李建偉

基于Virtools的船舶輔鍋爐虛擬仿真研究

李建偉

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

針對(duì)船舶輔鍋爐在訓(xùn)練過(guò)程中的若干問(wèn)題，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)具有操縱方便、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、沉浸感足的虛擬系統(tǒng)，通過(guò)研究船舶輔鍋爐組成部件的模型，采用3dsmax建模，利用Virtools構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶輔鍋爐的操縱功能，并在三管輪評(píng)估訓(xùn)練中發(fā)揮作用。

Virtools 船舶輔鍋爐 虛擬現(xiàn)實(shí) 輪機(jī)師培訓(xùn)

0 引言

船舶輔鍋爐是船舶航行不可缺少的組成部分，輔鍋爐的操作需要多方面的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，而船舶輔鍋爐的訓(xùn)練主要以模擬器為主，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)尚未在該領(lǐng)域得到成熟應(yīng)用[1]。

STCW78/10公約馬尼拉修正案對(duì)海船船員三管輪適任考試大綱進(jìn)行了修改，修改后的《船舶電氣與自動(dòng)化》考證科目涵蓋《電工與電子技術(shù)》、《船舶電力拖動(dòng)與控制》、《船舶電站與電氣安全》的內(nèi)容，新增加了《船舶自動(dòng)化》的課程，而船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)位于第八章，包括輔鍋爐概述、輔鍋爐水位自動(dòng)控制、輔鍋爐蒸汽壓力、輔鍋爐燃燒時(shí)序自動(dòng)控制自動(dòng)控制及輔鍋爐的安全保護(hù)。適用對(duì)象為無(wú)限航區(qū)及沿海航區(qū)750 kW以上二三管輪明確了船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)在考試中的地位[2]。

本文從虛擬現(xiàn)實(shí)的角度出發(fā)，利用Virtools虛擬編輯平臺(tái)，開(kāi)展船舶輔鍋爐虛擬仿真系統(tǒng)的研究。

1 構(gòu)建思路

1.1 Virtools編輯平臺(tái)

Virtools編輯平臺(tái)是法國(guó)Virtools公司開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)編輯引擎，以其可視化模式迅速得到諸如EA和Sony Entertainment等大型游戲制作公司的青睞。從初期產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)、虛擬環(huán)境的編輯到3D互動(dòng)的不斷完善，Virtools能提供超過(guò)700種的行為模塊方便開(kāi)發(fā)人員建構(gòu)豐富的虛擬作品，感受沉浸式的人機(jī)交互系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用到計(jì)算機(jī)游戲設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、產(chǎn)品展示、教育訓(xùn)練及虛擬仿真等領(lǐng)域[3-4]。

1.2 Virtools編輯平臺(tái)

基于Virtools的船舶輔鍋爐虛擬仿真研究旨在設(shè)計(jì)一種可在液晶屏上現(xiàn)實(shí)和操作的虛擬交互系統(tǒng)，讓操作者能夠充分體驗(yàn)沉浸式的船舶輔鍋爐虛擬交互系統(tǒng)，該系統(tǒng)可演示船舶輔鍋爐的結(jié)構(gòu)原理、水位控制、燃燒時(shí)序控制及安全保護(hù)等相關(guān)操作，豐富船舶輔鍋爐的理論授課手段，協(xié)助船舶輔鍋爐的適任評(píng)估工作。

考慮船舶輔鍋爐的教學(xué)需求及《電氣與自動(dòng)化》適任評(píng)估科目船舶輔鍋爐部分的考核要點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合船舶輔鍋爐的本體結(jié)構(gòu)、附件搭配及具體控制機(jī)理，將船舶輔鍋爐結(jié)構(gòu)中的各個(gè)組成部件分成顯示類(lèi)部件、拆裝類(lèi)部件和操作類(lèi)部件三大類(lèi)。顯示類(lèi)部件用來(lái)顯示船舶鍋爐的本體，拆裝類(lèi)部件用來(lái)展示部件結(jié)構(gòu)，操作類(lèi)部件用于虛擬臺(tái)盤(pán)及邏輯控制，其中操作類(lèi)部件需要進(jìn)行仿真簡(jiǎn)化，方便為下一步的三維模型構(gòu)建提供易于實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)化模型。

根據(jù)船舶輔鍋爐的簡(jiǎn)化模型，同時(shí)忽略其他次要影響因素，利用三維建模軟件3ds Max構(gòu)建船舶輔鍋爐的三維實(shí)體模型。在利用3ds Max構(gòu)建三維模型時(shí)，應(yīng)考慮顯示類(lèi)部件的紋理、渲染和烘焙，對(duì)顯示類(lèi)部件和操作類(lèi)部件需用進(jìn)行動(dòng)畫(huà)處理和腳本設(shè)置以方便Virtools編輯引擎中行為模塊的控制，并形成.max的后綴文件。

將構(gòu)建好的.max后綴文件通過(guò)MaxExporter插件導(dǎo)入到Virtools編輯引擎，在Virtools編輯器進(jìn)行事件的編輯、行為模塊的處理及VSL腳本的編譯，具體構(gòu)建思路如圖1。

圖1 船舶輔鍋爐虛擬仿真平臺(tái)構(gòu)建思路圖

在Virtools進(jìn)行編輯過(guò)程中，對(duì)于鼓風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、給水泵的啟動(dòng)、操作面板的轉(zhuǎn)換等簡(jiǎn)單動(dòng)作采用行為模塊進(jìn)行拖拽和編寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于船舶輔鍋爐水位自動(dòng)控制、燃燒時(shí)序自動(dòng)控制和安保試驗(yàn)則采用VSL腳本編寫(xiě)，最后將編寫(xiě)好的.nmo后綴文件發(fā)布成.exe的可執(zhí)行程序，形成完整的船舶輔鍋爐虛擬仿真平臺(tái)。

2 系統(tǒng)建模

2.1 數(shù)學(xué)模型

船舶輔鍋爐虛擬仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是根據(jù)船舶輔鍋爐基本組成及運(yùn)行過(guò)程而建立的數(shù)學(xué)模型，涵蓋了湍流理論、多相流體力學(xué)、輻射傳熱學(xué)、燃燒過(guò)程的多參數(shù)耦合和直接數(shù)值模擬，是船舶輔鍋爐燃燒參數(shù)、熱力參數(shù)及動(dòng)力參數(shù)的集中體現(xiàn)。

根據(jù)計(jì)算方便和實(shí)際控制需要，船舶輔鍋爐的數(shù)學(xué)模型應(yīng)涵蓋風(fēng)機(jī)數(shù)學(xué)模型、給水泵數(shù)學(xué)模型、換熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、爐內(nèi)對(duì)流數(shù)學(xué)模型、爐內(nèi)流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型、爐內(nèi)輻射數(shù)學(xué)模型及燃燒系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，論文以爐內(nèi)流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型為例進(jìn)行分析。

為得到相對(duì)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，必須對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，假設(shè)燃燒過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，忽略燃燒波動(dòng)，以爐內(nèi)氣流為穩(wěn)態(tài)為宜，由于爐內(nèi)流動(dòng)為高度非線性的復(fù)雜流動(dòng)，采用k-ε模型微分形式來(lái)描述其模型，具體方程如下：

N-S方程：

方程：

其中，表示流速；xyz坐標(biāo)方向；表示壓力；表示湍動(dòng)能；耗散率[5-6]。

2.2 三維模型

三維模型的構(gòu)建是在分析船舶輔鍋爐結(jié)構(gòu)各數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，忽略次要因素，簡(jiǎn)化計(jì)算，得到更直觀的簡(jiǎn)化模型，并利用3ds max豐富的建模方法創(chuàng)建三維模型以搭建船舶輔鍋爐系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景。考慮到具體運(yùn)行效果，應(yīng)采用合適的建模方式，以保證虛擬仿真的流暢性、沉浸性和逼真性。

對(duì)于船舶輔鍋爐點(diǎn)火系統(tǒng)中線路布局、輸油管、給水管及排污管多采用線框建模，只需輸入三維坐標(biāo)再輔以有向線段的連接便可得到二維圖形，添加“擠出修改器”變能完成，保證此類(lèi)方法創(chuàng)建的模型便具有投影屬性。

對(duì)于三通閥、排污閥及安全閥采用曲面建模，此建模型方法所構(gòu)建的三維模型由多個(gè)網(wǎng)格構(gòu)成，模型的外表面近似曲面，且網(wǎng)格越密集，越接近真實(shí)表面，同時(shí)輔以Vary渲染器，得到更加接近真實(shí)的仿真效果。

NURBS建模是采用非均勻有理數(shù)B-樣條線的建模方法，同時(shí)配合“車(chē)削”、“擠出”和“布爾”修改器，輕松構(gòu)建諸如冷凝器、鍋爐爐膛等復(fù)雜三維模型[1]。

3 交互層實(shí)現(xiàn)

船舶輔鍋爐虛擬仿真系統(tǒng)主要采用Virtools虛擬現(xiàn)實(shí)編輯軟件中Building Blocks行為模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)及包含了斷點(diǎn)支持、跟蹤變量值的編輯、逐步(step by step)調(diào)試的VLS編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 行為控制編輯

論文以船舶輔鍋爐給水泵的啟動(dòng)過(guò)程及水位控制為例探討船舶輔鍋爐的交互腳本的編寫(xiě)。

當(dāng)船舶輔鍋爐水位下降到低水位時(shí)，鍋爐水位控制的“Text Display”行為模塊觸發(fā)給水泵控制的“Switch On Key”行為模塊，為模擬虛假水位的消除過(guò)程，經(jīng)過(guò)延時(shí)判斷若船舶輔鍋爐水位指示正常，觸發(fā)給水泵啟動(dòng)旋鈕轉(zhuǎn)至“啟動(dòng)”的“Rotate”模塊、給水泵控制模式“自動(dòng)”的“Rotate”模塊、輔鍋爐內(nèi)壓力變化柱狀表的位移“Translate”模塊及冷凝器熱水井液面變化的位移“Translate”模塊，具體行為模塊的輸入輸出連接如圖2所示。

當(dāng)輔鍋爐給水泵啟動(dòng)完成后，將啟動(dòng)信息傳遞給控制輔鍋爐水位變化的“Wait Message”行為模塊，并觸發(fā)信息傳遞“Send Message”行為模塊，進(jìn)而通過(guò)“Bezier Progression”行為模塊控制控制輔鍋爐水位的變化和水位計(jì)指示的變化，其行為模塊如圖3。

圖3 水位變化行為模塊圖

為了保證水位控制的精確性和穩(wěn)定性，采用Bezier Progression，并輸入合適Duration值，以形成穩(wěn)定的Progression Curve，并控制好斜率[7-9]。

3.2 交互邏輯實(shí)現(xiàn)

船舶輔鍋爐虛擬仿真系統(tǒng)中單個(gè)部件動(dòng)作設(shè)置采用Building Blocks行為模塊，而對(duì)于行為模塊無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)的交互或者各部件之間的邏輯關(guān)系則需通過(guò)VLS編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，以船舶輔鍋爐燃燒時(shí)序控制中的點(diǎn)火判斷為例進(jìn)行演示，點(diǎn)擊Building Blocks/VLS/Run VLS，打開(kāi)VLS編輯窗口，輸入以下程序：

4 結(jié)束語(yǔ)

船舶輔鍋爐虛擬仿真系統(tǒng)采用Virtools虛擬編輯平臺(tái)構(gòu)建了基于船舶輔鍋爐和過(guò)程控制的虛擬環(huán)境，操作者可以充分感受沉浸式的視覺(jué)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)操作的虛擬化和操作場(chǎng)景的仿真化。

該虛擬仿真系統(tǒng)已設(shè)計(jì)完成，并初步投入使用，操作可以按照操作說(shuō)明設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行探索性的學(xué)習(xí)，也可以自由操作，同時(shí)配合環(huán)幕投影和VR眼鏡，效果更加震撼。

船舶輔鍋爐虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)一步探索了與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融合，與操作手柄之間可形成有效連接，但是在手機(jī)端的研究尚不完善，雖未在手機(jī)端進(jìn)行推廣應(yīng)用，其在手機(jī)端的應(yīng)用前景良好。

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Research on Virtual Simulation of Marine Auxiliary Boiler Based on Virtools

Li Jianwei

(Department of Marine Engineering, Qingdao Harbor Vocational And Technical College, Qingdao 266404, Shandong, China )

U664.5; TP182

A

1003-4862（2019）12-0031-03

2019-06-28

2018年度山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目(科技類(lèi)，編號(hào)：J18KB034)

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