船模性能虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

，，，

(1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院；2.大連理工大學(xué) 遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院，遼寧 大連 116023)

船模水動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)是當(dāng)前確定船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力性能的主要方法之一，大連理工大學(xué)船舶與海洋工程全日制本科專業(yè)設(shè)置船模性能實(shí)驗(yàn)必修課，一方面向?qū)W生講授船模實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)，另一方面深化學(xué)生對(duì)船舶與海洋工程專業(yè)的整體認(rèn)識(shí)與興趣[1-2]。由于船模實(shí)驗(yàn)所需最基本的船池、拖車(chē)和測(cè)量設(shè)備等初期投資大，后期維護(hù)成本高等諸多因素造成許多有船舶工程專業(yè)的高校因缺少船模實(shí)驗(yàn)水池而不能開(kāi)設(shè)船模性能實(shí)驗(yàn)課，船舶工程專業(yè)遠(yuǎn)程教育更是如此。為此，設(shè)計(jì)船模性能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能最大程度地模擬真實(shí)船模性能實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供一種更加高效、快捷、方便的船模性能實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)[3-4]。系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和開(kāi)放性，便于今后持續(xù)更新船型[5]和增加試驗(yàn)內(nèi)容。本文主要介紹船模性能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境、軟件構(gòu)成、軟件界面、核心算法和教學(xué)效果。

1 軟件系統(tǒng)介紹

本軟件系統(tǒng)采用Visual Basic 6.0[6]開(kāi)發(fā)。

利用Autorun制作安裝引導(dǎo)界面見(jiàn)圖1。

圖1 軟件引導(dǎo)界面

引導(dǎo)界面包含了軟件介紹、實(shí)驗(yàn)介紹、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)鏈接及大連理工大學(xué)船模試驗(yàn)水池介紹等內(nèi)容，同時(shí)可以打開(kāi)安裝包中的課件文件夾。軟件采用Setup Factory進(jìn)行打包，安裝方便。安裝后會(huì)生成桌面與開(kāi)始菜單快捷方式，便于學(xué)生運(yùn)行程序進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，安裝過(guò)程界面見(jiàn)圖2。

圖2 軟件安裝界面

下面以自航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例介紹軟件界面。軟件歡迎界面、模擬實(shí)驗(yàn)界面及數(shù)據(jù)保存界面如圖3和圖4。

圖4 模擬實(shí)驗(yàn)界面

實(shí)驗(yàn)界面可以通過(guò)船模選擇模塊中按鈕組來(lái)快速選擇實(shí)驗(yàn)船舶壓載狀況(如“滿載”或“空載”)。對(duì)應(yīng)的船型圖片及此載況下的船型參數(shù)也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。之后點(diǎn)擊“開(kāi)始試驗(yàn)”按鈕，選擇拖車(chē)速度，會(huì)自動(dòng)顯示此航速下摩擦阻力修正值。設(shè)定相應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)速，點(diǎn)擊“確定參數(shù)”按鈕。若參數(shù)設(shè)置有誤會(huì)，有錯(cuò)誤提示框提示錯(cuò)誤，待使用者修改參數(shù)為合理范圍時(shí)方可進(jìn)入正常實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)擊“開(kāi)動(dòng)拖車(chē)和槳”按鈕，視頻模塊會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)載況、拖車(chē)速度和螺旋槳轉(zhuǎn)速下的實(shí)驗(yàn)影像，數(shù)據(jù)采集模塊會(huì)生成實(shí)驗(yàn)曲線并實(shí)時(shí)顯示，右下側(cè)單次實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)會(huì)持續(xù)添加數(shù)據(jù)。待實(shí)驗(yàn)曲線保持相對(duì)平穩(wěn)一段時(shí)間后，點(diǎn)擊“停止拖車(chē)和槳”按鈕，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。同時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到實(shí)驗(yàn)結(jié)果頁(yè)和自航曲線頁(yè)，顯示此次實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)及繪制出曲線。更改螺旋槳轉(zhuǎn)速和拖車(chē)速度，重復(fù)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)步驟，最終得到完整的自航實(shí)驗(yàn)曲線。

保存數(shù)據(jù)時(shí)默認(rèn)文件名為此時(shí)所選船型、所選實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)時(shí)間的組合，默認(rèn)存儲(chǔ)位置為計(jì)算機(jī)桌面，可更改文件名和路徑。文件自動(dòng)保存成txt文件，文件中實(shí)驗(yàn)基本信息包括船型參數(shù)、載況、槳型及實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)。

2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件由4個(gè)相互獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成，分別為船模阻力虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、螺旋槳敞水虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、船模自航虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和船模耐波性虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。每個(gè)虛擬平臺(tái)包括船模(或?qū)嶒?yàn)載況)選擇模塊、人機(jī)交互模塊、實(shí)驗(yàn)控制模塊、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合模塊[7]、數(shù)據(jù)視頻模塊和數(shù)據(jù)及文件管理模塊等6個(gè)模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及模塊與真實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)M對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖5。

3 船模實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

軟件所參考數(shù)據(jù)及影像資料均取自大連理工大學(xué)船模試驗(yàn)水池，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。目前軟件系統(tǒng)選取6條船模和3個(gè)槳模，各船舶模型和螺旋槳模型參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

圖5 軟件界面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船名模縮尺比船水線長(zhǎng)/m型寬/m平均吃水/m排水量/tf濕表面積/m2500 t漁政船12.551.58.23.2670.0489.575 m金槍魚(yú)圍網(wǎng)船20.068.9612.85.02 644.21 105.0737 m專業(yè)捕蝦船10.831.78.63.0666.4382.5散貨船16.372.011.54.42 727.01 283.0玻璃鋼漁船A5.015.23.80.924.658.1玻璃鋼漁船B8.023.15.81.5101.0164.8

表2 選用槳模基本參數(shù)

4 核心算法

為了更真實(shí)地模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集，在拖車(chē)控制和船舶工程等方面考慮了船模實(shí)驗(yàn)及控制學(xué)中各個(gè)參數(shù)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的影響。在船模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，實(shí)際觀測(cè)值為實(shí)際值與噪聲之和，其中噪聲包含系統(tǒng)過(guò)程噪聲與觀測(cè)噪聲[8]：

(1)

F(t)——t時(shí)刻實(shí)際值，由已知數(shù)據(jù)的插值結(jié)果確定；

ω(t)，v(t)——t時(shí)刻系統(tǒng)過(guò)程噪聲向量和t時(shí)刻觀測(cè)噪聲向量。

假定ω(t)與v(t)均為高斯白噪聲過(guò)程，ω(t)滿足：

(2)

v(t)滿足相同的條件。

真實(shí)船模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)采用低通濾波，故噪聲影響不會(huì)很大。為了簡(jiǎn)化軟件算法，本軟件將ω(t)與v(t)合并：

ω(t)+v(t)=sin[sin(40t)×300]×F/400

(3)

在軟件系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)噪聲和環(huán)境噪聲的考慮，可以使實(shí)驗(yàn)曲線短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)特性，長(zhǎng)時(shí)間保持相對(duì)穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)特性，能更加真實(shí)地還原實(shí)際實(shí)驗(yàn)。

拖車(chē)啟動(dòng)加速過(guò)程，實(shí)際上就是一個(gè)PID控制過(guò)程。連續(xù)PID控制系統(tǒng)控制方程為

(4)

式中：Kp——比例系數(shù)；

Ti——積分系數(shù)；

Td——微分系數(shù)。

為了在軟件中充分表現(xiàn)出拖車(chē)在時(shí)域內(nèi)單位時(shí)間間隔的觀測(cè)過(guò)程，需要對(duì)公式(4)進(jìn)行離散化。根據(jù)離散化條件：

(5)

得到離散化后的PID系統(tǒng)基本公式如下：

(6)

PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，工作可靠，調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，并特別適用于工程實(shí)際應(yīng)用中。軟件中對(duì)拖車(chē)速度采用PID控制的設(shè)計(jì)不但更符合真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拖車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況，而且可以作為教師啟發(fā)學(xué)生了解更多跨學(xué)科知識(shí)的重要手段。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)已經(jīng)用于大連理工大學(xué)船舶工程專業(yè)2009級(jí)和2010級(jí)全日制本科生自選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)中，通過(guò)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告和學(xué)生反饋，總結(jié)本系統(tǒng)在實(shí)際教學(xué)中的效果如下。

1)滿足學(xué)生主動(dòng)探索的需求。船模性能實(shí)驗(yàn)需要船池和拖車(chē)等龐大設(shè)備，所以每次實(shí)驗(yàn)，一次只能容納1個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，1個(gè)小組至少10個(gè)人。另外，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵仓挥?個(gè)，實(shí)驗(yàn)條件都是任課老師事先確定好的，所有人只有1個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。利用本軟件系統(tǒng)，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上選擇自已感興趣的船型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中主動(dòng)探索，主動(dòng)思考，努力理解自己所學(xué)的東西，而不是死記硬背，被動(dòng)接納。

2)激發(fā)學(xué)生潛在的學(xué)習(xí)能力。每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組至少10個(gè)人，所以每個(gè)操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備同學(xué)都是在眾人注目下進(jìn)行。這對(duì)于學(xué)習(xí)成績(jī)或動(dòng)手能力稍差的同學(xué)是一種考驗(yàn)，需要他們具備一定膽識(shí)。而這類同學(xué)在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，可以反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終拿到與其它同學(xué)不一樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這對(duì)于他們，是一次能力的肯定，增強(qiáng)他們的信心。

3)調(diào)整學(xué)生的學(xué)習(xí)情感。本軟件系統(tǒng)采用文字、曲線、音頻和視頻等多媒體優(yōu)化組合的教學(xué)方式。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，具有新穎、愉快和輕松的特點(diǎn)。換一種學(xué)習(xí)方式，能夠引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，愉快地完成教學(xué)任務(wù)。

4)突破時(shí)空的限制。本軟件系統(tǒng)可以掛在網(wǎng)上，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)室以外創(chuàng)造學(xué)習(xí)環(huán)境，可以在適合的時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)。軟件不但解決了學(xué)生學(xué)習(xí)地點(diǎn)與時(shí)間的不便，也減少了學(xué)生實(shí)驗(yàn)對(duì)于水池設(shè)備的占用時(shí)間，緩解了教學(xué)工作與常規(guī)科研工作的沖突。

船模性能虛擬實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)經(jīng)過(guò)2屆學(xué)生試用，證明此軟件系統(tǒng)完全滿足船舶工程專業(yè)本科教學(xué)任務(wù)要求，同時(shí)該軟件系統(tǒng)也應(yīng)用于大連理工大學(xué)遠(yuǎn)程教育船舶工程專業(yè)本科教學(xué)中。

船模性能實(shí)驗(yàn)虛擬教學(xué)軟件雖然不能完全代替船模實(shí)驗(yàn)，但在船模性能實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)對(duì)開(kāi)放性教學(xué)，提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)內(nèi)容起到一定的積極作用。它可以突破時(shí)空的限制，提供更多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，擴(kuò)大教學(xué)規(guī)模，提高教學(xué)質(zhì)量，降低教學(xué)成本。尤其對(duì)遠(yuǎn)程教育和不具備進(jìn)行船模性能實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ母咝４肮こ虒I(yè)本科教學(xué)有著更重要的使用價(jià)值和意義。

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