艦艇電力系統虛擬仿真平臺的設計

胡靜

（武警海警學院，浙江 寧波 315801）

1 引言

近幾年隨著計算機和虛擬現實的技術的不斷發展，其應用范圍不斷擴大，應用場景不斷拓展。其中，在艦艇電氣教學與實踐、艦艇相關課目訓練中，虛擬仿真技術的作用日益突出，傳統的授課與現代信息技術深度融合的教學方式已經在艦艇電氣專業課程中開展應用。作為培養船舶機電人才的關鍵環節，機電設備的操作使用、拆裝訓練、維護管理和故障排除教學在各門專業課程中都有大量體現，直接關系到機電人員實踐操作技能的生成，對崗位任職能力的培養具有關鍵性作用。目前基于現實的機電設備的操作使用、拆裝訓練、維護管理和故障排除教學，需要配置較大的場地，耗費大量的人力物力財力，其中突出的一點就是設備數量和學生人數存在較大矛盾，部分人員不能親身經歷設備拆裝維修等教學活動，同時還存在一定的安全風險。開發基于計算機軟/硬件和虛擬現實（virtual reality，VR）技術的船舶機電設備虛擬拆裝維修系統，能夠較好地解決場地空間有限、設備數量不足、訓練時間缺乏等矛盾問題，艦艇電力系統虛擬仿真平臺能夠實現電氣設備的拆裝練習、設計分析、使用維修過程的教學與實踐訓練，并且能夠實現虛擬拆裝和維修過程的評估和考核功能。

2 系統構成

本項目依托實船實物仿真，貼近部隊實兵實裝，建成功能齊全、特色鮮明、集“教、研、訓、演、展”五項功能于一體的網絡化、信息化、集成化的艦艇電力系統虛擬仿真平臺。該平臺主要有軟件系統和硬件設備兩個模塊組成。

2.1 軟件系統

軟件系統按模塊化方式組成，運行于Windows 7 （64位）系統，支持3D 立體顯示、手持操控終端輸入和三維動作捕捉。利用3Dmax 制作各模塊模型以及相應的模型貼圖的渲染，利用Unity 3D 虛擬仿真平臺，將各模塊模型導入，通過程序寫入實現對各個模型的虛擬操作，完成艦艇電力系統仿真軟件的制作。

2．1．1 3D 模型模塊

該模塊主要功能是構建三維可視化的虛擬場景，為了達到逼真的實踐教學效果，選擇某型實船的電站系統為開發模型，實現了將實船電站設備的現實場景復制到服務器的虛擬場景。此模塊可以實現的功能如下：艦電與岸電轉換；手動、半自動并車；手動、半自動解列；發電機轉換；自動充放電裝置配電。艦艇電力系統仿真平臺效果圖參見圖1。

圖1 電力系統仿真平臺效果圖

2．1．2 數學模型模塊

數學模型模塊的主要功能是模擬發電設備以及系統的動態，同時模擬艦艇電力系統的操作、使用、控制、安全保護等，前者主要通過動態數學模型實現，后者則通過邏輯控制的數學模型實現。為此，首先要熟悉艦艇發配電設備的工作原理；其次通過數學工具，具體描述其工作過程，建立科學合理的數學模型，準備反映電氣設備的操作控制、運行特性和工作參數之間的關系；最后要對數學模型進行修正，使其更好地符合艦艇電力系統的實際，尤其是發電機的動態數學模型，因其比較復雜，由轉子運動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計實現艦艇電力系統虛擬仿真訓練和維修的人機交互界面。在界面中，應當包括艦艇電力系統的結構原理、操作使用、虛擬拆裝、訓練仿真、維護修理等功能。這些功能，可以模擬實船電站的真實運行工況，可以模擬設置相關的故障。對于整個電力系統，包括柴油機系統、發電機系統、主配電板、岸電穩壓裝置、自動充放電裝置等，通過人機交互界面，進行仿真操作訓練，對于促進艦艇電力系統的教學效果具有較好的支撐作用。

2.2 硬件設備

硬件設備采用光學追蹤系統、定制3D 室內立體屏。所有訓練內容都通過3D 室內立體屏顯示，通過手持式操控終端操作完成。平面導航顯示器和內置鍵盤、鼠標用于輔助操作和輔助項目介紹與提示及軟件設置與維護。

3 系統功能及特點

3.1 系統功能

艦艇電力系統虛擬仿真平臺包含模型端、二維端、虛擬操作、虛擬拆裝、檢測維修等功能，圖2為發電機仿真圖。以滿足學員日常教學訓練和培訓考核的需要，同時可支撐虛擬仿真中心的建設或示范性虛擬仿真實驗教學項目制作。

圖2 發電機組仿真圖

該系統可實現自主學習的功能，學生在漫游過程中，在學習遇到問題的情況下，可以自行通過觸摸設備的方式，隨時查看該設備的結構組成、工作部件、運轉原理等說明（如圖3所示），及時掌握電力系統內部各種設備的結構原理、工作特點及其性能參數。其功能主要包括：

圖3 設備介紹說明

（1）立體呈現設備的內部結構。圖4所示為配電板內部仿真圖。

圖4 配電板內部仿真圖

（2）拆解設備零部件，從內部結構進一步了解設備的工作原理。

（3）對于設備故障的原因篩查，提供更有效的依據，提高故障處理反應。

（4）內部結構的創新再設計，可以更合理和更高效。

（5）開拓操作者，特別對于設備研發的思維，增進他的動手能力。

3.2 系統特點

本項目建設的目標是通過大數據實現智慧學習、針對不同船型實現針對性和個性化訓練，提高訓練效果，在同等的教學實踐時間下，有效降低教學投入，一定程度上提高教學訓練的質量，彌補現實場地訓練存在的缺陷。此仿真平臺主要特點包含：

（1）逼真性。艦艇電力系統虛擬仿真平臺是以實船實裝為原型進行開發設計的，其布置、安裝連接、操作、控制、安全保護及規則要求全部建立在現實場景基礎上。通過良好的模擬設計，可以基本實現真實場景的1:1 還原，受訓者在虛擬環境中可以體驗到逼真的現場環境，有時甚至使受訓者難辨真假，具有高度的逼真性。

（2）開放性。通過虛擬平臺進行教學培訓，突破了空間和時間的限制，可以隨時隨地依托虛擬仿真平臺進行艦艇電力系統的教學訓練，具有極大的便利。

（3）針對性。虛擬仿真平臺具有高度的教學訓練靈活性，學生可以根據自身的掌握程度，針對自己的弱點弱項，開展針對性的學習。也可以隨時在當前項目中，針對有興趣的或者重點的問題進行反復虛擬訓練和體驗，使得教學效果更加具體直接，也更加符合教學規律；基于虛擬平臺的教學培訓，能夠模擬任一訓練課目，結合模擬各種真實情況下的復雜、多變、突發的環境，從而可以貼近艦艇電力系統的實際，極大提高教學培訓的真實效果。

（4）自主性。借助艦艇電力系統虛擬仿真平臺，可以充分發揮教師的主導作用和學生的主體地位，真正做到訓練教學以學生為中心。學生在訓練過程中，可以充分發揮學習的主觀能動性，自主把握訓練時間和訓練課目，既可以對自己的薄弱環節進行多次重復的強化訓練，也可以對已經掌握的重點內容進行固化深化，牢牢掌握學習訓練的主動權。

（5）安全性。艦艇電力系統虛擬仿真平臺的教學訓練環境具有較高的安全性，避免了現實場景下的電力系統故障、人身傷害、操作失誤、拆裝錯誤、工具丟失等多項安全隱患，確保了學生在訓練中的安全可靠，確保了學生可以大膽訓練、放松訓練，甚至可以體驗極端訓練，提高學生真實崗位的適應能力。

（6）趣味性。開發虛擬仿真平臺，可以讓學生體驗到高科技帶來的樂趣，其參與專業課程學習的積極性得到了明顯的提高，豐富了學習的形式，實現了由過去被動接受型到主動學習型的學習方式轉變。

4 系統調試

系統軟硬件平臺搭建完畢后，進行調試，圖5為機電設備虛擬操作平臺中的艦艇發電機并車操作環境，VR 手柄與配電板的交互界面，能達到操作訓練需求，并能對操作過程進行評價。該平臺不僅能實現虛擬操作，還能進行專業知識考核，圖6為虛擬平臺考試系統界面。

圖5 VR 手柄與配電板的交互界面

圖6 虛擬平臺考試系統

調試結果表明，該平臺場景貼近實裝，能夠滿足對艦艇電站的基本操作和訓練，能夠進行故障設置和排除，并能對專業能力進行評估與考核。

5 結語

結合當前海警培訓需求，建設和依托相應艦艇電力系統虛擬仿真平臺，大力開展艦員專業技能培訓，用大量貼近實裝的虛擬設備代替實際裝備，組織培訓對象進行全面系統的裝備虛擬拆裝和訓練，降低培訓的硬件成本，更高效地提高培訓對象的維修水平，幫助培訓對象積累維修經驗，為基層艦艇部隊輸送優秀專業人才。