基于Virtools的船舶辅锅炉虚拟仿真研究

李建伟

基于Virtools的船舶辅锅炉虚拟仿真研究

李建伟

（青岛港湾职业技术学院，山东青岛 266404）

针对船舶辅锅炉在训练过程中的若干问题，利用虚拟现实技术开发具有操纵方便、动态性强、沉浸感足的虚拟系统，通过研究船舶辅锅炉组成部件的模型，采用3dsmax建模，利用Virtools构建虚拟仿真系统，实现船舶辅锅炉的操纵功能，并在三管轮评估训练中发挥作用。

Virtools 船舶辅锅炉 虚拟现实 轮机师培训

0 引言

船舶辅锅炉是船舶航行不可缺少的组成部分，辅锅炉的操作需要多方面的技术和经验，而船舶辅锅炉的训练主要以模拟器为主，虚拟现实技术尚未在该领域得到成熟应用[1]。

STCW78/10公约马尼拉修正案对海船船员三管轮适任考试大纲进行了修改，修改后的《船舶电气与自动化》考证科目涵盖《电工与电子技术》、《船舶电力拖动与控制》、《船舶电站与电气安全》的内容，新增加了《船舶自动化》的课程，而船舶辅锅炉控制系统位于第八章，包括辅锅炉概述、辅锅炉水位自动控制、辅锅炉蒸汽压力、辅锅炉燃烧时序自动控制自动控制及辅锅炉的安全保护。适用对象为无限航区及沿海航区750 kW以上二三管轮明确了船舶辅锅炉控制系统在考试中的地位[2]。

本文从虚拟现实的角度出发，利用Virtools虚拟编辑平台，开展船舶辅锅炉虚拟仿真系统的研究。

1 构建思路

1.1 Virtools编辑平台

Virtools编辑平台是法国Virtools公司开发虚拟现实编辑引擎，以其可视化模式迅速得到诸如EA和Sony Entertainment等大型游戏制作公司的青睐。从初期产品的原型设计、虚拟环境的编辑到3D互动的不断完善，Virtools能提供超过700种的行为模块方便开发人员建构丰富的虚拟作品，感受沉浸式的人机交互系统，广泛应用到计算机游戏设计、建筑设计、产品展示、教育训练及虚拟仿真等领域[3-4]。

1.2 Virtools编辑平台

基于Virtools的船舶辅锅炉虚拟仿真研究旨在设计一种可在液晶屏上现实和操作的虚拟交互系统，让操作者能够充分体验沉浸式的船舶辅锅炉虚拟交互系统，该系统可演示船舶辅锅炉的结构原理、水位控制、燃烧时序控制及安全保护等相关操作，丰富船舶辅锅炉的理论授课手段，协助船舶辅锅炉的适任评估工作。

考虑船舶辅锅炉的教学需求及《电气与自动化》适任评估科目船舶辅锅炉部分的考核要点，同时结合船舶辅锅炉的本体结构、附件搭配及具体控制机理，将船舶辅锅炉结构中的各个组成部件分成显示类部件、拆装类部件和操作类部件三大类。显示类部件用来显示船舶锅炉的本体，拆装类部件用来展示部件结构，操作类部件用于虚拟台盘及逻辑控制，其中操作类部件需要进行仿真简化，方便为下一步的三维模型构建提供易于实现的简化模型。

根据船舶辅锅炉的简化模型，同时忽略其他次要影响因素，利用三维建模软件3ds Max构建船舶辅锅炉的三维实体模型。在利用3ds Max构建三维模型时，应考虑显示类部件的纹理、渲染和烘焙，对显示类部件和操作类部件需用进行动画处理和脚本设置以方便Virtools编辑引擎中行为模块的控制，并形成.max的后缀文件。

将构建好的.max后缀文件通过MaxExporter插件导入到Virtools编辑引擎，在Virtools编辑器进行事件的编辑、行为模块的处理及VSL脚本的编译，具体构建思路如图1。

图1 船舶辅锅炉虚拟仿真平台构建思路图

在Virtools进行编辑过程中，对于鼓风机的启动、给水泵的启动、操作面板的转换等简单动作采用行为模块进行拖拽和编写来实现，对于船舶辅锅炉水位自动控制、燃烧时序自动控制和安保试验则采用VSL脚本编写，最后将编写好的.nmo后缀文件发布成.exe的可执行程序，形成完整的船舶辅锅炉虚拟仿真平台。

2 系统建模

2.1 数学模型

船舶辅锅炉虚拟仿真系统的数学模型是根据船舶辅锅炉基本组成及运行过程而建立的数学模型，涵盖了湍流理论、多相流体力学、辐射传热学、燃烧过程的多参数耦合和直接数值模拟，是船舶辅锅炉燃烧参数、热力参数及动力参数的集中体现。

根据计算方便和实际控制需要，船舶辅锅炉的数学模型应涵盖风机数学模型、给水泵数学模型、换热系统数学模型、炉内对流数学模型、炉内流场数学模型、炉内辐射数学模型及燃烧系统数学模型，论文以炉内流场数学模型为例进行分析。

为得到相对简化的数学模型，必须对炉内流场进行简单的处理，假设燃烧过程相对稳定，忽略燃烧波动，以炉内气流为稳态为宜，由于炉内流动为高度非线性的复杂流动，采用k-ε模型微分形式来描述其模型，具体方程如下：

N-S方程：

方程：

其中，表示流速；xyz坐标方向；表示压力；表示湍动能；耗散率[5-6]。

2.2 三维模型

三维模型的构建是在分析船舶辅锅炉结构各数学模型的基础上，忽略次要因素，简化计算，得到更直观的简化模型，并利用3ds max丰富的建模方法创建三维模型以搭建船舶辅锅炉系统的虚拟场景。考虑到具体运行效果，应采用合适的建模方式，以保证虚拟仿真的流畅性、沉浸性和逼真性。

对于船舶辅锅炉点火系统中线路布局、输油管、给水管及排污管多采用线框建模，只需输入三维坐标再辅以有向线段的连接便可得到二维图形，添加“挤出修改器”变能完成，保证此类方法创建的模型便具有投影属性。

对于三通阀、排污阀及安全阀采用曲面建模，此建模型方法所构建的三维模型由多个网格构成，模型的外表面近似曲面，且网格越密集，越接近真实表面，同时辅以Vary渲染器，得到更加接近真实的仿真效果。

NURBS建模是采用非均匀有理数B-样条线的建模方法，同时配合“车削”、“挤出”和“布尔”修改器，轻松构建诸如冷凝器、锅炉炉膛等复杂三维模型[1]。

3 交互层实现

船舶辅锅炉虚拟仿真系统主要采用Virtools虚拟现实编辑软件中Building Blocks行为模块来实现及包含了断点支持、跟踪变量值的编辑、逐步(step by step)调试的VLS编程来实现。

3.1 行为控制编辑

论文以船舶辅锅炉给水泵的启动过程及水位控制为例探讨船舶辅锅炉的交互脚本的编写。

当船舶辅锅炉水位下降到低水位时，锅炉水位控制的“Text Display”行为模块触发给水泵控制的“Switch On Key”行为模块，为模拟虚假水位的消除过程，经过延时判断若船舶辅锅炉水位指示正常，触发给水泵启动旋钮转至“启动”的“Rotate”模块、给水泵控制模式“自动”的“Rotate”模块、辅锅炉内压力变化柱状表的位移“Translate”模块及冷凝器热水井液面变化的位移“Translate”模块，具体行为模块的输入输出连接如图2所示。

当辅锅炉给水泵启动完成后，将启动信息传递给控制辅锅炉水位变化的“Wait Message”行为模块，并触发信息传递“Send Message”行为模块，进而通过“Bezier Progression”行为模块控制控制辅锅炉水位的变化和水位计指示的变化，其行为模块如图3。

图3 水位变化行为模块图

为了保证水位控制的精确性和稳定性，采用Bezier Progression，并输入合适Duration值，以形成稳定的Progression Curve，并控制好斜率[7-9]。

3.2 交互逻辑实现

船舶辅锅炉虚拟仿真系统中单个部件动作设置采用Building Blocks行为模块，而对于行为模块无法直接实现的交互或者各部件之间的逻辑关系则需通过VLS编程来实现，以船舶辅锅炉燃烧时序控制中的点火判断为例进行演示，点击Building Blocks/VLS/Run VLS，打开VLS编辑窗口，输入以下程序：

4 结束语

船舶辅锅炉虚拟仿真系统采用Virtools虚拟编辑平台构建了基于船舶辅锅炉和过程控制的虚拟环境，操作者可以充分感受沉浸式的视觉体验，实现操作的虚拟化和操作场景的仿真化。

该虚拟仿真系统已设计完成，并初步投入使用，操作可以按照操作说明设计的思路进行探索性的学习，也可以自由操作，同时配合环幕投影和VR眼镜，效果更加震撼。

船舶辅锅炉虚拟仿真系统进一步探索了与增强现实技术的融合，与操作手柄之间可形成有效连接，但是在手机端的研究尚不完善，虽未在手机端进行推广应用，其在手机端的应用前景良好。

[1] 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: 19-23.

[2] 中华人民共和国海事局. 中华人民共和国海船船员适任评估规范[M]. 大连: 大连海事大学出版社，2012: 280-281.

[3] 刘明昆. 三维游戏设计师宝典-Virtools开发工具篇[M]. 重庆: 四川电子音像出版社, 2005: 1-16.

[4] [4] 徐英欣, 王丹东. 三维游戏设计师宝典-Virtools虚拟装配制作实例[M]. 重庆: 电子音像出版社，2009: 21-29.

[5] 王正林, 郭阳宽. Matlab/Simulink与过程控制系统仿真[M]. 北京: 电子工业出版社, 2016: 316-318.

[6] 周俊杰, 徐国权. FLUENT工程技术与实例分析[M]. 北京中国水利水电出版社, 2015: 276-305.

[7] 吕俏. 基于Virtools的电磁学虚拟演示实验的研究与设计[D]. 长沙: 湖南大学. 2017: 47-54.

[8] 孙涛. 基于Virtools的海洋钻井平台虚拟仿真 [D]. 青岛: 中国石油大学(华东). 2016: 63-72.

[9] 曾祥君. 基于Virtools的虚拟仿真机车检修实训平台的研究[D]. 大连: 大连海事大学, 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年度山东省高等学校科技计划项目(科技类，编号：J18KB034)

李建伟(1981-)，男，硕士研究生。研究方向：虚拟仿真。E-mail: joyleejianwei@163.com