船舶電站虛擬教學(xué)平臺研究

李建偉

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船舶電站虛擬教學(xué)平臺研究

李建偉

（1. 青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島 266404）

分析高職輪機專業(yè)信息化教學(xué)的基礎(chǔ)上，提出船舶電站虛擬教學(xué)平臺的構(gòu)建思路，并根據(jù)構(gòu)建需要考慮三維建模和場景交互，形成可以推廣教學(xué)的軟件平臺，在教學(xué)實踐中得到應(yīng)用，豐富了教學(xué)思路，提高了教學(xué)效果。

船舶電站 虛擬現(xiàn)實 unity3d

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)充斥著生活的各個角落，“互聯(lián)網(wǎng)+”行動被提升到2015年《政府工作報告》，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”開始向傳統(tǒng)教育發(fā)起強烈沖擊。2016年11月16日至18日在烏鎮(zhèn)舉行的第三屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會中，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校教授胡正明指出互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對高校教育尤其以技能為核心的高職教育的重要意義。

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的形勢下，高職院校教師面臨的不再是傳統(tǒng)意義的學(xué)生，而是手持各種智能終端，信息化武裝頭腦，“玩味”十足的學(xué)生。“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的結(jié)果，使未來的一切教與學(xué)活動都圍繞互聯(lián)網(wǎng)進行，老師在互聯(lián)網(wǎng)上教學(xué)，學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)，各種信息在互聯(lián)網(wǎng)上流動，信息化教學(xué)已然成為高職教育的主要趨勢。

旨在提升職業(yè)院校教師信息化教學(xué)能力的全國信息化教學(xué)能力提升“萬里行”活動于2016年7月10日至19日在山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院舉行，此次培訓(xùn)中教育部職業(yè)院校信息化教學(xué)指導(dǎo)委員會的眾多專家以及2015年全國信息化教學(xué)大賽一等獎的參賽選手一致反映虛擬仿真教學(xué)能顯著提升教學(xué)效果，并預(yù)言虛擬教學(xué)在未來教學(xué)中具有無可替代的作用。本文以船舶電站為對象，研究虛擬教學(xué)在船舶電站課程及評估中的作用，并形成船舶電站虛擬教學(xué)平臺，為以后的船舶電站教學(xué)提供有益的補充。

1 平臺構(gòu)建思路

船舶電站虛擬教學(xué)平臺旨在設(shè)計一種支持虛擬現(xiàn)實顯示的液晶屏或數(shù)據(jù)終端顯示和操作的虛擬交互系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用來演示《船舶電站與電氣安全》課程中發(fā)電機并聯(lián)運行操作等實操部分的理論講解，豐富教學(xué)方法；同時，又能輔助完成海船船員二三管輪《電氣與自動控制》科目船舶電站操作部分的操作和演示，協(xié)助完成《電氣與自動控制》的適任評估工作，提高教學(xué)效果。

考慮《船舶電氣與自動化》課程教學(xué)需要及《電氣與自動化》海船船員適任評估規(guī)范的具體要求，同時結(jié)合船舶電站的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和實現(xiàn)機理，將船舶電站結(jié)構(gòu)中的各部件劃分為顯示部件、操作部件和拆裝部件，其中拆裝部件主要用來展示工作原理,而顯示部件和操作部件用于虛擬臺盤控制，需進一步仿真簡化，進而得到易編程控制的簡化模型。

根據(jù)得到的簡化模型，利用三維建模軟件3ds Max創(chuàng)建船舶電站的三維實體模型。為方便后期的模型優(yōu)化，在三維建模的過程中對于顯示部件進行簡單的紋理貼圖、渲染和烘焙；操作和拆裝部件需進行動畫分解和設(shè)置，并最終形成.max后綴的文件[1]。將構(gòu)建的.max文件通過fbx插件導(dǎo)入到unity 3d編輯引擎，在unity 3d編輯器中進行事件編譯、動畫處理和腳本編譯，構(gòu)建思路框圖如下：

圖1 虛擬教學(xué)平臺構(gòu)建思路

在unity3d引擎編輯過程中，對于裝置式開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)的簡單動作采用JavaScript腳本編寫，對于復(fù)雜的邏輯關(guān)系如船舶電站并聯(lián)運行操作過程的邏輯判斷、船舶主電網(wǎng)與應(yīng)急電網(wǎng)的切換等采用C#編寫，最后將編寫好的文件發(fā)布成Pc,Mac&Linux,Standalone版本的.exe可執(zhí)行程序，形成完整的船舶電站虛擬教學(xué)平臺[1]。

2 船舶電站建模

2.1船舶電站數(shù)學(xué)模型

船舶電站虛擬教學(xué)平臺的模型構(gòu)建參照型長136 m，型寬28 m，型深12.35 m，設(shè)計吃水8.6 m的某船，其船舶電站系統(tǒng)比較先進，并涵蓋了動力學(xué)和電工學(xué)的若干知識，并包含了諸如磁通、轉(zhuǎn)角、壓力等電氣、機械和熱力參數(shù)。

系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模時，既要考慮各類參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性且忽略次要影響，又要保證模型能夠逼真的反應(yīng)建模實體。鑒于此，根據(jù)設(shè)計需要把船舶電站虛擬教學(xué)平臺的模型分為結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型和控制數(shù)學(xué)模型[2]。其中，結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型主要包括400 V、525 kW、50 Hz自勵同步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型、Wartsila6L28四沖程柴油機原動機的數(shù)學(xué)模型、400 V低壓勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、DW98型自動空氣斷路器數(shù)學(xué)模型等。

船舶電站控制數(shù)學(xué)模型主要用來實現(xiàn)船舶電站基本操作、保護和調(diào)節(jié)等邏輯控制的模型，主要包括Wartsila6L28柴油機原動機的啟動/停車控制數(shù)學(xué)模型、DW98型自動空氣斷路器分閘/合閘控制數(shù)學(xué)模型、船舶電站并聯(lián)運行操作控制數(shù)學(xué)模型、船舶電站頻率調(diào)節(jié)控制數(shù)學(xué)模型、船舶電站負荷自動控制數(shù)學(xué)模型等。論文以船舶電站并聯(lián)運行操作進行控制數(shù)學(xué)模型的介紹，其流程框圖如圖2。

圖2 并聯(lián)運行數(shù)學(xué)模型流程圖

船舶電站并聯(lián)運行數(shù)學(xué)模型參考文獻[2]，根據(jù)船舶電站并聯(lián)運行機制和控制要求分析得出。船舶電站并聯(lián)運行操作時，首先根據(jù)船舶電網(wǎng)的負載情況進行參數(shù)檢查，包括電壓、頻率和功率參數(shù)，并將檢測的參數(shù)反饋給控制系統(tǒng)進行邏輯判斷；啟動待并發(fā)電機，并檢測待并發(fā)電機組的電壓、頻率參數(shù)，根據(jù)電壓參數(shù)檢測到的電壓差和頻率差進行下一步的判斷，在此邏輯判斷過程中采用兩個與門控制環(huán)節(jié)；在電壓差和頻率差判斷的基礎(chǔ)上，進行相位差上的邏輯與判斷，當滿足電壓差小于10%，頻率差小于1%的前提條件下方可進行相位差的邏輯與判斷，當相位差小于+15°時發(fā)出合閘信號[3]。

從運行機理的角度看，電壓差判斷環(huán)節(jié)和頻率差判斷環(huán)節(jié)是并行關(guān)系，兩個環(huán)節(jié)的先后關(guān)系可以互調(diào)；然后才有的相位差判斷環(huán)節(jié)，與上兩個環(huán)節(jié)是層級遞進的電氣聯(lián)鎖關(guān)系，故采用與門環(huán)節(jié)。

2.2船舶電站三維模型

在船舶電站虛擬教學(xué)平臺的三維實體建模環(huán)節(jié)，考慮了船舶電站的結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型及簡化方案，并將次要影響忽略掉，得到簡化模型，以此為三維實體建模依據(jù)，進而構(gòu)造直觀的虛擬教學(xué)平臺的虛擬場景。

為確保船舶電站虛擬教學(xué)平臺場景虛擬仿真的逼真度和場景操作的流暢性，針對不同的船舶電站部件結(jié)構(gòu)采用合適的三維建模方法，以便優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)。結(jié)合船舶電站各部件結(jié)構(gòu)，同時配以合適的3ds max建模方法，將建模方法劃分為線框建模、多邊形建模和NURBS建模[1]。

線框建模充分利用了虛擬場景中的三維坐標來精確定位，并將坐標點通過有向線段連接起來形成線框組合，該建模方法建模時能有效減少模型的三角面數(shù)，并利于后期的運行效果，主要用于原動機油路、冷卻水和電路的布局類建模；多邊形建模簡單、快捷、易操作，使用“編輯多邊形”修改器對編輯對象進行處理，能有效避免冗余的三角面，為后期的模型優(yōu)化帶來好處，主要用于船舶電站虛擬場景中的規(guī)則部件建模；NURBS建模利用非均勻有理數(shù)B-樣條線來塑造不規(guī)則曲面，構(gòu)建不規(guī)則部件的外形結(jié)構(gòu)，對于船舶電站自動空氣斷路器和隔離開關(guān)等復(fù)雜不規(guī)則的三維曲面的建模帶來良好效果。

3 虛擬教學(xué)平臺交互層的實現(xiàn)

船舶電站虛擬教學(xué)平臺的交互是在Unity 3d編輯引擎下實現(xiàn)的。Unity 3d是由Unity Technologies開發(fā)的一款強大的編輯引擎，它省去了底層的程序編輯，主要針對三維模型進行腳本編輯，用戶的構(gòu)思完全通過腳本來實現(xiàn)，并兼容了JavaScript、C#和Boo三種語言[4]。

虛擬教學(xué)平臺主要涉及JavaScript和C#兩種語言。JavaScript語言是一種基于對象和時間驅(qū)動的客戶端腳本語言，在本平臺設(shè)計中Transform. Translate用于船舶發(fā)電機主開關(guān)操作部件的平移，Transform.Rotate用于開關(guān)柜旋轉(zhuǎn)門的打開和關(guān)閉，Renderer.material.color用于顯示部件的顏色變化和渲染等。

在船舶電站虛擬教學(xué)平臺的交互層中，C#編程是整個交互編程框架的核心，是將簡單的JavaScript腳本連接和調(diào)用的橋梁和紐帶，是整合三維動畫和觸發(fā)函數(shù)的關(guān)鍵。C#語言主要用于實現(xiàn)船舶電站并聯(lián)運行操作、船舶主電網(wǎng)與應(yīng)急電網(wǎng)的關(guān)系、岸電箱的接電操作、船舶單相接地和絕緣故障查找等復(fù)雜的控制邏輯。以下以船舶電站并聯(lián)運行操作的腳本編程來展示C#的編程邏輯，其編程程序部分代碼如下：

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)

// 獲取G2腳本函數(shù)電壓組件參數(shù)

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

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

// 獲取G2腳本函數(shù)頻率組件參數(shù)

ScriptG2 other = (ScriptG2) go.GetComponent(generator2_requency);

else if(Vector3.Rotate(Generator1_frequency,transform.rotate)<0.5)

// 獲取G2腳本函數(shù)相位組件參數(shù)

ScriptG2 other = (ScriptG2) go.GetComponent(generator2_phase);

else if(Vector3.Rotate(Generator1_phase,transform.rotate)<15)

//執(zhí)行內(nèi)部腳本函數(shù)

str_script = "Internal_Function, update_power_Status_G1";

str_script = "Internal_Function, update_power_Status_G2";

}

}

4 結(jié)束語

船舶電站虛擬教學(xué)平臺是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（unity3d）為學(xué)生構(gòu)建一個基于船舶電站的虛擬教學(xué)環(huán)境，學(xué)生充分利用自己的視覺等感官系統(tǒng)來體驗教學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)了教學(xué)形式的多樣化以及教學(xué)情境逼真化和“實船化”[5]。

目前教學(xué)平臺已設(shè)計完成，并投入到教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生可以按照自己的思路和進度自由學(xué)習(xí)；操作界面詳細，人機交互良好，結(jié)合實訓(xùn)室已配備的大型液晶觸摸屏，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

但是，虛擬教學(xué)平臺在無線端的應(yīng)用還不完善，學(xué)生手機端的使用僅限于瀏覽階段，無法自主學(xué)習(xí)。通過一屆學(xué)生的使用，能滿足虛擬教學(xué)的需要，若后期配以VR眼鏡，相信授課效果更加震撼。

[1] 李建偉. 船舶輔鍋爐操控系統(tǒng)的三維實體建模與虛擬仿真[D]. 廈門: 集美大學(xué), 2009: 19-23.

[2] 夏永明, 張衛(wèi)忠. 船舶電站仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[J]. 上海：上海海事大學(xué)學(xué)報, 2008,(3): 52-58.

[3] 李建偉. 船舶電站操作與維護[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2015: 74-78.

[4] 智畫互動開發(fā)團隊. Unity 3D大風(fēng)暴[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2014: 1-8.

[5] 黃鑫. 基于VR技術(shù)的虛擬教學(xué)應(yīng)用研究[J]. 南昌: 江西教育學(xué)院學(xué)報, 2008,(6): 50-52.

Research on Virtual Teaching Platform of Marine Power Station

Li Jianwei

(1. Department of Marine Engineering, Qingdao Harbor Vocational and Technical College, Qingdao 266404, Shandong, China )

U665.1

A

1003-4862（2017）08-0052-04

2017-03-21

山東省教育廳2015年山東省職業(yè)教育教學(xué)改革研究項目(2015513)

李建偉(1981-)，男，碩士研究生。研究方向：虛擬仿真。joyleejianwei@163.com