船舶電站裝置可視化虛擬仿真操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 靜，陳嘉陽，徐振洋

（1.武警海警學(xué)院 機(jī)電管理系，浙江 寧波 315801；2.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

開展船舶電站操作訓(xùn)練是提升船舶機(jī)電專業(yè)學(xué)員實(shí)操技能的必然途徑，然而基于現(xiàn)實(shí)的操作訓(xùn)練需要購置大量的實(shí)裝設(shè)備，費(fèi)用投入較高，而且受到人員、場地、時(shí)間等因素的限制，在操作訓(xùn)練期間存在著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)和局限性。隨著計(jì)算機(jī)軟/硬件的發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)的虛擬仿真操作是將實(shí)際操作過程在本質(zhì)上體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，利用計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶電站系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作、使用和維護(hù)，并能對過程進(jìn)行評價(jià)和考核，可以有效提高實(shí)戰(zhàn)教學(xué)效果，具有很高的實(shí)用價(jià)值[1]。

1 系統(tǒng)的組成

以貼近實(shí)船實(shí)裝為原則，以軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)為主設(shè)計(jì)構(gòu)建遠(yuǎn)程操作訓(xùn)練系統(tǒng)，完成1套集“教、研、訓(xùn)、演、展”五大功能于一體的船舶電站虛擬仿真系統(tǒng)，具有鮮明的船舶特色和完備的相關(guān)功能，集信息化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化于一體。

1.1 軟件系統(tǒng)

該軟件系統(tǒng)按照模塊化方式組成，支持3D立體顯示，支持手持控制端輸入，支持在Windows7（64位）系統(tǒng)中運(yùn)行3D動作捕捉。利用3Dmax對每個(gè)模塊模型進(jìn)行開發(fā)制作，渲染相應(yīng)的模型貼圖，完成后導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D虛擬仿真平臺，完成每個(gè)模型對應(yīng)程序的寫入，使每個(gè)模塊的3D模型都能虛擬運(yùn)行，形成電站仿真軟件系統(tǒng)[2]。

1）3D模型模塊。該模塊構(gòu)建了一個(gè)三維可視化的虛擬場景，將柴油發(fā)電機(jī)組、配電屏、電站控制和相關(guān)負(fù)載全部虛擬到服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)了對某型船舶電站動力裝置的準(zhǔn)確模擬。利用這些虛擬設(shè)備場景可以實(shí)現(xiàn)下列功能：船電與岸電轉(zhuǎn)換；手動、半自動并車；手動、半自動解列；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換；自動充放電裝置配電。

2）數(shù)學(xué)模型模塊。數(shù)學(xué)模型主要用來表示以發(fā)電裝置和配電裝置的工作過程為基礎(chǔ)的電站設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、控制、特性等之間的關(guān)系。數(shù)學(xué)模型模塊主要是指2大類模型：（1）第一類是用來表示發(fā)電機(jī)及其附屬裝置和遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)動態(tài)特性的動態(tài)數(shù)學(xué)模型；（2）第二類為邏輯與控制數(shù)學(xué)模型，用于表示控制、運(yùn)行、報(bào)警以及船舶發(fā)電站的自動保護(hù)等。其中，船用發(fā)電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型具有較高的復(fù)雜性，需要使用電磁回路方程和轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程。主要用來表示當(dāng)船用發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率與輸出的電功率不平衡時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子角度的變化程度，以及用來描述船用發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組、定子的電壓變化等。

3）功能模塊。主要是指仿真訓(xùn)練界面的設(shè)計(jì)，包括常規(guī)操作、結(jié)構(gòu)原理、虛擬使用、虛擬維修等功能。通過這些功能模塊，可以對船舶電站動力裝置的正常、非正常運(yùn)行工況進(jìn)行真實(shí)模擬，甚至對常見故障進(jìn)行模擬，從而達(dá)到模擬訓(xùn)練的目的。界面端以電腦模擬場景模擬各分設(shè)備和系統(tǒng)，主要有：原動機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、機(jī)旁控制箱、主配電板、岸電穩(wěn)壓裝置和自動充放電裝置等。

1.2 硬件設(shè)備

硬件系統(tǒng)設(shè)備采用手持式操控終端、光學(xué)追蹤系統(tǒng)、定制3D室內(nèi)立體屏以及輔助設(shè)備等，能夠?qū)崿F(xiàn)所有培訓(xùn)內(nèi)容的完整展現(xiàn)。采用手持操控終端操作，由3D室內(nèi)立體屏顯示，用于輔助操作和輔助項(xiàng)目介紹和提示的設(shè)備有平面導(dǎo)航顯示器和內(nèi)置鍵盤、鼠標(biāo)等輔助設(shè)備[3]。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

船舶電站動力裝置虛擬仿真系統(tǒng)根據(jù)實(shí)船裝置構(gòu)造模擬模型，主要設(shè)備包括：1號發(fā)電機(jī)及岸電屏，2號發(fā)電機(jī)及并車屏，負(fù)載屏，組合啟動屏等，其構(gòu)造示意圖見圖1。首先完成各設(shè)備建模，然后將3D模型導(dǎo)入虛擬操作平臺，其效果見圖2[4]。

圖1 系統(tǒng)操作平臺結(jié)構(gòu)圖

圖2 虛擬操作平臺設(shè)計(jì)效果圖

在此平臺上，可實(shí)現(xiàn)岸船電轉(zhuǎn)換、單機(jī)供電、發(fā)電機(jī)并車、解列、船岸電轉(zhuǎn)換等電站操作訓(xùn)練。根據(jù)各模塊工作流程和操作步驟進(jìn)行功能模塊的設(shè)計(jì)，岸船電轉(zhuǎn)換模塊部分程序編譯如圖3所示。

圖3 部分程序編譯

最后，完成各模塊功能設(shè)計(jì)后進(jìn)行系統(tǒng)整體集成，在此基礎(chǔ)上可按需增加故障排除、操作考核等功能模塊，特別是對實(shí)船操作訓(xùn)練中難以設(shè)置的故障進(jìn)行模擬，訓(xùn)練故障分析和排除能力，有效提高了訓(xùn)練對象的操作能力和維護(hù)水平[5]。

3 系統(tǒng)的調(diào)試

對設(shè)計(jì)的船舶電站虛擬仿真操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，具體調(diào)試結(jié)果如下。

3.1 岸電轉(zhuǎn)船電

船出碼頭，岸電調(diào)換是一定要做的工作。其操作流程為：當(dāng)船舶發(fā)電機(jī)組起動準(zhǔn)備就緒后，完成起動待穩(wěn)定，將岸電斷開，岸電供電指示燈滅，再對船舶進(jìn)行合閘供電，合閘發(fā)電機(jī)供電指示燈亮。岸電指示效果見圖4。

圖4 岸電指示效果圖

3.2 發(fā)電機(jī)并車

當(dāng)需要2臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，需要發(fā)電機(jī)并車運(yùn)行，其運(yùn)行過程是：啟動待并機(jī)，將電壓、頻率調(diào)整到額定值，按并車要求開啟同步指示裝置并車，合閘后，關(guān)閉同步指示裝置并進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，直到2臺發(fā)電機(jī)組功率平衡，效果見圖5。

圖5 發(fā)電機(jī)并車效果圖

調(diào)試結(jié)果證明，本設(shè)計(jì)能滿足船舶電站虛擬仿真遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)的需求，達(dá)到了船舶機(jī)電專業(yè)學(xué)員專業(yè)操作培訓(xùn)的目的。

4 結(jié)論

建設(shè)船舶電站虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和維修平臺，大力開展機(jī)電類船員級技能培訓(xùn)，用大量貼近實(shí)裝的虛擬設(shè)備代替實(shí)際裝備，解決人員和設(shè)備之間的矛盾，組織培訓(xùn)對象進(jìn)行全面系統(tǒng)的裝備虛擬操作和維修訓(xùn)練，可以大幅降低培訓(xùn)的硬件成本，更高效地提高培訓(xùn)質(zhì)量，幫助培訓(xùn)對象積累寶貴的維修經(jīng)驗(yàn)，并且可以有力支撐院校教學(xué)科研。系統(tǒng)的可升級空間大，過程可控，操作齊全，后期可擴(kuò)充多型船舶實(shí)裝的虛擬模型數(shù)據(jù)庫，可開展貼近實(shí)際的科研創(chuàng)新項(xiàng)目，也為開發(fā)船機(jī)電裝備全功能模擬器打下良好的基礎(chǔ)。