船舶仿真

船舶仿真（精选十篇）

船舶仿真 篇1

关键词：Matlab/Simulink,船舶电力系统,界面特性仿真,电压瞬变

0引言

船舶上用电设备在不断增加,为了使船舶电力系统与用电设备相兼容,“MLT-STD-1399 300章”以电压、频率、应急状态等参数规定了船舶电力系统的界面特性。 而在用电设备突加或突减时所引起的电压瞬变会直接影响到船舶电力系统的稳定。船舶上交流电力一般划分为三类,其中I型为标准的船舶电力电源,440 V或115 V,60 Hz不接地;Ⅱ型和Ⅲ型应用受到限制。本文应用仿真软件Matlab对I型440 V,60 Hz不接地船舶电力系统进行了建模,并对突加、突减负载等不同工况进行仿真分析,得出船舶电力系统界面特性的电压参数变化情况,进一步验证了“MLT-STD-1399 300章”所规定的船舶电力系统界面的电压瞬变特性。

1船舶电力系统建模

船舶电力系统通常由发电装置、配电装置、电力网和用电设备(负载)四部分组成。发电装置通常采用柴油发电机组,船上的用电设备很多,根据负载特性,总体上分为三大类:感应电动机负载、静负载和无功功率补偿负载。船舶电力系统的动态特性主要取决于柴油发电机组与用电设备的共同作用。船舶电力系统总体框图如图1所示。

1.1同步发电机模型

同步发电机是船舶电力系统中的重要元件,它集旋转与静止、电磁变化和机械于一体,把机械能转换为电能,供给整个船舶电力系统使用[1]。同步发电机的运行特性和内部电磁过渡过程是非常复杂的非线性动态过程,对其进行详细、精确的数学建模十分困难。Matlab软件中的SimPowerSystems中提供了各种类型的发电机模型,本文直接调用库中的p.u.标准同步发电机模型[2]。 该模型采用5阶状态方程,考虑了定子绕组、转子绕组的电磁暂态过程以及转子的机械运动过渡过程,能比较精确地分析系统和电机动态过程。同步发电机模型及其属性设计对话框如图2所示。

1.2励磁系统模型

本文采用相复励无刷交流励磁系统,模型由Simu-link组件中的连续系统模块集进行建模[3,4],模型框图如图3所示。其中:Uref为自动电压调节器参考电压;Ud和Uq分别为发电机d轴和q轴的电压值;Ustab为接地零电压;iabc为定子三相电流;Uf是励磁电压。Ud和Uq产生相复励的电压信号,iabc三相电流信号产生相复励的电流信号,这两部分信号合成后,一部分送入调节器回路进行闭环调节,另一部分输出到励磁机。

1.3柴油机及调速器模型

在柴油发电机组中,柴油机的主要作用是提供原动力,柴油机自身没有自动调速能力,因此必须装设调速器。本文柴油机与调速器组合采用二阶环节进行建模[5],模型框图如图4所示。图中,nref(p.u.),n(p.u.)为柴油机参考转速和实际转速的标幺值,Pmec(p.u.)为输出机械功率的标幺值。

1.4负载模型

船舶电力系统中的负载有多种分类方法,由于本文主要通过突加、突减负载来模拟大扰动,以验证电力系统的界面特性,因此采用Sim Power Systems中提供的静态负载模型进行建模。而船舶电力系统中容性负载较少,故采用三相并联的RL负载作为仿真模型。

按照上述建模方法,在Matlab的Simulink交互式仿真环境下,把柴油机调速模型以及励磁系统进行封装, 所建立的船舶电力系统仿真模型如图5所示。

2船舶电力系统仿真

在上述船舶电力系统仿真模型中,同步发电机容量为2 500 k V·A、额定电压为440 V,额定频率为60 Hz。 电力系统带功率因数为0.8,67.5%额定功率负载运行, 在1 s和2 s时通过突加、突减不同功率大小的负载来得到电力系统的瞬态压降。

同步发电机组带载启动后,第1 s突加负载L1(cos φ=0.8,50%PN),第2 s突减负载L1,第3 s结束运行。系统突加、突减负载过程中电力系统的线电压波形如图6所示。为了便于分析船舶电力系统的瞬态压降, 得电力系统线电压的有效值变化如图7所示,由图7可知,系统带67.5%PN负载启动,经过0.8 s后电压达到稳定值,启动过程结束;在1 s时,系统突加50%PN负载,电压瞬变,经过0.029 s达到最小值377.8 V,再经0.175 s达到最大值450.2 V,在1.18 s系统重新稳定;在2 s时, 系统突减50%PN负载,电压再次瞬变,经过0.04 s达到最大值516.5 V,再经0.427 s达到最小值431.93 V,在2.316 s系统重新稳定。

为了分析船舶电力系统电压瞬变,分别突加、突减50%PN,75%PN,100%PN,功率因数分别为0.8,0.6,0.4的负载,通过Matlab仿真,得到各种工况下的电压瞬变值, 如表1、表2所示。

由表1数据可知,突加负载时,随着负载的增加,电压瞬变的最小值随之降低,而从稳态到达最小值的时间基本相同,从最小值升到最大值的时间逐渐增加,最大值却随之减小,整个瞬变过程的恢复时间逐渐增加。由表2数据可知,突减负载时,随着负载的增加,电压瞬变的最大值随之增加,而从稳态到达最大值的时间基本相同,从最大值降到最小值的时间逐渐增加,最小值也随之增大,整个瞬变过程的恢复时间逐渐增加。

综合表1和表2可知,440 V、I型60 Hz船舶电力系统电压瞬变符合“MLT-STD-1399 300章”中的规定:在I型电力系统中,用电设备的突然启动可能导致电压在0.001~0.06 s内降至瞬变电压的最低值。而后,电压可能以每秒20%~75%标称电压的速度增至最高值,电压将在2 s内恢复到用电设备电压容差包络线内[6](418~462 V)。用电设备从电力系统的突然切断可能导致电压在0.001~0.03 s内增至瞬变电压的最高值。而后,电压可能以每秒20%~75%标称电压的速度降至最低值, 电压将在2 s内恢复到用电设备的电压容差包络线内(418~462 V)。

3结语

本文利用Matlab/Simulink对船舶电力系统中各个主要组成部分进行了建模,并对I型电力系统模型在不同工况下进行了仿真,用具体生动的图形、确凿的数据得出了仿真结果,观察了电力系统电压参数的变化情况,定性地分析了电力系统的界面特性,为船舶电力系统的研究提供了参考。

参考文献

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船舶综合电力系统仿真研究 篇2

基于船舶综合电力系统仿真主题,开展了包括建模与系统仿真在内的分析与研究,利用Matlab/Simulink仿真平台搭建了船舶综合电力系统的仿真模型并开展相关的系统集成技术分析.

作 者：陈次祥 刘莉飞 唐石青 赵跃平CHEN Ci-xiang LIU Li-fei TANG Shi-qing ZHAO Yue-ping  作者单位：704研究所,上海,30 刊 名：上海造船 英文刊名：SHANGHAI SHIPBUILDING 年，卷(期)： “”(1) 分类号：U665.1 关键词：综合电力系统   建模   仿真  

船舶电力系统3相短路故障仿真 篇3

(上海海事大学物流工程学院，上海 201306)

0 引言

随着船舶向超大型方向发展，其电力系统的复杂程度越来越高，尤其是全电力推进船舶的出现，使船舶电力系统容量和发电机单机容量不断提高.［1-3］船舶电力系统的数字仿真成为其设计、调试和各种故障试验所依赖的一种有效且经济的手段，而船舶电力系统的建模是其系统仿真的基础.

针对船舶电力系统的建模与仿真，国内外均有相当多的研究.王淼等［4］研究全电力推进船舶电力系统的数学模型并进行系统仿真，但没有研究船舶电力系统故障状态下的特性;DIAMANTIS等［5］研究船舶电力推进电机的DTC特性;ARENDT［6］建立的船舶电力系统仿真模型考虑柴油发电机的特性、轴模型、变螺距模型;陆金铭［7］对船舶推进装置进行仿真研究;夏永明［8］介绍的分布式船舶电站多种发电方式联合运行仿真系统构成嵌入式物理-数学仿真;谢卫等［9］对船用多相无刷直流推进电动机进行分析建模与仿真;沈爱弟等［10］根据电力推进系统的特性，对推进电机运动控制、推进系统运行状态控制和船舶电网谐波治理进行研究，设计出内河船舶电力推进系统;刘崇等［11］设计的船舶电力推进试验平台由发电机组、推进变频器、推进电机、负载变频器和负载电机组成，能够模拟船舶电力推进试验，是实物结合软件的模拟仿真;刘昭等［12］设计异步电动机模拟负载能量回馈方式的交流传动试验平台，为港航领域大功率交流传动系统的研制开发提供试验环境，这是硬件实物方式的仿真.本文基于发电机及负载的动态特性，搭建船舶电力系统动态数字仿真平台，并在此基础上对船舶主推进电机3相短路故障进行仿真和分析.

1 船舶电力系统动态数字仿真平台

本文建立的船舶电力系统动态数字仿真平台，其模型中包含同步发电机及其励磁系统子模型、柴油发电机组控制系统子模型、感应电动机子模型和静态负荷子模型等.

1.1 同步发电机建模

船舶电力系统的特性很大程度上取决于同步发电机子系统的特性，船舶大功率发电机组具有频率与电压相互作用的特性及非线性特性.本文的船用同步发电机模型采用凸极发电机，由柴油机驱动.在船舶电力系统动态仿真中，依赖于频率的同步电机模型是基于标准IEEE 2.1同步发电机模型发展起来的，文献［13］给出其数学模型.

1.2 船舶柴油发电机组控制系统建模

建模考虑发电机电压与频率间的相互作用.系统负载变化时，发电机的电枢反应会导致发电机端电压的变化.这一关系用隐极发电机的电压平衡方程式描述为

式中:f为发电机频率;N为发电机绕组匝数;Φm为发电机磁通.由式(1)和(2)可见，发电机频率与端电压之间存在相互关系，在控制中须予以考虑.

船舶柴油发电机组由柴油原动机、发电机、调速器和相复励调压装置组成.船用柴油发电机控制系统结构框图见图1.转速反馈子系统检测发电机的转速，励磁反馈子系统的相复励调压装置检测发电机的端电压和输出电流两个信号.转速控制器控制油门执行器，油门执行器控制柴油机输出相应的机械功驱动发电机旋转，调节有功分量.励磁机接收励磁控制器的信号以控制发电机输出符合要求的电压，调节无功分量.

图1 船用柴油发电机控制系统框图

建模还考虑发电机与柴油机之间的轴转矩模型.所建立的同步发电机组轴转矩模型见图2.

图2 同步发电机组轴转矩模型示意图

柴油原动机转动方程为

联轴器转动方程为

发电机转动方程为

式(3)～(5)中:ωT为原动机转速;ωC为联轴器转速;ωG为发电机转速;ωRef为发电机参考转速;θ1为原动机角位移;θ2为联轴器角位移;θ3为负荷角位移;HT为原动机转动惯量;HC为联轴器转动惯量;HG为发电机转动惯量;D为发电机阻尼系数;D1为原动机与联轴器间的阻尼系数;D2为联轴器与发电机间的阻尼系数;K1为原动机的联轴器间的弹性系数;K2为联轴器与发电机间的弹性系数;TT为原动机转矩;TG为发电机转矩.

1.3 负载模型

船舶电力系统负载包含各种设备，如照明灯、制冷空调、电热器、压缩机、变压器、感应电动机和同步电动机等，因此负荷模型的建立相当复杂.一般将负荷模型分为两大类:静态负荷模型和动态负荷模型.

对于静态负荷模型，任意瞬时的负荷特性是该瞬时母线电压幅值和频率的代数函数.分别考虑静态负荷模型的有功和无功功率分量.对于动态负荷模型，电动机消耗的能量占电力系统总能量的70%～80%，电动机的动态特性常常是系统负荷动态特性的最重要方面.因此，在船舶电力系统建模研究中单独考虑电动机负载.［14-15］

1.4 感应电动机负载模型

感应电动机驱动的负载是船舶电力系统中的主要负载之一，这类负载所占比例很大，其动态特性严重影响电力系统的暂态过程.感应电动机的数学模型也有多种形式，本文仿真建模所用模型是依赖于频率的动态模型，文献［1］给出其数学模型.

1.5 船舶电力系统总体模型

综合以上建模分析，针对某大型全电远洋运输船舶建立船舶电力系统模型结构，见图3.该模型由发电机组、电网与配电屏、动态感应电动机负载及静态负载构成.发电机的输出转速反馈至柴油原动机的调速器.

图3 船舶电力系统模型结构

依据图3在MATLAB/SIMULINK SimpowerSystems环境下建立船舶电力系统仿真平台.该平台考虑船舶电力系统各子系统的特性，特别是发电机和推进器的动态负载特性，还考虑发电机与柴油机轴传动之间的动态特性.此仿真平台中有3台主船舶柴油发电机组和1台应急柴油发电机组，每台发电机组由同步发电机模块、柴油机和控制系统模块构成.船用同步发电机电气参数及标准参数:Pn=3.125×106W，Vn=2400 V，fn=60 Hz;Rs=0.0036(pu)，p=4;Xd=1.56(pu)，Xd'=0.296(pu)，Xd″=0.177(pu)，Xq=1.06(pu)，Xq'=0，Xq″=0.177(pu);Xl=0.052(pu)，Td'=3.7 s，Td″=0.05 s，Tq″=0.05 s.船舶侧推器由感应电机通过蜗轮蜗杆机构驱动，感应电动机电气参数及标准参数:Pn=2200 kW，Vn=3000 V，fn=60 Hz;Rs=0.029 Ω，LIs=0.6 × 10－3H;Rr'=0.022 Ω，LIr=0.6 ×10－3H，Lm=34.6 ×10－3H.船用主推进器由感应电机驱动，电动机电气参数及标准参数:Pn=4 MW，Vn=2400 V，fn=60 Hz;Rs=0.00859 Ω，LIs=0.5178 × 10－3H;Rr'=0.00709 Ω，LIr=0.3753 ×10－3H，Lm=10.822 ×10－3H.

2 主推进器输入电缆3相短路故障仿真

大功率主推进器输入电缆3相短路故障仿真如下:3台发电机组并网稳定运行10.1 s，主推进器在10.1 s时启动，主推进器在10.2 ～10.5 s发生输入电缆3相短路故障，10.4 s时因短路电流过大，3台发电机组的主开关跳闸，停止对电网供电.

主推进器输入电缆3相短路故障时主推进器转速、定子电流变化曲线见图4.

图4 主推进器输入电缆3相短路故障时主推进器转速、定子电流变化曲线

由图4可见，主推进器在10.1 s时启动加速，10.2 s时发生3相短路故障，启动电流大幅减少，转速开始下降;3台发电机组10.4 s时全部跳闸;此后主推进器定子电流变为0，转速在10.6 s时下降至10 r/min，随着时间的推移转速继续下降，最终在11.2 s时变为0.

主推进器输入电缆3相短路故障时，3台发电机组端电压及母线电压变化曲线见图5.

图5 主推进器输入电缆3相短路故障时3台发电机组端电压及母线电压变化曲线

由图5可以看出:10.1 s时大功率主推进器的启动使得3台发电机组端电压及母线电压减小到额定电压的58%，这是由该电力系统仿真平台中4 MW的静态负载所致;10.1～10.2 s因主推进器启动，电压一开始下降较为厉害，随后有小幅增加;10.2 s时因主推进器输入电缆发生3相短路故障，3台发电机组端电压及母线电压进一步减小;因短路电流太大，10.4 s时3台发电机组全部跳闸，此后3台发电机组端电压开始逐步恢复到额定值，而母线电压则变为0.

主推进器输入电缆3相短路故障时，3台发电机组及母线的a相电流变化曲线见图6.

图6 主推进器输入电缆3相短路故障时3台发电机组及母线的a相电流变化曲线

从图6可以发现:10.1 s时因主推进器启动，3台发电机组及母线的a相电流都增加;10.2 s时因主推进器发生3相短路故障，3台发电机组及母线的a相电流进一步增加;因短路电流太大，10.4 s时3台发电机组的主开关跳闸，此后3台发电机组及母线的a相电流全部变为0.

主推进器输入电缆3相短路故障时，3台发电机组转矩功率、励磁电压、端电压、转速和励磁电流曲线见图7.仿真记录的1，2，3号发电机组的柴油机输出功率Pmec，转速、励磁系统反馈电压Vf，端电压Vt，励磁电流ifd都使用标幺值 (pu).

从图7可以看出:10.1 s时因主推进器的启动，3台发电机组输入的Pmec开始增加，Vf上升到饱和值，转速有少量跌落，ifd有所增加;10.2～10.5 s因主推进器输入电缆3相短路故障，3台发电机组输入的Pmec进一步增加至1后波动衰减，Vf保持在饱和值6，转速跌落至98%，ifd增加到饱和值6;10.4 s因短路电流过大，3台发电机组的主开关跳闸，3台发电机组输入的Pmec继续波动并减小为0，Vf保持在饱和值6，转速开始逐步回升到额定值1，ifd开始逐步减小到额定值1.可以看出，3台参数相同的发电机组在主推进器输入电缆3相短路故障发生的整个过程中动态变化趋势基本一样.

3 结束语

根据全电力推进船舶电力系统的数学模型，利用MATLAB/SIMULINK SimpowerSystems建立其动态数字仿真平台，依托此仿真平台对船舶电力系统进行主推进器输入电缆3相短路故障仿真.该数字仿真平台可以对船舶电力系统故障进行有效动态及稳态仿真模拟，为船舶电力系统的设计、测试和故障试验提供一种有效且经济的手段.

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基于时域法的船舶运动建模仿真研究 篇4

波浪载荷在船舶结构设计中占有极为重要的位置，它的正确计算是优化船舶结构设计、合理评估船舶强度的重要前提。在早期的研究中，只考虑入射波浪对船体诱导的干扰力(Froude-Krylov力)，不考虑船体的存在和运动对流场的影响。20世纪40年代起，人们开始致力于船舶摇荡流体动力理论的建立，试图通过速度势线性边值问题的建立和求解，把船舶的存在和运动对入射波流场的流体动力影响考虑进去，从而更加合理地描述船舶运动。这一时期贡献最大的当属Haskind，他提出在线性理论范围内将流场中的扰动速度势分解成绕射速度势和辐射速度势，两者的线性迭加即为流场中总的扰动势。直到目前这仍然是处理摇荡问题中线性扰动势的经典方法。另外，Havelock和Ursell等人也对速度势边值问题进行了研究。早期的这些工作基本上是纯理论研究，无论是窄船假定或圆柱体，都与实际船舶的形状相去甚远，故无法将之运用于实际工程中。20世纪50年代，船舶耐波性的研究取得了两个突破性进展：一是频谱分析方法的引入;二是切片理论(Strip Theory)在船舶摇荡问题中的应用。由于切片理论的实用性，以及与实验结果的吻合程度，为工程实际问题的研究和解决提供了现实的手段，故该理论得到了广泛的应用。20世纪70年代始，由于高速电子计算机的出现和迅猛发展，更精确的船舶运动理论也迅速发展起来。逐渐由二维理论发展到三维理论、由频域发展到时域、由线性假设发展到非线性处理。

但实际海浪中船舶运动有复杂的非线性现象，特别是航行于恶劣海况下的船舶运动幅度较大，由于船舶的非直弦以及底部砰击、外部砰击和甲板上浪等因素的影响，导致船舶运动、特别是波浪载荷呈现明显的非线性。基于以上因素，本文拟采用三维时域方法对大幅波浪中船舶的非线性运动和波浪载荷响应进行仿真研究，为进行实船非线性运动和波浪载荷预报进行探索。

（二）数学建模

1. 坐标系的建立

取随船前进的右手直角坐标系oxyz。z轴通过船的重心，垂直向上，原点在静水面上，x轴指向船首。用ηk (k=1, 2, L, 6) 表示船舶离开平衡位置的位移，即6自由度运动。如图1:

2. 船舶运动方程

质量矩阵：

附加质量:

阻尼系数：

恢复力系数：

则垂荡和纵摇耦合运动方程：

横荡、横摇和首摇耦合运动方程为：

3. 波浪模型

不规则波的波面升高ζ作为一个均值为零的平稳随机过程，它的一个“现实”可以由一组各自幅值、频率和随机相位的规则子波相迭加而得到。即：

式中，ζi、ζai、ωi、k0i分别是第i子波的波面升高、波幅、遭遇频率和波数，εi是在[0, 2π]均匀分布的随即相位。船舶运动与波浪载荷幅值的短期响应服从Rayleigh分布。该分布可由响应谱Sy (ω) 得到，即

4. 砰击模型

采用动量砰击理论计算砰击力fp:

其中:

5. 有限元分析

本文有限元分析模块采用有限体积法进行方程的离散。

（三）船舶运动与波浪载荷建模仿真

船舶运动与波浪载荷仿真系统框图如图2所示。可以看出，系统主要包括三个模块：基础模块计算时域船舶运动、波浪载荷和船体压力分布;第二模块用以计算砰击;第三模块进行有限元分析。

（四）模型验证

针对建立的数学模型，采用缩尺船模试验进行了模型验证，验证结果如下：

可以看出，所建立的数学模型与缩尺船模试验结果有较高的吻合度，可用于工程预报和作为信息技术开发的依据。

（五）实例仿真

采用以上建立的数学模型，针对真实环境下的船舶大幅波浪响应运动和载荷响应进行了仿真。仿真环境：船速10节。船舶运动响应和载荷时历曲线见图6、图7。

（六）结语

本文通过三维、时域方法对波浪中船舶非线性运动和波浪载荷响应进行了仿真研究，并对模型进行了缩尺船模对比实验，实验结果对建立的模型进行了很好的验证，具有较高的吻合度，为后续利用三维、时域方法实现实船的非线性运动响应和波浪载荷预报和信息技术开发进行了有益的探索。

参考文献

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船舶仿真 篇5

[关键词JFlow；冷却水系统：仿真

1.引言

船舶冷却水系统是保证船舶动力装置安全可靠运行的动力系统之一，主机运转时，与高温燃气相接触的零件强烈受热，不加以适当的冷却会使其过热，导致主机充量系数下降，机油变质，零件的摩擦、磨损加剧，其结果是主机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。但主机过冷时，主机工作粗暴，CO和HC排放增加，热损失和摩擦损失加大，尤其是气缸的磨损会成倍增加。因此对主机高温淡水冷却的控制，尤其是主机变工况运行时的研究就显得尤为重要，本文将应用JFlow平台对主机变工况运行时高温淡水温度的变化进行分析，以验证模型的准确，为冷却水系统经济性的研究提供参考。

2.JFlow平台介绍

JFlow是一个针对流体网络的软件工具，具有友好的用户界面。它用于单相流分析和建立流体仿真模型。JFlow在建模时充分的考虑了流体系统中的质量、能量、动量守恒定律，可用于计算流体的动态参数包括整个流体系统内流量、压力和温度等。它的计算方法是将所有与流速和压力相关的方程线性化构成一个矩阵，通过快速稀疏矩阵解法求出流速和压力。由此可实现高效、实时的流体网络仿真。此外，JFlow工具在对模型编译时，可自动生成c或Fortran语言，因此模型具有很好的可移植性。

3.主机高温冷却水系统模型的建立

主机高温冷却水系统主要包括了两台主机高温冷却泵、一台主机缸套预热泵、主机、除氧器、造水机、高温淡水膨胀水箱、各种阀件、温度、壓力、流量显示控件等。图3.1中的管路控件比较形象的显示了机舱中高温淡水的运行状况，当高温淡水管路中的离心泵、阀运行状况发生改变时，相应管路高温淡水的运行状况就会发生改变。压力显示控件分别显示了主机缸套高温水入口压力、主机缸套高温水出口压力、高温水中冷器的入口及出口压力。温度显示控件分别显示了高温淡水进、出主机温度，高温淡水进、出缸套水冷却器的温度。流量显示控件分别显示各管路的流量大小。

4.主机变工况运行仿真分析

船舶运行工况发生变化时，主机的负荷也随着改变，高温淡水出主机温度和入主机温度也相应的改变，同时中央冷却器低温淡水温度也相应改变。为了更直观的反应冷却水温度随主机负荷的变化而变化，在JFlow平台下，通过改变主机的功率，得到了冷却水温度变化的曲线，如下图所示：

（1）当t=2：20时，主机功率突然增加12%，其温度变化如图

图4.1，图4.2，图43显示了冷却淡水系统的主要的几个温度变化曲线图。在t=2：20时，由于主机功率突然增加，故高温淡水出主机温度和高温淡水入主机温度均有一个增加的趋势，这其中，高温淡水出主机温度的增加幅度最为明显，因为它直接受到主机功率的影响，其次是高温淡水入主机温度。在2：50时，它们均有一个下降的趋势，因为高温淡水系统的三通阀的开度减小，流经高温淡水冷却器的高温淡水流量随之增加，因而温度有所下降，但最终稳定在某一值。

当主机功率从正常航行状态突然减少时此时正好与上面所述情况相反。

从图中可得知，系统能够正确的模拟主机在变工况运行时主机高温冷却水温度的变化，当主机负荷增加时，高温淡水出主机温度和入口温度也随之增加，当主机负荷减少时，高温淡水出主机温度和入口温度也随之减少，但是随着高温淡水出主机温度的不断变化，高温淡水带走主机的热量也随着变化，最终与实际的热负荷相等，因此，其温度最终稳定在某一温度上。

5.稳态仿真分析

在JFlow平台下进行了仿真，从开始运行到系统达到稳定状态其过程如下图所示：

从上图可得知，系统从开始运行大约3分钟后基本达到稳定状态，高温淡水冷却各参数如图3.1。

6.总结

船舶仿真 篇6

船舶辅锅炉是船舶动力装置的重要组成部分, 同时也是船舶机舱辅助装置中最早实现自动控制的设备之一。由于其在船舶安全航行所处的重要性, 以及它的多元参数的控制特点, 在机舱的电控系统中占有很重要的地位, 同时也是实验教学中必备的船舶辅助机械之一[1,2,3,4,5]。然而采用实体锅炉操作训练存在以下弊端:成本高, 代价大, 设备维护管理费高等[6,7], 因此目前大部分培训机构选用轮机模拟器对学员进行培训[8,9,10]。但是纯软件的操作方式与实体辅锅炉操作真实性相差较大, 因此本文在此基础上为船员的培训建立一套采用虚实结合的船舶辅锅炉仿真系统。

1 船舶辅锅炉自动控制系统的基本环节

船舶辅锅炉的自动控制是指对锅炉的给水、燃烧等热工过程变量的自动调节。各种辅锅炉的自动控制环节是类似的, 主要包括:水位和汽压的自动调节;以及燃烧时序控制等环节。燃烧时序控制是指给锅炉一个起动信号后, 能按时序的先后自动进行预扫风, 喷油点火, 点火成功后转入正常燃烧的负荷控制阶段, 同时对锅炉的运行进行一系列的安全保护。图1 为船舶辅锅炉电气自动控制系统框图。

2 辅锅炉PLC自动控制的设计

2.1 设计方案

根据船舶辅锅炉的工作原理设计由PLC控制的燃烧程序工作流程, 流程图如图2 所示, 满足工作流程设计的船舶辅锅炉自动控制系统, 实现以下基本功能:

(1) 水泵的独立正常工作

(2) 有手动—自动两种控制方式

(3) 对锅炉蒸汽压力采用双位自动控制

(4) 锅炉运行时, 控制系统实时监测水位, 风压, 汽压是否正常以及水泵, 风机, 油泵是否过载。

2.2 PLC选择

根据锅炉控制系统的21 个输入点, 14 个输出点, 采用西门子S7-200 CPU226CN。I/O分配, 定时器和辅助继电器的分配如表1 所示。

2.3 PLC软件设计及仿真

(1) 起动前准备:自动控制状态需将水泵转换开关, 燃油转换开关, 油泵和风机转换开关打到自动位置。即I0.3, I0.3, I2.1 处于闭合状态。

(2) 水位的自动控制:如图3 所示为水位自动控制梯形图。极限低水位 (I1.2) 在正常情况下为闭合状态, 因此极限低水位中间继电器 (M0.6) 闭合, 极限低水位报警灯 (Q1.4) 断开。水位为低水位情况时, 低水位开关 (I1.4) 闭合, M0.5闭合并自锁, 在水泵自动控制状态下, 水泵接触器线圈 (Q0.0) 闭合, 水泵运转指示灯 (Q1.0) 闭合, 指示灯常亮, 水泵打开, 水位上升, 到达高水位 (I1.3) 后, M0.5 断开, Q0.0 断开, 水泵关闭, 指示灯灭, 不再进水。同时监测水泵是否过载, 如果水泵过载 (I1.5) 开关闭合, 则Network2 中I1.5 处断开, 水泵接触器线圈无法闭合。

(3) 燃油时序自动控制: 如图4 所示为燃烧时序自动控制梯形图。燃油自动控制情况下, 燃油自动转换开关 (I0.6) 闭合, 水位正常时, M0.6 闭合, 计时器T34 处于断开状态, 按下起动按钮 (I0.0) , M0.2 闭合并自锁, 系统处于燃烧状态。

风机启动条件:如图5 所示为风机启动条件梯形图。系统处于燃烧状态, 风机和油泵开关处于自动情况下, 即I2.1 闭合, 则风机继电器 (M1.2闭合) , 风门挡板 (Q0.4) 断开, 风门开度最大, 进行预扫风。燃烧状态断开后进行后扫风。

(4) 自动控制过程:如图6 所示为自动控制过程梯形图。M0.2 闭合后, 汽压正常时, I1.1 为低电平, 风机和油泵开关处于自动状态, 油泵过载信号为低电平, M1.3 得电, 油泵开启。此时风机 (M1.2) 也处于开启状态, 进行预扫风。M0.1处于断开状态, M0.3 得电, 由于此时为监测到火焰, I2.3 为断开状态, M0.4 得电, 60s后, T35 闭合, M1.4 接通, 自动点火, 同时T36 闭合, T33 仍处于断开状态, 所以风门挡板 (Q0.4) 得电。再过两秒, T97 闭合, 燃油电磁阀 (Q0.5) 打开, 往炉内喷油。2s内检测到火焰, 表示点火成功, I2.3 闭合, M0.4 失电, M1.4 断开, 点火变压器关闭, 继续监视火焰, 如果中途熄火, 则I2.3 断开, M0.4 得电, T32 开始计时, 10s监测不到火焰, 或者在燃烧过程中, 中途熄火, 10s监测不到火焰时, 系统将启动熄火保护装置。

(5) PLC仿真结果:

图7 (a) 为自动状态下, 正常情况下, 前60s时, 风机和油泵正常运作;图7 (b) 为60s~62s之间, 点火变压器打开, 风门挡板开度控制到最小;图7 (c) 为62s后燃油电磁阀打开。

3 辅锅炉的人机界面

操作人员可以通过对触摸屏的操作将控制信号输出至PLC, 经由PLC中的程序处理, 再将处理过的信号输入至虚拟辅锅炉系统进行三维实景显示, PLC及虚拟辅锅炉系统中的输出信号也传输到触摸屏, 触摸屏上可观察到实时监测数据。触摸屏界面如图8 所示, 包括对锅炉蒸汽压力和水位的实时监测, 各报警点的显示和油泵风机等运行状态。

4 辅锅炉系统建模

4.1 船舶辅锅炉系统三维实体建模

利用三维建模软件3ds Max构建系统各部件的实体模型, 并在该软件中对模型进行材质处理、模型优化和设置装配动画。主要建模对象: (1) 锅炉本体:包括炉膛、蒸发受热面、安全阀、压力表等; (2) 燃油供给系统:包括燃油升压泵、预热器、过滤器等; (3) 给水系统:包括、给水泵、水位计等; (4) 凝水系统:包括冷凝器等。以及各系统相关的阀门和管路。将模型和动画导入Unity 3D仿真平台中, 编辑资源和脚本构建虚拟场景, 通过碰撞实现对辅锅炉系统的装配仿真和虚拟操作。系统建好后, 选择合适的发布平台进行发布。最终得到的辅锅炉系统三维实景效果如图9 液晶显示画面所示。

4.2 船舶辅锅炉系统数学建模

船舶辅锅炉仿真系统与虚拟操作的最大的特点是控制对象为虚拟的, 因此为了达到培训的目的, 必须将实际辅锅炉系统的工作过程通过数学模型仿真出来, 因此辅锅炉系统数学仿真模型的精度决定了运行的效果。本文主要介绍燃烧系统数学建模。炉膛烟气平均温度可由下面的方程计算得到:

5 结束语

船舶辅锅炉仿真操作训练系统在不失操作性真实性的前提下可大大降低训练成本, 采用3DSMAX软件, 实现辅锅炉三维实景交互, 采用可靠性高的PLC控制技术与触摸屏, 可实现多次操作而对设备不造成损害, 可方便应用于船员对辅锅炉系统的操作训练。同时该系统可塑性强, 主要体现在:一是可在辅锅炉系统数学模型中增加故障模型, 设置故障给学员分析处理, 以此提高学员处理故障的水平;二是可增加考核评估模块, 对最终操作结果进行成绩评定, 提高训练效果;三是可根据不同的锅炉模型的参数对系统中的三维模型, 数学模型进行编辑, 在一套系统中可以有多台设备的选择进行操作, 增加学员的实践宽度。

摘要：为了解决轮机培训教学过程中, 场地、成本、操作危险性对船舶辅锅炉训练系统的限制, 本文设计了一种船舶辅锅炉仿真系统, 控制对象是通过3DS MAX建立的虚拟三维实景, 控制系统采用实物PLC控制, 控制方式采用触摸屏控制, 建立了船舶辅锅炉的三维模型和PLC控制模型, 在尽量不失操作真实性的情况下达到模拟实船培训的效果。

关键词：船舶辅锅炉,PLC,3D模型,触摸屏

参考文献

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船舶仿真 篇7

1 系统框架设计

系统实现的流程如下:

(1)客户端请求或送出数据。

(2)服务器设置读取数据,通过JDBC操作数据库。

(3)读取数据进行仿真并存储仿真结果。

(4)读取数据制作三维动态视频,存储生成的视频所在的路径。

(5)返回数据给客户端。

图1描述了系统实现的整体框架。

2 数据库设计

2.1 任务及功能目的

在给定了船舶运动的初始条件以及控制策略后,在某一外部条件下(比如在给定某风速、风向、水速、水向),船舶开始进行仿真运动,随着外部环境的改变,船舶的运动轨迹会根据仿真的结果作相应的调整。直到目的地,仿真才结束。在每一次仿真过程中应当能够记录下每一次仿真过程所对应的初始条件、控制策略、外部条件以及船舶的实时运动状态数据。因此设计该数据库的功能目的如下:

(1)实现一个船舶运动的网络数据库,通过注册用户或者管理员的身份进入网站进行船舶的模拟仿真操作,网站管理员可以对船舶、操舵员等进行信息管理,包括船舶和操舵员的添加、修改和删除。

(2)为了给船舶在航行过程中存储各种外部环境参数并提供实时的仿真数据,用于指引船舶的运动,获取仿真后的船舶运行轨迹。

2.2 需求分析

通过对系统需求的调查分析,细化软件功能,采用数据流程图(DFD),如图2所示,将系统划分为各个子系统,明确每个子系统所要完成的主要逻辑功能,采用以图形的方式描绘数据在系统中流动和处理。数据流图是用来表示系统的逻辑模型,如图3、图4、图5所示。

2.3 概念模型(E-R图)

如图6所示。

2.4 由E-R图可得到如下关系模型

船舶:(船舶ID,船舶长度,船舶载重)。

初始设置:(初始设置ID,起点纬度,起点经度,终点纬度,终点经度,静水速度,初始舵角,初始航向)

控制策略:(控制策略ID,策略说明)。

仿真过程:(仿真ID,船ID,初始设置ID,控制策略ID)。

外部条件:(外部条件ID,运行类型,风向,风速,水向,水速)。

采样:(采样ID)。

仿真数据:(仿真ID,外部条件ID,采样ID,实时纬度,实时经度,实时速度,实时舵角,实时航向,偏航量,距终点距离,已仿真时间,采样时刻,舵角,比例系数,积分系数,微分系数)。

3 关键技术

3.1 Matlab与数据库的连接

本系统采用通过JDBC来建立Matlab与MS SQL Server2005数据库的连接,具体连接方式如下

(1)首先建立一个SQL Server数据库,这里已经建立了ship数据库,并下载相关JDBC驱动,比如:sqljdbc.jar,可将该驱动放在了matlabroot/java/jar/toolbox文件夹下。

(2)为使Matlab能够使用这个驱动文件,需要定义环境变量,打开并修改matlabroot/toolbox/local/classpath.txt这个文件,将$matlabroot/java/jar/toolbox/sqljdbc.jar写到文件最后一行,保存,关闭文本。

(3)重新启动Matlab。

(4)调试JDBC。

注:此时如果显示:connection to/mySQLDB successful.(数据库链接成功,如果不行则需要检查JDBC驱动以及JDBC数据源设置是否正确)点击Add/Update,把刚才的设置保存的新建立的配置文件中。选择OK完成此操作。

(5)在提示符变量名=('数据库名','用户名','密码','驱动关键字','数据库地址')。

如:conn=database('ship','sa','sqlserver','com.microsoft.sqlserver.jdbc.SQLServerDriver','jdbc:sqlserver://localhost:1433;database=ship')建立一个连接实例。

在建立链接后,可以输入简单的SQL语句进行测试数据库的链接情况.

此后要做的工作就是如何将Matlab与所使用软件环境的接口配置

1)使用MATLAB中的deploytool。根据提示就可以将相应的.m文件转换成.jar文件了。构建后系统会在项目路径下生成两个文件夹:src和distrib。

2)将G:matlabanzhuangtoolboxjavabuilderjar文件夹下的javabuilder.jar文件复制工程里面的文件夹下:E:WorkspacesMyEclipse 8.5ship_simulationdblib,并将其导入Myeclipse工程中。同理也将打包好的ship_simulation.jar导入工程(方法参见上文)。

3)再将javabuilder.jar和ship_simulation.jar复制到E:tomcat6apache-tomcat-6.0.32lib。

4)编写JavaTestMatlab.java文件调用ship_simulation.jar中的方法。

5)编写JSP文件调用JavaTestMatlab.java文件。

采用JDBC连接数据库的优点:

(1)相对ODBC技术,由于其查询语句需要一个程序循环对结果进行处理,因此,程序可能需要若干十语句同时处于活动状态,故使用ODBC与数据库的通信通常速度较慢,不满足数据库实时、动态的特点。

(2)相对VQB,其主要优势主要集中在查询和显示功能方面,在数据表的编辑、记录的增删修改方面还有待完善。且Matlab的database工具箱只支持ODBC数据库连接,在使用之前需要先设置ODBC数据源,较为繁琐。

综合以上分析,并结合实际项目需求,采取Matlab通过JDBC连接数据库的方法实现与数据库的通信。

3.2 JSP+JavaBean模型的实现

3.2.1 模型模块

数据层是整个网站进行数据处理的最底层,是实现与数据库中的数据进行交互的一层。系统采用JDBC技术实现对数据库的操作。

(1)用对象的方式实现对数据的访问处理

在系统的数据处理过程中,很多都是对某一实体信息的操作,如对船舶的添加、修改、删除等。为了方便操作的管理和开发过程中概念的清晰,采用对象模式来进行处理。

实体类分别为:船舶类ship、操舵员类operator等这些类都定义在包里。

(2)利用存储过程实现对数据库表的数据处理

为实现一个统一的利用数据库存储过程进行数据的处理,建立数据库连接管理器类DBManager。

3.2.2 控制器模块

控制器用来实现用户的业务逻辑,调用数据层类进行数据操作,同时接收数据库返回的操作。控制器关联实体类,实体类作为数据的载体,可以用于参数传递[4]。

3.3 局部数据刷新

本网站结合运用了Ajax与JavaScript技术,通过Ajax,JavaScript可使用XMLHttpRequest对象来直接与服务器进行通信。通过这个对象,JavaScript可在不重载页面的情况与Web服务器交换数据,实现页面的局部数据刷新,提高了页面的响应速度,增强了用户的体验效果。

如:(1)在选择船舶类型时,一旦表单的选择项发生了变化,就会在不重载页面下与Web服务器交换数据,刷新相应的船舶信息。

(2)击仿真按钮后,显示船舶运动的状态,每隔一秒刷新船舶当前状态的具体数据。

3.4 安全设计技术

本系统主要从3方面去加强Web数据库的安全性:

1)基于数据库管理系统SQL Server的安全性实现

SQL服务器必须设置成3种登录安全模式(集成安全、标准安全和混合安全)之一来保护数据库的安全。

1)集成安全:集成安全允许一个SQL服务器使用WindowsNT认证机制来对所有的连接进行登录证实,只有可信、多协议或命令管道允许登录。

2)标准安全:标准安全采用SQL服务器本身登录认证过程证实所有的连接。为登录到一个SQL服器上,每个用户必须提供一个有效的登录ID号和口令。

3)混合安全:混合安全允许SQL服务器登录请求采用集成安全或标准模式进行认证。可信连接(采用集成安全和不可信连接标准安全)均可支持。

这里采用第三种混合安全模式登录。

(2)基于Session机制的身份验证技术

Session是一种记录客户状态的机制,保存在服务器上。客户端浏览器访问服务器的时候,服务器把客户端信息以某种形式记录在服务器上。客户端浏览器再次访问时只需要从该Session中查找该客户的状态就可以了。Session机制就通过Session标识(称为Session ID)来确认客户身份。Session ID的值应该是一个既不会重复,又不容易被找到规律以仿造的字符串,这个Session ID将被在本次响应中返回给客户端保存。

使用Session机制要求用户必须先进行登录操作,只有登录成功后才可以访问其他的网页,而不允许在地址栏中输入网址便进入相应页面进行操作。

Session对应的类为javax.servlet.http.HttpSession类。每个来访者对应一个Session对象,所有该客户的状态信息都保存在这个Session对象里。Session对象是在客户端第一次请求服务器的时候创建的。Session也是一种key-value的属性对,通过getAttribute(String key)和setAttribute(String key,Object value)方法读写客户状态信息。

(3)采用增加验证码的登录方式

验证码(CAPTCHA),是一种区分用户是计算机和人的公共全自动程序。可以防止恶意破解密码、利用机器人自动注册、论坛灌水、提交垃圾数,有效防止某个黑客对某一个特定注册用户用特定程序暴力破解方式进行不断的登录尝试,实际上使用验证码是现在很多网站通行的方式,虽然登录麻烦一点,但是对报障系统的安全来说这个功能还是很有必要,也很重要。所谓验证码,就是将一串随机产生的数字或符号,生成一幅图片,图片里加上一些干扰像素(防止OCR),由用户肉眼识别其中的验证码信息,输入表单提交网站验证,验证成功后才能使用某项功能。其主要是由生成验证码的image.jsp和登录页面login.jsp页面完成。

4 功能测试

4.1 系统管理模块

(1)操舵员注册,注册成功后放可进行船舶运动仿真。

(2)模拟船舶运动模块,操舵员可以进行船舶运动条件的设置,仿真,查看船舶运动状态。

(3)管理员模块,管理员对操舵员、船舶的信息进行管理。

4.2 重要功能测试结果

下面两个页面综合运用了大量的Ajax与JavaScript结合技术。通过Ajax,JavaScript可使用JavaScript的XMLHttpRequest对象来直接与服务器进行通信。通过这个对象,JavaScript可在不重载页面的情况与Web服务器交换数据。

登录成功后选择船型、控制方案,设置初始条件,该页面综合运用了Ajax与JavaScript的结合技术,船舶信息数据通过访问数据库取得,在选择船舶类型或控制方案时,一旦表单的选择项发生了变化,就会在不重载页面下与Web服务器交换数据,刷新相应的船舶信息及控制方案,提高了网页的响应速度,增强了用户的体验效果。输入始末经纬度和初始航向、舵角等,便可提交表单,并存入对应表中。

进入船舶运动仿真界面,设置船舶运动的环境参数(图7),点击“确定”按钮,保存设置的参数,调用仿真文件;点击“仿真”按钮后,显示船舶运动的状态,每隔一秒刷新船舶当前状态的具体数据;点击“停止”按钮后,船舶停止运动。点击“查看视频”,船舶运动的三维动态视频形象显示。点击“查看仿真结果”,可以查看船舶仿真结果的的详细数据,也可以输入指定的仿真ID和外部条件ID来查找结果。

5 结语

选择合理的技术方案能使系统具有较好的性能和扩展性。本Web数据库应用系统不仅从体系结构的选择、基于船舶运动的网络数据库的设计、数据库与Matlab的连接技术、系统开发技术及其总体流程等方面做了详细的介绍,而且还针对网络数据库存在的安全性问题进行了探讨并给出了几个提高系统安全性的方法,最后还进行了几个重要的功能测试,较好地实现系统的设计要求,给用户带来更加方便、快捷操作的同时也增加了一定动态体验。

摘要：构建一个基于JSP+JavaBean的B/S体系结构的船舶运动的网络数据库,给船舶仿真提供一个与用户交互的平台,使用SQL Server 2005,结合Ajax+JavaScript技术,主要采集模拟船舶运动仿真过程所需的参数、显示船舶运动状态参数以及运行轨迹,并可以方便地对船舶、操舵员(用户)等进行信息管理。

关键词：B/S体系,船舶运动,网络数据库,JSP,Ajax

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船舶仿真 篇8

船舶主机是相当复杂的机构,分析主柴油机的故障特征及其表面振动响应的关系是利用振动信号进行主柴油机故障诊断的关键。针对主柴油机的一些常见故障,对这些故障变化最敏感的振动信号参数及特征参数进行分析,这些参数一般应具备以下特点:对相应故障最为敏感,其数值随工况恶化或故障加重而单调增加。

因此,应该把最能反映某一故障变化情况的点作为测点。当主柴油机出现某种故障时,相应的激励力增大,而对应的响应信号在作用时间和能量强度等方面将发生改变,据此可能获取特征参数并进行性能测试。为满足实际需要,开发新一代高性能、实用的光电传感器测控系统势在必行。分布式监控系统具有分级管理、分散控制和高可靠性的优点,引入高效实用的DCS,简化传统测控系统结构,既便于维护,又为船舶轮机信息化发展和应用提供了良好平台。

2 系统硬件特性

智能型监控系统以计算机作为前控机,以单片机为核心的测控仪作为后位机。为确保系统工作高可靠性和冗余性,智能分布式系统采用双方案方式,前控机工作方案和测控仪工作方案,以前控机工作方案为主,测控仪工作方案为辅。根据智能分布式系统工作方式要求和硬件组态设计思想,采用分层体系结构。

系统前控机选用具有很高可靠性和适用于工业环境IPC(Industrial Personal Computer),IPC作为管理站,自主开发测控仪作为现场级。现场级不仅能独立工作,而且提供RS-485通信接口,在IPC的RS-232端口加一块MODELll02 RS232/R 485接口转换模块,组成RS-485网络分布式监控系统(NDCS)。另外,当某个测控仪通道出现故障时,不影响前控机对其它测控仪监控,而当前控机或网络出现故障时,也不影响现场控制级正常工作。综合光电转速传感器分布式监控系统实际需要。测控仪和工作台构成测控通道,测控仪为所开发的单片机应用系统,工作台上安装光电转速传感器、驱动光电转速传感器工作的电动机和人机操作接口。

3 系统功能的提高与改进

系统的后位机则由STD总线工业控制机及微电脑等组成,可独立工作。在前控机进行其他工作或关机状态时,后位机仍可完成以下各种操作:对主机性能检测中的转速、油耗、油压、油温、水温、扭矩、排温等多种物理参数进行自动采集显示,一次测验可同时进行多种工况。在检测屏上配有键盘及LED显示,检测参数、试机条件、检测环境等,可通过人机会话方式键入,并可利用功能键进行如下操作和控制:设置报警参数、设置打印格式、油耗率监测、设置屏蔽采集项、速度特性试验、负荷特性试验、耐久试验、显示测量后存入数据、修正日期和时钟等。

检测屏上有进水温度、出水温度、机油温度、机油压力、排气温度、转速、扭矩、油耗等参数采集的数码显示。在检测中为防止某些参数引起参数超限,系统还设置了各种声光报警及LED参数频闪,越限值在检测前通过人机会话方式设定,检测结束后可将检测数据以选择方式或全部参数打印方式输出。监控定时器可使系统因干扰或软故障等原因出现异常时,系统自动恢复运行,具有自检自报功能。电源断电检测,当发生断电时可将该瞬间状态及数据等全部保护起来,一旦来电整个系统能实现补偿运行。实时日历钟能自动记录主机检测的日期与时间,也可用LED显示日期与时间,柴油机油门与水门可进行远距离操作,动作过程采用了指示灯显示,发生故障时有紧急停车及脱机操作功能。

系统的通讯使用RS-232串行通信接口,现场CRT采用RS-232串行通讯与检测台的STD总线工业控制机屏相连接,数字化仪与电脑之间采用串行接口,用户界面采用人机会话。

为提高系统的抗干扰能力,对电网干扰问题前控机采用UPS不间断电源,而对后位机的现场采用滤波电路,通道干扰采用光电隔离,空间干扰采用多种屏蔽,并对系统的接地也做了精心设计,通过以上措施及程序的周密设置,使该系统在船舶上遇到高频等干扰及较恶劣的机舱环境中也能正常运行,检测出的各项参数精度均可达到国际标准,符合要求。

4 系统软件功能

系统软件开发主要包括测控和前控机监控软件开发工作。测控以AT89C52为核心,选用方便实用、高效的Keil C51软件作为开发平台。由于VB功能丰富和应用方便,前控机软件开发工具选用VB。

计算机监控系统不仅监测测控通道运行状况,而且用户可通过其提供的人机界面进行后位机初始化、发送控制命令,并控制后位机设备动作。因此,所开发监控软件必须具有数据转换、数据通讯、设备控制、人机交互和报警等基本功能,以及数据存储、分析、打印等辅助的数据管理功能。计算机监控主要利用前控机对各控制器工作参数全面监视和控制,在前控机监督和指导下完成光电转速传感器测控工作。根据系统的功能需求和VB6.0软件的特点,规划前控机功能模块,同时,前控机中的功能模块建立在通讯程序和数据库及数据表的基础上。综上所述,监控软件功能模块规划为:系统管理、监控管理、浏览打印。

利用A T 8 9 C 5 2的串行通讯口及MAX4 85芯片的接口电路实现与IPC通讯。AT89C52单片机提供与计算机或其他串行设备连接的异步通讯口,而VB6.0提供便于图形化接口的串口操作控件一Mscomm,使AT89C52单片机应用系统与计算机通信操作接口非常友好。

在RS-485所构成的分布式网络系统中,AT89C52所组成的单片机应用系统作为后位机,计算机作为前控机,实现双向通讯。由AT89C52所组成的单片机应用系统,即测控需要把工作参数和工作状态及时传递到前控机中,同时,前控机利用其友好的界面,对测控仪进行初始化等工作,两者实现双向通讯。通讯除了硬件电路外,还需统一两者的通讯协议,并分别在前控机和后位机中分别开发通讯模块程序。

该系统考虑到前、后两个部分不同任务的不同特点与要求,前控机的电脑采用了三种计算机语言进行编程。用汇编语言实现前级与现场后级的通讯,C语言实现绘画,数据库语言实现采集数据的管理及主机标定功率,燃油耗的修正等。这样的组合,能够更加充分地利用各种语言的优势,以利提高程序的质量。

5 结语

船舶仿真 篇9

2002年, 国际海事组织 ( International MaritimeOrganization, IMO ) 提出了船 舶用自动 识别系统 (Automatic Identification System, AIS) [1], 并强制要求在海洋中航行的船舶使用。将AIS设备挂载至卫星, 即星载AIS可以实现对广海域的持续监视[2]。虽然国内的船载和岸基AIS系统建设已趋于完善, 但对星载AIS技术的研究相比国外仍较落后[2,3]。

由于AIS最初的设计没有考虑到卫星检测AIS信号这样的需求, 因此星载AIS技术不可避免地要应对新的技术挑战[4]:1卫星的速度快, 接收到的AIS信号有较大的多普勒频偏;2由于卫星检测的覆盖范围较大, 在同一时隙可能接收到2个或者多个信号的混叠。

面对技术挑战, 构建星载AIS仿真系统进行深入研究十分重要。文献[5]分析了不同信号参数对冲突信号解调性能的影响, 但并未考虑船舶分布情况对不同信号参数组合概率的影响;文献[6, 7]提出了检测概率的近似模拟方法, 但船舶分布模型采用随机均匀分布, 并不符合实际情况;文献[8]分析了船舶聚集在港口时的理论检测概率, 但没有结合冲突信号解调算法进行分析。

综上, 现有AIS仿真系统中往往存在2个问题:1船舶分布数据不符合实际情况;2理论检测概率[7]和冲突信号解调算法仿真得到的检测概率缺乏对比分析。针对以上2个问题, 依据实际船舶分布情况, 结合不同信号解调算法的检测概率, 搭建了星载AIS仿真平台。

1 星载 AIS 系统

星载AIS系统中, 船载AIS设备广播信号, 卫星接收机接收信号并解调。待发送的二进制信息按照AIS国家标准[9]规定被封装成如图1所示的报文信息。

图1中, 同步序列为“01”交替的二进制信息, 校验序列是长16 bit的CRC校验序列, 开始标志和结束标志均为“01111110”[9]。

封装后的报文信息接着经过NRZI变换和GMSK调制, 其中GMSK调制的带宽时延积BT = 0. 4。最后, GMSK调制信号对VHF发射机进行调频[标准]后发送。调频信号工作在2个信道, 频率分别为161. 975 MHz和162. 025 MHz, 带宽根据不同情况设定为25 k Hz或12. 5 k Hz[9]。

星载AIS设备搭载在低轨卫星上, 卫星在地面的扫描半径r可根据下式计算

式中, R为地球半径;h为卫星高度。范围内不同船舶发送的信号在卫星接收端有不同的功率、频偏、时延和入射方向等信号参数, 不同的信号参数对解调性能存在影响。扫描范围确定后, 即可根据船舶位置计算各参数。

船载AIS设备间通信由于统一采用了SOTDMA接入技术保障时隙的同步、确定初始时隙以及预约工作时隙。该技术会在通信范围内建立自组织区域, 可以有效避免船舶间的时隙冲突。但星载AIS覆盖范围广, 可接收到来自多个自组织区域船舶发送的信号, 因此可能产生时隙冲突[10], 如图2所示。

2个自组织小区相互独立地分配时隙, 被分配发送信号的时隙以灰色表示, 时隙分配表在卫星接收端叠加到一起, 导致了表中有2个时隙存在冲突, 冲突时隙在时隙表中以黑色表示。在冲突时隙中接收到的混叠信号称为冲突信号, 卫星观测范围内的船数越多, 出现多重冲突信号的几率就越大。接收到n重时隙冲突信号概率与观测范围内船数的关系曲线如图3所示。

图3中, 4条曲线分别表示500、1 000、1 500和2 000艘船时, 卫星接收信号冲突重数的分布情况。可以看出, 随着船数的增多, 接收到多重冲突信号的概率越来越高, 而接收到无冲突信号的概率越来越低。

2 系统仿真方案设计

根据星载AIS系统特点和AIS信号生成方式, 星载AIS系统级仿真方案设计流程如图4所示。

仿真生成星载AIS数据, 首先需要根据船舶分布情况建立船舶分布模型, 该模型包含船舶的经纬度、船号和信号发送间隔等信息。为了更符合真实情况, 船舶分布数据可定期从航海网站抓取, 以多次观测数据为基础建立船舶分布模型。

然后, 使用船舶位置计算在卫星接收端各船舶发送信号的功率、频偏和时延等参数[11,12]。之后根据SOTDMA方法为所有信号分配时隙并模拟生成观测时间内卫星接收到的AIS信号[13,14]。为了便于分析, 假设卫星观测时间内观测范围不变, 且船舶在观测时间内近似静止。

最后, 假设解调算法可以正确解出N重冲突信号, 根据时隙分配情况计算出理论船舶检测概率, 同时对信号使用解调算法解调, 将解调结果与理论检测概率对比分析。

3 仿真结果及分析

3. 1 船舶分布模型

设定卫星高度600 km, 可根据式 (1) 计算出观测范围直径约2 880 nmile。以上海附近船舶平均分布情况为例, 观测范围内2013年10月 ~ 2014年3月, 如图5所示。

图5中的圆圈表示该区域内存在船舶, 每个圆覆盖的区域半径20 nmile。设定扫描范围内的总船数后, 将船舶随机分配到各小区后模拟生成AIS信号。

3. 2 参数分布情况

在图5的基础上, 以卫星正下方区域为参考位置, 该位置功率为0 d B, 频偏为0 Hz。计算所有发送信号的功率和频偏并统计其联合分布概率, 如图6所示。

由图6可看出, 该船舶分布模型卫星接收到高功率信号的概率较高, 而功率为5 d B的信号较少。

3. 3 星载 AIS 设备接收信号仿真

船载设备的信号发送间隔根据船舶速度、船舶类型等参数确定, 取值在2 s ~ 3 min不等, 仿真中发送间隔设定为12 s。GMSK调制带宽时延积BT设定为0. 4, 调频指数为0. 5。仿真生成卫星在6 min内接收到的信号, 前3μs的信号复包络波形如图7所示。

图7显示了信号的前11个时隙, 其中有9个时隙被占用, 第3个和第4个时隙各自接收到2个信号的冲突信号, 使复包络产生剧烈波动。

3. 4 检测概率对比分析

观测时间内一艘船发送的所有信号若有一帧被解调正确, 则认为该船被成功检测, 被检测出的船数与总船数的比值即理论船舶检测概率[7]。仿真系统从卫星接收信号的时隙分配情况统计出信号各时隙的冲突次数, 然后假设解调算法可以正确解调N重冲突, 即冲突数不大于N的时隙则被认为可以被正确解调。理论检测概率与算法检测概率对比如图8所示, 显示了算法不能正确解调冲突信号、能解调2重冲突信号和能解调3重冲突信号这3种情况下的理论船舶检测概率与总船数的关系曲线。

可以看出, 船舶检测概率随着观测区域内船数的增加而下降。解调算法若可以解调多重冲突信号, 船舶检测概率会有大幅度提升。例如观测区域内有2 000艘船时, 若算法不能解调冲突信号则检测概率只有5% ;若解调算法可以解调出三重冲突信号, 则船舶检测概率可达到75% 。

为了评估AIS信号解调算法性能, 可使用算法解调系统生成的仿真信号, 将得到的船舶检测概率曲线与理论曲线对比。图8所示的解调算法曲线在船数较多时略高于可解调三重冲突信号的理论曲线, 对多重冲突信号有着较强的处理能力。

4 结束语

船舶仿真 篇10

关键词：船舶,出闸,虚拟仿真,平台框架

船闸是内河航道的关键节点, 船舶能否安全、快速通过, 直接影响到航运的安全、快速、畅通。目前用于船舶辅助导航的手段以基于二维电子航道图为主, 由于船闸结构复杂性, 二维电子航道图不能较好的体现其维度特征, 信息表达十分欠缺, 置身于闸室之中的船舶驾驶人员对周围环境无法获得直观的视觉感受。另因闸室内通常较为封闭, 卫星定位信号极不稳定。因此, 一旦出现能见度不良的情况 (比如浓雾引起的能见度不良) , 船舶不得不滞留闸室内, 存在安全隐患。而基于升船机往往是利用机械装置升降船舶的特殊结构, 使船舶滞留升船机内的情况更应引起关注。

虚拟仿真技术在计算机图形学领域由来已久, 并以其强大的表现力和交互性, 已越来越多的应用于众多领域[1]。因此, 该文以三峡船闸及升船机为例, 基于虚拟仿真技术, 构建船舶出闸管理虚拟仿真平台, 辅助船舶安全出闸, 同时, 亦可作为对二维电子航道图的有效补充和提升。

1 船舶出闸管理虚拟仿真平台总体框架

船舶出闸管理虚拟仿真平台是集数据库、网络、虚拟仿真、地理信息等相关技术实现的生产管理平台。总体上分为数据采集模块、数据传输与储存模块、虚拟仿真模块3部分。在数据采集方面需要现基础信息采集, 如航道信息、气象、船舶动态信息、船闸尺寸等相关信息, 这些数据是支撑系统运行的基础数据, 数据采集的时效性与准确性是船舶安全过闸的必要条件。数据有静态数据与动态数据之分, 所谓静态数据是指基本保持稳定的数据, 比如船舶尺寸、闸室尺寸 (长度、宽度、深度) 等。对于静态数据清洗完成以后存储于数据库中可直接用于仿真建模。而动态数据是总在不断变化的数据, 常常反应的是持续不断变化的过程, 比如船舶的位置, 船闸出口处水位、能见度情况、风速等。动态数据则需要进行实时采集, 并通过传输网络实现数据传输, 通过数据中心服务器对数据进行清洗和融合, 并按照一定的数据结构对数据进行存储。对于动态数据的传输、处理与存储即在数据传输与储存模块实现。虚拟仿真模块是平台建设的重要组成部分, 是平台中数据可视化核心展示窗口, 使抽象数据更加表现直观。该模块包括相关数据统计分析功能、三维场景基本操作 (漫游、放大、缩小、属性信息查询等) 等。

2 船舶出闸管理虚拟仿真平台关键技术研究

采用三维虚拟仿真技术对船闸 (升船机) 闸室及至上下游系船墩的航道及其基础设施进行仿真建模, 构建三维仿真航道, 为船舶在能见度不良情况出闸提供虚拟仿真可视化环境;全球定位技术 (GPS) 、船舶自动识别系统 (AIS) 、船闸闸室内船舶精确定位技术用于确定在船舶精确位置、航向、航速、运动轨迹、分布状况, 并实现船舶自动识别;根据航道监测信息, 实现航道水文信息查询及实时可视化;以航道三维虚拟仿真系统为基础平台, 集成船舶定位、气象环境及船道信息等数据, 构建船舶出闸管理虚拟仿真平台 (图1) 。

2.1 船闸仿真场景构建

船闸仿真场景构建包括船闸周围地形、船闸通航建筑物、典型船舶仿真模型的构建。地形构建通过地形建模的方式实现, 基于船舶过闸对精度要求的需要, 采用高精度的数字高程数据和高清遥感影像进行地形构建。以数字高程数据叠加影像数据通过渲染引擎以配置文件的方式加载到地形引擎数据管理节点, 实现地形模型的自动构建[2]。

高程数据。该文研究范围重点关注船闸与升船机以及上下游的系船墩处, 此处河道地形往往较为稳定, 并且会根据航道设计情况定期进行测绘与疏浚等, 而在建设范围内的航道应采用高精度数字高程数据, 并根据设计及测绘数据进行修正。亦可以根据实际需要向河道上下游进行延伸, 以期获得较大范围的仿真场景。

影像数据。地形表面需要覆盖真实的影像数据, 才能构建逼真的地形模型。选用高质量的影像数据对于地形的建模尤为重要。原始获得的影像数据需要进行色彩调整、匹配融合、影像拼接、几何纠正等过程, 转换为能被用于构建地形的影像数据。

数据处理方法。用于构建航道地形的数据包括数字高程数据与数字影像数据, 直接将整幅遥感图像或者整块数字高程数据加载到虚拟仿真平台, 将会对系统运行产生巨大的渲染负担, 无法完成系统漫游与实时交互。而且受计算机屏幕的大小的限制, 同时浏览全部细节是无法实现的, 同时大数据块也不利于数据的网络发布。一次性加载过大的数据给服务器、网络和系统平台端造成过大的负担, 而且使用户等待时间过长, 造成不必要时间与资源浪费。通过对数据进行切片处理, 建立数据金字塔来提高影像数据和高程数据传输与加载速度, 同时, 实现数据网络传输, 也是提高数据网络传输效率的最佳方式。通过Arcgis Server或Map Tiler对数据源进行重新采样, 并按四叉树结构进行切片, 建立金字塔式储存结构, 缩短渲染引擎内部数据预处理时间, 进而加快三维可视化系统平台的运行效率, 提高运行速度。

2.2 船闸通航建筑物及船舶建模

在船舶出闸虚拟仿真平台中水工建筑物构成船闸主体是虚拟仿真环境重要部分, 对水工建筑物进行精确逼真的仿真建模对于构建生动形象的船闸虚拟仿真平台具有重要作用。通过研究目前建模根据使用技术的不同, 大致有以下几种方式: (1) 使用三维模型建模工具, 如Creator、Auto CAD、3D MAX、MAYA等三维建模软件, 根据实体的具体情况, 构建模型的精细结构和材质特征, 实现模型的逼真建模。这种方法建立的模型不仅可以拥有真实外观, 通过内部细节构建, 实现模型内部的逼真效果, 表现更加全面的三维实体细节效果。 (2) 利用仪器, 通过摄影测量、激光扫描等手段进行三维实体扫测建模。 (3) 矢量化建筑物实体的轮廓, 实现批量建模。

为了实现对于资源的合理利用, 在船舶出闸管理虚拟仿真平台中, 建模数量有限且以精准为主, 因此, 根据设计参数及测绘数据通过建模软件以手动建模的方式实现船闸各相关建筑物建模工作。通过Multi Creater配合3d Max对相关实体进行建模, 并生成的Open Flight格式的模型保存模型的所有特征和属性信息, 如模型所使用的光照和纹理等, 使虚拟仿真渲染引擎能够直接加载Open Flight格式的模型数据。同时, 采用统一的建模方位参数对模型进行建模, 以便于实现模型到场景图的加载定位。该文对船闸的上、下闸首和两侧的闸墙、船舶、上下游导航墙及升船机相关的船箱结构、塔柱、水体等水工建筑物及设备等进行了建模, 对于船舶建模效果如图2所示。

2.3 船舶定位技术

全球定位系统 (GPS) 实现在全球范围内全天候实时定位, 多数情况下能够提供船舶精确的位置信息。但是在闸区可能由于干扰、遮挡等原因, 导致闸室内的无法接收到稳定的卫星定位信号, 而无法通过卫星实现闸室内船舶的精确定位, 鉴于闸室环境的特殊性, 需要采取一定的措施对船舶在闸室内的位置状态进行监测。

通过研究以借助在闸室安装无线射频识别 (RFID) 装置方式来大致判断船舶的过闸情况, 当RFID读写器检测到有船舶经过时, 读写器就把自身的标签和船舶的标签信息按照一定的报文格式进行打包, 并主导上传到服务器中。由于目前大多数客货船舶均已配置了船舶自动识别系统 (AIS) 或是全球定位系统 (GPS) , 这样当船舶过闸时就会存在3种数据系统即AIS, GPS, RFID[3]。由于AIS, GPS, RFID本身的特点和优势, 使得它们能在船舶监控应用中完美地结合在一起。RFID能够对船舶数据进行快速自动的收集;GPS可以对船舶进行全天侯, 精确且时间短的定位;AIS除了可以获取船舶的位置信息外, 还可以得到船舶的航速、航向以及船舶的身份等信息, 需要通过一定的算法将这3种数据进行融合, 从而获取船舶的位置信息。

根据不同情况可以采取不同的处理方法: (1) 若该船舶没有进入RFID区域内, 则采集船舶的AIS或GPS信息, 并把其坐标信息存入数据库中。 (2) 若船舶进入RFID监测区域内, 则采集RFID采集的船舶信息并结合AIS与GPS采集的地理位置信息存入数据库中。 (3) 若接收不到船舶GPS定位信息, 则以RFID的位置为标准, 显示船舶的静态位置信息。

如此一来, 每当船舶进入RFID所能检测的区域内时, RFID模块就会检测一次船舶的电子标签, 然后将RFID所探测出来的信息与AIS或者GPS的地理位置信息结合在一起, 通过无线通信网络发送给主控中心, 主控中心根据发过来的这些信息在虚拟仿真平台中显示出来船舶的运行轨迹, 从而实现了船舶位置的实时监控管理。

2.4 平台集成与显示

船舶过闸管理虚拟仿真平台是集虚拟仿真、通信、GIS、航运、水利工程运行管理、水文数据采集等相关技术于一体的管理平台, 在研发集成时需集成三维地形模型、三维构筑物模型、水文及航道数据接口、位置定位数据接口等相关基础数据。

水文、气象信息是支撑水路运输的基础数据, 航道管理部门也建立了相应的航道信息采集设备及系统, 实现了能见度数据、水文数据、航道基础数据、气象数据等航道信息的采集, 但由于各相关采集系统由于其开发厂商、运行平台、采集方式、存储模式不尽相同, 使得数据在类别、更新频率不一, 又由于数据并发量大导致大量异构性数据生成, 需要对水位、气象数据标准化处理, 以保证系统的稳定运行。

该文研究过程中结合相关技术标准, 对虚拟仿真模型、水文及航道信息、实时定位信息等方面的集成, 构建了船舶过闸管理虚拟仿真平台原型系统, 图3为加载了三峡坝体主体的虚拟仿真模型效果图。

3 结语

从船舶出闸管理的角度出发, 提出了基于虚拟仿真技术的基础平台框架, 重点研究了船舶出闸管理与虚拟仿真的应用结合, 对三维地形、构筑物建模、定位等技术进行了简要阐述, 通过集成水文、航道、船舶特殊环境定位等信息, 开发的船舶出闸管理平台原型系统, 为虚拟仿真技术在水运行业中的应用提供参考。

参考文献

[1]曹娟, 杨小帆.虚拟现实技术在三峡库区航运安全研究中应用[J].科技资讯, 2008 (20) :23.

[2]张尚弘, 易雨君, 夏忠喜.流域三维虚拟环境建模方法研究[J].应用基础与工程科学学报.2011 (S1) :108-116.