本發(fā)明涉及一種仿真系統(tǒng)，特別是涉及一種對(duì)耙吸挖泥船的工況和操作進(jìn)行仿真的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

耙吸挖泥船是疏浚工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的一種船舶，分析研究耙吸挖泥船的疏浚機(jī)理，掌握和運(yùn)用現(xiàn)代疏浚理論和技術(shù)進(jìn)行疏浚施工，充分發(fā)揮耙吸挖泥船的施工效率是耙吸挖泥船疏浚施工研究的主要課題。鑒于疏浚行業(yè)的特殊性，既懂疏浚理論又擅長(zhǎng)疏浚操作的高級(jí)船員需要較長(zhǎng)時(shí)間的培養(yǎng)，在一定程度上影響了耙吸挖泥船的高效使用。通過(guò)對(duì)耙吸船模擬仿真系統(tǒng)的研發(fā)和建設(shè)，可以逐步建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，移植施工船舶的寶貴經(jīng)驗(yàn)，為疏浚工藝研究、疏浚數(shù)據(jù)分析、疏浚機(jī)具改進(jìn)、疏浚經(jīng)驗(yàn)交流提供平臺(tái)和技術(shù)手段。耙吸船模擬仿真系統(tǒng)為耙吸船疏浚施工人員提供高仿真度的培訓(xùn)平臺(tái)，以較低的培訓(xùn)成本迅速提高疏浚作業(yè)人員的疏浚技能。幫助研究如何提高疏浚效率，降低疏浚成本，從而引領(lǐng)市場(chǎng)發(fā)展、保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠真實(shí)再現(xiàn)耙吸挖泥船的施工環(huán)境和施工過(guò)程的仿真系統(tǒng)，為培訓(xùn)人員提供最佳的疏浚操作體驗(yàn)，提高培訓(xùn)的效果。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的耙吸船模擬仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括航行操作臺(tái)、疏浚操作臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)單元、仿真驅(qū)動(dòng)單元；

一航行操作臺(tái)，用于航行過(guò)程的仿真控制；航行操作臺(tái)模擬實(shí)際航行操作環(huán)境。

一疏浚操作臺(tái)，用于疏浚過(guò)程的仿真控制；疏浚操作臺(tái)提供左右疏?？刂婆_(tái)柜，模擬實(shí)際設(shè)備操作環(huán)境。

一虛擬現(xiàn)實(shí)單元，用于耙吸船仿真工況和設(shè)備的畫面呈現(xiàn)；虛擬現(xiàn)實(shí)單元采用八路融合的圖像信號(hào)，組成無(wú)縫連續(xù)的畫面，為耙吸船虛擬現(xiàn)實(shí)提供展示載體。

一仿真驅(qū)動(dòng)單元，用于建立船舶設(shè)備的動(dòng)作、控制流程及其對(duì)環(huán)境響應(yīng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)操作臺(tái)傳來(lái)的信號(hào)仿真出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)。

以上疏浚操作臺(tái)、航行操作臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，連接各個(gè)工控計(jì)算機(jī)和PLC，并通過(guò)PLC對(duì)航行操作臺(tái)、疏浚操作臺(tái)中的各種按鈕、指示燈等信號(hào)進(jìn)行采集。PLC采集的信號(hào)通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，仿真驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)采集的信號(hào)進(jìn)行模擬計(jì)算，并反饋計(jì)算的結(jié)果到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。SCADA系統(tǒng)、DTPM系統(tǒng)以及虛擬現(xiàn)實(shí)單元通過(guò)API接口與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

基于上述耙吸船模擬仿真系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)耙吸船的施工環(huán)境、操作環(huán)境與施工過(guò)程的仿真，可提高培訓(xùn)的操作體驗(yàn)和培訓(xùn)效果。

本發(fā)明的耙吸船模擬仿真系統(tǒng)，以現(xiàn)有真實(shí)的耙吸挖泥船為藍(lán)本，完整的描述了耙吸挖泥船中主要受控的船舶設(shè)備的動(dòng)作，同時(shí)，也描述了每個(gè)受控船舶設(shè)備動(dòng)作的影響因素。真實(shí)再現(xiàn)了耙吸挖泥船的施工過(guò)程，可以有效地縮短耙吸挖泥船工作人員的培訓(xùn)周期，提高培訓(xùn)的操作體驗(yàn)和培訓(xùn)效果。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的設(shè)備安裝位置示意圖；

圖2是本發(fā)明的航行操作臺(tái)布置圖；

圖3是本發(fā)明的疏浚操作臺(tái)(左)布置圖；

圖4是本發(fā)明的耙吸船操作臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；

圖5是本發(fā)明的信號(hào)流程圖；

圖6是本發(fā)明的SCADA系統(tǒng)菜單結(jié)構(gòu)；

圖7為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與融合機(jī)以及投影設(shè)備的連接關(guān)系圖。

數(shù)字標(biāo)記：環(huán)形投影幕1、投影機(jī)2、疏浚操作臺(tái)3、航行操作臺(tái)4、控制機(jī)柜5、DTPM計(jì)算機(jī)6、側(cè)推控制器7、舵輪8、推進(jìn)控制器9、耙頭控制區(qū)10、耙中控制區(qū)11、彎管控制區(qū)12、泥泵控制區(qū)13、高壓沖水控制區(qū)14、控制開關(guān)15、SCADA計(jì)算機(jī)16、電源指示17。

具體實(shí)施方式

耙吸船模擬仿真系統(tǒng)由航行操作臺(tái)、疏浚操作臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)單元、仿真驅(qū)動(dòng)單元、上位機(jī)系統(tǒng)單元組成，整體設(shè)置于仿真室內(nèi)。其中:航行操作臺(tái)、疏浚操作臺(tái)，模擬實(shí)際船舶航行設(shè)備和疏浚設(shè)備的操作環(huán)境，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，聯(lián)通各個(gè)計(jì)算機(jī)以及PLC之間的連接，并通過(guò)PLC對(duì)疏浚臺(tái)、航行臺(tái)上的手柄、按鈕、燈光等信號(hào)進(jìn)行采集。PLC采集的信號(hào)通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，仿真驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)采集的信號(hào)進(jìn)行模擬計(jì)算，并反饋計(jì)算的結(jié)果到所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。操作臺(tái)安裝了與實(shí)船功能一致的SCADA、DTPM系統(tǒng)(在本領(lǐng)域已屬于現(xiàn)有技術(shù))，SCADA、DTPM系統(tǒng)以及虛擬現(xiàn)實(shí)單元通過(guò)API接口與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。所述的計(jì)算機(jī)分別為虛擬現(xiàn)實(shí)顯示(VR)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)計(jì)算機(jī)、疏浚軌跡與剖面顯示(DTPM)計(jì)算機(jī)等。所述的手柄、按鈕、燈光，是指挖泥耙臂控制手柄，泥泵、高壓沖水泵速度控制手柄，耙臂吊架控制按鈕，疏浚設(shè)備啟停按鈕，疏浚設(shè)備狀態(tài)指示燈光等。所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)航行操作臺(tái)、疏浚操作臺(tái)實(shí)時(shí)控制信號(hào)和仿真驅(qū)動(dòng)單元反饋的狀態(tài)信號(hào)等。

一、硬件設(shè)備

如圖1所示硬件設(shè)備安裝位置，耙吸船模擬仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括：環(huán)形投影幕1、八臺(tái)投影機(jī)2、疏浚操作臺(tái)3、航行操作臺(tái)4、控制機(jī)柜5。其中，

疏浚操作臺(tái)3、航行操作臺(tái)4放置在房間的中間位置。

環(huán)形投影幕1和八臺(tái)高清投影機(jī)2，組成一個(gè)無(wú)縫連續(xù)的畫面，為耙吸船虛擬現(xiàn)實(shí)提供展示載體。環(huán)幕外放置19寸控制機(jī)柜5，用于放置虛擬現(xiàn)實(shí)顯示(VR)計(jì)算機(jī)、融合機(jī)、交換機(jī)、音響控制設(shè)備等。

如圖2所示的航行操作臺(tái)4布置，包括：疏浚軌跡與剖面顯示(DTPM)計(jì)算機(jī)6、側(cè)推控制器7、舵輪8、推進(jìn)控制器9。所述疏浚軌跡與剖面顯示(DTPM)計(jì)算機(jī)6，用于運(yùn)行疏浚軌跡與剖面顯示系統(tǒng)，顯示當(dāng)前船舶航行、施工狀態(tài)，連接于網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。所述側(cè)推控制器7，用于控制船艏側(cè)推器，連接于PLC。所述舵輪8，用于控制船舵的轉(zhuǎn)向，連接于PLC。所述推進(jìn)控制器9，用于控制船體的航行速度，連接于PLC。

疏浚操作臺(tái)包括左右兩個(gè)操作臺(tái)，臺(tái)面布置為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。以左臺(tái)為例，臺(tái)面的布置如圖3所示。包括耙頭控制區(qū)10、耙中控制區(qū)11、彎管控制區(qū)12、泥泵控制區(qū)13、高壓沖水控制區(qū)14、控制開關(guān)15、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)計(jì)算機(jī)16、電源指示17等。所述耙頭控制區(qū)10，用于控制耙臂耙頭部分的姿態(tài)，包括耙頭絞車控制手柄、耙頭吊架控制按鈕等，連接于PLC。所述耙中控制區(qū)11，用于控制耙臂中部的姿態(tài)，包括耙中絞車控制手柄、耙中吊架控制按鈕等，連接于PLC。所述彎管控制區(qū)12，用于控制耙臂彎管部分的姿態(tài)，包括彎管絞車控制手柄、彎管吊架控制按鈕等，連接于PLC。所述泥泵控制區(qū)13，用于控制泥泵的啟停和轉(zhuǎn)速等，連接于PLC。所述高壓沖水控制區(qū)14，用于控制高壓沖水泵的啟停和轉(zhuǎn)速等，連接于PLC。所述控制開關(guān)15，用于選擇疏浚設(shè)備的功能和權(quán)限，連接于PLC。所述數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)計(jì)算機(jī)16，用于運(yùn)行疏浚數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，連接于網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。所述電源指示17，用于顯示疏浚操作臺(tái)的供電情況，包括交流220V和直流24V，連接于PLC。

航行操作臺(tái)和疏浚操作臺(tái)之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示，包括PLC、計(jì)算機(jī)、各種按鈕、顯示燈、儀表、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。PLC采集控制開關(guān)的數(shù)字量信號(hào)以及電位計(jì)輸出模擬量信號(hào)，同時(shí)通過(guò)仿真驅(qū)動(dòng)單元反饋的相應(yīng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈和儀表顯示。

二、上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于自主研發(fā)的iDredging平臺(tái)，在對(duì)耙吸挖泥船施工工藝的理解上開發(fā)完成，模擬實(shí)船人機(jī)界面。其系統(tǒng)功能為：

1.數(shù)據(jù)顯示與控制：顯示疏浚系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、顯示操作數(shù)據(jù)、顯示報(bào)警數(shù)據(jù)、模擬疏浚系統(tǒng)的軟件界面。

2.與PLC通信：使用OPC驅(qū)動(dòng)與PLC通信。

3.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC、SCADA系統(tǒng)、仿真驅(qū)動(dòng)以及其他外圍程序的數(shù)據(jù)共享與交換。

4.歷史數(shù)據(jù)采集與回放：使用SQL Server Express數(shù)據(jù)庫(kù)保存歷史數(shù)據(jù)，使用API或者OPC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

5.編程開發(fā)：基于VS2013環(huán)境下的C#開發(fā)。

6.信號(hào)流程如圖5所示。

7.數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)軟件的功能頁(yè)面菜單如圖6所示。

三、仿真驅(qū)動(dòng)單元

當(dāng)操縱航行操作臺(tái)和疏浚操作臺(tái)的手柄和按鈕時(shí)，PLC將采集控制開關(guān)的數(shù)字量信號(hào)以及電位計(jì)輸出的模擬量信號(hào)，并同時(shí)存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。仿真驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)變化，模擬產(chǎn)生相應(yīng)的疏浚動(dòng)態(tài)信號(hào)。仿真驅(qū)動(dòng)單元由兩張表即“仿真設(shè)備描述表”和“動(dòng)作因素關(guān)系表”建立起仿真模型，并由仿真驅(qū)動(dòng)程序予以實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于“仿真設(shè)備描述表”，主要是描述仿真系統(tǒng)中不能提供的硬件設(shè)備及施工工況等系統(tǒng)輸入?yún)?shù)信息在不同狀態(tài)時(shí)，各狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的條件動(dòng)作，各狀態(tài)與時(shí)間等其他因素函數(shù)關(guān)系；

對(duì)于“動(dòng)作因素關(guān)系表”，主要以虛擬現(xiàn)實(shí)中的船舶動(dòng)作為目標(biāo)，描述各個(gè)動(dòng)作與控制臺(tái)硬件輸入和仿真設(shè)備之間的關(guān)系函數(shù)。

對(duì)于“仿真設(shè)備描述表”和“動(dòng)作因素關(guān)系表”建立的仿真模型，采用獨(dú)立的程序構(gòu)成仿真驅(qū)動(dòng)程序。該程序以參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)、和內(nèi)部函數(shù)組成。仿真驅(qū)動(dòng)程序中寫控制規(guī)則和數(shù)學(xué)模型函數(shù)，并在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中完成數(shù)據(jù)交換。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)單元

虛擬現(xiàn)實(shí)單元以兼容性及可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)原則為依據(jù)搭建模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)的系統(tǒng)平臺(tái)，軟硬件接口開放。按典型真實(shí)環(huán)境及設(shè)備設(shè)施1:1還原，清晰呈現(xiàn)耙吸船工作環(huán)境及相關(guān)要素。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的工控機(jī)、顯示適配器、融合機(jī)、投影設(shè)備的連接關(guān)系如圖7所示(為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域中的常規(guī)技術(shù))。

具體實(shí)施方式中，可視化三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用OpenSceneGraph(簡(jiǎn)稱OSG)作為開發(fā)工具，采用OSG開發(fā)可以保證可視化三維仿真平臺(tái)接口高度靈活、可擴(kuò)展性高、可以提供源碼級(jí)開發(fā)代碼。平臺(tái)UI界面實(shí)現(xiàn)采用QT和HUD相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。平臺(tái)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)部分采用MySql或SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)采集數(shù)據(jù)、歷史回放數(shù)據(jù)的管理。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能分兩大部分，編輯器與渲染展示，編輯器又分場(chǎng)景編輯和功能編輯兩部分(為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域中的常規(guī)技術(shù))。