余健澤，王海燕

(上海海事大學商船學院，上海 201306)

0 引 言

模擬仿真是研究船舶發(fā)動機的一種經(jīng)濟、高效的方式，可有效解決發(fā)動機運行成本高、資源有限的問題。船舶虛擬仿真教學資源是船舶仿真的一個重要應用，將模擬仿真技術(shù)與教學培訓相結(jié)合，可充分發(fā)揮虛擬仿真教學資源在實驗場地、消耗和安全方面的優(yōu)勢。馮峰等介紹了船海虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的建設(shè)意義、開發(fā)方式及其應用方向；劉旸等對船舶與海洋工程專業(yè)虛擬實驗教學環(huán)境提出建設(shè)意見，并基于此搭建了虛擬交互實驗平臺，豐富教學資源；劉樂等利用MATLAB和數(shù)據(jù)庫開發(fā)了組態(tài)式船舶電力推進系統(tǒng)仿真軟件，為虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。傳統(tǒng)虛擬仿真教學資源多以C/S架構(gòu)開發(fā)，只能滿足在指定地點供單用戶操作。運用網(wǎng)絡開發(fā)技術(shù)，將仿真模型開發(fā)與Web技術(shù)相結(jié)合，在保證仿真系統(tǒng)基本功能的前提下，可有效提高操作的便捷性，擴大用戶群體，并降低對計算機配置和安裝環(huán)境的要求，減輕后期維護壓力。目前Web開發(fā)技術(shù)與設(shè)備、仿真相結(jié)合的方式已經(jīng)運用在了環(huán)保、醫(yī)療等領(lǐng)域：張思陽將Web技術(shù)與環(huán)保設(shè)備監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出基于Web的智慧環(huán)保設(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)，提高環(huán)保工作的效率；艾娉婷等基于.NET平臺和C#語言建立了遠程醫(yī)療診斷數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，提高了醫(yī)生對患者病情的監(jiān)控能力；謝季峰等詳述了MySQL數(shù)據(jù)庫在.NET平臺下的集成方式，開發(fā)了企業(yè)能耗管理系統(tǒng)。

燃氣系統(tǒng)是雙燃料發(fā)動機的重要組成部分，對燃氣系統(tǒng)建模是雙燃料發(fā)動機仿真的關(guān)鍵步驟。范洪軍等基于HYSYS仿真軟件對工藝過程進行了仿真，對高壓供氣設(shè)備進行了設(shè)計、分析和選型；孫化東以WP10燃氣發(fā)動機為研究對象，利用AMESim建立燃料供應系統(tǒng)中氣化器和主機冷卻系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，對氣化器提出優(yōu)化建議；劉文建立管路和閥件的一維與三維聯(lián)合的模型，進行流場分析，對燃氣系統(tǒng)管路提出優(yōu)化建議。目前對燃氣系統(tǒng)的仿真建模多以結(jié)構(gòu)優(yōu)化、設(shè)計建議提出為出發(fā)點，而根據(jù)燃氣系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的整體原理進行建模及教學的較少。

基于上述研究，本文將Web開發(fā)技術(shù)與燃氣系統(tǒng)模型相結(jié)合，基于B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務器)網(wǎng)絡架構(gòu)進行改進，提出基于Web的多用戶多模型個性化仿真架構(gòu)，設(shè)計、開發(fā)并實現(xiàn)了基于Web的船用雙燃料發(fā)動機燃氣系統(tǒng)仿真。

1 在線仿真架構(gòu)設(shè)計

在線計算(online calculation)是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一種新穎的計算模式，其基于B/S模式使用瀏覽器通過互聯(lián)網(wǎng)向服務器計算程序發(fā)送指令，用戶通過瀏覽器輸入指定的網(wǎng)址即可訪問，不需要安裝客戶端。姜玨良利用B/S網(wǎng)絡架構(gòu)搭建基于Web的鑄造過程模擬仿真計算系統(tǒng)。該系統(tǒng)運行時，顯示層會將服務器上運行的溫度場計算程序的計算結(jié)果顯示在界面上，但界面顯示的結(jié)果為模型的同一個計算結(jié)果，不能實現(xiàn)多模型運行。

在開發(fā)基于Web的船用柴油機仿真模型時，如果利用傳統(tǒng)的B/S網(wǎng)絡架構(gòu)會面臨一系列問題：(1)模型計算量大、實時交互數(shù)據(jù)多使得瀏覽器運行壓力大，響應速度變慢；(2)服務器與數(shù)據(jù)庫、界面層之間傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)中包含一定的無用數(shù)據(jù)，存在資源浪費；(3)程序的更新、維護較為復雜。因此，在保留傳統(tǒng)的B/S網(wǎng)絡架構(gòu)維護方便、分布性強、開發(fā)簡單、對運行環(huán)境要求低的優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，本文提出一種多用戶、多模型、個性化界面的網(wǎng)絡架構(gòu)，見圖1。用戶通過瀏覽器訪問仿真界面，登錄后可啟動單獨模型并對控件進行操作；模型層自動讀取數(shù)據(jù)庫中的用戶信息和操作信息后進行仿真計算，將結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫；界面層調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的結(jié)果用于顯示。

圖1 基于Web的在線仿真架構(gòu)

基于Web的燃氣系統(tǒng)仿真架構(gòu)是通過模型層、數(shù)據(jù)層、界面層等3個部分交互實現(xiàn)的，其中：模型層在.NET平臺上通過Visual Studio 2015軟件運用C#語言編程實現(xiàn)；數(shù)據(jù)層在MySQL環(huán)境下開發(fā)，建立數(shù)據(jù)表存儲仿真數(shù)據(jù)、用戶表等；界面層在.NET平臺上通過Visual Studio 2015軟件運用MVC模版開發(fā)，用于顯示系統(tǒng)圖及數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)層與模型層和界面層分別進行實時數(shù)據(jù)通信，滿足實時仿真的需求。

1.1 界面層設(shè)計

界面層的設(shè)計包括首頁界面設(shè)計、登錄界面設(shè)計、系統(tǒng)界面設(shè)計，運用面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷?，選用ASP.NET平臺的MVC模版，將網(wǎng)站分為模型層、視圖層和控制器層進行設(shè)計。其中：模型層主要用于處理數(shù)據(jù)邏輯，與數(shù)據(jù)庫形成數(shù)據(jù)傳輸，只需單次編碼就可以被多個視圖層重用；視圖層是用戶訪問并與之交互的界面，只負責輸出數(shù)據(jù)，并供用戶操作；控制器層用于接收用戶的輸入，并調(diào)用模型和視圖去滿足用戶的需求。通過這樣的分層設(shè)計，可提高維護及代碼編寫設(shè)計的便捷性。

1.2 數(shù)據(jù)層設(shè)計

基于Web的仿真系統(tǒng)的各層會存在數(shù)據(jù)交互關(guān)系，MySQL數(shù)據(jù)庫通過不同接口與Web端和服務程序端進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、存儲、編輯等功能，并根據(jù)用戶在線情況對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行定時清理。為保證仿真系統(tǒng)的正常運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)信息的處理功能，對數(shù)據(jù)進行充分的整理并在MySQL中建立數(shù)據(jù)表。其中數(shù)據(jù)信息包括以下3個方面的內(nèi)容：

(1)用戶信息表：用于保存用戶的ID、賬號、密碼、狀態(tài)等信息，實現(xiàn)用戶管理功能。

(2)數(shù)學模型數(shù)據(jù)表：根據(jù)數(shù)學模型數(shù)據(jù)以及前端界面控件交互的需求在數(shù)據(jù)庫中建立數(shù)據(jù)表，用于存取計算數(shù)據(jù)及控件交互信息。

(3)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)表：根據(jù)控制系統(tǒng)模型的信號以及Web端控制臺的操作交互要求在數(shù)據(jù)庫中建立控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)表，用于存取信號(信號一般用bool類型數(shù)據(jù)表示)。

1.3 模型層設(shè)計

模型層的設(shè)計目的是實現(xiàn)模型在線運行，建立正確的仿真模型是保證基于Web的仿真系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心因素。通過選取合適的數(shù)值建模方法，依據(jù)物理模型的結(jié)構(gòu)、原理，建立起正確的數(shù)學模型。運用C#語言將數(shù)學模型代碼化，利用Windows服務應用程序配置用戶權(quán)限，搭建與數(shù)據(jù)庫的實時通信，給予登錄用戶啟動、停止、注銷權(quán)限。有多個用戶就給予多個線程啟動單獨模型，讓用戶登錄后可以操作模型、調(diào)用模型計算結(jié)果，保證數(shù)據(jù)庫通信安全和多用戶多模型功能的實現(xiàn)。

2 仿真系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 模型數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)

利用Microsoft Visual Studio 2015建立Windows服務程序來實現(xiàn)模型層與數(shù)據(jù)層之間的實時交互，配置服務程序的默認屬性，保證服務程序的穩(wěn)定運行和交互性。在服務程序項目中建立C#類庫，用來保存仿真模型類、數(shù)據(jù)庫連接配置文件、數(shù)據(jù)庫調(diào)用文件、服務程序配置類、模型控制器類、用戶類、服務程序類等，滿足服務程序運行的基本功能。其中：數(shù)據(jù)庫調(diào)用文件為MySQLhelper類，用于讀取用戶信息、更新用戶對模型的操作屬性以及用戶操作內(nèi)容等，從而判斷用戶的狀態(tài)、在線用戶量、對模型和數(shù)據(jù)庫的操作情況等信息，實現(xiàn)用戶對模型的操作管理及用戶管理功能；服務程序配置類用來初始化算法及數(shù)據(jù)庫連接命令；模型控制器類的作用是通過調(diào)用服務器配置類和MySQLhelper類配置基本參數(shù)，并用于判斷、檢測用戶狀態(tài)從而控制模型的啟停，更新數(shù)據(jù)信息；用戶類用來定義用戶數(shù)據(jù)、初始化模型參數(shù)；服務程序類用于啟動服務應用程序，通過定時器每秒識別一次用戶的登錄和操作情況，調(diào)用模型控制器類為不同用戶單獨啟動一個新的模型，滿足用戶個性操作需求。

通過服務程序建立數(shù)據(jù)庫與后端程序的實時通信聯(lián)系，同時實現(xiàn)多用戶多模型的功能。

2.2 界面數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)

界面層與數(shù)據(jù)層的通信是為了實現(xiàn)將數(shù)據(jù)可視化并將界面操作信息寫入數(shù)據(jù)庫。通過編寫開發(fā)項目中的配置文件，實現(xiàn)與MySQL數(shù)據(jù)庫的連接。利用HTML、JavaScript、CSS網(wǎng)絡編程語言和數(shù)據(jù)庫語言根據(jù)項目需求搭建首頁界面、登錄界面和系統(tǒng)界面，利用Ajax技術(shù)和Echarts控件美化顯示界面。其中，登錄界面在MVC模版的基礎(chǔ)上進行用戶權(quán)限修改，根據(jù)用戶登錄的權(quán)限給予其對模型的操作權(quán)限，并更新數(shù)據(jù)庫登錄信息，以供服務程序檢測更新用戶情況、啟動新的模型。

界面層的主要作用是接收用戶的操作信息并將其寫入數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫中的模型計算結(jié)果數(shù)據(jù)顯示到Web界面中，用于操作模型和顯示仿真結(jié)果。

2.3 服務器部署

為實現(xiàn)仿真系統(tǒng)在局域網(wǎng)內(nèi)的多用戶訪問功能，將模型層、數(shù)據(jù)層、界面層依次部署于IIS管理器上，通過服務器配置、Windows 服務應用程序配置、Web端發(fā)布和測試，實現(xiàn)基于Web的局域網(wǎng)內(nèi)多用戶、多模型、個性化仿真。服務器部署流程見圖2。

圖2 服務器部署流程

3 仿真系統(tǒng)驗證

為驗證基于Web的多用戶、多模型、個性化網(wǎng)絡架構(gòu)的實用性，保證仿真系統(tǒng)的正常運行，本文選取瓦錫蘭20DF船用雙燃料發(fā)動機為模型層開發(fā)對象，搭建數(shù)學模型并將其代碼化，以實現(xiàn)基于Web的多用戶多模型船用雙燃料發(fā)動機燃氣系統(tǒng)仿真。瓦錫蘭20DF船用雙燃料發(fā)動機基本數(shù)據(jù)見表1，其中GVU是gas valve unit的縮寫，表示燃氣閥組單元。

表1 瓦錫蘭20DF船用雙燃料發(fā)動機基本數(shù)據(jù)

模型層從兩方面對瓦錫蘭20DF船用雙燃料發(fā)動機進行建模：一是運用熱力學基本公式、容積法等數(shù)值建模方法對燃氣系統(tǒng)中的管路、閥件進行建模，根據(jù)結(jié)構(gòu)上輸入輸出關(guān)系建立燃氣系統(tǒng)整體模型；二是利用有限狀態(tài)機的思維建立瓦錫蘭控制系統(tǒng)模型，根據(jù)燃氣控制順序和輸入輸出信號測試系統(tǒng)保證系統(tǒng)正確性。模型層基本架構(gòu)見圖3。

圖3 模型層基本架構(gòu)

3.1 燃氣系統(tǒng)物理模型

燃氣系統(tǒng)主要由內(nèi)部燃氣系統(tǒng)和GVU兩部分組成。GVU包括一個氣體壓力調(diào)節(jié)閥和一系列的止回閥和泄放閥，用于確保在燃氣模式下的操作可靠、安全；內(nèi)部燃氣系統(tǒng)包括雙層壁氣體管道、主燃氣閥、排氣閥，主燃氣閥是將燃氣輸送到各氣缸進氣口的通道，排氣閥用于在特定情況下釋放氣體壓力和沖洗閥門。

根據(jù)燃氣系統(tǒng)物理模型基本原理，運用容積法、熱力學基本公式等方法建立燃氣系統(tǒng)數(shù)學模型：

(1)燃氣介質(zhì)：包括對燃氣氣體常數(shù)、氣體絕熱指數(shù)、天然氣密度、天然氣相對分子質(zhì)量等的定義和計算。

(2)燃氣閥模型。對氮氣吹掃閥、泄放閥等進行建模，通過閥門通用計算式和理想氣體狀態(tài)方程推出閥門流量、壓力等參數(shù)的計算式。

(1)

式中：為閥門的流量；為流量系數(shù)；為閥門流通面積；為理想氣體常數(shù)；為燃氣介質(zhì)的溫度；Δ為閥前后的壓差；為燃氣壓力。

(3)燃氣管路模型。假設(shè)管路中不存在流阻，通過甲烷、氮氣及混合氣體的流入流出關(guān)系，利用能量守恒定律、質(zhì)量守恒定理計算出管路的流量和燃氣壓力。

(2)

式中：為甲烷流入質(zhì)量流量；為甲烷流出質(zhì)量流量；為混合氣體中甲烷的比例；為混合氣體質(zhì)量流量；為排出系數(shù)。

(3)

式中：為CH溫度；為氮氣流入質(zhì)量流量；為氮氣溫度；為氮氣流出質(zhì)量流量；為管路的初始溫度；為散熱系數(shù)；為環(huán)境溫度；為氣體總質(zhì)量。

=(××)

(4)

式中，為管路容積。

(4)GVU模型。假設(shè)燃氣從進氣閥經(jīng)過GVU到主燃氣閥整個過程為準靜態(tài)過程，燃氣成分幾乎不發(fā)生改變，且溫度變化緩慢，用理想氣體狀態(tài)方程和質(zhì)量守恒定律建立GVU的宏觀模型。利用理想氣體狀態(tài)方程和質(zhì)量守恒定律得出

(5)

式中：為燃氣進氣閥的質(zhì)量；為主燃氣閥的進口質(zhì)量。利用伯努利方程及流量、密度、質(zhì)量流量間的關(guān)系推導出GVU質(zhì)量流量計算式：

(6)

式中：為GVU調(diào)節(jié)產(chǎn)生變換的燃氣質(zhì)量；為因單位變換而導致的單位系數(shù)；為閥件流通開度；為燃氣密度。

(5)主燃氣閥模型。根據(jù)穩(wěn)定流動連續(xù)性方程，氣體通過任意截面的質(zhì)量流量都是相同的，可得天然氣流量方程，即

(7)

式中：為主燃氣閥的氣體質(zhì)量流量；是天然氣質(zhì)量流量參數(shù)，根據(jù)氣體的流動狀態(tài)確定；是電磁閥進氣壓力。

3.2 燃氣控制系統(tǒng)模型

燃氣控制系統(tǒng)是UNIC C3(瓦錫蘭20DF船用雙燃料發(fā)動機控制系統(tǒng))的重要組成部分之一，該系統(tǒng)主要控制燃氣進氣閥、氣體壓力調(diào)節(jié)閥等一系列閥門的動作，從而保證燃氣壓力的穩(wěn)定及對燃氣噴射量的精確控制。在燃氣系統(tǒng)正常運行時，將默認狀態(tài)、燃氣泄漏測試、GVU準備、燃氣供應系統(tǒng)準備、燃氣系統(tǒng)沖掃、燃氣壓力穩(wěn)定、燃氣供應、燃氣系統(tǒng)除氣、燃氣系統(tǒng)惰化作為狀態(tài)機狀態(tài)進行開發(fā)。在每個狀態(tài)下，燃氣系統(tǒng)會與主機遙控系統(tǒng)(RCS)、燃氣探測系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)(ECS)等形成信號、參數(shù)交互，例如燃氣泄漏測試、燃氣通風、燃氣供應停止運行、燃氣系統(tǒng)狀態(tài)、燃氣壓力等，并對燃氣系統(tǒng)中的各部件進行操作，監(jiān)測過程參數(shù)，以維持發(fā)動機正常運行。

根據(jù)燃氣控制系統(tǒng)的控制邏輯，利用有限狀態(tài)機的建模思想，建立燃氣控制系統(tǒng)，流程見圖4。圖4中：A,B,…,H為該模式下轉(zhuǎn)換成功條件；A,B,…,H為轉(zhuǎn)換失敗條件；I表示惰化完成且繼續(xù)燃氣模式；I為惰化完成且結(jié)束燃氣模式；I為惰化失敗。轉(zhuǎn)換成功條件指在該狀態(tài)下無故障信號和操作信號輸入，且燃氣系統(tǒng)在某個狀態(tài)下滿足設(shè)定的運行時間要求；轉(zhuǎn)換失敗條件指在該狀態(tài)下有故障信號、操作信號的輸入或者燃氣系統(tǒng)參數(shù)、閥門動作異常。在每個狀態(tài)下，控制系統(tǒng)會對燃氣系統(tǒng)中的閥門進行操作，并進行數(shù)據(jù)和信號的傳輸。

圖4 燃氣控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

3.3 數(shù)學模型驗證

為保證仿真的正確性，對基于Web搭建的瓦錫蘭20DF船用雙燃料發(fā)動機燃氣系統(tǒng)仿真模型進行仿真驗證。仿真驗證采用定步長的方法(步長為1 ms，時長為1 000 s)，算法為四階龍格庫塔法。

燃氣系統(tǒng)仿真實驗設(shè)置工況為從30%負荷上升到100%負荷，得到GVU燃氣壓力輸出情況和主燃氣閥單次輸出燃氣質(zhì)量流量。仿真實驗結(jié)果與臺架試驗結(jié)果的對比表明，發(fā)動機在不同負荷下的燃氣壓力和燃氣質(zhì)量流量仿真結(jié)果與實際結(jié)果的偏差都在5%以內(nèi)，說明仿真效果良好。實驗結(jié)果對比見圖5和6。

圖5 GVU輸出燃氣壓力仿真實驗與臺架試驗結(jié)果對比

圖6 GVU單次輸出燃氣質(zhì)量流量仿真實驗與臺架試驗結(jié)果對比

3.4 系統(tǒng)測試

以燃氣系統(tǒng)為模型層開發(fā)對象，搭建基于Web的船用雙燃料發(fā)動機燃氣仿真系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)承載力要求，本文采用多個用戶同時登錄對系統(tǒng)進行測試。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠同時承載30個用戶在線操作，系統(tǒng)承載力良好；系統(tǒng)可在用戶登錄后對模型進行操作，并根據(jù)用戶的操作情況調(diào)用仿真模型的計算結(jié)果用以顯示，在虛擬教學方面具有應用價值。

4 結(jié) 論

本文主要介紹了基于Web的船用雙燃料發(fā)動機燃氣系統(tǒng)仿真設(shè)計、開發(fā)、實現(xiàn)，提出一種多用戶、多模型、個性化顯示的創(chuàng)新型網(wǎng)絡架構(gòu)。為驗證提出的虛擬仿真架構(gòu)，使用C#、HTML、JavaScript、CSS等編程語言混合編程，對模型層、數(shù)據(jù)層、界面層進行開發(fā)，搭建基于Web的船用雙燃料發(fā)動機燃氣仿真系統(tǒng)。測試表明，該系統(tǒng)能夠在運行時保證模型的正確性、多樣性和實時性，能夠同時承載30個用戶在線操作，滿足教學培訓的基本要求。本文提出的設(shè)計方案不需要安裝客戶端，可通過瀏覽器直接操作，相對于軟件系統(tǒng)提高了仿真系統(tǒng)的便捷性并降低了后期維護成本和對配置環(huán)境的要求。

未來可深入研究船用雙燃料發(fā)動機整體機理，在模型層搭建船用雙燃料發(fā)動機仿真模型，實現(xiàn)基于Web的雙燃料發(fā)動機仿真。