船舶辅锅炉系统的仿真研究

刘鸿儒，万隆君，徐轶群

（集美大学轮机工程学院，福建厦门 361021）

0 引言

应用船舶轮机模拟器培养现代轮机管理人员是快速提高管理经验的有效手段[1]。由于它是一种培训轮机人员经济、安全、高效的设施之一，国际海事组织(IMO)在STCW78/95公约中已将其列入船员培训的必备条件之一，并对轮机模拟器的一般性标准和建议性标准做了详细的规定[2]。船舶辅锅炉系统是船舶动力装置的重要组成部分，也是轮机模拟器培训中重要内容之一。目前，国内外对船舶辅锅炉系统研究主要集中于仿真培训系统的研发。

本文以船舶辅锅炉系统操作过程为研究对象，提出在Unity 3D平台上，实现对船舶辅锅炉系统的漫游和控制操作仿真。

1 船舶辅锅炉系统

1.1 锅炉本体

锅炉本体是由筒体、炉胆和针形管组成[3]。针形管由密集排布的柱形钢针焊在铜管外壁而成，分别布置在大烟管中。筒体上设有人孔和手孔，方便最锅炉内部进行维修。圆筒形炉胆和上、下管板组成水冷炉膛。炉膛中燃烧出来的高温烟气进入特殊的换热元件——针形管，冲刷大烟管内壁和针形换热管，形成一个高效的换热管组，使得热量高效的传导。

1.2 燃烧器

燃烧器由配风器、喷油器和电点火器等组成。配风器的作用是产生的适当压力且适量的风，并与喷油器喷入炉膛的雾化均匀混合，以提高燃烧效率[3]。喷油器是控制喷入适量的燃油，并将燃油雾化成很小的雾滴，保证燃烧质量。电点火器在燃烧条件充足的前提下，利用产生的高压电火花，瞬间点燃燃油，保证燃烧的顺利进行。

1.3 辅助系统

辅助系统包括燃油系统、给水系统、凝水系统和排污系统等组成[3]。燃油系统负责为燃烧提供足够和品质符合要求的燃油，给水系统是为锅炉提供足够和品质符合要求的水，凝水系统保证水的重复使用。燃油系统由供油泵、过滤器、给油加热器、油管和各个自动控制元件、仪表等组成。给水系统给水加热器、给水泵、液位控制器、水管和各个自动控制元件、仪表等组成。各个自动控制元件通过油压或是水压控制，保证系统的自动运行。锅炉失水会导致非常严重的事故，为了保证锅炉的安全，一般都会配备两套给水设备，其一备用。

2 船舶辅锅炉系统漫游与人机交互

2.1 虚拟仿真平台

虚拟仿真平台是整合模型与媒体生成场景数据库的场所，是实现漫游与人机交互的场所，故选取合适的虚拟仿真平是非常重要的。Unity 3D作为市面上使用最多的仿真平台之一，具备以下的优点：

（1）着色器、光影渲染系统和粒子系统等组件工具，可以二次开发，使场景更加逼真；

（2）支持大多数音频流和视频流格式，并能实时支持三维图形混合音频流和视频流；

（3）脚本是Mono脚本，是基于.NET Frame⁃work的开源语言，可以用JavaScript、C#或Boo加以编写；

（4）跨平台特性，可以在Windows、iPhone、Android等平台上发布运行[4]。

2.2 船舶辅锅炉系统漫游及人机交互实现

2.2.1 船舶辅锅炉系统场景建立

在三维实体建模软件3DSMAX中，创建各个部件实体模型，再按现实船舶辅锅炉房进行布局，组成船舶辅锅炉系统虚拟场景。为了让使用者在漫游和人机操作时，能沉浸其中，拥有真实的操作体验，必须对场景中的模型进行必要的处理。这些处理主要有：

（1）优化模型，减少模型个数和面数，提高系统的运行实时性；

（2）添加材质灯光，给各个模型构件按照现实的材质属性进行添加，同时为整个系统添加灯光，提高系统场景的真实感。

船舶辅锅炉系统虚拟场景创建完后，以.FBX格式输出，并导入Unity 3D新建项目的“Assets”文件夹中，同时运行Unity 3D，为场景的模型添加基本物理属性诸如刚体（Rigidbody）和碰撞（Collider），为实现漫游和人机交互做准备。

2.2.2 船舶辅锅炉系统可控漫游

在对象列表（Hierarchy）中，新建并命名为“controller”空物体或观察者和一台摄像机，将摄像机作为子物体挂靠在controller上，调整位置和视角，同时为controller添加必要的物理属性比如刚体和碰撞。

在项目资源列表（Project）中，新建命名为“manyou”的Java脚本，并将其拖到controller的“Inspector”上，双击manyou脚本，进入Unity自带的MonoDevelop中编辑，通过脚本控制实现视角和位置的变化，其程序如下：

2.2.3 船舶辅锅炉系统控制操作仿真

船舶辅锅炉系统控制操作包括供水、供油和燃烧等控制过程。限于篇幅要求，选取供水控制过程进行仿真说明。

船舶辅锅炉系统供水控制提供手动和自动两种控制方式，一般在系统运行时，供水系统是自动控制的，只有在启动低水位、出故障等情况下是手动控制。供水系统的控制最主要的是通过液位控制泵机的启动，从而控制整个供水系统自动运行，其控制流程图如下常（假设水位正常）：

图1 水系统控制流程图

在仿真设计时，水位数值应以不同的时间函数上升下降。若是出现故障，发出声光报警，仍没有人手动启动泵机，致使水位降到危险水位，强制停炉。在排除故障后，要复位才能启动锅炉。锅炉水系统整个控制过程程序如下：

3 结语

本文使用Unity 3D平台实现对锅炉控制操作的仿真方案，很好的解决了实船培训和物理模拟器在时间和空间上的限制问题，但是相对于越来越高的轮机人员培训要求，该模拟器的实时性、沉浸性和可靠性还有待提高，这也是将来研究的重点。

［1］贾宝柱，曹辉，张均东，等.轮机模拟器及其关键技术［J］.中国航海，2012，35（1）：35-40.

［2］曾青山，陈景峰，黄加亮.轮机模拟器的现状和发展趋势［J］.集美大学学报：自然科学版，2003，8（1）：74-79.

［3］李建伟.船舶辅锅炉操控系统的三维实体建模与虚拟仿真［D］.厦门：集美大学，2009.

［4］吴亚峰，于复兴.Unity 3D游戏开发技术详解与典型案例［M］.北京∶人民邮电出版社，2012.