船舶輔鍋爐系統(tǒng)的仿真研究

劉鴻儒，萬隆君，徐軼群

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021）

0 引言

應(yīng)用船舶輪機(jī)模擬器培養(yǎng)現(xiàn)代輪機(jī)管理人員是快速提高管理經(jīng)驗(yàn)的有效手段[1]。由于它是一種培訓(xùn)輪機(jī)人員經(jīng)濟(jì)、安全、高效的設(shè)施之一，國際海事組織(IMO)在STCW78/95公約中已將其列入船員培訓(xùn)的必備條件之一，并對(duì)輪機(jī)模擬器的一般性標(biāo)準(zhǔn)和建議性標(biāo)準(zhǔn)做了詳細(xì)的規(guī)定[2]。船舶輔鍋爐系統(tǒng)是船舶動(dòng)力裝置的重要組成部分，也是輪機(jī)模擬器培訓(xùn)中重要內(nèi)容之一。目前，國內(nèi)外對(duì)船舶輔鍋爐系統(tǒng)研究主要集中于仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研發(fā)。

本文以船舶輔鍋爐系統(tǒng)操作過程為研究對(duì)象，提出在Unity 3D平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶輔鍋爐系統(tǒng)的漫游和控制操作仿真。

1 船舶輔鍋爐系統(tǒng)

1.1 鍋爐本體

鍋爐本體是由筒體、爐膽和針形管組成[3]。針形管由密集排布的柱形鋼針焊在銅管外壁而成，分別布置在大煙管中。筒體上設(shè)有人孔和手孔，方便最鍋爐內(nèi)部進(jìn)行維修。圓筒形爐膽和上、下管板組成水冷爐膛。爐膛中燃燒出來的高溫?zé)煔膺M(jìn)入特殊的換熱元件——針形管，沖刷大煙管內(nèi)壁和針形換熱管，形成一個(gè)高效的換熱管組，使得熱量高效的傳導(dǎo)。

1.2 燃燒器

燃燒器由配風(fēng)器、噴油器和電點(diǎn)火器等組成。配風(fēng)器的作用是產(chǎn)生的適當(dāng)壓力且適量的風(fēng)，并與噴油器噴入爐膛的霧化均勻混合，以提高燃燒效率[3]。噴油器是控制噴入適量的燃油，并將燃油霧化成很小的霧滴，保證燃燒質(zhì)量。電點(diǎn)火器在燃燒條件充足的前提下，利用產(chǎn)生的高壓電火花，瞬間點(diǎn)燃燃油，保證燃燒的順利進(jìn)行。

1.3 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)包括燃油系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、凝水系統(tǒng)和排污系統(tǒng)等組成[3]。燃油系統(tǒng)負(fù)責(zé)為燃燒提供足夠和品質(zhì)符合要求的燃油，給水系統(tǒng)是為鍋爐提供足夠和品質(zhì)符合要求的水，凝水系統(tǒng)保證水的重復(fù)使用。燃油系統(tǒng)由供油泵、過濾器、給油加熱器、油管和各個(gè)自動(dòng)控制元件、儀表等組成。給水系統(tǒng)給水加熱器、給水泵、液位控制器、水管和各個(gè)自動(dòng)控制元件、儀表等組成。各個(gè)自動(dòng)控制元件通過油壓或是水壓控制，保證系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。鍋爐失水會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的事故，為了保證鍋爐的安全，一般都會(huì)配備兩套給水設(shè)備，其一備用。

2 船舶輔鍋爐系統(tǒng)漫游與人機(jī)交互

2.1 虛擬仿真平臺(tái)

虛擬仿真平臺(tái)是整合模型與媒體生成場景數(shù)據(jù)庫的場所，是實(shí)現(xiàn)漫游與人機(jī)交互的場所，故選取合適的虛擬仿真平是非常重要的。Unity 3D作為市面上使用最多的仿真平臺(tái)之一，具備以下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）著色器、光影渲染系統(tǒng)和粒子系統(tǒng)等組件工具，可以二次開發(fā)，使場景更加逼真；

（2）支持大多數(shù)音頻流和視頻流格式，并能實(shí)時(shí)支持三維圖形混合音頻流和視頻流；

（3）腳本是Mono腳本，是基于.NET Frame?work的開源語言，可以用JavaScript、C#或Boo加以編寫；

（4）跨平臺(tái)特性，可以在Windows、iPhone、Android等平臺(tái)上發(fā)布運(yùn)行[4]。

2.2 船舶輔鍋爐系統(tǒng)漫游及人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)

2.2.1 船舶輔鍋爐系統(tǒng)場景建立

在三維實(shí)體建模軟件3DSMAX中，創(chuàng)建各個(gè)部件實(shí)體模型，再按現(xiàn)實(shí)船舶輔鍋爐房進(jìn)行布局，組成船舶輔鍋爐系統(tǒng)虛擬場景。為了讓使用者在漫游和人機(jī)操作時(shí)，能沉浸其中，擁有真實(shí)的操作體驗(yàn)，必須對(duì)場景中的模型進(jìn)行必要的處理。這些處理主要有：

（1）優(yōu)化模型，減少模型個(gè)數(shù)和面數(shù)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)時(shí)性；

（2）添加材質(zhì)燈光，給各個(gè)模型構(gòu)件按照現(xiàn)實(shí)的材質(zhì)屬性進(jìn)行添加，同時(shí)為整個(gè)系統(tǒng)添加燈光，提高系統(tǒng)場景的真實(shí)感。

船舶輔鍋爐系統(tǒng)虛擬場景創(chuàng)建完后，以.FBX格式輸出，并導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D新建項(xiàng)目的“Assets”文件夾中，同時(shí)運(yùn)行Unity 3D，為場景的模型添加基本物理屬性諸如剛體（Rigidbody）和碰撞（Collider），為實(shí)現(xiàn)漫游和人機(jī)交互做準(zhǔn)備。

2.2.2 船舶輔鍋爐系統(tǒng)可控漫游

在對(duì)象列表（Hierarchy）中，新建并命名為“controller”空物體或觀察者和一臺(tái)攝像機(jī)，將攝像機(jī)作為子物體掛靠在controller上，調(diào)整位置和視角，同時(shí)為controller添加必要的物理屬性比如剛體和碰撞。

在項(xiàng)目資源列表（Project）中，新建命名為“manyou”的Java腳本，并將其拖到controller的“Inspector”上，雙擊manyou腳本，進(jìn)入U(xiǎn)nity自帶的MonoDevelop中編輯，通過腳本控制實(shí)現(xiàn)視角和位置的變化，其程序如下：

2.2.3 船舶輔鍋爐系統(tǒng)控制操作仿真

船舶輔鍋爐系統(tǒng)控制操作包括供水、供油和燃燒等控制過程。限于篇幅要求，選取供水控制過程進(jìn)行仿真說明。

船舶輔鍋爐系統(tǒng)供水控制提供手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，一般在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，供水系統(tǒng)是自動(dòng)控制的，只有在啟動(dòng)低水位、出故障等情況下是手動(dòng)控制。供水系統(tǒng)的控制最主要的是通過液位控制泵機(jī)的啟動(dòng)，從而控制整個(gè)供水系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，其控制流程圖如下常（假設(shè)水位正常）：

圖1 水系統(tǒng)控制流程圖

在仿真設(shè)計(jì)時(shí)，水位數(shù)值應(yīng)以不同的時(shí)間函數(shù)上升下降。若是出現(xiàn)故障，發(fā)出聲光報(bào)警，仍沒有人手動(dòng)啟動(dòng)泵機(jī)，致使水位降到危險(xiǎn)水位，強(qiáng)制停爐。在排除故障后，要復(fù)位才能啟動(dòng)鍋爐。鍋爐水系統(tǒng)整個(gè)控制過程程序如下：

3 結(jié)語

本文使用Unity 3D平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐控制操作的仿真方案，很好的解決了實(shí)船培訓(xùn)和物理模擬器在時(shí)間和空間上的限制問題，但是相對(duì)于越來越高的輪機(jī)人員培訓(xùn)要求，該模擬器的實(shí)時(shí)性、沉浸性和可靠性還有待提高，這也是將來研究的重點(diǎn)。

［1］賈寶柱，曹輝，張均東，等.輪機(jī)模擬器及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國航海，2012，35（1）：35-40.

［2］曾青山，陳景峰，黃加亮.輪機(jī)模擬器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.集美大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，8（1）：74-79.

［3］李建偉.船舶輔鍋爐操控系統(tǒng)的三維實(shí)體建模與虛擬仿真［D］.廈門：集美大學(xué)，2009.

［4］吳亞峰，于復(fù)興.Unity 3D游戲開發(fā)技術(shù)詳解與典型案例［M］.北京∶人民郵電出版社，2012.