船模性能虛擬實驗教學軟件開發和應用

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(1.大連理工大學 船舶工程學院；2.大連理工大學 遠程與繼續教育學院，遼寧 大連 116023)

船模水動力性能實驗是當前確定船舶與海洋工程結構物水動力性能的主要方法之一，大連理工大學船舶與海洋工程全日制本科專業設置船模性能實驗必修課，一方面向學生講授船模實驗的相關知識，另一方面深化學生對船舶與海洋工程專業的整體認識與興趣[1-2]。由于船模實驗所需最基本的船池、拖車和測量設備等初期投資大，后期維護成本高等諸多因素造成許多有船舶工程專業的高校因缺少船模實驗水池而不能開設船模性能實驗課，船舶工程專業遠程教育更是如此。為此，設計船模性能虛擬實驗系統，能最大程度地模擬真實船模性能實驗，為學生提供一種更加高效、快捷、方便的船模性能實驗模擬平臺[3-4]。系統具有良好的擴展性和開放性，便于今后持續更新船型[5]和增加試驗內容。本文主要介紹船模性能虛擬實驗系統的開發環境、軟件構成、軟件界面、核心算法和教學效果。

1 軟件系統介紹

本軟件系統采用Visual Basic 6.0[6]開發。

利用Autorun制作安裝引導界面見圖1。

圖1 軟件引導界面

引導界面包含了軟件介紹、實驗介紹、虛擬實驗平臺鏈接及大連理工大學船模試驗水池介紹等內容，同時可以打開安裝包中的課件文件夾。軟件采用Setup Factory進行打包，安裝方便。安裝后會生成桌面與開始菜單快捷方式，便于學生運行程序進行虛擬實驗，安裝過程界面見圖2。

圖2 軟件安裝界面

下面以自航實驗平臺為例介紹軟件界面。軟件歡迎界面、模擬實驗界面及數據保存界面如圖3和圖4。

圖4 模擬實驗界面

實驗界面可以通過船模選擇模塊中按鈕組來快速選擇實驗船舶壓載狀況(如“滿載”或“空載”)。對應的船型圖片及此載況下的船型參數也會相應的發生變化。之后點擊“開始試驗”按鈕，選擇拖車速度，會自動顯示此航速下摩擦阻力修正值。設定相應的螺旋槳轉速，點擊“確定參數”按鈕。若參數設置有誤會，有錯誤提示框提示錯誤，待使用者修改參數為合理范圍時方可進入正常實驗。點擊“開動拖車和槳”按鈕，視頻模塊會出現相應載況、拖車速度和螺旋槳轉速下的實驗影像，數據采集模塊會生成實驗曲線并實時顯示，右下側單次實驗采集數據會持續添加數據。待實驗曲線保持相對平穩一段時間后，點擊“停止拖車和槳”按鈕，實驗結束。同時，軟件會自動跳轉到實驗結果頁和自航曲線頁，顯示此次實驗采集到的數據及繪制出曲線。更改螺旋槳轉速和拖車速度，重復進行上述實驗步驟，最終得到完整的自航實驗曲線。

保存數據時默認文件名為此時所選船型、所選實驗條件及實驗時間的組合，默認存儲位置為計算機桌面，可更改文件名和路徑。文件自動保存成txt文件，文件中實驗基本信息包括船型參數、載況、槳型及實驗所得數據。

2 軟件系統結構

軟件由4個相互獨立的實驗平臺組成，分別為船模阻力虛擬實驗平臺、螺旋槳敞水虛擬實驗平臺、船模自航虛擬實驗平臺和船模耐波性虛擬實驗平臺。每個虛擬平臺包括船模(或實驗載況)選擇模塊、人機交互模塊、實驗控制模塊、實驗數據擬合模塊[7]、數據視頻模塊和數據及文件管理模塊等6個模塊，系統結構圖及模塊與真實實驗模擬對應關系見圖5。

3 船模實驗模型

軟件所參考數據及影像資料均取自大連理工大學船模試驗水池，實驗數據真實可靠。目前軟件系統選取6條船模和3個槳模，各船舶模型和螺旋槳模型參數見表1和表2。

圖5 軟件界面系統結構

船名?？s尺比船水線長/m型寬/m平均吃水/m排水量/tf濕表面積/m2500 t漁政船12.551.58.23.2670.0489.575 m金槍魚圍網船20.068.9612.85.02 644.21 105.0737 m專業捕蝦船10.831.78.63.0666.4382.5散貨船16.372.011.54.42 727.01 283.0玻璃鋼漁船A5.015.23.80.924.658.1玻璃鋼漁船B8.023.15.81.5101.0164.8

表2 選用槳模基本參數

4 核心算法

為了更真實地模擬實驗過程中的數據采集，在拖車控制和船舶工程等方面考慮了船模實驗及控制學中各個參數對仿真實驗的影響。在船模實驗數據采集過程中，實際觀測值為實際值與噪聲之和，其中噪聲包含系統過程噪聲與觀測噪聲[8]：

(1)

F(t)——t時刻實際值，由已知數據的插值結果確定；

ω(t)，v(t)——t時刻系統過程噪聲向量和t時刻觀測噪聲向量。

假定ω(t)與v(t)均為高斯白噪聲過程，ω(t)滿足：

(2)

v(t)滿足相同的條件。

真實船模實驗數據采集時采用低通濾波，故噪聲影響不會很大。為了簡化軟件算法，本軟件將ω(t)與v(t)合并：

ω(t)+v(t)=sin[sin(40t)×300]×F/400

(3)

在軟件系統中對系統噪聲和環境噪聲的考慮，可以使實驗曲線短時間內呈現波動特性，長時間保持相對穩定的統計特性，能更加真實地還原實際實驗。

拖車啟動加速過程，實際上就是一個PID控制過程。連續PID控制系統控制方程為

(4)

式中：Kp——比例系數；

Ti——積分系數；

Td——微分系數。

為了在軟件中充分表現出拖車在時域內單位時間間隔的觀測過程，需要對公式(4)進行離散化。根據離散化條件：

(5)

得到離散化后的PID系統基本公式如下：

(6)

PID控制具有結構簡單，穩定性好，工作可靠，調整方便等優點，并特別適用于工程實際應用中。軟件中對拖車速度采用PID控制的設計不但更符合真實實驗過程中拖車的運動情況，而且可以作為教師啟發學生了解更多跨學科知識的重要手段。

5 結論

本系統已經用于大連理工大學船舶工程專業2009級和2010級全日制本科生自選實驗項目教學中，通過學生實驗報告和學生反饋，總結本系統在實際教學中的效果如下。

1)滿足學生主動探索的需求。船模性能實驗需要船池和拖車等龐大設備，所以每次實驗，一次只能容納1個實驗小組，1個小組至少10個人。另外，實驗模型也只有1個，實驗條件都是任課老師事先確定好的，所有人只有1個實驗數據結果。利用本軟件系統，學生可在實驗平臺上選擇自已感興趣的船型進行實驗，得到自己的實驗數據。學生在學習的過程中主動探索，主動思考，努力理解自己所學的東西，而不是死記硬背，被動接納。

2)激發學生潛在的學習能力。每個實驗小組至少10個人，所以每個操作實驗設備同學都是在眾人注目下進行。這對于學習成績或動手能力稍差的同學是一種考驗，需要他們具備一定膽識。而這類同學在虛擬實驗平臺上，可以反復進行實驗，最終拿到與其它同學不一樣的實驗結果，這對于他們，是一次能力的肯定，增強他們的信心。

3)調整學生的學習情感。本軟件系統采用文字、曲線、音頻和視頻等多媒體優化組合的教學方式。與傳統教學相比，具有新穎、愉快和輕松的特點。換一種學習方式，能夠引發學生的學習興趣，愉快地完成教學任務。

4)突破時空的限制。本軟件系統可以掛在網上，學生可在實驗室以外創造學習環境，可以在適合的時間進行學習。軟件不但解決了學生學習地點與時間的不便，也減少了學生實驗對于水池設備的占用時間，緩解了教學工作與常規科研工作的沖突。

船模性能虛擬實驗軟件系統經過2屆學生試用，證明此軟件系統完全滿足船舶工程專業本科教學任務要求，同時該軟件系統也應用于大連理工大學遠程教育船舶工程專業本科教學中。

船模性能實驗虛擬教學軟件雖然不能完全代替船模實驗，但在船模性能實驗軟件平臺對開放性教學，提供個性化的學習內容起到一定的積極作用。它可以突破時空的限制，提供更多的學習機會，擴大教學規模，提高教學質量，降低教學成本。尤其對遠程教育和不具備進行船模性能實驗能力的高校船舶工程專業本科教學有著更重要的使用價值和意義。

[1] 倪少玲，宗 智，李海濤，等.重視實驗教學提升學生創新能力[J].船海工程,2011,40(4):78-81.

[2] 謝永和.提高船舶阻力實驗教學質量，加強學生綜合素質培養[J].浙江海洋學院學報,2007,26(4):479-481.

[3] 倪少玲，王少新.船舶阻力教學實驗的計算機模擬與仿真[J].實驗技術與管理,2003,20(6):41-44,48.

[4] 隋秀鳳，倪少玲，楊 杰，等.船舶阻力教學實驗仿真軟件開發[J].實驗技術與管理,2005,22(3):73-76.

[5] 倪少玲，任政儒，李海濤，等.船模阻力虛擬試驗教學系統開發研究[J].船海工程,2012,41(6):34-37.

[6] 李玉林,馬 軍,王 巖.零基礎學Visual Basic+SQL Server[M].北京：機械工業出版社,2008.

[7] 王言英.船舶實驗數據的回歸分析[J].大連工學院學報,1980,19(3):101-114.

[8] 付夢印,鄧志紅,閻莉萍.卡爾曼濾波理論及其在導航系統中的應用[M].北京：科學出版社,2003.