CN106898180B - 耙吸船模拟仿真系统 - Google Patents

Abstract

耙吸船模拟仿真系统由疏浚操作台、航行操作台、虚拟现实单元、仿真驱动单元组成。其中，疏浚操作台提供左右疏浚控制台柜，模拟实际设备操作环境；航行操作台模拟实际航行操作环境。疏浚操作台、航行操作台通过网络设备，连接各个工控计算机和PLC，并通过PLC对各种按钮、指示灯等信号进行采集。PLC采集的信号通过TCP/IP网络传输到系统的实时数据库中，仿真驱动单元根据采集的信号进行模拟计算，并反馈计算的结果到实时数据库。SCADA系统、DTPM系统以及虚拟现实单元通过API接口与实时数据库进行数据交互。虚拟现实单元采用8路融合的图像信号，组成一个无缝、连续的画面，为耙吸船虚拟现实提供展示载体。能够实现对耙吸船的施工环境、操作环境与施工过程的仿真。

Description

耙吸船模拟仿真系统

技术领域

本发明涉及一种仿真系统，特别是涉及一种对耙吸挖泥船的工况和操作进行仿真的系统。

背景技术

耙吸挖泥船是疏浚工业中应用较为广泛的一种船舶，分析研究耙吸挖泥船的疏浚机理，掌握和运用现代疏浚理论和技术进行疏浚施工，充分发挥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课题。鉴于疏浚行业的特殊性，既懂疏浚理论又擅长疏浚操作的高级船员需要较长时间的培养，在一定程度上影响了耙吸挖泥船的高效使用。通过对耙吸船模拟仿真系统的研发和建设，可以逐步建立相关的数学模型，移植施工船舶的宝贵经验，为疏浚工艺研究、疏浚数据分析、疏浚机具改进、疏浚经验交流提供平台和技术手段。耙吸船模拟仿真系统为耙吸船疏浚施工人员提供高仿真度的培训平台，以较低的培训成本迅速提高疏浚作业人员的疏浚技能。帮助研究如何提高疏浚效率，降低疏浚成本，从而引领市场发展、保持竞争优势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够真实再现耙吸挖泥船的施工环境和施工过程的仿真系统，为培训人员提供最佳的疏浚操作体验，提高培训的效果。

为解决上述技术问题，本发明的耙吸船模拟仿真系统，其特征在于，包括航行操作台、疏浚操作台、虚拟现实单元、仿真驱动单元；

一航行操作台，用于航行过程的仿真控制；航行操作台模拟实际航行操作环境。

一疏浚操作台，用于疏浚过程的仿真控制；疏浚操作台提供左右疏浚控制台柜，模拟实际设备操作环境。

一虚拟现实单元，用于耙吸船仿真工况和设备的画面呈现；虚拟现实单元采用八路融合的图像信号，组成无缝连续的画面，为耙吸船虚拟现实提供展示载体。

一仿真驱动单元，用于建立船舶设备的动作、控制流程及其对环境响应关系的数学模型，并根据操作台传来的信号仿真出相应的数据信号。

以上疏浚操作台、航行操作台通过网络设备，连接各个工控计算机和PLC，并通过PLC对航行操作台、疏浚操作台中的各种按钮、指示灯等信号进行采集。PLC采集的信号通过TCP/IP网络传输到系统的实时数据库中，仿真驱动单元根据采集的信号进行模拟计算，并反馈计算的结果到实时数据库。SCADA系统、DTPM系统以及虚拟现实单元通过API接口与实时数据库进行数据交互。

基于上述耙吸船模拟仿真系统，能够实现对耙吸船的施工环境、操作环境与施工过程的仿真，可提高培训的操作体验和培训效果。

本发明的耙吸船模拟仿真系统，以现有真实的耙吸挖泥船为蓝本，完整的描述了耙吸挖泥船中主要受控的船舶设备的动作，同时，也描述了每个受控船舶设备动作的影响因素。真实再现了耙吸挖泥船的施工过程，可以有效地缩短耙吸挖泥船工作人员的培训周期，提高培训的操作体验和培训效果。

附图说明

图1是本发明的设备安装位置示意图；

图2是本发明的航行操作台布置图；

图3是本发明的疏浚操作台(左)布置图；

图4是本发明的耙吸船操作台网络拓扑图；

图5是本发明的信号流程图；

图6是本发明的SCADA系统菜单结构；

图7为虚拟现实系统与融合机以及投影设备的连接关系图。

数字标记：环形投影幕1、投影机2、疏浚操作台3、航行操作台4、控制机柜5、DTPM计算机6、侧推控制器7、舵轮8、推进控制器9、耙头控制区10、耙中控制区11、弯管控制区12、泥泵控制区13、高压冲水控制区14、控制开关15、SCADA计算机16、电源指示17。

具体实施方式

耙吸船模拟仿真系统由航行操作台、疏浚操作台、虚拟现实单元、仿真驱动单元、上位机系统单元组成，整体设置于仿真室内。其中:航行操作台、疏浚操作台，模拟实际船舶航行设备和疏浚设备的操作环境，通过网络设备，联通各个计算机以及PLC之间的连接，并通过PLC对疏浚台、航行台上的手柄、按钮、灯光等信号进行采集。PLC采集的信号通过TCP/IP网络传输到上位机系统的实时数据库中，仿真驱动单元根据采集的信号进行模拟计算，并反馈计算的结果到所述实时数据库。操作台安装了与实船功能一致的SCADA、DTPM系统(在本领域已属于现有技术)，SCADA、DTPM系统以及虚拟现实单元通过API接口与实时数据库进行数据交互。所述的计算机分别为虚拟现实显示(VR)计算机、数据采集与监视控制(SCADA)计算机、疏浚轨迹与剖面显示(DTPM)计算机等。所述的手柄、按钮、灯光，是指挖泥耙臂控制手柄，泥泵、高压冲水泵速度控制手柄，耙臂吊架控制按钮，疏浚设备启停按钮，疏浚设备状态指示灯光等。所述实时数据库，用于存储航行操作台、疏浚操作台实时控制信号和仿真驱动单元反馈的状态信号等。

一、硬件设备

如图1所示硬件设备安装位置，耙吸船模拟仿真系统的硬件设备包括：环形投影幕1、八台投影机2、疏浚操作台3、航行操作台4、控制机柜5。其中，

疏浚操作台3、航行操作台4放置在房间的中间位置。

环形投影幕1和八台高清投影机2，组成一个无缝连续的画面，为耙吸船虚拟现实提供展示载体。环幕外放置19寸控制机柜5，用于放置虚拟现实显示(VR)计算机、融合机、交换机、音响控制设备等。

如图2所示的航行操作台4布置，包括：疏浚轨迹与剖面显示(DTPM)计算机6、侧推控制器7、舵轮8、推进控制器9。所述疏浚轨迹与剖面显示(DTPM)计算机6，用于运行疏浚轨迹与剖面显示系统，显示当前船舶航行、施工状态，连接于网络交换机。所述侧推控制器7，用于控制船艏侧推器，连接于PLC。所述舵轮8，用于控制船舵的转向，连接于PLC。所述推进控制器9，用于控制船体的航行速度，连接于PLC。

疏浚操作台包括左右两个操作台，台面布置为对称结构。以左台为例，台面的布置如图3所示。包括耙头控制区10、耙中控制区11、弯管控制区12、泥泵控制区13、高压冲水控制区14、控制开关15、数据采集与监视控制(SCADA)计算机16、电源指示17等。所述耙头控制区10，用于控制耙臂耙头部分的姿态，包括耙头绞车控制手柄、耙头吊架控制按钮等，连接于PLC。所述耙中控制区11，用于控制耙臂中部的姿态，包括耙中绞车控制手柄、耙中吊架控制按钮等，连接于PLC。所述弯管控制区12，用于控制耙臂弯管部分的姿态，包括弯管绞车控制手柄、弯管吊架控制按钮等，连接于PLC。所述泥泵控制区13，用于控制泥泵的启停和转速等，连接于PLC。所述高压冲水控制区14，用于控制高压冲水泵的启停和转速等，连接于PLC。所述控制开关15，用于选择疏浚设备的功能和权限，连接于PLC。所述数据采集与监视控制(SCADA)计算机16，用于运行疏浚数据采集与监视控制系统，连接于网络交换机。所述电源指示17，用于显示疏浚操作台的供电情况，包括交流220V和直流24V，连接于PLC。

航行操作台和疏浚操作台之间的网络拓扑图如图4所示，包括PLC、计算机、各种按钮、显示灯、仪表、计算机网络等。PLC采集控制开关的数字量信号以及电位计输出模拟量信号，同时通过仿真驱动单元反馈的相应信号，用于驱动信号灯和仪表显示。

二、上位机系统

上位机系统软件设计基于自主研发的iDredging平台，在对耙吸挖泥船施工工艺的理解上开发完成，模拟实船人机界面。其系统功能为：

1.数据显示与控制：显示疏浚系统的数据、显示操作数据、显示报警数据、模拟疏浚系统的软件界面。

2.与PLC通信：使用OPC驱动与PLC通信。

3.实时数据库：实时数据库被用来实现PLC、SCADA系统、仿真驱动以及其他外围程序的数据共享与交换。

4.历史数据采集与回放：使用SQL Server Express数据库保存历史数据，使用API或者OPC进行数据交换。

5.编程开发：基于VS2013环境下的C#开发。

6.信号流程如图5所示。

7.数据采集与监视控制(SCADA)软件的功能页面菜单如图6所示。

三、仿真驱动单元

当操纵航行操作台和疏浚操作台的手柄和按钮时，PLC将采集控制开关的数字量信号以及电位计输出的模拟量信号，并同时存储到实时数据库中。仿真驱动单元根据实时数据库中的数据变化，模拟产生相应的疏浚动态信号。仿真驱动单元由两张表即“仿真设备描述表”和“动作因素关系表”建立起仿真模型，并由仿真驱动程序予以实现。

对于“仿真设备描述表”，主要是描述仿真系统中不能提供的硬件设备及施工工况等系统输入参数信息在不同状态时，各状态转换时的条件动作，各状态与时间等其他因素函数关系；

对于“动作因素关系表”，主要以虚拟现实中的船舶动作为目标，描述各个动作与控制台硬件输入和仿真设备之间的关系函数。

对于“仿真设备描述表”和“动作因素关系表”建立的仿真模型，采用独立的程序构成仿真驱动程序。该程序以参数设置、状态转换开关、和内部函数组成。仿真驱动程序中写控制规则和数学模型函数，并在实时数据库中完成数据交换。

四、虚拟现实单元

虚拟现实单元以兼容性及可扩展性设计原则为依据搭建模块化、标准化架构的系统平台，软硬件接口开放。按典型真实环境及设备设施1:1还原，清晰呈现耙吸船工作环境及相关要素。虚拟现实系统中的工控机、显示适配器、融合机、投影设备的连接关系如图7所示(为虚拟现实技术领域中的常规技术)。

具体实施方式中，可视化三维虚拟现实系统采用OpenSceneGraph(简称OSG)作为开发工具，采用OSG开发可以保证可视化三维仿真平台接口高度灵活、可扩展性高、可以提供源码级开发代码。平台UI界面实现采用QT和HUD相结合的方式进行设计开发。平台与业务数据关联部分采用MySql或SQLServer数据库，实现业务采集数据、历史回放数据的管理。

虚拟现实系统的功能分两大部分，编辑器与渲染展示，编辑器又分场景编辑和功能编辑两部分(为虚拟现实技术领域中的常规技术)。

Claims (1)

1.一种耙吸船模拟仿真系统，其特征在于，包括航行操作台、疏浚操作台、虚拟现实单元、仿真驱动单元和上位机系统单元；

一航行操作台，用于航行过程的仿真控制；航行操作台模拟实际航行操作环境；

一疏浚操作台，用于疏浚过程的仿真控制；疏浚操作台提供左右疏浚控制台柜，模拟实际设备操作环境；

一虚拟现实单元，用于耙吸船仿真工况和设备的画面呈现；虚拟现实单元采用八路融合的图像信号，组成无缝连续的画面，为耙吸船虚拟现实提供展示载体；

一仿真驱动单元，用于建立船舶设备的动作、控制流程及其对环境响应关系的数学模型，并根据操作台传来的信号仿真出相应的数据信号；

以上疏浚操作台、航行操作台通过网络设备，连接各个工控计算机和PLC，并通过PLC对航行操作台、疏浚操作台中的各种手柄、按钮、指示灯信号进行采集；PLC采集的信号通过TCP/IP网络传输到上位机系统单元的实时数据库中，仿真驱动单元根据采集的信号进行模拟计算，并反馈计算的结果到实时数据库；疏浚操作台中的数据采集与监视控制计算机、航行操作台中的疏浚轨迹与剖面显示计算机以及虚拟现实单元通过API接口与实时数据库进行数据交互；

当操纵航行操作台和疏浚操作台的手柄和按钮时，PLC将采集控制开关的数字量信号以及电位计输出的模拟量信号，并同时存储到实时数据库中；仿真驱动单元根据实时数据库中的数据变化，模拟产生相应的疏浚动态信号；仿真驱动单元由两张表即“仿真设备描述表”和“动作因素关系表”建立起仿真模型，并由仿真驱动程序予以实现；

对于“仿真设备描述表”，是描述仿真系统中未能提供的硬件设备及施工工况的输入参数信息在不同状态时，各状态转换时的条件动作以及各状态与时间的因素函数关系；

对于“动作因素关系表”，以虚拟现实中的船舶动作为目标，描述各个动作与控制台硬件输入和仿真设备之间的关系函数；

对于“仿真设备描述表”和“动作因素关系表”建立的仿真模型，采用独立的程序构成仿真驱动程序；该程序以参数设置、状态转换开关和内部函数组成，仿真驱动程序中写控制规则和数学模型函数，并在实时数据库中完成数据交换；

所述仿真系统的硬件设备包括环形投影幕(1)、八台投影机(2)、疏浚操作台(3)、航行操作台(4)、控制机柜(5)，其中，

疏浚操作台(3)、航行操作台(4)放置在房间的中间位置；

环形投影幕(1)和八台高清投影机(2)，组成一个无缝连续的画面，为耙吸船虚拟现实提供展示载体；控制机柜(5)内包括虚拟现实显示计算机；

所述航行操作台(4)包括：疏浚轨迹与剖面显示计算机(6)、侧推控制器(7)、舵轮(8)、推进控制器(9)；所述疏浚轨迹与剖面显示计算机(6)，用于运行疏浚轨迹与剖面显示系统，显示当前船舶航行、施工状态，连接于网络交换机；所述侧推控制器(7)，用于控制船艏侧推器，连接于PLC；所述舵轮(8)，用于控制船舵的转向，连接于PLC；所述推进控制器(9)，用于控制船体的航行速度，连接于PLC；

所述疏浚操作台包括左右两个操作台，台面布置为对称结构；以左台为例，台面的布置包括耙头控制区(10)、耙中控制区(11)、弯管控制区(12)、泥泵控制区(13)、高压冲水控制区(14)、控制开关(15)、数据采集与监视控制计算机(16)、电源指示(17)；

所述耙头控制区(10)，用于控制耙臂耙头部分的姿态，包括耙头绞车控制手柄、耙头吊架控制按钮，连接于PLC；

所述耙中控制区(11)，用于控制耙臂中部的姿态，包括耙中绞车控制手柄、耙中吊架控制按钮，连接于PLC；

所述弯管控制区(12)，用于控制耙臂弯管部分的姿态，包括弯管绞车控制手柄、弯管吊架控制按钮，连接于PLC；

所述泥泵控制区(13)，用于控制泥泵的启停和转速，连接于PLC；所述高压冲水控制区(14)，用于控制高压冲水泵的启停和转速，连接于PLC；

所述控制开关(15)，用于选择疏浚设备的功能和权限，连接于PLC；

所述数据采集与监视控制计算机(16)，用于运行疏浚数据采集与监视控制系统，连接于网络交换机；

所述电源指示(17)，用于显示疏浚操作台的供电情况，包括交流220V和直流24V，连接于PLC；

航行操作台和疏浚操作台之间的网络拓扑包括PLC、计算机、各种按钮、指示灯、仪表、计算机网络；PLC采集控制开关的数字量信号以及电位计输出模拟量信号，同时通过仿真驱动单元反馈的相应信号，用于驱动指示灯和仪表显示。