艦艇電力系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)

胡靜

（武警海警學(xué)院，浙江 寧波 315801）

1 引言

近幾年隨著計(jì)算機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展。其中，在艦艇電氣教學(xué)與實(shí)踐、艦艇相關(guān)課目訓(xùn)練中，虛擬仿真技術(shù)的作用日益突出，傳統(tǒng)的授課與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合的教學(xué)方式已經(jīng)在艦艇電氣專業(yè)課程中開展應(yīng)用。作為培養(yǎng)船舶機(jī)電人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，機(jī)電設(shè)備的操作使用、拆裝訓(xùn)練、維護(hù)管理和故障排除教學(xué)在各門專業(yè)課程中都有大量體現(xiàn)，直接關(guān)系到機(jī)電人員實(shí)踐操作技能的生成，對(duì)崗位任職能力的培養(yǎng)具有關(guān)鍵性作用。目前基于現(xiàn)實(shí)的機(jī)電設(shè)備的操作使用、拆裝訓(xùn)練、維護(hù)管理和故障排除教學(xué)，需要配置較大的場(chǎng)地，耗費(fèi)大量的人力物力財(cái)力，其中突出的一點(diǎn)就是設(shè)備數(shù)量和學(xué)生人數(shù)存在較大矛盾，部分人員不能親身經(jīng)歷設(shè)備拆裝維修等教學(xué)活動(dòng)，同時(shí)還存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。開發(fā)基于計(jì)算機(jī)軟/硬件和虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)的船舶機(jī)電設(shè)備虛擬拆裝維修系統(tǒng)，能夠較好地解決場(chǎng)地空間有限、設(shè)備數(shù)量不足、訓(xùn)練時(shí)間缺乏等矛盾問題，艦艇電力系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)電氣設(shè)備的拆裝練習(xí)、設(shè)計(jì)分析、使用維修過程的教學(xué)與實(shí)踐訓(xùn)練，并且能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬拆裝和維修過程的評(píng)估和考核功能。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本項(xiàng)目依托實(shí)船實(shí)物仿真，貼近部隊(duì)實(shí)兵實(shí)裝，建成功能齊全、特色鮮明、集“教、研、訓(xùn)、演、展”五項(xiàng)功能于一體的網(wǎng)絡(luò)化、信息化、集成化的艦艇電力系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)。該平臺(tái)主要有軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)備兩個(gè)模塊組成。

2.1 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)按模塊化方式組成，運(yùn)行于Windows 7 （64位）系統(tǒng)，支持3D 立體顯示、手持操控終端輸入和三維動(dòng)作捕捉。利用3Dmax 制作各模塊模型以及相應(yīng)的模型貼圖的渲染，利用Unity 3D 虛擬仿真平臺(tái)，將各模塊模型導(dǎo)入，通過程序?qū)懭雽?shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模型的虛擬操作，完成艦艇電力系統(tǒng)仿真軟件的制作。

2．1．1 3D 模型模塊

該模塊主要功能是構(gòu)建三維可視化的虛擬場(chǎng)景，為了達(dá)到逼真的實(shí)踐教學(xué)效果，選擇某型實(shí)船的電站系統(tǒng)為開發(fā)模型，實(shí)現(xiàn)了將實(shí)船電站設(shè)備的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景復(fù)制到服務(wù)器的虛擬場(chǎng)景。此模塊可以實(shí)現(xiàn)的功能如下：艦電與岸電轉(zhuǎn)換；手動(dòng)、半自動(dòng)并車；手動(dòng)、半自動(dòng)解列；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換；自動(dòng)充放電裝置配電。艦艇電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)效果圖參見圖1。

圖1 電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)效果圖

2．1．2 數(shù)學(xué)模型模塊

數(shù)學(xué)模型模塊的主要功能是模擬發(fā)電設(shè)備以及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，同時(shí)模擬艦艇電力系統(tǒng)的操作、使用、控制、安全保護(hù)等，前者主要通過動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)，后者則通過邏輯控制的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)。為此，首先要熟悉艦艇發(fā)配電設(shè)備的工作原理；其次通過數(shù)學(xué)工具，具體描述其工作過程，建立科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)備反映電氣設(shè)備的操作控制、運(yùn)行特性和工作參數(shù)之間的關(guān)系；最后要對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正，使其更好地符合艦艇電力系統(tǒng)的實(shí)際，尤其是發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，因其比較復(fù)雜，由轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程和電磁回路方程兩部分組成，需要充分注意。

2．1．3 功能模塊

功能模塊的主要功能是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)艦艇電力系統(tǒng)虛擬仿真訓(xùn)練和維修的人機(jī)交互界面。在界面中，應(yīng)當(dāng)包括艦艇電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理、操作使用、虛擬拆裝、訓(xùn)練仿真、維護(hù)修理等功能。這些功能，可以模擬實(shí)船電站的真實(shí)運(yùn)行工況，可以模擬設(shè)置相關(guān)的故障。對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)，包括柴油機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、主配電板、岸電穩(wěn)壓裝置、自動(dòng)充放電裝置等，通過人機(jī)交互界面，進(jìn)行仿真操作訓(xùn)練，對(duì)于促進(jìn)艦艇電力系統(tǒng)的教學(xué)效果具有較好的支撐作用。

2.2 硬件設(shè)備

硬件設(shè)備采用光學(xué)追蹤系統(tǒng)、定制3D 室內(nèi)立體屏。所有訓(xùn)練內(nèi)容都通過3D 室內(nèi)立體屏顯示，通過手持式操控終端操作完成。平面導(dǎo)航顯示器和內(nèi)置鍵盤、鼠標(biāo)用于輔助操作和輔助項(xiàng)目介紹與提示及軟件設(shè)置與維護(hù)。

3 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)功能

艦艇電力系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)包含模型端、二維端、虛擬操作、虛擬拆裝、檢測(cè)維修等功能，圖2為發(fā)電機(jī)仿真圖。以滿足學(xué)員日常教學(xué)訓(xùn)練和培訓(xùn)考核的需要，同時(shí)可支撐虛擬仿真中心的建設(shè)或示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目制作。

圖2 發(fā)電機(jī)組仿真圖

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)的功能，學(xué)生在漫游過程中，在學(xué)習(xí)遇到問題的情況下，可以自行通過觸摸設(shè)備的方式，隨時(shí)查看該設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工作部件、運(yùn)轉(zhuǎn)原理等說明（如圖3所示），及時(shí)掌握電力系統(tǒng)內(nèi)部各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、工作特點(diǎn)及其性能參數(shù)。其功能主要包括：

圖3 設(shè)備介紹說明

（1）立體呈現(xiàn)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖4所示為配電板內(nèi)部仿真圖。

圖4 配電板內(nèi)部仿真圖

（2）拆解設(shè)備零部件，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步了解設(shè)備的工作原理。

（3）對(duì)于設(shè)備故障的原因篩查，提供更有效的依據(jù)，提高故障處理反應(yīng)。

（4）內(nèi)部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新再設(shè)計(jì)，可以更合理和更高效。

（5）開拓操作者，特別對(duì)于設(shè)備研發(fā)的思維，增進(jìn)他的動(dòng)手能力。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

本項(xiàng)目建設(shè)的目標(biāo)是通過大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智慧學(xué)習(xí)、針對(duì)不同船型實(shí)現(xiàn)針對(duì)性和個(gè)性化訓(xùn)練，提高訓(xùn)練效果，在同等的教學(xué)實(shí)踐時(shí)間下，有效降低教學(xué)投入，一定程度上提高教學(xué)訓(xùn)練的質(zhì)量，彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)地訓(xùn)練存在的缺陷。此仿真平臺(tái)主要特點(diǎn)包含：

（1）逼真性。艦艇電力系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)是以實(shí)船實(shí)裝為原型進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的，其布置、安裝連接、操作、控制、安全保護(hù)及規(guī)則要求全部建立在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景基礎(chǔ)上。通過良好的模擬設(shè)計(jì)，可以基本實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的1:1 還原，受訓(xùn)者在虛擬環(huán)境中可以體驗(yàn)到逼真的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，有時(shí)甚至使受訓(xùn)者難辨真假，具有高度的逼真性。

（2）開放性。通過虛擬平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)，突破了空間和時(shí)間的限制，可以隨時(shí)隨地依托虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行艦艇電力系統(tǒng)的教學(xué)訓(xùn)練，具有極大的便利。

（3）針對(duì)性。虛擬仿真平臺(tái)具有高度的教學(xué)訓(xùn)練靈活性，學(xué)生可以根據(jù)自身的掌握程度，針對(duì)自己的弱點(diǎn)弱項(xiàng)，開展針對(duì)性的學(xué)習(xí)。也可以隨時(shí)在當(dāng)前項(xiàng)目中，針對(duì)有興趣的或者重點(diǎn)的問題進(jìn)行反復(fù)虛擬訓(xùn)練和體驗(yàn)，使得教學(xué)效果更加具體直接，也更加符合教學(xué)規(guī)律；基于虛擬平臺(tái)的教學(xué)培訓(xùn)，能夠模擬任一訓(xùn)練課目，結(jié)合模擬各種真實(shí)情況下的復(fù)雜、多變、突發(fā)的環(huán)境，從而可以貼近艦艇電力系統(tǒng)的實(shí)際，極大提高教學(xué)培訓(xùn)的真實(shí)效果。

（4）自主性。借助艦艇電力系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)，可以充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體地位，真正做到訓(xùn)練教學(xué)以學(xué)生為中心。學(xué)生在訓(xùn)練過程中，可以充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，自主把握訓(xùn)練時(shí)間和訓(xùn)練課目，既可以對(duì)自己的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行多次重復(fù)的強(qiáng)化訓(xùn)練，也可以對(duì)已經(jīng)掌握的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行固化深化，牢牢掌握學(xué)習(xí)訓(xùn)練的主動(dòng)權(quán)。

（5）安全性。艦艇電力系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)的教學(xué)訓(xùn)練環(huán)境具有較高的安全性，避免了現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下的電力系統(tǒng)故障、人身傷害、操作失誤、拆裝錯(cuò)誤、工具丟失等多項(xiàng)安全隱患，確保了學(xué)生在訓(xùn)練中的安全可靠，確保了學(xué)生可以大膽訓(xùn)練、放松訓(xùn)練，甚至可以體驗(yàn)極端訓(xùn)練，提高學(xué)生真實(shí)崗位的適應(yīng)能力。

（6）趣味性。開發(fā)虛擬仿真平臺(tái)，可以讓學(xué)生體驗(yàn)到高科技帶來的樂趣，其參與專業(yè)課程學(xué)習(xí)的積極性得到了明顯的提高，豐富了學(xué)習(xí)的形式，實(shí)現(xiàn)了由過去被動(dòng)接受型到主動(dòng)學(xué)習(xí)型的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)搭建完畢后，進(jìn)行調(diào)試，圖5為機(jī)電設(shè)備虛擬操作平臺(tái)中的艦艇發(fā)電機(jī)并車操作環(huán)境，VR 手柄與配電板的交互界面，能達(dá)到操作訓(xùn)練需求，并能對(duì)操作過程進(jìn)行評(píng)價(jià)。該平臺(tái)不僅能實(shí)現(xiàn)虛擬操作，還能進(jìn)行專業(yè)知識(shí)考核，圖6為虛擬平臺(tái)考試系統(tǒng)界面。

圖5 VR 手柄與配電板的交互界面

圖6 虛擬平臺(tái)考試系統(tǒng)

調(diào)試結(jié)果表明，該平臺(tái)場(chǎng)景貼近實(shí)裝，能夠滿足對(duì)艦艇電站的基本操作和訓(xùn)練，能夠進(jìn)行故障設(shè)置和排除，并能對(duì)專業(yè)能力進(jìn)行評(píng)估與考核。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合當(dāng)前海警培訓(xùn)需求，建設(shè)和依托相應(yīng)艦艇電力系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)，大力開展艦員專業(yè)技能培訓(xùn)，用大量貼近實(shí)裝的虛擬設(shè)備代替實(shí)際裝備，組織培訓(xùn)對(duì)象進(jìn)行全面系統(tǒng)的裝備虛擬拆裝和訓(xùn)練，降低培訓(xùn)的硬件成本，更高效地提高培訓(xùn)對(duì)象的維修水平，幫助培訓(xùn)對(duì)象積累維修經(jīng)驗(yàn)，為基層艦艇部隊(duì)輸送優(yōu)秀專業(yè)人才。