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）

針對船舶輔鍋爐在訓(xùn)練過程中的若干問題，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)具有操縱方便、動態(tài)性強、沉浸感足的虛擬系統(tǒng)，通過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)，實現(xiàn)船舶輔鍋爐的操縱功能，并在三管輪評估訓(xùn)練中發(fā)揮作用。

Virtools 船舶輔鍋爐 虛擬現(xiàn)實 輪機師培訓(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，而船舶輔鍋爐的訓(xùn)練主要以模擬器為主，虛擬現(xiàn)實技術(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海船船員三管輪適任考試大綱進行了修改，修改后的《船舶電氣與自動化》考證科目涵蓋《電工與電子技術(shù)》、《船舶電力拖動與控制》、《船舶電站與電氣安全》的內(nèi)容，新增加了《船舶自動化》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、輔鍋爐水位自動控制、輔鍋爐蒸汽壓力、輔鍋爐燃燒時序自動控制自動控制及輔鍋爐的安全保護。適用對象為無限航區(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)實的角度出發(fā)，利用Virtools虛擬編輯平臺，開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

Virtools編輯平臺是法國Virtools公司開發(fā)虛擬現(xiàn)實編輯引擎，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、虛擬環(huán)境的編輯到3D互動的不斷完善，Virtools能提供超過700種的行為模塊方便開發(fā)人員建構(gòu)豐富的虛擬作品，感受沉浸式的人機交互系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用到計算機游戲設(shè)計、建筑設(shè)計、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

基于Virtools的船舶輔鍋爐虛擬仿真研究旨在設(shè)計一種可在液晶屏上現(xiàn)實和操作的虛擬交互系統(tǒng)，讓操作者能夠充分體驗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、燃燒時序控制及安全保護等相關(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估工作。

考慮船舶輔鍋爐的教學(xué)需求及《電氣與自動化》適任評估科目船舶輔鍋爐部分的考核要點，同時結(jié)合船舶輔鍋爐的本體結(jié)構(gòu)、附件搭配及具體控制機理，將船舶輔鍋爐結(jié)構(gòu)中的各個組成部件分成顯示類部件、拆裝類部件和操作類部件三大類。顯示類部件用來顯示船舶鍋爐的本體，拆裝類部件用來展示部件結(jié)構(gòu)，操作類部件用于虛擬臺盤及邏輯控制，其中操作類部件需要進行仿真簡化，方便為下一步的三維模型構(gòu)建提供易于實現(xiàn)的簡化模型。

根據(jù)船舶輔鍋爐的簡化模型，同時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體模型。在利用3ds Max構(gòu)建三維模型時，應(yīng)考慮顯示類部件的紋理、渲染和烘焙，對顯示類部件和操作類部件需用進行動畫處理和腳本設(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MaxExporter插件導(dǎo)入到Virtools編輯引擎，在Virtools編輯器進行事件的編輯、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構(gòu)建思路圖

在Virtools進行編輯過程中，對于鼓風(fēng)機的啟動、給水泵的啟動、操作面板的轉(zhuǎn)換等簡單動作采用行為模塊進行拖拽和編寫來實現(xiàn)，對于船舶輔鍋爐水位自動控制、燃燒時序自動控制和安保試驗則采用VSL腳本編寫，最后將編寫好的.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。

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行過程而建立的數(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)及動力參數(shù)的集中體現(xiàn)。

根據(jù)計算方便和實際控制需要，船舶輔鍋爐的數(shù)學(xué)模型應(yīng)涵蓋風(fēng)機數(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)對流數(shù)學(xué)模型、爐內(nèi)流場數(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)流場數(shù)學(xué)模型為例進行分析。

為得到相對簡化的數(shù)學(xué)模型，必須對爐內(nèi)流場進行簡單的處理，假設(shè)燃燒過程相對穩(wěn)定，忽略燃燒波動，以爐內(nèi)氣流為穩(wěn)態(tài)為宜，由于爐內(nèi)流動為高度非線性的復(fù)雜流動，采用k-ε模型微分形式來描述其模型，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，簡化計算，得到更直觀的簡化模型，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)的虛擬場景?？紤]到具體運行效果，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。

對于船舶輔鍋爐點火系統(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，保證此類方法創(chuàng)建的模型便具有投影屬性。

對于三通閥、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，越接近真實表面，同時輔以Vary渲染器，得到更加接近真實的仿真效果。

NURBS建模是采用非均勻有理數(shù)B-樣條線的建模方法，同時配合“車削”、“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 交互層實現(xiàn)

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

3.1 行為控制編輯

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

當(dāng)船舶輔鍋爐水位下降到低水位時，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程，經(jīng)過延時判斷若船舶輔鍋爐水位指示正常，觸發(fā)給水泵啟動旋鈕轉(zhuǎn)至“啟動”的“Rotate”模塊、給水泵控制模式“自動”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)輔鍋爐給水泵啟動完成后，將啟動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，進而通過“Bezier Progression”行為模塊控制控制輔鍋爐水位的變化和水位計指示的變化，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 交互邏輯實現(xiàn)

船舶輔鍋爐虛擬仿真系統(tǒng)中單個部件動作設(shè)置采用Building Blocks行為模塊，而對于行為模塊無法直接實現(xiàn)的交互或者各部件之間的邏輯關(guān)系則需通過VLS編程來實現(xiàn)，以船舶輔鍋爐燃燒時序控制中的點火判斷為例進行演示，點擊Building Blocks/VLS/Run VLS，打開VLS編輯窗口，輸入以下程序：

4 結(jié)束語

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

該虛擬仿真系統(tǒng)已設(shè)計完成，并初步投入使用，操作可以按照操作說明設(shè)計的思路進行探索性的學(xué)習(xí)，也可以自由操作，同時配合環(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)進一步探索了與增強現(xiàn)實技術(shù)的融合，與操作手柄之間可形成有效連接，但是在手機端的研究尚不完善，雖未在手機端進行推廣應(yīng)用，其在手機端的應(yīng)用前景良好。

[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.

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[4] [4] 徐英欣, 王丹東. 三維游戲設(shè)計師寶典-Virtools虛擬裝配制作實例[M]. 重慶: 電子音像出版社，2009: 21-29.

[5] 王正林, 郭陽寬. Matlab/Simulink與過程控制系統(tǒng)仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2016: 316-318.

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[7] 呂俏. 基于Virtools的電磁學(xué)虛擬演示實驗的研究與設(shè)計[D]. 長沙: 湖南大學(xué). 2017: 47-54.

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[9] 曾祥君. 基于Virtools的虛擬仿真機車檢修實訓(xùn)平臺的研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2015:53-66.

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)?？萍加媱濏椖?科技類，編號：J18KB034)

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