適合多種顯示設(shè)備的輪機(jī)模擬器GUI縮放技術(shù)

唐元元, 張均東, 賈寶柱, 姜瑞政, 于長(zhǎng)宏

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026； 2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司, 遼寧 大連 116028)

隨著計(jì)算機(jī)及電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，智能終端設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)和學(xué)員培訓(xùn)等領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。用來(lái)進(jìn)行船員培訓(xùn)及評(píng)估的輪機(jī)模擬器隨著船舶的更新?lián)Q代而不斷出現(xiàn)新的產(chǎn)品。為適應(yīng)當(dāng)前的培訓(xùn)需求，會(huì)將輪機(jī)模擬器二維培訓(xùn)軟件在臺(tái)式計(jì)算機(jī)顯示器、LG 4K電視、Surface及工控電腦等主要設(shè)備上運(yùn)行。以Windows Form為顯示框架的輪機(jī)模擬器受不同顯示設(shè)備的分辨率不統(tǒng)一的限制，無(wú)法通用。對(duì)此，須針對(duì)特定的顯示設(shè)備重新開發(fā)圖形用戶接口(Graphical User Interface,GUI)。輪機(jī)模擬器包含的子系統(tǒng)數(shù)量巨大、設(shè)備邏輯復(fù)雜，重復(fù)開發(fā)會(huì)顯著增加輪機(jī)模擬器研發(fā)人員的開發(fā)成本、維護(hù)成本和升級(jí)成本。在對(duì)當(dāng)前主流的顯示方案及WPF(Windows Presentation Foundation)顯示技術(shù)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為基于WPF顯示框架的輪機(jī)模擬器GUI開發(fā)可有效解決上述問(wèn)題。

輪機(jī)模擬器在船員培訓(xùn)中具有重要作用，國(guó)際公約和我國(guó)法規(guī)均有相關(guān)規(guī)定。[1]當(dāng)前已有許多研究人員對(duì)輪機(jī)模擬器及其子系統(tǒng)進(jìn)行研究。LASKOWSKI等[2]使用Konsberg Neptune MC90-IV型全任務(wù)輪機(jī)模擬器分析具有不同百分比的水乳化燃油(Fuel-Water Emulsion)對(duì)柴油機(jī)有害物質(zhì)排放和柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響，并說(shuō)明輪機(jī)模擬器在學(xué)員培訓(xùn)上的可行性。甘輝兵等[3]針對(duì)國(guó)內(nèi)超大型油船(Very Large Crude Carrier,VLCC)輪機(jī)模擬器缺乏貨油透平仿真系統(tǒng)的現(xiàn)狀，基于Windows Form應(yīng)用程序,采用機(jī)理建模與實(shí)船操作仿真相結(jié)合的混合仿真技術(shù)，建立典型的VLCC船舶貨油透平仿真系統(tǒng)。SHANG[4]開發(fā)輪機(jī)系統(tǒng)中的造水機(jī)3D模型和數(shù)學(xué)模型，使用VC++ 6.0開發(fā)數(shù)據(jù)接口。曹輝等[5]采用模糊綜合評(píng)判方法并結(jié)合主觀權(quán)重因素開發(fā)輪機(jī)模擬器船員適任評(píng)估系統(tǒng),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)評(píng)估大綱中關(guān)于既定項(xiàng)目和情景自定義項(xiàng)目的評(píng)估考核，降低評(píng)估員的主觀判斷對(duì)結(jié)果的影響，改善評(píng)估的客觀性。這些研究豐富了輪機(jī)模擬器的子系統(tǒng)，改善了輪機(jī)模擬器的性能，但未對(duì)如何減少重復(fù)開發(fā)并適用于多種終端設(shè)備的問(wèn)題進(jìn)行研究。WPF顯示框架的推出和不斷改進(jìn)得到了許多軟件開發(fā)人員的關(guān)注。KOZMINSKI[6]對(duì)WPF技術(shù)的原理進(jìn)行介紹并說(shuō)明使用WPF框架創(chuàng)建測(cè)試操作接口的優(yōu)越性。MITSOPOULOS等[7]使用C#語(yǔ)言和WPF框架開發(fā)一套火災(zāi)管理軟件。WANG等[8]采用WPF技術(shù)開發(fā)一套Mini OA系統(tǒng)。PAN等[9]基于WPF開發(fā)一套可縮放GUIAC(Graphics User Interface Architecture for Open Computer Numerical Control)應(yīng)用。李方芳等[10]基于WPF技術(shù)開發(fā)一套應(yīng)用于飛行模擬器中的通用可配置式教員控制臺(tái)軟件引擎。

這里在分析計(jì)算機(jī)主要顯示方案及輪機(jī)模擬器的顯示需求的基礎(chǔ)上，提出通過(guò)顯示縮放方式滿足適應(yīng)多種分辨率顯示設(shè)備的要求。在對(duì)WPF顯示框架進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，以WPF顯示框架為基礎(chǔ)開發(fā)輪機(jī)模擬器顯示框架和應(yīng)用于VLCC上的輪機(jī)系統(tǒng)控件庫(kù)。

1 新型平臺(tái)及GUI設(shè)計(jì)方案

1.1 新型平臺(tái)結(jié)構(gòu)

輪機(jī)模擬器與其他培訓(xùn)模擬器類似，利用計(jì)算機(jī)軟件和真實(shí)機(jī)艙實(shí)物等,以半實(shí)物仿真的形式再現(xiàn)輪機(jī)系統(tǒng)原理、輪機(jī)虛擬場(chǎng)景，提高船員對(duì)輪機(jī)原理的理解，縮短船員的實(shí)船實(shí)習(xí)周期。[11]輪機(jī)模擬系統(tǒng)的功能主要包括系統(tǒng)模擬、學(xué)員考評(píng)、故障分析、場(chǎng)景回放和教練員指導(dǎo)等，并集成重要設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)操作培訓(xùn)和機(jī)艙監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)。輪機(jī)模擬器既有通用型輪機(jī)模擬器，也有針對(duì)特定母型船的分船型輪機(jī)模擬器，如VLCC型輪機(jī)模擬器、海洋石油支持船輪機(jī)模擬器及液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)船輪機(jī)模擬器等。[12]為滿足數(shù)學(xué)模型精細(xì)化、培訓(xùn)形式多樣化和仿真功能全面化等方面的需求，新型輪機(jī)模擬器系統(tǒng)以模塊化的形式分離。分離型輪機(jī)仿真平臺(tái)可減少各模塊的耦合，提高分工協(xié)作的效率。[13]

分離型輪機(jī)模擬器采用總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(見圖1)。當(dāng)前的輪機(jī)模擬器培訓(xùn)系統(tǒng)包含多套二維交互系統(tǒng)和三維交互系統(tǒng)、1套硬件交互系統(tǒng)及1套仿真平臺(tái)。當(dāng)進(jìn)行協(xié)同培訓(xùn)時(shí)，各交互系統(tǒng)的交互信息需發(fā)送至仿真平臺(tái)，經(jīng)仿真平臺(tái)運(yùn)算后同步給在網(wǎng)的所有其他交互系統(tǒng)，達(dá)到狀態(tài)同步的目的。當(dāng)前系統(tǒng)同步機(jī)制采用局域網(wǎng)組播技術(shù)，交互系統(tǒng)采用輪詢查詢的方式保持同步。

1.2 GUI設(shè)計(jì)方案

根據(jù)輪機(jī)模擬器二維培訓(xùn)軟件的運(yùn)行特點(diǎn)及輪機(jī)培訓(xùn)軟件的行業(yè)習(xí)慣，輪機(jī)模擬器軟件被劃分為頂部功能區(qū)、輪機(jī)系統(tǒng)視圖區(qū)和底部功能區(qū)等3大區(qū)域(見圖2)。功能區(qū)包含常用的功能按鈕(如系統(tǒng)啟動(dòng)、停止及狀態(tài)保存)、其他功能的跳轉(zhuǎn)按鈕(如監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)按鈕、系統(tǒng)設(shè)置按鈕)及信息顯示區(qū)域(如閥件信息說(shuō)明、報(bào)警指示等)。輪機(jī)系統(tǒng)視圖區(qū)是最復(fù)雜的區(qū)域，承載著所有的輪機(jī)系統(tǒng)，并包含更深層次的監(jiān)控軟件GUI邏輯和設(shè)備控制系統(tǒng)GUI邏輯等。為避免重復(fù)開發(fā)和方便使用，設(shè)計(jì)的輪機(jī)模擬器GUI應(yīng)滿足以下2點(diǎn)要求：

1) 承載輪機(jī)系統(tǒng)的窗體能適應(yīng)多種分辨率的顯示設(shè)備。

2) 輪機(jī)系統(tǒng)視圖區(qū)能局部放大，對(duì)超出窗口的區(qū)域進(jìn)行裁剪。

傳統(tǒng)的Windows Form顯示框架和基于分辨率無(wú)關(guān)的顯示均不能直接滿足以上要求?；赪PF的顯示系統(tǒng)包裝元素布局和渲染變換,采用新的布局系統(tǒng)和已包裝的變換過(guò)程，可為程序員處理GUI邏輯及元素變換節(jié)省很多時(shí)間和精力。這樣，在基于WPF的顯示框架上，為滿足設(shè)計(jì)要求，將窗體作為一級(jí)變換層，將輪機(jī)系統(tǒng)視圖區(qū)作為二級(jí)變換層。采用這種設(shè)計(jì)方式可確保一級(jí)變換層的變換均可應(yīng)用到二級(jí)變換層，而二級(jí)變換層的變換不會(huì)影響一級(jí)變換層;同時(shí),符合用戶的邏輯和使用習(xí)慣。

2 GUI開發(fā)

2.1 系統(tǒng)框架開發(fā)

桌面應(yīng)用程序以窗體為單位。1個(gè)應(yīng)用程序?qū)?yīng)1個(gè)主窗體，定義應(yīng)用程序的可視化邊界。為準(zhǔn)確描述GUI的開發(fā)結(jié)構(gòu)，將輪機(jī)模擬器的整個(gè)GUI結(jié)構(gòu)拆解為多個(gè)功能小塊進(jìn)行描述。根據(jù)輪機(jī)模擬器的布局設(shè)計(jì)方案，GUI的功能劃分見圖3。主窗體承載輪機(jī)模擬器的輪機(jī)模擬圖系統(tǒng)和輪機(jī)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)2大子系統(tǒng)。主窗體內(nèi)的承載容器處理其內(nèi)部可視化元素的縮放，實(shí)現(xiàn)輪機(jī)模擬器整體的自由縮放和多分辨率的適應(yīng)。模擬圖系統(tǒng)包含功能區(qū)、容器及其他顯示區(qū)域,其中容器用于承載模擬器所有的輪機(jī)子系統(tǒng)，并負(fù)責(zé)處理其承載內(nèi)容的縮放，實(shí)現(xiàn)輪機(jī)系統(tǒng)視圖區(qū)的局部縮放。

輪機(jī)模擬器的主窗體和縮放處理為整個(gè)系統(tǒng)的框架，內(nèi)容由全船輪機(jī)系統(tǒng)的模擬圖填充。輪機(jī)系統(tǒng)模擬圖需從WPF提供的可視化元素中繼承,以獲得WPF顯示框架的支持。船舶輪機(jī)系統(tǒng)眾多，其中輪機(jī)子系統(tǒng)模擬圖就多達(dá)150幅左右，包括船舶電站、主推進(jìn)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)及消防系統(tǒng)等。為降低輪機(jī)模擬器系統(tǒng)框架與各輪機(jī)系統(tǒng)之間的耦合度，需對(duì)其進(jìn)行隔離。

該輪機(jī)模擬器采用子系統(tǒng)文件即時(shí)加載機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)框架與模擬圖子系統(tǒng)的隔離(見圖4)。此外,該機(jī)制能極大地降低輪機(jī)模擬器運(yùn)行時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)配置的要求，為輪機(jī)模擬器在研發(fā)階段進(jìn)行單系統(tǒng)調(diào)試、多系統(tǒng)調(diào)試和全船輪機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試提供方便。

系統(tǒng)框架在輪機(jī)模擬器啟動(dòng)之后一直存在,而MIMIC系統(tǒng)并不存在。主窗體中具有導(dǎo)航按鈕，當(dāng)用戶需要時(shí)，系統(tǒng)框架通過(guò)文件即時(shí)加載方式創(chuàng)建子系統(tǒng)對(duì)象并導(dǎo)航到特定的輪機(jī)子系統(tǒng)中。通過(guò)對(duì)文件加載方法進(jìn)行處理，可確保系統(tǒng)框架與MIMIC系統(tǒng)完全隔離，具體的導(dǎo)航結(jié)構(gòu)見圖5。導(dǎo)航系統(tǒng)中的每個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)1個(gè)PageInfo對(duì)象。根據(jù)面向?qū)ο缶幊痰乃枷?，每個(gè)PageInfo對(duì)象代表1個(gè)MIMIC子系統(tǒng)并負(fù)責(zé)記錄該系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)識(shí)，如序號(hào)ID及系統(tǒng)ID等。PageInfo中的MIMIC ID標(biāo)識(shí)用于確定特定的MIMIC子系統(tǒng)，通過(guò)文件加載的方式實(shí)現(xiàn)。文件加載方式還負(fù)責(zé)子系統(tǒng)生命周期管理、子系統(tǒng)丟失處理及向其他相關(guān)系統(tǒng)發(fā)出加載通知。

為實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的縮放和管理，輪機(jī)子系統(tǒng)需在WPF提供的Page類的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的開發(fā)和處理(見圖6)。ICommon接口負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)刷新和語(yǔ)言切換等功能。MimicBase類從Page類繼承并實(shí)現(xiàn)ICommon接口，作為輪機(jī)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基類。此外,MimicBase類還提供文件即時(shí)加載方式，以滿足圖4中MIMIC的進(jìn)一步嵌套。這種模式適于輪機(jī)模擬器中的主機(jī)遙控系統(tǒng)等有多重嵌套需求的GUI開發(fā)。既可直接從MimicBase繼承實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)開發(fā),也可在對(duì)MimicBase作進(jìn)一步擴(kuò)展后再實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)開發(fā)，這主要是由于輪機(jī)子系統(tǒng)過(guò)于龐大。目前輪機(jī)模擬器中的主機(jī)主操縱面板(Main Operation Panel)就使用該種方式開發(fā)。

2.2 控件庫(kù)框架開發(fā)

以上實(shí)現(xiàn)的只是輪機(jī)模擬器的GUI框架。制作輪機(jī)子系統(tǒng)GUI，控件庫(kù)是其中非常重要的一部分。船舶機(jī)艙設(shè)備及控制元器件各不相同，基于母型船設(shè)計(jì)的輪機(jī)模擬器的器件繁多,許多器件雖然外觀不同，但功能相同。控件通常用于人機(jī)交互,對(duì)控件的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好的規(guī)劃可減少開發(fā)時(shí)間、方便維護(hù)管理。在WPF顯示框架的基礎(chǔ)上，按照系統(tǒng)交互需求對(duì)WPF提供的基礎(chǔ)類型進(jìn)行擴(kuò)展。

按照面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法和輪機(jī)系統(tǒng)中元器件的特點(diǎn)，擴(kuò)展的類型從功能上主要分為具有復(fù)雜外觀變換邏輯的裝飾類、具有復(fù)雜可視化外觀的交互類和具有復(fù)雜邏輯的交互類等3類。所有擴(kuò)展類型均需獲得FrameworkElement及其子類的特性支持。為便于人機(jī)交互，具有交互能力的元器件對(duì)應(yīng)的交互類需實(shí)現(xiàn)IManipulate接口，該接口定義交互點(diǎn)的ID及對(duì)應(yīng)的字段值信息。為此，控件庫(kù)中定義實(shí)現(xiàn)IManipulate接口的ExFrameworkElement和ExContentControl類，與FrameworkElement類一起構(gòu)成輪機(jī)模擬器控件庫(kù)的基礎(chǔ)擴(kuò)展框架。輪機(jī)系統(tǒng)中元器件分為燈、按鈕、旋鈕、斷路器、車鐘、閥、泵、管道和儀表等類型，構(gòu)成主體擴(kuò)展類。主體擴(kuò)展類從基礎(chǔ)擴(kuò)展類繼承，并根據(jù)對(duì)象特征定義相應(yīng)的屬性(見圖7)。輪機(jī)模擬器中的通用型控件從主體擴(kuò)展類繼承，特殊類型的控件從基礎(chǔ)擴(kuò)展類繼承。

3 演示示例

演示示例使用的是實(shí)驗(yàn)室新開發(fā)的VLCC型輪機(jī)模擬器，該系統(tǒng)現(xiàn)已交付給國(guó)內(nèi)某大學(xué)進(jìn)行船員培訓(xùn)使用。新型輪機(jī)模擬器中的GUI完全采用WPF提供的基礎(chǔ)框架和實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的適用于輪機(jī)專業(yè)的擴(kuò)展框架建立。開發(fā)的輪機(jī)模擬器可自動(dòng)適應(yīng)顯示器的分辨率和屏幕尺寸,且模擬圖區(qū)域可自由縮放，實(shí)現(xiàn)同一套輪機(jī)模擬器運(yùn)行于不同顯示設(shè)備的方案。

圖8中演示的是新型輪機(jī)模擬器的多分辨率適應(yīng)能力，并與采用Windows Form開發(fā)的輪機(jī)模擬器相對(duì)比,顯示的是該實(shí)驗(yàn)室的2臺(tái)輪機(jī)模擬器測(cè)試用顯示器，其中:較大的顯示器為L(zhǎng)G 65UF8580型65寸4K智能液晶電視，外加紅外觸控功能;較小的顯示器為AOC U2868PQU型28寸顯示器，顯示的是VLCC型輪機(jī)模擬器的主機(jī)燃油供給系統(tǒng)。2臺(tái)顯示器連接在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，其中LG智能電視當(dāng)前的顯示分辨率為3 840×2 160，AOC顯示器當(dāng)前的顯示分辨率為1 920×1 080。從圖8中可明顯看出，由于該套輪機(jī)模擬器的設(shè)計(jì)分辨率為1 920×1 080，因此只能在AOC顯示器中占滿整個(gè)屏幕，在LG 4K電視中仍只能使用1 920×1 080的像素，不能充分利用4K顯示器的高清分辨率。若要充分利用4K高清顯示,須重新開發(fā)輪機(jī)模擬器的交互界面。從圖8b)中可看出，運(yùn)行的輪機(jī)模擬器可在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)搭載的3 840×2 160像素的LG 4K電視和1 920×1 080像素的AOC顯示器中呈現(xiàn)不同的分辨率并占滿屏幕。在LG 4K電視中，輪機(jī)模擬器的GUI交互界面充分利用4K高清顯示器的性能，GUI以更多的像素渲染自身，GUI呈現(xiàn)更加細(xì)膩、豐富。通過(guò)應(yīng)用該技術(shù)，開發(fā)的輪機(jī)模擬器可適用于不同分辨率的顯示器，減少輪機(jī)模擬器的開發(fā)工作量，為以后系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)提供便利。

圖9為新型輪機(jī)模擬器的輪機(jī)系統(tǒng)視圖區(qū)的局部放大能力。當(dāng)輪機(jī)模擬器運(yùn)行于尺寸較小的顯示器時(shí),可通過(guò)放大局部區(qū)域，方便使用者操作。圖9中的輪機(jī)模擬器在微軟Surface Pro3平板電腦上運(yùn)行，屏幕尺寸為12英寸，分辨率為2 160×1 440。由圖9可知，在不改變輪機(jī)模擬器應(yīng)用程序的Window尺寸的情況下，輪機(jī)系統(tǒng)視圖區(qū)被放大。圖9中的高溫淡水泵及泵前壓力表清晰可見。在Window尺寸較小的情況下，通過(guò)拖曳輪機(jī)系統(tǒng)視圖區(qū)，可在放大的情況下逐步操作所有設(shè)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

為使輪機(jī)模擬器適用于多種分辨率和尺寸的顯示設(shè)備，對(duì)當(dāng)前主流的計(jì)算機(jī)顯示方式和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)縮放輪機(jī)模擬器的整個(gè)Window得到使輪機(jī)模擬器適用于多種分辨率的顯示設(shè)備的方案，通過(guò)縮放輪機(jī)模擬器的局部區(qū)域，方便輪機(jī)模擬器在小尺寸顯示設(shè)備中操作?；赪PF的顯示框架實(shí)現(xiàn)輪機(jī)模擬器的無(wú)級(jí)自由縮放。在WPF顯示框架的基礎(chǔ)上開發(fā)適用于輪機(jī)模擬器的控件框架和控件庫(kù)，開發(fā)輪機(jī)模擬器所有系統(tǒng)的GUI交互界面。實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明：基于WPF的無(wú)級(jí)縮放技術(shù)可實(shí)現(xiàn)1套輪機(jī)模擬器運(yùn)行于多種分辨率顯示器。WPF中提供的模板與樣式系統(tǒng)的使用可提高GUI開發(fā)的效率。文件即時(shí)加載機(jī)制可減少輪機(jī)子系統(tǒng)之間的耦合度。在高分辨率的顯示器中，輪機(jī)模擬器中的GUI顯示更為細(xì)膩。在小尺寸的顯示器中，通過(guò)縮放輪機(jī)模擬器的系統(tǒng)視圖區(qū),可方便用戶操作。新型輪機(jī)模擬器在如何適用多種分辨率顯示器的問(wèn)題上得到了良好的解決方案。

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