内河船机电设备虚拟拆装考试系统的开发

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内河船机电设备虚拟拆装考试系统的开发

引言

船舶机电设备拆装能力是轮机员实操技能的重要体现，也是国家海事部门船员培训和考核的重

点．随着计算机仿真、人工智能等技术的快速发展，虚拟拆装技术在机械设计制造、装配等领

域得到广泛应用．虚拟拆装技术是指利用计算机模拟机械设备的三维模型，在虚拟环境里允许

用户交互的控制虚拟设备，用以观察设备结构、检验设备装配性能等．与实际设备拆装相比，

虚拟拆装可以节省大量资金和场地空间，拆装灵活、简便，培训效率高，能有效减少教师工作

量．本文根据《中华人民共和国内河船舶船员适任考试大纲》

开发的内河船机电设备虚拟拆装考试系统，集虚拟拆装技术和网络考试系统于一体，可有效实

现内河船员轮机设备拆装技能的培训和考评．

1 系统结构框架

内河船机电设备虚拟拆装考试系统主要由数据库、管理端、客户端等三个部分组成，三者之间

通过以太网连接通信，系统结构框架如图 1 所示．【图 1】

( 1) 数据库数据库用来储存拆装模型信息、拆装顺序、评分标准、考生信息、考试成绩、考试

过程等相关信息．鉴于考试系统的安全性要求较高，系统选用 Oracle 数据库．( 2) 管理端管理

端是教练员出题、组卷的模块．教练员可以针对不同级别考生设置不同的考试题目，回放考生

的考试过程，给考生评定成绩并能保存与打印．此外，管理端还能管理用户、设置权限等．

( 3) 客户端客户端即考生登录的考试终端，主要功能有:

拆装模型和虚拟场景的动态加载与卸载、设备零部件模型的碰撞检测、模型的灯光渲染、拆装

动画关键帧等，以及实现人机交互与网络通信．

2 虚拟拆装试题库的建立

根据《中华人民共和国内河船舶船员适任考试大纲》对机电设备( 零部件) 拆装的考核要求，内

河船机电设备虚拟拆装考试系统试题库主要包括: 柴油机拆装、废气涡轮增压器的拆装、船用

泵及滤器的拆装、分油机的拆装、船用燃油辅锅炉附件的拆装和三相异步电动机的拆装．根据

内河船员考核实际情况，题库试题根据重要性和难度可以分为以下级别: 一类轮机长、大管

轮、二/ 三管轮，二类轮机长、轮机员，三类轮机员．试题库是虚拟拆装考试系统的核心．利

用3dsMax 软件强大的三维建模、场景渲染功能，建立上述所有机电设备精细三维模型，根据

机电设备使用场所绘制、渲染出虚拟的设备拆装场景．利用 3ds Max 的插入关键帧功能生成零

件的拆装过程动画．为便于虚拟拆装业务进行扩展，系统运用了便于编辑的脚本技术，即通过

脚本语言来描述业务内容，从而增强系统题库的可扩展性．脚本语言是一种解释性语言，以文

本的方式进行存储．在编写和修改脚本内容之后，不需要重新编译程序即可产生作用．而脚

本文件只需要使用记事本之类的文本编辑软件就可以打开并进行编辑．脚本语言易于编辑但存

在安全性问题，为防止普通用户随意编辑脚本内容，系统使用的脚本文件全部会被加密，只有

管理员使用本软件为管理员专门配置的加密解密工具对脚本文件进行解密后才可以被打开编

辑，编辑完成后再次加密即可．系统全部的拆装业务均实现了脚本化，使系统可以在不需要重

新编译的情况下，增加新的船舶设备拆装业务，并可对已有拆装业务的场景、约束条件、步骤

流程和用户拆装事件进行修改．系统运用了XML 和LUA 两种脚本语言．其中XML 简单易

懂，便于读写，其内容按顺序排列，适用于描述步骤流程和作为配置文件使用．而LUA 脚本

语言支持函数、闭包、条件语句与循环语句，可与系统程序之间互相调用，适合用于执行判断

和作为事件的回调脚本．根据功能的不同，系统使用的脚本文件包括场景配置文件( XML) 、

拆装步骤描述文件( XML) 、拆装约束条件文件( LUA) 、动作描述文件( LUA) 和用户事件文件(

LUA) ．这些脚本可实现的主要功能有:

( 1) 对拆装场景进行配置．例如: 加载模型文件、初始化参数设置等．( 2) 编写用户在拆装场景

中进行虚拟拆装时，用户拆装的响应事件和事件内容．例如: 当用户在三维场景中按住鼠标右

键移动鼠标时，系统将做出什么样的响应．( 3) 对设备拆卸、分解、装配、试验、安装和检修

的步骤流程进行描述．( 4) 对设备拆卸、分解、装配、试验、安装和检修的约束条件进行描

述．例如: A 工具必须接触到B 零件上才能触发C 动作．( 5) 当正确的拆装发生时，设备模型

的动作描述．例如: C 动作是先移动到 X 位置，再沿 Y 轴旋转 Z 角度．系统考题脚本运行流程

如图 2 所示．【图 2】

3 虚拟拆装顺序规划

在虚拟场景中，用户点击可以被拆装的设备，在弹出的拆装列表中选择拆卸或者安装选项，就

可以对该设备进行拆装．当需要使用工具来拆卸零件时，首先选中该工具，在弹出的拆装列表

中选择使用选项，然后系统会提示用户选择目标零件，选中要拆卸的零件．如果拆卸工具和零

件选择正确并且拆卸顺序正确，则系统将会自动执行该工具拆卸指定零件的动作，否则将会提

示拆装错误．当要拆卸的零件不需要使用工具时，直接选中该零件，在弹出的拆装列表中选择

拆卸选项，如果拆卸顺序正确，则系统将会自动执行拆卸该零件的动作，否则将会提示拆装错

误．为确保船舶机电设备的虚拟拆装精确、真实，系统在设计开发时征集了多位资深轮机员的

指导意见．选取了在实船应用中有代表性的设备品牌型号，严格按照设备使用手册中规定的拆

装顺序，力求能够最大限度地反映船舶设备的实际拆装过程．为使虚拟拆装过程更加清晰明

了，将实际拆装过程中一些重复性的、不太重要的拆装进行合并．下面以分油机为例讲述船用

设备虚拟拆装顺序的规划．根据大纲要求，分油机拆装主要考察对分离筒及其附件的拆装．分

油机虚拟拆装模型选用着名船用设备商Alfa Laval 公司的SA816 高速分油机，虚拟拆装效果如

图3 所示．【图 3.略】

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标签： #系统的开发

摘要：

内河船机电设备虚拟拆装考试系统的开发引言船舶机电设备拆装能力是轮机员实操技能的重要体现，也是国家海事部门船员培训和考核的重点．随着计算机仿真、人工智能等技术的快速发展，虚拟拆装技术在机械设计制造、装配等领域得到广泛应用．虚拟拆装技术是指利用计算机模拟机械设备的三维模型，在虚拟环境里允许用户交互的控制虚拟设备，用以观察设备结构、检验设备装配性能等．与实际设备拆装相比，虚拟拆装可以节省大量资金和场地空间，拆装灵活、简便，培训效率高，能有效减少教师工作量．本文根据《中华人民共和国内河船舶船员适任考试大纲》开发的内河船机电设备虚拟拆装考试系统，集虚拟拆装技术和网络考试系统于一体，可有效实现内河船员轮机...

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