船舶電站虛擬現實仿真系統設計

譚銀朝 姜嘉欣 韓康 候巖巖

摘 要：隨著船舶智能化趨勢的不可逆轉，對船舶電站智能化水平的要求越來越高，船舶電站的設計、管理的難度也都將增加。本文研究設計了船舶電站虛擬現實仿真系統，通過對同步發電機、勵磁控制系統、轉速控制系統、負載及船舶電站操作邏輯控制等建立數學模型，實現MATLAB/Simulink二維仿真，運用3d Max軟件通過對發電機組、船舶配電板、各種儀器儀表、開關按鈕、內部脫扣裝置等三維建模并導入Unreal Engine 4（Ue4），生成虛擬現實效果。通過設計MATLAB和Ue4通信，實現二維與三維同步聯合仿真。系統可單獨作為船舶電力系統設計驗證平臺，亦可單獨作為教育培訓系統?？煽s短船舶電站設計周期，節省人力物力，也可提高船舶電站管理培訓效率。

關鍵詞：船舶電站;Simulink;Ue4;虛擬現實;聯合仿真

為了保證船舶電力系統裝船以后的可靠性，設計好的船舶電力系統方案在正式進行生產制造之前，需要進行包括系統的靜態、動態特性等的一系列的論證與評估，還需要根據評估結果對系統的參數進行整定、優化，模擬可能出現的故障，并一步步調試、完善[1]。運用傳統的物理系統去完成這些工作將會勞民傷財，周期較長，危險性高。隨著自動控制等技術的發展，仿真技術可很好地完成上述工作。但普通的二維仿真給出的一些曲線雖然能表示船舶電站系統的工作狀態，但缺少了直觀性，不易讀，而設計人員對某一數據的誤讀也有可能為設計帶來不必要的成本投入。本項目研發的船舶電站虛擬現實仿真系統便可以作為船舶電站設計的驗證平臺，把二維仿真的結果轉化為直觀的虛擬現實動作，可實現對所設計的船舶電站的運行分析、各種故障驗證等，提出反事故措施等，而更好地對總體設計進行試驗、評價、改進和參數的優化，很好地解決船舶電站設計及生產中的各種不便。

另外，國際海事組織規定輪機員必須經過仿真模擬器的培訓[2]。對于目前比較普遍使用的船舶電站模擬仿真系統，大都作為一個模塊嵌入輪機模擬器。傳統的各種船舶電站培訓設備與實船上的電站系統往往有很大差別，且在耗資、培訓環境、維護、危險性等諸多方面有較多不適，也不便為提升培訓效果，人為制造電站事故來讓學員實操訓練。再者，物理的電站培訓設備在技術更迭的信息化時代很容易與實際的船舶電站系統脫節，培訓系統的更新重建也將帶來巨大的人財物力投入的浪費。市面上普通的二維界面模擬器丟失了物理器件的部分動作特征，缺少一定的直觀性，培訓效果不好。本項目研發的船舶電站虛擬現實仿真系統又可以作為船員培訓平臺，為高校船舶電子電氣專業人才培養及社會船員培訓提供良好的仿真訓練環境，大大提升船員培訓效果。同時，隨技術的發展實時更新，系統可以隨時更新調整可帶來巨大的經濟效益。

1 船舶電站虛擬現實仿真系統概述

圖1為本系統的整體結構圖。其中，船舶電力系統二維仿真系統包括發電機控制系統驗證仿真、發電機空載啟動系統、發電機單機加減靜態負載仿真、單機加減異步電動機仿真和典型工況故障仿真，發電機控制系統驗證仿真包括柴油機調速模型仿真和發電機勵磁系統仿真，典型工況故障仿真包括單項接地短路仿真、兩相接地短路仿真和三相短路仿真。

二維實時仿真平臺可供開發人員設置不同參數，可以輸出各類參數的波形及數據統計信息，供設計者進行參考并對設計進行參數優化及完善。同時二維實時仿真平臺與圖形工作站上三維仿真系統進行通信交互，圖形工作站連接VR頭盔顯示器及操縱手柄，實現二、三維系統同步仿真。為系統開發驗證及教育培訓均帶來極大的便利。

2 二維仿真系統開發

為船舶電力系統建立數學模型，包括同步發電機、勵磁控制系統、轉速控制系統、負載及船舶電站操作邏輯控制建立數學模型，此數學模型按照動態數學模型、邏輯和控制模型進行構建。其中用來模擬柴油機及其調速模型、發電機及其勵磁系統模型、附屬設備和系統動態狀態的數學模型叫做動態數學模型。用來模擬船舶電站報警、操作和控制的數學模型叫做邏輯和控制數學模型。用Simulink建立船舶電力系統整體仿真模型，總體模型如圖 2所示[3]。

（1）柴油機發電機組模型。柴油機及其調速系統模型。調速器主要由測速器、伺服馬達等部件組成。測速器用來測得柴油機的實際轉速，與整定的轉速進行比較，偏差作為控制信號控制執行機構進行轉速調節，控制器和柴油發電機組形成閉環反饋控制，最后使得柴油機轉速穩定在給定值。

（2）發電機模型。此處所述發電機模型為交流發電機模型，交流發電機又分為同步發電機和異步發電機，此處建立同步發電機的數學模型，發電機的建模主要根據運行過程中的電磁變化和機電轉變的原理來進行。主要包括定子勵磁電動勢、電機空載電動勢、超瞬變電動勢等，然后建立簡化后的定子電壓方程、轉子繞組電壓方程、轉子運動方程等，在simulink中建立其模型[3]。

（3）發電機勵磁系統模型。船舶上負荷發生變化時，通常會造成同步發電機輸出端電壓的波動，對電網造成不好的影響。這就需要勵磁系統通過控制勵磁電流，以維持同步發電機端電壓的穩定。模型包括相復勵裝置的數學模型、電壓差的數學模型、補償器的數學模型、放大器的數學模型、比例飽和環節的數學模型、交流勵磁機的數學模型、反饋環節的數學模型[4]。

（4）變壓器和負載模型。包括變壓器數學模型、負載數學模型，其中負載數學模型分為動態負載和靜態負載。

（5）并車控制模型。按照準同步并車的方式進行仿真，這種方法沖擊電流小，運用廣泛，需要運行發電機的頻率相等、電壓幅值相等、相位角相等、相序相同，實際工程應用中除了相序相同必須滿足，其余條件可容許有少許偏差[5]。

3 三維仿真系統開發

根據所采集設備的外觀參數，用3D Studio Max（簡稱3d Max）建立船舶電站及附屬設備和內部傳動系統等3D模型，包括發電機組、船舶配電板、各種儀器儀表、開關按鈕、內部脫扣裝置等，對這些模型做UV展開和零件的拼裝等操作，用Adobe Illustrator和PhotoShop軟件進行二維貼圖的繪制和處理。需要將場景模型導出為FBX格式文件，導入Ue4中，并進行碰撞設置，以第一人稱操作者進行整個交互設計和邏輯編程。在虛幻引擎中用藍圖系統和管卡系統構建船舶電站各部件和整體的動作，根據邏輯流程圖生成虛擬現實效果，用VR頭盔顯示器和手柄（如圖3）調試，達到理想的效果，生成一套可供工程應用及教學培訓的虛擬現實仿真系統，如圖4所示。

4 二、三維仿真通信設計

MATLAB和Ue4無法直接通信，本項目采用C++動態DLL通信，UE4在C++編譯開始前，使用工具UnrealHeaderTool對C++代碼進行預處理，并自動生成相關序列化代碼;然后再調用真正的C++編譯器，將自動生成的代碼與原始代碼一并進行編譯，生成最終的可執行文件，這樣實現了UE4和C++的混合編程。然后C++可以調用MATLAB中的算法，采用的方法為C++調用m文件生成的DLL文件，MATLAB的C++ Complier可以把m文件轉換為C++的源代碼，還能夠產生獨立可執行的DLL程序，從而可以在C++程序中，通過調用DLL實現對MATLAB代碼的調用。這樣，就可以實現在UE4系統中用戶操作作為輸入，通過C++進行數據通訊，在MATLAB中完成對用戶輸入的處理和計算，實時地把計算結果反饋給UE4的可視化部分，用反饋的數據來驅動可視化中所有船舶電站三維模型的運動，完成交互。

5 結語

本項目提出了MATLAB與Ue4的C++動態DLL通信方法，實現了MATLAB和Ue4的聯合仿真，即實現普通二維仿真和三維視景仿真的結合，開發出了與二維仿真同步的最接近實際系統的虛擬現實仿真系統，使兩者優勢互補。為不同研究對象的相關技術的運用提供借鑒，并為以后對接整個船舶制造過程中的輪機、船體三維仿真做基礎。

參考文獻：

[1]吳賽賽. 船舶電站系統建模仿真[D]. 哈爾濱工程大學， 2013.

[2]臧大偉. 船舶轉葉式舵機系統仿真與虛擬現實的實現[D]. 大連海事大學， 2008.

[3]賈君瑞. 船舶電站系統建模與仿真[J]. 艦船科學技術， 2012（11）：55-58.

[4]王巖. 船舶電力系統建模及其仿真應用[D]. 大連海事大學， 2018.

[5]侯林其. 船舶電力系統建模與仿真研究[D]. 大連海事大學， 2016.

基金項目：2019年山東省船舶控制工程與智能系統工程技術研究中心科研開放基金項目：船舶電站虛擬現實仿真系統開發研究（項目編號：SSCC20190001）。