船艇锚系统训练模拟器设计与研究

沈 军，聂 伟，谢小平

（镇江船艇学院，江苏 镇江212003）

船艇锚系统训练模拟器设计与研究

沈 军，聂 伟，谢小平

（镇江船艇学院，江苏 镇江212003）

以船艇锚系统为仿真对象，在SimuEngine仿真平台中建立了船艇锚系统运行的数学模型，在虚拟现实软件EON Studio中建立锚系统的三维视景模型，通过OPC实现两个仿真平台的数据交换。配合PLC采集到的操控盘台上的开关、按钮等变量，就可以实现对船艇锚系统的模拟训练，也能通过EON Studio中建立的三维视景模型直观的了解锚系统的结构和工作原理。该模拟器已应用到教学，并获得了较好的效果。

锚系统；SimuEngine；EON Studio；OPC

船艇航行中，如遇风、雾或机器发生故障等，都需要暂时停泊；船艇抵达港口后，停靠码头或泊于锚地时，会受到水力、风力和纵倾与横倾时惯性力的影响，所以为了保证船艇安全可靠地停泊，必须有平衡这些力的设备，这就是船艇锚系统。此外，锚系统还可以帮助船艇安全迅速地靠离码头。长期以来，针对锚系统的训练基本上停留在课堂上的理论教学，锚系统的结构拆装、原理演示以及操作训练等都很难开展。

通过计算机仿真技术研制机电模拟器一直以来都是航海类院校和科研院所研究的重要内容。将模拟器应用到教学中将有助于学员结合课堂所学理论知识快速掌握设备的结构原理、操作、故障排除以及维护等方面的知识。此外，利用模拟器进行仿真训练还可以完成实装训练中难以开展的科目以及危险性较大和不常见故障的训练，有利于提高学员的故障应急处置能力[1]。

本文在SimuEngine仿真平台中建立了锚系统运行的数学模型，在虚拟现实软件EON Studio中建立船艇锚系统的视景模型，利用OPC实现两个仿真平台的通信，通过PLC采集开关、按钮等硬件变量的值，在组态软件KingView中建立OPC Server站点，PLC采集到的变量值存储到OPC Server中，SimuEngine同OPC Server建立连接，直接读取站点中变量的值并进行计算，计算的结果（如锚链长度、锚设备功率、工作油压等变量的值）也存储在OPC Server中[2，3]。VC 读取 OPC Server中变量的值，然后通过EON Studio自带的EonX控件将值传入到EON Studio中来驱动视景模型，达到模拟操作训练的效果。同时，在视景模型中还可以通过拆装来展示锚系统的结构组成及工作原理（模拟器系统的结构框架及功能实现见图1）。本文将从数学仿真模型、视景模型以及两个仿真平台的通信共三个方面来分析研制过程中的一些关键技术和难点，本文着重介绍两个平台之间的数据通信。

图1 模拟器系统结构框架图

1 仿真模型的建立

SimuEngine是为大型科学计算、复杂系统动态特性建模研究、过程仿真培训、系统优化设计与调试、故障诊断与专家系统等，提供通用的、一体化的、全过程支撑的，基于微机环境的开发与运行支撑平台[4]。

该模拟器模仿真的锚系统包括船艇首锚和尾锚。一般由锚、锚链筒、止链器、锚链、锚机、锚链管和锚链轮等部件组成（如图2所示）。通过操作控制模块控制锚机的运动。首锚和尾锚均采用电机驱动，首锚通过电机带动锚链筒的运动从而控制锚的升降，尾锚则由电机驱动液压油泵来控制锚链筒的转动，液压尾锚机在不同工况（低速重载起锚、高速起锚、自由抛锚、机械抛锚、绞缆等）运行时液压系统的压力与锚链筒转动速度之间的关系都各不相同，所以液压系统压力与电机消耗功率、锚链运动速度等的关系较为复杂。

图2 锚设备组成图

该模拟器应用于教学训练，能够真实地模拟实际锚系统的操作、控制与运动，所以采用SimuEngine仿真平台，利用Fortran语言建立锚系统运行的数学模型。在建立数学模型的过程中，由于锚设备实际实际运行过程中的工况变化较为复杂，影响锚设备运行状况的因素较多，例如船艇的航速、水深、船艇发电站负载等因素都会影响到锚设备运行时的负载、锚链运行速度等，在建立运行数学模型时，通过设置适当的简化和假设条件的基础上，例如假设航速、水深等因素保持不变，锚链运行速度与电机功率成正比等，用数学形式来表示船艇锚系统操作装置的控制、特性和状态参数之间的关系，构建符合其运行机理和控制逻辑的数学模型。为了方便数学模型的建立，将数学模型分为以下4个子模块：能量消耗计算模块、锚设备运动仿真模块、操作控制模块、液压系统仿真模块（见图1）。其中，能量消耗计算模块用于模拟锚设备工作时电能的消耗，液压系统压力仿真能够较为真实的模拟液压系统压力与各个影响因素之间的关系。

此外，SimuEngine仿真支撑平台具有故障设置和管理功能，通过添加故障变量，实现典型故障模拟，可开展故障分析及处置训练。模块间的数据流动通过与公用变量数据库的交互实现。模块化建模方法可降低建模的复杂性，缩短建模时间，增加模型的通用性。

2 视景模型的建立

EON Studio是一种依据图形使用者接口，用来研发实时3D多媒体应用程序的工具，在教育训练的应用十分广泛。要实现船艇锚系统的真实模拟，就必须对船艇锚设备建立真实的三维模型[5，6]。在EON Studio中完成视景模型的导入，须完成以下工作：

（1）在建模软件3DSMAX中完成船艇锚设备三维模型的建立。

（2）在3DSMAX中模型进行优化，提高模型的渲染速度。

（3）对模型进行材质、贴图的设置，并将模型以3ds格式导出。

（4）在EON Studio中将3ds文件导入，并调整好灯光和摄像机，使模型以最好的视角显示出来（如图3所示）。

（5）对需要设置运动的物体添加运动节点，并设置好节点之间的连线。

图3 艉锚视景效果图

3 仿真平台间的通信

如图1所示，在SimuEngine中完成数学模型的计算，必须通过PLC实时采集操控盘台上的开关、按钮、仪表等的变量值来进行仿真计算。在仿真计算机中同时运行SimuEngine仿真支撑平台和组态软件kingView6.5.kingview6.5可设置IO变量并将其映射到PLC相应内存地址实现与控制台开关、仪表、指示灯等硬件设备的通讯，将采集到的变量的值存储到kingview中建立的OPC Server中，同时通过OPC实现与SimuEngine仿真平台的数据交互，这样就可以将采集到的数据实时的传输到SimuEngine中进行计算，计算产生的一些结果（例如锚链长度、工作油压等变量）也存储到OPC Server中，然后可以利用这些变量来驱动操控盘台的仪表和EON Studio中视景模型。

将OPC Server中的变量值传递到EON Studio中并驱动视景模型通过如下方式实现：

（1）在仿真计算机上安装并注册支持OPC通信的ActiveX工控仪表控件Iocomp.

（2）在VC6.0中利用工控仪表控件Iocomp获取OPC Server中变量的值。在MFC窗口中加入iEditX控件，对iEditX控件的属性进行设置，使其与要获取的变量相对应。以锚链长度为例，要驱动锚链的运动，就必须先获取锚链的长度。打开iEditX控件属性栏，对其进行如下设置，选择其中的OPC选项，选择添加value选项，然后选择对应的OPC Server中对应锚链长度字段 Item的 value，然后调用控件的GetValue函数可以获取到锚链的值，如图4所示。

图4 OPC控件属性设置图

（3）注册EON Studio自带ActiveX控件EonX，实现VC与EON Studio的通信。获得锚链长度的值后要将值传递到EON Studio中才能驱动视景模型的运动。EON Studio自带的ActiveX控件EonX能够实现VC与EON Studio的通信，在使用之前同样要对EonX控件进行注册。

（4）在EON Studio中对需要设置运动的物体添加运动节点，并设置好节点之间的连线。在EON Studio中对锚链所对应的节点添加如下的控制节点，如图5所示。

图5 锚链节点设置

在图5中可以看到，要驱动锚链的运动，必须添加四个输入节点，其中MaoStart节点为SFBOOL类型，MaoH，MaoP，MaoR分别为锚链运动的三个方向，利用Adapter节点将这三个数据转换为代表三维向量数据的SFVEC3F类型，从而决定锚链在立体空间中的运动方向。

（5）在VC中利用编程实现视景模型的驱动。在MFC窗口中加入注册后的EonX控件，给控件关联一个变量m_EonX1.在VC中添加定时器，定时获取锚链的运动长度的值，从而驱动锚链的运动，具体的代码如下：

varF.fltVa l=0.0；

varH.fltVal=-MaoChang/50.0；//获取锚链的长度

m_EonX1.SendEvent（“MaoH”，&varF）；//H 方向的运动量为零

m_EonX1.SendEvent（“MaoP”，&varH）；//锚链的长度赋予到P方向

m_EonX1.SendEvent（“MaoR”，&varF）；//R 方向的运动量为零

m_EonX1.SendEvent（“MaoStart”，&varM）；//触发Place节点，使锚链开始运动

最后由VC和EON Studio完成的软件界面如图6所示，盘台上有跟实际的锚设备一样的操作手柄、开关按钮等，通过对这些开关、按钮等的操作，可以实现对锚机的模拟操纵操作训练，包括锚的收锚、抛锚训练，锚设备的启动、停机训练等。

图6 锚系统训练模拟器操作界面

4 结束语

通过对船艇锚系统模拟器的研制，使用了SimuEngine和Eon Studio两个仿真平台，充分利用两个仿真平台各自的优势，在SimuEngine完成锚系统的数学模型的建立，在Eon Studio完成锚系统视景的仿真，通过OPC接口实现两个仿真平台的数据交换，结合PLC采集的硬件变量，达到既能实现对锚系统的操作进行模拟训练，又能通过三维模型更直观地了解锚系统的结构组成和工作原理的目的，对于学员全面掌握锚系统的使用和维护具有较大的意义。

[1]张 锦，聂 伟.基于SimuEngine的船艇主机系统仿真研究[J].军事交通学院学报，2015，17（7）：45-48.

[2]邓洁清，袁宇波.基于PLC模块的变电站自动化测试仿真系统的实现及应用[J].电力系统保护与控制，2009，37（24）：157-160.

[3]詹国兵，詹礼琛.基于S7-200PLC全自动RO纯水机的优化设计及应用[J].工业控制计算机，2015，28（4）：141-143.

[4]王希波，班孝东.大小涡轮三级相继增压系统匹配规律研究[J].山东交通学院学报，2010，18（3）：1-6.

[5]刘 诚，付宜利.基于EON的交互式虚拟装配仿真系统的设计与实现[J].东北林业大学学报，2009，37（8）：109-111.

[6]于 辉，赵经成.EON入门与高级应用技巧[M].北京：国防工业出版社，2008：17-24.

Design and Study of the Marine Anchor System Simulator

SHEN Jun，NIE Wei，XIE Xiao-ping
（Zhenjiang Watercraft College，Zhenjiang Jiangshu 212003，China）

Making the marine anchor system as the simulation object ，this paper establishes mathematic models based on the SimuEngine simulation support environment and virtual 3D models based on the virtual reality platform EON Studio，the two simulation platforms exchange data by OPC.The simulate training of the marine anchor system can be realized with the switches and buttons on the control panel，the structure and operational principle of the anchor system could be understood more directly by the virtual 3D models established in the EON Studio.This simulator had been applied to teaching and

a good effect.

anchor system；SimuEngine；EON Studio；OPC

U661.43

A

1672-545X（2017）09-0155-03

2017-06-05

沈 军（1985-），男，湖北武汉人，硕士，讲师，主要研究船艇动力工程和虚拟仿真。