CN101739858A - 多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器。本发明属于疏浚工程技术领域，包括模拟操作台、数据服务器和视景系统；模拟操作台为绞吸式挖泥船物理仿真平台；数据服务器采集存储处理挖泥船、施工工况和施工环境的仿真计算模拟数据和物理仿真平台动作信号数据；视景系统由多通道环幕投影系统和图像处理系统组成；图像处理系统从服务器中接收画面动作的信号数据，并处理成相应的画面和动作；多通道环幕投影系统为工程投影仪和环幕组成的柱面投影系统，连接图像处理系统，将图像处理系统分割好的画面投影到柱面投影幕上。本发明可进行施工过程完整模拟，等同真实感受和体验，进行仿真优化，具有训练模拟可重复、安全、经济、高效率等优点。

Description

多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器

技术领域

本发明属于疏浚工程技术领域，特别是涉及一种多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器。

背景技术

目前，疏浚模拟器大多采用单个投影仪或背投显示器作为视景显示单元，由于尺寸和位置的限制，此种视景显示方式逼真度不高，现场感不强，仅仅起到显示虚拟施工场景和施工船舶的作用。少部分疏浚模拟器开始采用多个背投组成大屏幕视景显示系统，一定程度上增强了场景的显示逼真程度，但由于背投显示方式很难做到柱幕环绕投影，并且背投显示器之间拼缝较大，无法给学员提供足够的现场沉浸感和施工的真实感。

目前的疏浚模拟器通常只能针对一条船舶进行模拟，不能够进行多种船型的模拟培训，模拟器功能多停留在操作逻辑关系培训的层面上，不能根据培训需要，设置不同的环境和工况去提供给学员进行培训。此外，目前的模拟器通常还没有施工工艺优化和模拟施工的功能。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器。

本发明的目的是提供一种施工过程完整模拟，等同真实感受和体验，进行仿真优化，具有训练模拟可重复、安全、经济、高效率等特点的多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器。

本发明多通道柱形环幕投影系统包括多通道环幕投影系统和图像处理系统，其多通道环幕投影系统为四通道，160度的柱面投影系统，由4台高亮度专业工程投影仪和环幕组成。图像处理系统由四台配置高性能图形加速卡的图形绘制计算机和一台图像控制计算机组成。对疏浚船舶按其实际尺寸建立了真实感强烈的三维立体模型，并与周围环境如水域、天空等融为一体。四台图形绘制计算机将三维视景模型切割为四个画面分别进行绘制，通过图像控制端计算机对投射在环幕上的四个分画面进行几何校正、边缘融合，最后产生大视场角的视景，具有强烈的沉浸感。

用一台高性能服务器作为数据采集存储系统，其主要作用为采集驾驶台操作的系统数据，提供监控计算机，图像控制计算机和驾驶台的数据支持和信息输出。该服务器同时作为教练员工作站，由经验丰富的指导员操控，设置多种仿真施工船舶和施工场景，提供给学员多种环境和工况下的培训。

建立船舶设备机具如绞刀、水下泵(机)、1#泥泵(机)、2#泥泵(机)、横移绞车、桥架绞车、起锚绞车、台车、钢桩、夹具、锚等的工作性能模型库，由数据服务器对驾驶员的施工操作进行仿真计算，并将模拟结果进行输出，显示和记录。由于操作施工工艺和施工指导理念的不同，不同的人利用模拟器在同一模拟工况下操作，便会得到不同的施工结果，从而达到优化施工工艺的目的。

对于给定的真实疏浚工程，建立其环境、土质和地形等参数的数据库，并选择不同的船舶，采取不同的工艺方案进行施工模拟。通过对施工数据的分析和施工结果的汇总，可以进行施工产量，成本和工期的估算，也可以对不同船舶的施工效率进行比较，从而辅助模拟器使用者在工程投标前合理配备施工船舶，设计工程施工方案，估算工程费用和施工周期，为工程竞标提供有力的技术依据。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器，其特点是：模拟器包括模拟操作台、数据服务器和视景系统；模拟操作台为绞吸式挖泥船物理仿真平台；数据服务器采集存储处理挖泥船、施工工况和施工环境的仿真计算模拟数据和物理仿真平台动作信号数据；视景系统由多通道环幕投影系统和图像处理系统组成；图像处理系统从服务器中接收画面动作的信号数据，并处理成相应的画面和动作；多通道环幕投影系统为工程投影仪和环幕组成的3-8通道、100-200度的柱面投影系统，多通道环幕投影系统连接图像处理系统，将图像处理系统分割好的画面分别通过工程投影机精确投影到柱面投影幕上，产生视场连续、无缝、亮度与颜色一致的图像。

本发明还可以采用如下技术方案：

所述的多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器，其特点是：多通道环幕投影系统为4-6通道、120-180度的柱面投影系统，由4-6台工程投影仪和环幕组成，用于将图像处理系统分割好的画面投影到柱面投影幕上。

所述的多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器，其特点是：图像处理系统由4-6台图形绘制计算机和1台图像控制计算机组成，从数据服务器接收画面动作的信号，由图形绘制端计算机绘制相应的画面和动作；图像控制端计算机对投射在环幕上的分画面进行几何校正、边缘融合。

所述的多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器，其特点是：数据服务器的仿真计算模拟数据有绞吸式挖泥船的船体及设备部件真实尺寸一致的三维立体模型，船舶设备部件性能的模型和真实疏浚施工环境、地形及土质的数据。

所述的多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器，其特点是：船舶设备部件为绞刀、水下泵、泥泵、横移绞车、桥架绞车、起锚绞车、台车、钢桩、夹具、锚。

所述的多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器，其特点是：数据服务器对物理仿真平台的施工操作进行仿真计算，并将模拟结果进行输出，显示和记录。

本发明具有的优点和积极效果是：

多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，具有以下特点：

1)本发明采用的多通道环幕投影视景系统，比普通的单个投影机或背投系统具备更大的显示尺寸，更宽的视野以及更多的显示内容，可以将不同的疏浚船只和疏浚背景逼真的展现在操作人员面前。学员的视野感觉同真实的绞吸式挖泥船驾驶舱基本一致，从视觉上有效再现了疏浚施工的现场环境，学员利用疏浚模拟器进行操作培训时犹如驾驶一条真实的挖泥船在虚拟的疏浚工程环境中进行施工，给学员带来更具冲击力和沉浸感的视觉效果。

2)本发明的疏浚模拟器可以进行驾驶台各操控器件的逻辑操作培训，也可以通过设置不同的报警条件，船舶故障，意外突发事件等进行安全操作培训，还可以通过模拟白天、夜晚、雨、雪等多种天气状况对学员进行全天候的安全操作培训。此外，模拟器可以模拟多种疏浚船舶的施工过程，从而在短期内开展各种环境条件下多种船型的全面培训，大大缩短培训周期，提高培训质量。

3)本发明的疏浚模拟器可以用于疏浚施工工艺的优化。技术人员可以在模拟工况下制定不同的工艺方案进行仿真操作，比较各工艺方案对产量，能耗等的影响，综合进行比较，从而制定出最优的施工工艺方案。相比真船试挖所进行的工艺试验，此种优化方法可以大大降低人力，物力成本，缩短实验周期，同时取得与真船工艺试验基本一致的优化结果。

4)本发明的疏浚模拟器可以用于进行疏浚施工模拟。通过建立真实疏浚工程环境、土质、地形等参数的数据库，疏浚模拟器可以进行不同施工现场的模拟。模拟器使用者可以在工程投标前通过模拟施工，进行船舶配备模拟，工程施工预演，设计工程施工方案，估算工程费用，为工程竞标提供有力的技术依据。

附图说明

图1是本发明的总体组成结构示意图；

图2是本发明的网络结构示意框图；

图3是本发明的视景系统安装布局示意图；

图4是图3的俯视结构示意图；

图5是本发明的施工工艺优化模块流程示意图；

图6是本发明的施工模拟模块流程示意图。

图中，1-视景系统，2-以太网交换机，3-服务器，4-学员工作站，5-现地监控客户机，6-投影仪。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的技术内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并结合附图详细说明如下：

参阅附图1、图2、图3、图4、图5和图6。

实施例1

多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器，包括模拟操作台、数据服务器和视景系统；模拟操作台为绞吸式挖泥船物理仿真平台；数据服务器采集存储处理挖泥船、施工工况和施工环境的仿真计算模拟数据和物理仿真平台动作信号数据；视景系统由多通道环幕投影系统和图像处理系统组成；多通道环幕投影系统为4台专业工程投影仪和环幕组成的4通道、160度的柱面投影系统。图像处理系统由4台图形绘制计算机和1台图像控制计算机组成，从数据服务器接收画面动作的信号，由图形绘制端计算机绘制相应的画面和动作；图像控制端计算机对投射在环幕上的分画面进行几何校正、边缘融合。多通道环幕投影系统连接图像处理系统，将图像处理系统分割好的画面分别通过工程投影机精确投影到柱面投影幕上，产生视场连续、无缝、亮度与颜色一致的图像。

数据服务器的仿真计算模拟数据有绞吸式挖泥船的船体及设备部件真实尺寸一致的三维立体模型，船舶设备部件绞刀、水下泵、泥泵、横移绞车、桥架绞车、起锚绞车、台车、钢桩、夹具、锚等性能的模型和真实疏浚施工环境、地形及土质的数据。数据服务器对物理仿真平台的施工操作进行仿真计算，并将模拟结果进行输出，显示和记录。

本实施例的具体实施描述如下：

参阅图1，多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器按照功能可划分为视景系统1，以太网交换机2，教练员数据服务器3和学员工作站4。

视景系统1采用了高性能计算机集群，高亮度的工程投影仪和多通道环幕融边投影技术，将整个船体及各主要设备机具的三维立体模型配合具体的施工环境以大视场角视景的形式投射出来，给人以较好的沉浸感，学员有如驾驶一条真实的挖泥船在虚拟的疏浚工程环境中进行施工。

教练员机数据服务器3为教练员提供管理和监控整个疏浚模拟器的人机交互界面。教练员机能够干预学员工作站，可由经验丰富的指导员操控，设置各种培训课程、各种仿真状态，在操作结束后显示历史数据，为教练员提供培训效果分析依据，对每位学员的操作进行综合的评价。此外还可以生成施工结果的分析图表，用于事后评估工艺优化及模拟施工效果的好坏。

教练员机同时作为服务器是整个系统数据处理的核心，疏浚模拟器对真实疏浚工程所建立了环境、地形和泥质数据库，以及描述绞吸式挖泥船各主要设备部件性能的数学模型。利用这些数据库和模型，一方面可以营造出与真实疏浚施工环境、土质和地形相仿的虚拟现场，另一方面可以将挖泥船船体和各主要设备机具的性能表现描述出来。

此外，服务器还可以接收学员工作站4的操作输入情况，由内部的数学模型计算得到相应的输出，此输出量一路反馈给驾驶台驱动指示灯，仪表等发生相应的变化，另一路反馈给监控系统计算机使其显示的各种工况参数、设备运行状态等发生变化，还有一路反馈给视景系统1中的图像处理计算机，由其发送绘制命令给图像绘制计算机，实时绘制场景的变化。输出反馈的三路数据在整个系统中的传送均通过以太网交换机2分配传输，最大程度保证了数据的及时性和准确性。

学员工作站4由仿真监控系统和驾驶台(现场发令采集及仪表显示系统)组成，采用可编程控制器作为现场信号采集系统对学员操作情况进行采集，将其转化为数字量送给数据服务器3。学员和技术人员通过视景系统1提供的视觉信息和工作站各种仪表及监控画面提供的施工信息和数据，操纵横移绞车、桥架绞车、绞刀、泥泵等设备，达到教学培训，优化施工工艺以及模拟施工等目的。

参阅图2，疏浚模拟器为一个二级网络，其中数据服务器3、视景系统1、现场监控客户机5和控制器主站组成第一级网络。数据服务器为主控计算机，通过网络交换机2与网络中各计算机交换传递数据，控制器主站通过以太网模块连入网络，网络各计算机之间的通信遵循TCP/IP协议。驾驶台学员工作站4(现场发令采集及仪表显示系统)内部的一个控制器主站和三个从站之间组成第二级网络，控制器主站和从站之间以及各个从站之间通过RS485串口相连接，通信时遵循西门子点对点通信的PPI协议。学员进行操作时，从站和主站一起通过数字量及模拟量传输通道对学员的操作情况进行采集，二级网络内部的数据变化最终都通过串口和网络读写指令映射到PLC主站内部的地址中，并通过以太网模块连入上一级网络，供服务器接收处理。

参阅图3和图4，本发明所涉及的多通道环幕视景系统由多通道环幕投影系统和图像处理系统组成。多通道环幕投影系统为四通道，160度的柱面投影系统，由4台高亮度专业工程投影仪和环幕组成。投影仪将图形处理系统分割好的4个画面精确投影到柱面投影幕上，利用软件融边技术产生一个高分辨率、视场连续、无缝、亮度与颜色一致的图像。其中环形柱幕采用160度漫反射环形硬幕，幕表面喷涂专业屏幕漆，不会出现光线强度随观察角度不同而变化的情况，非常适合仿真系统环境。4台高亮度工程投影仪6布置在直径为3m的圆上，布置的原则为光路的下端不被学员工作站4遮挡，同时能够布满2m宽的环幕为准。投影仪由一体化的投影吊架固定在屋顶天花上，并且可以进行6自由度调整，便于进行融边的调节处理。

图像处理系统由四台高显示性能的图形绘制计算机和一台图像控制计算机组成，五台计算机均放置在标准机柜1中。根据真实尺寸所建立的绞吸式挖泥船船体、设备、机具和周围环境的三维立体模型均存储在图形计算机中，并由其负责对投影图像进行分割计算和融边绘制，图像控制计算机主要负责从驾驶台接受画面动作的信号，然后指挥绘制端绘制相应的画面和动作。

参阅图5，本发明的施工工艺优化功能是通过对技术人员在模拟工况下利用不同施工工艺的仿真操作结果进行比较评判来实现的。具体来说，可以分为以下几个步骤：

1)首先将模拟工况调入到模拟器的服务器中，在此工况条件下，由技术人员根据不同的施工指导思想，如产量最大，单方油耗最少等，采取不同的施工工艺利用学员工作站进行仿真操作，并利用可编程逻辑控制器对操作的数据进行采集，传送至数据服务器中。

2)数据服务器利用存储在内部的船舶设备机具数学模型对采集的数据进行计算，计算的结果一方面存储在服务器中作为仿真操作结束后进行结果分析处理的原始数据，另一方面分三路分别输出至视景系统，驾驶台仪表显示系统和监控画面，进行施工数据的实时显示，学员可以根据场景显示画面，施工监控画面和各种仿真参数仪表的变化实时调整操作工艺。

3)技术人员仿真操作结束后，模拟器的评价系统根据记录的施工过程中各主要参数的变化情况，进行列表显示，同时绘制相应的参数变化曲线，将施工结果清晰全面的展现出来。

4)专家依据产量、能耗等参数指标，对施工参数曲线进行分析评判，如果没有达到所需的指标要求，需要改变施工工艺再进行一次模拟操作。如果已达到指标要求，可以根据曲线的变化，提出更好的工艺改进意见，同时根据所记录的施工操作步骤，制定出最终的优化施工工艺。

参阅图6，本发明的施工模拟功能主要针对真实的疏浚工程，采用不同的船舶和施工工艺进行施工模拟，利用模拟施工的结果为船舶配备、工程预算、前期投标和施工预演等提供参考。具体来说，可以分为以下几个步骤：

1)首先根据工程资料进行前期整理，在模拟器中输入描述真实疏浚工程的相关参数，包括土质情况、地形分布、边界条件、潮位变化、吹填区域等，营造出与真实施工工地相一致的施工环境。

2)根据具体工程情况，模拟器使用者选择几条不同的船舶，然后利用模拟器采取不同的工艺方案进行模拟施工。

3)模拟施工一段时间后，对施工工艺的关键参数如产量、耗时、耗油、效率等的变化进行分析，从而得出整个工程的施工结果，并将采取多种工艺方案试挖的结果进行汇总，供专家分析评判。

4)专家根据汇总的试挖结果，对该工程的产量、成本、工期等重要参数进行估算，并对各船舶的施工情况进行比较，为工程竞标提供技术依据。

Claims (6)

1.多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器，其特征是：模拟器包括模拟操作台、数据服务器和视景系统；模拟操作台为绞吸式挖泥船物理仿真平台；数据服务器采集存储处理挖泥船、施工工况和施工环境的仿真计算模拟数据和物理仿真平台动作信号数据；视景系统由多通道环幕投影系统和图像处理系统组成；图像处理系统从服务器中接收画面动作的信号数据，并处理成相应的画面和动作；多通道环幕投影系统为工程投影仪和环幕组成的3-8通道、100-200度的柱面投影系统，多通道环幕投影系统连接图像处理系统，将图像处理系统分割好的画面分别通过工程投影机精确投影到柱面投影幕上，产生视场连续、无缝、亮度与颜色一致的图像。

2.按照权利要求1所述的多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器，其特征是：多通道环幕投影系统为4-6通道、120-180度的柱面投影系统，由4-6台工程投影仪和环幕组成，用于将图像处理系统分割好的画面投影到柱面投影幕上。

3.按照权利要求2所述的多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器，其特征是：图像处理系统由4-6台图形绘制计算机和1台图像控制计算机组成，从数据服务器接收画面动作的信号，由图形绘制端计算机绘制相应的画面和动作；图像控制端计算机对投射在环幕上的分画面进行几何校正、边缘融合。

4.按照权利要求1、2或3所述的多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器，其特征是：数据服务器的仿真计算模拟数据有绞吸式挖泥船的船体及设备部件真实尺寸一致的三维立体模型，船舶设备部件性能的模型和真实疏浚施工环境、地形及土质的数据。

5.按照权利要求4所述的多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器，其特征是：船舶设备部件为绞刀、水下泵、泥泵、横移绞车、桥架绞车、起锚绞车、台车、钢桩、夹具、锚。

6.按照权利要求4所述的多通道环形柱幕绞吸式挖泥船疏浚模拟器，其特征是：数据服务器对物理仿真平台的施工操作进行仿真计算，并将模拟结果进行输出，显示和记录。

Images