船舶電站裝置可視化虛擬仿真操作系統設計

胡 靜，陳嘉陽，徐振洋

（1.武警海警學院 機電管理系，浙江 寧波 315801；2.上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

開展船舶電站操作訓練是提升船舶機電專業學員實操技能的必然途徑，然而基于現實的操作訓練需要購置大量的實裝設備，費用投入較高，而且受到人員、場地、時間等因素的限制，在操作訓練期間存在著一定的安全風險和局限性。隨著計算機軟/硬件的發展，基于虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術的虛擬仿真操作是將實際操作過程在本質上體現在計算機上，利用計算機仿真和虛擬現實技術，實現船舶電站系統的遠程操作、使用和維護，并能對過程進行評價和考核，可以有效提高實戰教學效果，具有很高的實用價值[1]。

1 系統的組成

以貼近實船實裝為原則，以軟件系統和硬件系統為主設計構建遠程操作訓練系統，完成1套集“教、研、訓、演、展”五大功能于一體的船舶電站虛擬仿真系統，具有鮮明的船舶特色和完備的相關功能，集信息化、網絡化、集成化于一體。

1.1 軟件系統

該軟件系統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）系統中運行3D動作捕捉。利用3Dmax對每個模塊模型進行開發制作，渲染相應的模型貼圖，完成后導入Unity3D虛擬仿真平臺，完成每個模型對應程序的寫入，使每個模塊的3D模型都能虛擬運行，形成電站仿真軟件系統[2]。

1）3D模型模塊。該模塊構建了一個三維可視化的虛擬場景，將柴油發電機組、配電屏、電站控制和相關負載全部虛擬到服務器上，實現了對某型船舶電站動力裝置的準確模擬。利用這些虛擬設備場景可以實現下列功能：船電與岸電轉換；手動、半自動并車；手動、半自動解列；發電機轉換；自動充放電裝置配電。

2）數學模型模塊。數學模型主要用來表示以發電裝置和配電裝置的工作過程為基礎的電站設備狀態參數、控制、特性等之間的關系。數學模型模塊主要是指2大類模型：（1）第一類是用來表示發電機及其附屬裝置和遠程操作系統動態特性的動態數學模型；（2）第二類為邏輯與控制數學模型，用于表示控制、運行、報警以及船舶發電站的自動保護等。其中，船用發電機的動態數學模型具有較高的復雜性，需要使用電磁回路方程和轉子運動方程。主要用來表示當船用發電機輸入的機械功率與輸出的電功率不平衡時，發電機的轉速與轉子角度的變化程度，以及用來描述船用發電機的轉子繞組、定子的電壓變化等。

3）功能模塊。主要是指仿真訓練界面的設計，包括常規操作、結構原理、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、非正常運行工況進行真實模擬，甚至對常見故障進行模擬，從而達到模擬訓練的目的。界面端以電腦模擬場景模擬各分設備和系統，主要有：原動機系統、發電機系統、機旁控制箱、主配電板、岸電穩壓裝置和自動充放電裝置等。

1.2 硬件設備

硬件系統設備采用手持式操控終端、光學追蹤系統、定制3D室內立體屏以及輔助設備等，能夠實現所有培訓內容的完整展現。采用手持操控終端操作，由3D室內立體屏顯示，用于輔助操作和輔助項目介紹和提示的設備有平面導航顯示器和內置鍵盤、鼠標等輔助設備[3]。

2 系統的設計

船舶電站動力裝置虛擬仿真系統根據實船裝置構造模擬模型，主要設備包括：1號發電機及岸電屏，2號發電機及并車屏，負載屏，組合啟動屏等，其構造示意圖見圖1。首先完成各設備建模，然后將3D模型導入虛擬操作平臺，其效果見圖2[4]。

圖1 系統操作平臺結構圖

圖2 虛擬操作平臺設計效果圖

在此平臺上，可實現岸船電轉換、單機供電、發電機并車、解列、船岸電轉換等電站操作訓練。根據各模塊工作流程和操作步驟進行功能模塊的設計，岸船電轉換模塊部分程序編譯如圖3所示。

圖3 部分程序編譯

最后，完成各模塊功能設計后進行系統整體集成，在此基礎上可按需增加故障排除、操作考核等功能模塊，特別是對實船操作訓練中難以設置的故障進行模擬，訓練故障分析和排除能力，有效提高了訓練對象的操作能力和維護水平[5]。

3 系統的調試

對設計的船舶電站虛擬仿真操作系統進行調試，具體調試結果如下。

3.1 岸電轉船電

船出碼頭，岸電調換是一定要做的工作。其操作流程為：當船舶發電機組起動準備就緒后，完成起動待穩定，將岸電斷開，岸電供電指示燈滅，再對船舶進行合閘供電，合閘發電機供電指示燈亮。岸電指示效果見圖4。

圖4 岸電指示效果圖

3.2 發電機并車

當需要2臺發電機并聯運行時，需要發電機并車運行，其運行過程是：啟動待并機，將電壓、頻率調整到額定值，按并車要求開啟同步指示裝置并車，合閘后，關閉同步指示裝置并進行負載轉移，直到2臺發電機組功率平衡，效果見圖5。

圖5 發電機并車效果圖

調試結果證明，本設計能滿足船舶電站虛擬仿真遠程操作系統的需求，達到了船舶機電專業學員專業操作培訓的目的。

4 結論

建設船舶電站虛擬訓練系統和維修平臺，大力開展機電類船員級技能培訓，用大量貼近實裝的虛擬設備代替實際裝備，解決人員和設備之間的矛盾，組織培訓對象進行全面系統的裝備虛擬操作和維修訓練，可以大幅降低培訓的硬件成本，更高效地提高培訓質量，幫助培訓對象積累寶貴的維修經驗，并且可以有力支撐院校教學科研。系統的可升級空間大，過程可控，操作齊全，后期可擴充多型船舶實裝的虛擬模型數據庫，可開展貼近實際的科研創新項目，也為開發船機電裝備全功能模擬器打下良好的基礎。