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舰艇电力系统虚拟仿真平台的设计

来源:用户上传      作者:胡静

  摘要:本文采用计算机仿真与虚拟现实技术,设计了一个与实船一致的电力系统虚拟仿真平台。调试结果表明,本设计能满足舰艇电力系统虚拟操作和训练的要求。
  关键词:海警;舰艇;电力系统;虚拟现实
  中图分类号:U662文献标识码:A文章编号:1006―7973(2022)08-0069-03
  1引言
  近啄晁孀偶扑慊和虚拟现实的技术的不断发展,其应用范围不断扩大,应用场景不断拓展。其中,在舰艇电气教学与实践、舰艇相关课目训练中,虚拟仿真技术的作用日益突出[1],传统的授课与现代信息技术深度融合的教学方式已经在舰艇电气专业课程中开展应用[2]。作为培养船舶机电人才的关键环节,机电设备的操作使用、拆装训练、维护管理和故障排除教学在各门专业课程中都有大量体现,直接关系到机电人员实践操作技能的生成,对岗位任职能力的培养具有关键性作用。目前基于现实的机电设备的操作使用、拆装训练、维护管理和故障排除教学,需要配置较大的场地,耗费大量的人力物力财力,其中突出的一点就是设备数量和学生人数存在较大矛盾,部分人员不能亲身经历设备拆装维修等教学活动,同时还存在一定的安全风险。开发基于计算机软/硬件和虚拟现实(virtualreality,VR)技术的船舶机电设备虚拟拆装维修系统,能够较好地解决场地空间有限、设备数量不足、训练时间缺乏等矛盾问题,舰艇电力系统虚拟仿真平台能够实现电气设备的拆装练习、设计分析、使用维修过程的教学与实践训练,并且能够实现虚拟拆装和维修过程的评估和考核功能。
  2系统构成
  本项目依托实船实物仿真,贴近部队实兵实装,建成功能齐全、特色鲜明、集“教、研、训、演、展”五项功能于一体的网络化、信息化、集成化的舰艇电力系统虚拟仿真平台。该平台主要有软件系统和硬件设备两个模块组成。
  2.1软件系统
  软件系统按模块化方式组成,运行于Windows7(64位)系统,支持3D立体显示、手持操控终端输入和三维动作捕捉。利用3Dmax制作各模块模型以及相应的模型贴图的渲染,利用Unity3D虚拟仿真平台,将各模块模型导入,通过程序写入实现对各个模型的虚拟操作,完成舰艇电力系统仿真软件的制作。
  2.1.13D模型模块
  该模块主要功能是构建三维可视化的虚拟场景,为了达到逼真的实践教学效果,选择某型实船的电站系统为开发模型,实现了将实船电站设备的现实场景复制到服务器的虚拟场景。此模块可以实现的功能如下:舰电与岸电转换;手动、半自动并车;手动、半自动解列;发电机转换;自动充放电装置配电。舰艇电力系统仿真平台效果图参见图1。
  2.1.2数学模型模块
  数学模型模块的主要功能是模拟发电设备以及系统的动态,同时模拟舰艇电力系统的操作、使用、控制、安全保护等,前者主要通过动态数学模型实现,后者则通过逻辑控制的数学模型实现。为此,首先要熟悉舰艇发配电设备的工作原理;其次通过数学工具,具体描述其工作过程,建立科学合理的数学模型,准备反映电气设备的操作控制、运行特性和工作参数之间的关系;最后要对数学模型进行修正,使其更好地符合舰艇电力系统的实际,尤其是发电机的动态数学模型,因其比较复杂,由转子运动方程和电磁回路方程两部分组成,需要充分注意。
  2.1.3功能模块
  功能模块的主要功能是设计实现舰艇电力系统虚拟仿真训练和维修的人机交互界面。在界面中,应当包括舰艇电力系统的结构原理、操作使用、虚拟拆装、训练仿真、维护修理等功能。这些功能,可以模拟实船电站的真实运行工况,可以模拟设置相关的故障。对于整个电力系统,包括柴油机系统、发电机系统、主配电板、岸电稳压装置、自动充放电装置等,通过人机交互界面,进行仿真操作训练,对于促进舰艇电力系统的教学效果具有较好的支撑作用。
  2.2硬件设备
  硬件设备采用光学追踪系统、定制3D室内立体屏。所有训练内容都通过3D室内立体屏显示,通过手持式操控终端操作完成。平面导航显示器和内置键盘、鼠标用于辅助操作和辅助项目介绍与提示及软件设置与维护。
  3系统功能及特点
  3.1系统功能
  舰艇电力系统虚拟仿真平台包含模型端、二维端、虚拟操作、虚拟拆装、检测维修等功能,图2为发电机仿真图。以满足学员日常教学训练和培训考核的需要,同时可支撑虚拟仿真中心的建设或示范性虚拟仿真实验教学项目制作。
  该系统可实现自主学习的功能,学生在漫游过程中,在学习遇到问题的情况下,可以自行通过触摸设备的方式,随时查看该设备的结构组成、工作部件、运转原理等说明(如图3所示),及时掌握电力系统内部各种设备的结构原理、工作特点及其性能参数。其功能主要包括:
  (1)立体呈现设备的内部结构。图4所示为配电板内部仿真图。
  (2)拆解设备零部件,从内部结构进一步了解设备的工作原理。
  (3)对于设备故障的原因筛查,提供更有效的依据,提高故障处理反应。
  (4)内部结构的创新再设计,可以更合理和更高效。
  (5)开拓操作者,特别对于设备研发的思维,增进他的动手能力。
  3.2系统特点
  本项目建设的目标是通过大数据实现智慧学习、针对不同船型实现针对性和个性化训练,提高训练效果,在同等的教学实践时间下,有效降低教学投入,一定程度上提高教学训练的质量,弥补现实场地训练存在的缺陷。此仿真平台主要特点包含:
  (1)逼真性。舰艇电力系统虚拟仿真平台是以实船实装为原型进行开发设计的,其布置、安装连接、操作、控制、安全保护及规则要求全部建立在现实场景基础上。通过良好的模拟设计,可以基本实现真实场景的1:1还原,受训者在虚拟环境中可以体验到逼真的现场环境,有时甚至使受训者难辨真假,具有高度的逼真性。

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