船舶电站虚拟教学平台研究

2017-10-14李建伟

船电技术 2017年8期

关键词：并联数学模型电站

李建伟

船舶电站虚拟教学平台研究

李建伟

（1. 青岛港湾职业技术学院，山东青岛 266404）

分析高职轮机专业信息化教学的基础上，提出船舶电站虚拟教学平台的构建思路，并根据构建需要考虑三维建模和场景交互，形成可以推广教学的软件平台，在教学实践中得到应用，丰富了教学思路，提高了教学效果。

船舶电站虚拟现实 unity3d

0 引言

随着互联网技术的迅猛发展，使得“互联网+”技术充斥着生活的各个角落，“互联网+”行动被提升到2015年《政府工作报告》，“互联网+教育”开始向传统教育发起强烈冲击。2016年11月16日至18日在乌镇举行的第三届世界互联网大会中，加利福尼亚大学伯克利分校教授胡正明指出互联网技术对高校教育尤其以技能为核心的高职教育的重要意义。

在“互联网+教育”的形势下，高职院校教师面临的不再是传统意义的学生，而是手持各种智能终端，信息化武装头脑，“玩味”十足的学生。“互联网+教育”的结果，使未来的一切教与学活动都围绕互联网进行，老师在互联网上教学，学生在互联网学习，各种信息在互联网上流动，信息化教学已然成为高职教育的主要趋势。

旨在提升职业院校教师信息化教学能力的全国信息化教学能力提升“万里行”活动于2016年7月10日至19日在山东商业职业技术学院举行，此次培训中教育部职业院校信息化教学指导委员会的众多专家以及2015年全国信息化教学大赛一等奖的参赛选手一致反映虚拟仿真教学能显著提升教学效果，并预言虚拟教学在未来教学中具有无可替代的作用。本文以船舶电站为对象，研究虚拟教学在船舶电站课程及评估中的作用，并形成船舶电站虚拟教学平台，为以后的船舶电站教学提供有益的补充。

1 平台构建思路

船舶电站虚拟教学平台旨在设计一种支持虚拟现实显示的液晶屏或数据终端显示和操作的虚拟交互系统，该系统可以用来演示《船舶电站与电气安全》课程中发电机并联运行操作等实操部分的理论讲解，丰富教学方法；同时，又能辅助完成海船船员二三管轮《电气与自动控制》科目船舶电站操作部分的操作和演示，协助完成《电气与自动控制》的适任评估工作，提高教学效果。

考虑《船舶电气与自动化》课程教学需要及《电气与自动化》海船船员适任评估规范的具体要求，同时结合船舶电站的基本结构、工作原理和实现机理，将船舶电站结构中的各部件划分为显示部件、操作部件和拆装部件，其中拆装部件主要用来展示工作原理,而显示部件和操作部件用于虚拟台盘控制，需进一步仿真简化，进而得到易编程控制的简化模型。

根据得到的简化模型，利用三维建模软件3ds Max创建船舶电站的三维实体模型。为方便后期的模型优化，在三维建模的过程中对于显示部件进行简单的纹理贴图、渲染和烘焙；操作和拆装部件需进行动画分解和设置，并最终形成.max后缀的文件[1]。将构建的.max文件通过fbx插件导入到unity 3d编辑引擎，在unity 3d编辑器中进行事件编译、动画处理和脚本编译，构建思路框图如下：

图1 虚拟教学平台构建思路

在unity3d引擎编辑过程中，对于装置式开关、转换开关的简单动作采用JavaScript脚本编写，对于复杂的逻辑关系如船舶电站并联运行操作过程的逻辑判断、船舶主电网与应急电网的切换等采用C#编写，最后将编写好的文件发布成Pc,Mac&Linux,Standalone版本的.exe可执行程序，形成完整的船舶电站虚拟教学平台[1]。

2 船舶电站建模

2.1船舶电站数学模型

船舶电站虚拟教学平台的模型构建参照型长136 m，型宽28 m，型深12.35 m，设计吃水8.6 m的某船，其船舶电站系统比较先进，并涵盖了动力学和电工学的若干知识，并包含了诸如磁通、转角、压力等电气、机械和热力参数。

系统数学建模时，既要考虑各类参数之间的关联性且忽略次要影响，又要保证模型能够逼真的反应建模实体。鉴于此，根据设计需要把船舶电站虚拟教学平台的模型分为结构数学模型和控制数学模型[2]。其中，结构数学模型主要包括400 V、525 kW、50 Hz自励同步发电机数学模型、Wartsila6L28四冲程柴油机原动机的数学模型、400 V低压励磁系统数学模型、DW98型自动空气断路器数学模型等。

船舶电站控制数学模型主要用来实现船舶电站基本操作、保护和调节等逻辑控制的模型，主要包括Wartsila6L28柴油机原动机的启动/停车控制数学模型、DW98型自动空气断路器分闸/合闸控制数学模型、船舶电站并联运行操作控制数学模型、船舶电站频率调节控制数学模型、船舶电站负荷自动控制数学模型等。论文以船舶电站并联运行操作进行控制数学模型的介绍，其流程框图如图2。

图2 并联运行数学模型流程图

船舶电站并联运行数学模型参考文献[2]，根据船舶电站并联运行机制和控制要求分析得出。船舶电站并联运行操作时，首先根据船舶电网的负载情况进行参数检查，包括电压、频率和功率参数，并将检测的参数反馈给控制系统进行逻辑判断；启动待并发电机，并检测待并发电机组的电压、频率参数，根据电压参数检测到的电压差和频率差进行下一步的判断，在此逻辑判断过程中采用两个与门控制环节；在电压差和频率差判断的基础上，进行相位差上的逻辑与判断，当满足电压差小于10%，频率差小于1%的前提条件下方可进行相位差的逻辑与判断，当相位差小于+15°时发出合闸信号[3]。

从运行机理的角度看，电压差判断环节和频率差判断环节是并行关系，两个环节的先后关系可以互调；然后才有的相位差判断环节，与上两个环节是层级递进的电气联锁关系，故采用与门环节。

2.2船舶电站三维模型

在船舶电站虚拟教学平台的三维实体建模环节，考虑了船舶电站的结构数学模型及简化方案，并将次要影响忽略掉，得到简化模型，以此为三维实体建模依据，进而构造直观的虚拟教学平台的虚拟场景。

为确保船舶电站虚拟教学平台场景虚拟仿真的逼真度和场景操作的流畅性，针对不同的船舶电站部件结构采用合适的三维建模方法，以便优化模型结构。结合船舶电站各部件结构，同时配以合适的3ds max建模方法，将建模方法划分为线框建模、多边形建模和NURBS建模[1]。

线框建模充分利用了虚拟场景中的三维坐标来精确定位，并将坐标点通过有向线段连接起来形成线框组合，该建模方法建模时能有效减少模型的三角面数，并利于后期的运行效果，主要用于原动机油路、冷却水和电路的布局类建模；多边形建模简单、快捷、易操作，使用“编辑多边形”修改器对编辑对象进行处理，能有效避免冗余的三角面，为后期的模型优化带来好处，主要用于船舶电站虚拟场景中的规则部件建模；NURBS建模利用非均匀有理数B-样条线来塑造不规则曲面，构建不规则部件的外形结构，对于船舶电站自动空气断路器和隔离开关等复杂不规则的三维曲面的建模带来良好效果。

3 虚拟教学平台交互层的实现

船舶电站虚拟教学平台的交互是在Unity 3d编辑引擎下实现的。Unity 3d是由Unity Technologies开发的一款强大的编辑引擎，它省去了底层的程序编辑，主要针对三维模型进行脚本编辑，用户的构思完全通过脚本来实现，并兼容了JavaScript、C#和Boo三种语言[4]。

虚拟教学平台主要涉及JavaScript和C#两种语言。JavaScript语言是一种基于对象和时间驱动的客户端脚本语言，在本平台设计中Transform. Translate用于船舶发电机主开关操作部件的平移，Transform.Rotate用于开关柜旋转门的打开和关闭，Renderer.material.color用于显示部件的颜色变化和渲染等。

在船舶电站虚拟教学平台的交互层中，C#编程是整个交互编程框架的核心，是将简单的JavaScript脚本连接和调用的桥梁和纽带，是整合三维动画和触发函数的关键。C#语言主要用于实现船舶电站并联运行操作、船舶主电网与应急电网的关系、岸电箱的接电操作、船舶单相接地和绝缘故障查找等复杂的控制逻辑。以下以船舶电站并联运行操作的脚本编程来展示C#的编程逻辑，其编程程序部分代码如下：

usingUnityEngine;

usingSystem.Collections;

public class GeneratorParallel : MonoBehaviour {

public static bool Generator1=true;

public static bool Generator2=false;

// Update is called once per frame

void Update ()

{

if(Vector3.Rotate(Generator1_power,transform.rotate)>400)

// 获取G2脚本函数电压组件参数

ScriptG2 other = (ScriptG2) go.GetComponent(generator2_voltage);

else if(Vector3.Rotate(Generator1_voltage,transform.rotate)<20)