船舶电站装置可视化虚拟仿真操作系统设计

胡 静，陈嘉阳，徐振洋

（1.武警海警学院 机电管理系，浙江 宁波 315801；2.上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

开展船舶电站操作训练是提升船舶机电专业学员实操技能的必然途径，然而基于现实的操作训练需要购置大量的实装设备，费用投入较高，而且受到人员、场地、时间等因素的限制，在操作训练期间存在着一定的安全风险和局限性。随着计算机软/硬件的发展，基于虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术的虚拟仿真操作是将实际操作过程在本质上体现在计算机上，利用计算机仿真和虚拟现实技术，实现船舶电站系统的远程操作、使用和维护，并能对过程进行评价和考核，可以有效提高实战教学效果，具有很高的实用价值[1]。

1 系统的组成

以贴近实船实装为原则，以软件系统和硬件系统为主设计构建远程操作训练系统，完成1套集“教、研、训、演、展”五大功能于一体的船舶电站虚拟仿真系统，具有鲜明的船舶特色和完备的相关功能，集信息化、网络化、集成化于一体。

1.1 软件系统

该软件系统按照模块化方式组成，支持3D立体显示，支持手持控制端输入，支持在Windows7（64位）系统中运行3D动作捕捉。利用3Dmax对每个模块模型进行开发制作，渲染相应的模型贴图，完成后导入Unity3D虚拟仿真平台，完成每个模型对应程序的写入，使每个模块的3D模型都能虚拟运行，形成电站仿真软件系统[2]。

1）3D模型模块。该模块构建了一个三维可视化的虚拟场景，将柴油发电机组、配电屏、电站控制和相关负载全部虚拟到服务器上，实现了对某型船舶电站动力装置的准确模拟。利用这些虚拟设备场景可以实现下列功能：船电与岸电转换；手动、半自动并车；手动、半自动解列；发电机转换；自动充放电装置配电。

2）数学模型模块。数学模型主要用来表示以发电装置和配电装置的工作过程为基础的电站设备状态参数、控制、特性等之间的关系。数学模型模块主要是指2大类模型：（1）第一类是用来表示发电机及其附属装置和远程操作系统动态特性的动态数学模型；（2）第二类为逻辑与控制数学模型，用于表示控制、运行、报警以及船舶发电站的自动保护等。其中，船用发电机的动态数学模型具有较高的复杂性，需要使用电磁回路方程和转子运动方程。主要用来表示当船用发电机输入的机械功率与输出的电功率不平衡时，发电机的转速与转子角度的变化程度，以及用来描述船用发电机的转子绕组、定子的电压变化等。

3）功能模块。主要是指仿真训练界面的设计，包括常规操作、结构原理、虚拟使用、虚拟维修等功能。通过这些功能模块，可以对船舶电站动力装置的正常、非正常运行工况进行真实模拟，甚至对常见故障进行模拟，从而达到模拟训练的目的。界面端以电脑模拟场景模拟各分设备和系统，主要有：原动机系统、发电机系统、机旁控制箱、主配电板、岸电稳压装置和自动充放电装置等。

1.2 硬件设备

硬件系统设备采用手持式操控终端、光学追踪系统、定制3D室内立体屏以及辅助设备等，能够实现所有培训内容的完整展现。采用手持操控终端操作，由3D室内立体屏显示，用于辅助操作和辅助项目介绍和提示的设备有平面导航显示器和内置键盘、鼠标等辅助设备[3]。

2 系统的设计

船舶电站动力装置虚拟仿真系统根据实船装置构造模拟模型，主要设备包括：1号发电机及岸电屏，2号发电机及并车屏，负载屏，组合启动屏等，其构造示意图见图1。首先完成各设备建模，然后将3D模型导入虚拟操作平台，其效果见图2[4]。

图1 系统操作平台结构图

图2 虚拟操作平台设计效果图

在此平台上，可实现岸船电转换、单机供电、发电机并车、解列、船岸电转换等电站操作训练。根据各模块工作流程和操作步骤进行功能模块的设计，岸船电转换模块部分程序编译如图3所示。

图3 部分程序编译

最后，完成各模块功能设计后进行系统整体集成，在此基础上可按需增加故障排除、操作考核等功能模块，特别是对实船操作训练中难以设置的故障进行模拟，训练故障分析和排除能力，有效提高了训练对象的操作能力和维护水平[5]。

3 系统的调试

对设计的船舶电站虚拟仿真操作系统进行调试，具体调试结果如下。

3.1 岸电转船电

船出码头，岸电调换是一定要做的工作。其操作流程为：当船舶发电机组起动准备就绪后，完成起动待稳定，将岸电断开，岸电供电指示灯灭，再对船舶进行合闸供电，合闸发电机供电指示灯亮。岸电指示效果见图4。

图4 岸电指示效果图

3.2 发电机并车

当需要2台发电机并联运行时，需要发电机并车运行，其运行过程是：启动待并机，将电压、频率调整到额定值，按并车要求开启同步指示装置并车，合闸后，关闭同步指示装置并进行负载转移，直到2台发电机组功率平衡，效果见图5。

图5 发电机并车效果图

调试结果证明，本设计能满足船舶电站虚拟仿真远程操作系统的需求，达到了船舶机电专业学员专业操作培训的目的。

4 结论

建设船舶电站虚拟训练系统和维修平台，大力开展机电类船员级技能培训，用大量贴近实装的虚拟设备代替实际装备，解决人员和设备之间的矛盾，组织培训对象进行全面系统的装备虚拟操作和维修训练，可以大幅降低培训的硬件成本，更高效地提高培训质量，帮助培训对象积累宝贵的维修经验，并且可以有力支撑院校教学科研。系统的可升级空间大，过程可控，操作齐全，后期可扩充多型船舶实装的虚拟模型数据库，可开展贴近实际的科研创新项目，也为开发船机电装备全功能模拟器打下良好的基础。