可视化仿真技术在船海学科发展中的研究进展的综述

研究生课程考试答题本课程名称：船海学科发展动态授课教师：吴卫国、杨建国、周瑞平、蔡薇学生姓名：指导老师：学班号：级：可视化仿真研究方向：联系电话：《船海学科发展动态》课程论文摘要本文是本学期《船海学科发展动态》要求提交的论文。结合论文要求和本人兴趣，选定的论文题目是《可视化仿真技术在船海学科发展中的应用研究进展综述》。本文将从视景仿真的定义、在船舶与海洋工程中的应用与研究等方面进行论述，主要是介绍其需要的各种软件工具、硬件工具、应用案例等。并在最后结论部分进行总结和展望。由于时间和学识所限，如有错误和不到之处，还请见谅!根据百度百科给出的定义：可视化仿真就是通过增加文本提示、图形、图像、动画表现，使仿真过程更加直观，结果更容易理解，并能验证仿真过程是否正确。需要注意的是，可视化仿真同时也包涵虚拟现实、增强现实技术。结合参考文献在综述过程将按照研究或应用涉及的具体领域、使用的软件或硬件工具、涉及的具体技术等等方面具体展开。由于这方面的进展很多，时间和篇幅所限不能一一列举参考文献，仅采有具有代表性的文献。另外，虽然文献综述不应该分章，但是按照本次课程论文的要求，即参照毕业设计格式，本文分为三章。希望见谅。关键词：可视化仿真，船海学科，虚拟现实，增强现实1《船海学科发展动态》课程论文AbstractThispaperisapaperwhichisrequiredtobesubmittedinthetermofthedevelopmentofthemarinescience.Incombinationwiththerequirementsofthethesisandmyinterest,theselectedtitleofthethesisisareviewoftheapplicationresearchofvisualsimulationtechnologyinthedevelopmentofmarinescience.Thispaperdiscussesthedefinitionofvisualsimulation,theapplicationandresearchofshipandoceanengineering,andintroducesthevarioussoftwaretools,hardwaretools,applicationcasesandsoon.Andinthelastpartoftheconclusionofthesummaryandoutlook.Duetolackoftimeandlimitedknowledge,ifthereisanerrorandnoplace。AccordingtothedefinitionofBaiduEncyclopediagiven:visualsimulationisthroughincreasedtexttips,graphics,images,animation,makesthesimulationprocessmoreintuitive,resultseasiertounderstandandverifythesimulationprocessiscorrect.Thisarticlecombinedwiththereferenceinthereviewprocesswillbeinaccordancewiththespecificareasofresearchorapplicationinvolved,theuseofsoftwareorhardwaretools,thespecifictechnicalaspectsinvolved,etc..Duetoalotofprogressinthisareaandthetimeandspacelimited,listingreferencesonebyonecanbeachieved.Keywords:visualsimulation,marinescience,virtualreality,augmentedreality2《船海学科发展动态》课程论文目录第一章绪论...........................................................................................错误！未定义书签。第二章可视化仿真在船海学科中的应用与研究进展综述..............错误！未定义书签。第三章结论...........................................................................................错误！未定义书签。3《船海学科发展动态》课程论文第一章绪论随着现代仿真技术发展而衍生出来的一种仿真形式，通过增加文本提示、图形、图像、动画表现等方式，使仿真过程更加直观，结果更容易理解，并能验证仿真过程是否正确，这就是可视化仿真技术。值得注意的是，可视化仿真技术在船舶与海洋工程学科中包含时下流行的虚拟现实技术和增强显示技术。可视化仿真技术的特点就是表现形式丰富，有一定仿真度，过程直观，易于理解，成本较低，尤其适用于虚拟仿真训练、虚拟展示等用途。目前，可视化仿真主要是基于计算机平台的，就像参考文献[1]一样，但是有时会采用一些外在设备加强，这就涉及到增强现实技术（AR,AugmentedReality）,例如参考文献[2]。自然而然，在可视化仿真中，必然不会缺少在移动端的应用，由于缺少在船海学科中应用和研究的相关文献，结合其他相关文献，将在结论部分做出总结和展望。参考文献[1]中使用软件MultiGenCreator／VegaPrime开发视景仿真系统的方法，探讨了三维建模中的一些技术，并以船舶动力装置虚拟仿真系统开发为背景，实现用Vega进行视景驱动、碰撞检测等一些功能，并给出了对VegaPrime关键类的使用方法和开发步骤。参考文献[2]主要使用数学统计分析的方法，探讨在虚拟拆装设备操作中，采用增强现实的方案，标志物(位置传感芯片)和手操作触觉反馈设备的使用与仿真结果之间的关联。得出的结论是：是否采用标志物和手操作触觉反馈设备，与仿真效果无关。所谓标志物，是用来只是物体变化未知的传感器芯片，而目前我们已经可以通过特殊的摄像头直接计算物体位置的变化，显然，根据这个结论，我们可以省去采购传感器和手操作触觉反馈设备的费用。可视化仿真在船海学科发展中应用中目前还未见有移动端的应用和发展，但是我们认为随着手机、平板等移动设备的普及，基于移动端的虚拟拆装、虚拟训练等必将在船海学科教学中占有一席之地。船舶与海洋工程学科教育中包含大量的机电设备操作学习，如果能对一些小型设备，在移动端进行可视化仿真，例如针对参考文献[4]中船舶柴油机的虚拟拆装系统，完全可以采用一些游戏引擎（如Unity3D），在移动端实现船舶柴油机子系统4《船海学科发展动态》课程论文的工作过程的动画演示(即多媒体教学)、虚拟拆装、虚拟拆装操作、远程智能评估考试相信可以取得良好的教学效果。由于可视化仿真的范围非常广，对其进行详细介绍比较困难，所以下一章节将结合可视化仿真在船舶与海洋工程学科的应用案例对其特点加以说明。在本文最后一章---结论，总船海学科可视化仿真的特点，并对未来发展进行展望。如有错漏之处，还请见谅！5《船海学科发展动态》课程论文第二章可视化仿真在船海学科中的应用与研究进展综述可视化仿真在船海学科中主要涉及的领域有船舶机械设备等制造仿真，如参考文献3],参考文献[3]中作者主要介绍了西班牙著名造船软件FORAN在虚拟现实领域的应用。[比如在船舶设计阶段FORAN可以提前检测出船舶机电设备布置的冲突、使用假人测试船舶机电设备是否布置合理、参与船舶制造过程仿真等等，值得注意的是，我国三维造船软件如东欣软件和SB3DS等也可以部分做到。可视化仿真离不开三维模型的建立，这就要使用一些三维模型软件如UG、3DMAX、Pro/E、SolidWorks等。值得注意的是这些软件可以在某种程度上做到可视化仿真，比如虚拟拆装，拆装过程的动画演示等。如参考文献[4]，基于SolidWorks的船舶柴油机的虚拟拆装系统的研究,作者指出以下优点：①提高设计效率。在船舶柴油机的设计过程中,及时发现设计的缺陷,并及时的修改,最大限度减少废品,降低设计和制造成本。②教学和虚拟拆装培训。在船舶柴油机的教学和拆装培训中减少了人员及设备的使用,提高企业的经济效益。在现场进行拆装,需要至少3～4名人员,同时还需要各种设备,包括起吊工具,气阀拆装钳等,而虚拟拆装每人只需配备一台电脑即可。③节省空间资源。真实拆装现场,满地都是拆下来的螺栓、螺母,还有活塞、连杆、气阀等。虽说是摆放整齐,但却浪费了地面资源,而虚拟拆装不存在这一问题。④直观,便于整体掌握。船舶柴油机的虚拟拆装,在视觉上，直观明了，相比真实拆装,它更便于学生整体把握柴油机的拆装工艺。可视化仿真可以使用一些如c#.net、python、c++等编程语言进行仿真和虚拟训练等。如参考文献[5],作者使用c#.net语言设计了船舶电站训练系统仿真控制平台，部分效果如图二。显然可以取得良好的教学和训练效果。虚拟现实是可视化仿真的一个重要方向，但是它需要游戏引擎和相关编程语言的支持，目前船海学科中虚拟现实应用的有游戏引擎主要有Unity3D、Virtools、Orge等。目前游戏引擎大多支持虚拟现实及其后续的智能评估。如参考文献[9]，其采用Web3D技术，6《船海学科发展动态》课程论文结合VRML语言和MySQL数据库，主要实现主机控制台的建模及其启动和虚拟操作、远程评估考试。关于船海学科的可视化仿真中，基于智能评估和虚拟现实的考试，逐渐应用，如参考文献[14],作者开发面向实操评估的轮机虚拟拆装考试系统,部分效果如图4，根据实操评估过程的评价指标，采用操作类和问答类两种考核方式组织考试过程，实现兼容两种考核方式的自动评分功能。其中采用3DMAX软件开发模型，制作拆装动画，使用开源引擎Orge进行最后完成开发。其开发的考试系统被应用于内河船员轮机实操评估。结果表明，评估结果公正客观，评估过程合理，系统具有较强的真实感和易用性。7《船海学科发展动态》课程论文第三章结论经过前面的介绍，我们可以看到，可视化仿真在船海学科中的应用和研究有以下特点：第一，可视化仿真在船舶与海洋工程学科中，有广泛的应用。按其应用领域，主要表现工程应用、工程研究、教育等方面。在工程应用中，可视化仿真可以涉及船舶设计、船舶制造、船舶生命周期维护等等，这可以见于一些三维船舶设计软件，如FORAN等，同理，以一些三维图形设计软件为代表的可视化仿真，可以应用于船舶机电设备设计、制造等；船舶与海洋工程研究中，可视化仿真可以有助于提前发现问题，比如船舶与海洋学科中广泛应用Matlab、LabVIEW软件，其就可以提供可视化仿真功能，比如LabVIEW提供可视化的虚拟仪表仿真。按其仿真对象分类，主要是二维实物模型仿真、三维实物模型仿真及各种船舶控制系统和船舶电力系统仿真。参考文献[1]、[5]和[8]主要是船舶仪表的二维界面方针；参考文献[4]、[9]是三位实物模型的仿真，参考文献[13]是基于船舶防污染系统的可视化仿真。第二，可视化仿真具有很多优点。主要具有经济性、直观性。与实物相比，可视化仿真可以在一定程度上达到实物的要求或者效果，充分节省成本；可视化仿真由于采用了界面、动画等手段，具有直观性。如参考文献[13]，轮机模拟器防污染系统的建模与可视化仿真研究，如图4，作者通过船舶防污染系统的建模和可视化仿真实验表明，“系统的功能与实船设备相同，能够满足训练和培训的要求；可视化仿真界面的动态变化形象、逼真，达到了可视化仿真的设计要求。”同时相对与实物成本，这套仿真系统无疑可以节省大笔费用。8《船海学科发展动态》课程论文第三，可视化仿真在船舶与海洋工程学科教学中应用还比较少。比如作为船海学科的学生，我们需要成熟机舱虚拟漫游，以供学生可以参