图，同时给出被模拟设备的操作系统图及其有关模型变量符号。但是这对于初学者来说，还是有一定的难度，在国家的严格把控下，为了使受训人员对机舱设备有个整体认识，在此基础上又增加了一个模拟图示板，用附加在平板上的的柴油机动力装置模型原理图加上不同颜色的线条连成相应操纵系统，并以灯光实时显示各个设备工作状态。我们将这种轮机模拟器命名为第一代轮机模拟器产品，它的主要特点是电子计算机和数学模型加上物理控制台和操纵图示板，简称MIMIC^[6]。

国内各大机构学校也逐渐成立轮机模拟器研究的工作小组和研究发展委员会，大连海事曾与山东交通学院海运学院在2006年签定合同，潜心研制建造出DMS-2005大型集装箱船轮机模拟器系统，其中包括机舱虚拟现实仿真系统。在国内该轮机模拟器完全具有我国自主知识产权，第一次在航海界轮机模拟器中将主动权把握在自己手中，同时是我国开天辟地第一个完善的轮机模拟器。DMS-2005轮机模拟器是以中远集团第六代集装箱船为构建基础，该模拟器将船主柴油机系统分为13个主要工作系统，以一定的合理进行全功能仿真建模，其操作与显示功能与样本船基本相同。模拟器同时合理建立了各系统数学模型, 为了完全满足轮机管理人员的实验操作要求，该系统设置模拟出相应的大量系统故障类型,并建立正确处理机制，允许操作人员进行修改。

武汉理工大学在轮机模拟器方面做出的成就也推动了国内整体快速前进，该校从1991年开始研制轮机模拟器，投入大量资金，在开发过程中不断试验，在大学中逐渐成为航海界的标杆，1994年该校科学团队成功研制出以教学船舶操纵为主要目的轮机仿真模拟器，在学生实验阶段获得一致好评，学生可以近距离接触轮机模拟器的构造，了解运行原理，对轮机部的设备有直接的感受。武汉理工大学邀请了世界各国航海界专家教授前来参观国家自主研制的轮机模拟器设备，国际上都给予了较高评价。大连海事大学与青岛远洋船员学院长期合作研究轮机模拟器，双方研制签订合同，联合研制出大型集装箱船轮模拟器，这种模拟器可以同时供教学使用和船员培训使用，大大提高了使用效益，因此获得较大的推广，此轮机模拟器系统成果展示在当时同时由交通部和国家海事局最高科技奖项中，该鉴定委员会评价：“该模拟器总体上达到国际先进水平，在故障设置数、轮机训练内容和三维可视化交互仿真等方面性能超过国外产品。

国内随之而来的对于轮机模拟器研究热潮愈加强烈，并且在国际上对航海运输业的急切需求下，船员数量急剧增加，因此采用轮机模拟器快速训练船员成为主要潮流，在国际上对轮机模拟器的研发处于的热火朝天的大背景下，为实现轮机模拟器的完善发展，科学团队将各种尖端计算机技术综合前沿网络技术加入到了轮机模拟器的研究中，轮机模拟器研究逐渐发展成一个软硬结合、人机结合、精密复杂的庞大科学系统。整个模拟器的研究局面正呈现出一片欣欣向荣、百花齐放的态势，国内航海技术前沿的大连海事大学、武汉理工大学作为学科带头人带领着更大更多的团队正研究更加完善的轮机模拟器系统^[7]。

1.4 论文研究内容

传统的利用轮机模拟器进行船舶轮机管理人员培训和教学环节具有培训周期长，学习效率低等特点，因此很难同时保证船员的培训速度和培训质量。本文主要研究内容为将轮机模拟器与虚拟现实相结合，在本学院现有的船舶轮机模拟器的基础上设计实现虚拟轮机模拟器，目的在于利用发布后简单的软件操作来实现受训船员自学和提前演练的功能。该虚拟模拟器的构建基于3dsmax软件，经过一系列操作后可以实现轮机设备的模型，供其他团队后续建模使用。

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