船舶主動力系統實船訓練系統的研究與實現

員欽升，屈 崇，許 峰，羅 昊

● （中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108）

船舶主動力系統實船訓練系統的研究與實現

員欽升，屈 崇，許 峰，羅 昊

● （中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108）

實船訓練系統是將仿真訓練系統嵌入到船舶的實際系統中，船員可在平時的工作環境中訓練各項操作，以便能夠熟練地掌握各項操作技能，具有費用低、質量高、效率高等優點。 本文從國內外實船訓練系統的研究現狀出發，提出了基于某型船主動力系統開發的實船訓練系統，闡述了該系統的組成、系統安全性的設計、 系統所實現的功能以及系統的應用前景等。

船舶；主動力系統；實船訓練系統；船員培訓

0 引言

隨著科技的發展，現代船舶的裝備性能得到大幅提高，船舶主動力系統的裝備操縱規程也趨于自動化、智能化，對船員的要求也不斷提高，傳統的船員培訓方式已不能滿足船員的要求[1]。

目前，國內對學員采用的培訓方式主要是陸上模擬器訓練[2]，由于模擬器訓練是采用模擬設備，與實際設備之間有很大差距，學員不能真正的融入到實際的操縱環境中，對提高學員的實際操縱能力有很大的局限性。國外船舶自動化公司于20世紀90年代提出了實船訓練系統，它是指將仿真訓練系統嵌入到船舶的實際操縱系統中，能夠使船員熟練地掌握各項操作技能[3]。

近年來，國外很多船舶自動化公司陸續研究出了適用于各自船舶自動化系統的實船訓練系統，有些系統已經在實船得到了應用，具有很好的效果。但是目前國內還沒有成熟的實船訓練系統，我所基于某型船的主動力系統開發出了一套主動力系統的實船訓練系統，該系統具有仿真精度高、培訓課程系列化、系統安全性高等優點，目前該系統已完成樣機試驗。

1 國內外實船訓練系統的現狀

1.1 國外狀況

隨著船舶自動化的快速發展，許多國家都將實船訓練系統作為船舶平臺管理系統的重要組成部分，結合各自的船舶自動化系統構建出了相應的實船訓練系統，如美國AAI公司、德國西門子公司、ABB公司、加拿大L3-MAPPS Communication公司等。

作為世界領先的實船訓練系統制造商，美國的 AAI公司從1998年以來，就在90多條美國艦艇上安裝了400多套OBTS(On-Board Training System)[4]。

近年來，德國西門子公司的SINAVYCISOBTS(訓練船員操作船舶輪機自動化系統的實船訓練系統)被廣泛應用于西門子公司所參與的多艘德國和其他國家海軍的水面艦艇和潛艇的設計制造，受到了廣大官兵好評[5]。

加拿大L3-MAPPS Communication公司所開發的實船訓練系統是利用船員日常使用的IPMS工作站作為平臺，平臺加載有實時的模擬環境，船員可按照培訓的計劃操縱設備，不會對控制系統原有的功能構成影響。

實船訓練系統不但可應用于船舶的輪機自動化系統中，在船舶雷達、導航、船舶操縱等方面也可發揮其重要作用。近年來，已有很多公司形成了其成熟的實船訓練系統產品，被廣泛應用于軍艦和民用船舶上。

1.2 國內狀況

雖然實船訓練系統在國外得到了快速發展，但是國內船員自動化廠商還沒有給予足夠的重視，輪機模擬器仍是國內船員培訓的主要方式和研究重點。

輪機模擬器是指采用半實物仿真的方法搭建一個與實船相似的模擬操作平臺，在模擬設備上對系統進行操作，使學員了解設備的操作方法，對單純的書本教學來說，模擬器培訓可有效降低培訓成本，提升培訓質量和效率[6]。但是輪機模擬器也有其局限性：模擬器是半實物仿真，學員對船舶設備認識不夠直觀；模擬設備無法真實反映船舶設備的實際響應情況，學員操縱模擬器與操縱船舶設備會產生較大落差。而實船訓練系統是將仿真訓練系統嵌入到船舶的實際操縱系統中，既包含了模擬器的優點，也解決了模擬器仿真情況不逼真的問題，能夠使船員更加熟練地掌握動力系統的各項操作技能和積累經驗。

目前，國內還沒有投入實船使用的訓練系統產品，但是國內模擬器的研究已經非常成熟，在借鑒國內成熟模擬器技術的基礎上，711所開發出了一套針對某型船主動力系統的實船訓練系統，該系統將訓練軟件嵌入到船舶原有動力監控系統中，具有較高的仿真精度，有效實現了實船訓練功能。

2 實船訓練系統介紹

船舶主動力系統一般分為主動力控制系統和主動力監測系統：主動力控制系統是對船舶主動力的設備（主機、齒輪箱、螺旋槳等）進行控制，主動力監測系統是對這些設備的運行狀況進行監測，實時反映相關設備的運行參數。

2.1 訓練系統的組成

本實船訓練系統基于某型船的原有推進監控系統模式，增加了一個教練員操縱平臺（可根據船舶實際情況，將操縱平臺安裝在其它設備上），系統結構如圖1所示。原船舶動力系統中各設備之間的通訊方式為雙冗余以太網通訊（航行網1和航行網2），本訓練系統在原網絡通訊基礎上增加了訓練網，如圖1所示。在航行模式時，航行網1、航行網2與駕駛室推進控制臺、集控室推進控制臺、主機、齒輪箱、螺旋槳及其附屬設備構成船舶的主動力系統。當進入實船訓練模式時，實船訓練系統屏蔽監控系統與其監控設備的通訊，訓練網與駕駛室控制臺、集控室控制臺、教練員操縱平臺（裝有仿真模型及教練員軟件）就構成了一個具有高仿真精度的“主動力系統”。

圖1 系統結構圖

教練員操縱平臺上裝有仿真模型和教練員軟件，仿真模型是利用微分方程以及系統辨識等多種建模方法疊加建立的替代主推進裝置（包括主機、齒輪箱、軸系、螺旋槳、船體以及輔助設備等）的數學模型[7]，訓練系統根據控制臺發出的主機、齒輪箱、軸系、螺旋槳的起動、運行、停機和各類故障等指令改變模型的狀態，從而達到推進設備不動作而進行船員訓練的目的。教練員軟件是訓練指導者使用的控制終端，負責對整個訓練系統的管理、配置、監視和評估的任務。

實船訓練系統的主動力控制系統是在原主動力控制系統基礎上增加了實船訓練功能，即本實船訓練系統的控制系統分為2種運行模式：航行模式和訓練模式，從而降低了訓練操作和實際操作之間的差異。進入訓練模式時需要滿足條件：動力系統相關設備控制部位在遙控時，需要主機轉速為零，齒輪箱、螺旋槳等設備均在空車位；上述設備的控制部位在機旁時，可無條件進入訓練模式。退出訓練模式時需要滿足條件：如果系統相應設備在遙控狀態，需要駕、集控制手柄推到空車位置，其它設備的控制也在空車位。船員訓練時，可以通過控制臺對設備進行操縱，訓練過程中教練員操縱平臺可以模擬設備操縱過程中的各類故障，提高了船員對設備操縱的熟練程度以及故障排除能力。

實船訓練系統的監測系統是在原監測系統基礎上增加了實船訓練功能，即本實船訓練系統的監測臺系統分為2種運行模式：航行模式和訓練模式，系統在訓練模式下接收仿真模型數據，屏蔽航行模式數據，系統在航行模式下接收實際設備的運行參數，屏蔽仿真模型數據。船員訓練時，不僅可通過監測臺軟件實時監測參數的變化和報警，還可通過故障答題卡進行故障排除。故障解決后，仿真模型故障解除，相應測點恢復正常。

2.2 訓練系統安全性的設計

動力系統的安全性是本實船訓練系統的研究重點，一個好的實船訓練系統不僅可為船員提供一個高精度操縱平臺，還要不影響船舶原系統的穩定性。為了達到上述目的，本實船訓練系統在網絡與監控系統方面均采取了相應的措施。

網絡方面：為了實現實際數據和訓練數據的安全隔離，本實船訓練系統采用兩個網絡：航行網和訓練網，兩個網絡使用不同的交換機，實現了網絡的物理隔離，同時對航行網的網段、IP地址與訓練網的網段、IP地址做了專門的設置。

監控系統方面：本實船訓練系統除對進入、退出訓練模式設置了聯鎖條件之外，在進行模式切換的同時也對網絡進行了切換：進入訓練模式時，系統關閉航行網的通訊Socket，對訓練網的通訊Socket進行初始化；退出訓練模式時，系統關閉訓練網的通訊Socket，初始化航行網的通訊Socket。

2.3 訓練系統實現的功能

為了很好的實現訓練功能，本實船訓練系統包括訓練輔導教學、訓練課程設置、訓練結果評估以及訓練歷時數據查詢等功能。

訓練輔導教學：本系統可根據船員的具體要求加載一些設備的操縱指導書、操縱視頻、操縱音頻等教材，船員可以通過這些教材對動力系統的操作進行詳細了解，提高自身的業務水平。

訓練課程設置：本系統包含系列化的培訓課程，教練員可以根據不同崗位、不同熟練程度的學員設置不同范圍、不同側重點和不同難度的訓練內容，為所有學員提供一個有效的訓練課程。訓練內容除包括正常操作訓練外，還包括對故障和異常情況處理的訓練，學員可完成實際系統中無法或者不允許執行的操作訓練。訓練形式包括單學員培訓和小組集體培訓，可以很好的提高學員獨立操縱能力和團隊協作能力。

訓練評估：本系統不僅給學員提供了系列化的培訓課程，也可以對學員的操作進評估，并給出相應的分數。本評估系統主要從訓練內容完成情況、訓練過程故障修復情況以及操作時間等方面進行綜合評估，給出一個公正的分數，教練員可對學員的掌握情況有一個明確的了解。

訓練數據查詢：本系統具有歷史數據查詢功能，可以查詢以往學員操作的歷史數據，同時對學員操縱過程中出現的問題進行匯總、分析，通過統計結果，教練員可了解到學員的問題所在，對學員出現錯誤比較多的問題進行系統講解、培訓，讓學員的操作能力切實得到提高。

2.4 訓練系統的應用情況

本實船訓練系統作為主動力監控系統的一部分已經應用在了在所制造的某型船的動力監控系統上面，目前該系統已完成樣機試驗，系統的穩定性、安全性已經得到了驗證，本系統將依據計劃應用到船舶上，將成為我國訓練系統實船應用的先例。

3 結語

實船訓練系統作為船舶平臺管理系統的一部分，教練員可在船員日常工作的操縱環境中對其進行培訓，可地提高船員的實際操縱能力[8]。國外很多公司已經進行了研究，并有了成熟的產品，但是國內還沒有成熟的實船訓練系統產品。711所開發了一套基于某型船主動力系統的實船訓練系統，該系統具有仿真精度高、培訓內容系列化、穩定性高等優點，對船員起到很好的訓練效果。該系統目前已完成樣機研制，將依據計劃應用到船舶上，將來會結合船員的實際使用情況不斷完善，最終形成一套成熟的實船訓練系統，該系統將會填補國內實船訓練系統在實船應用方面的空白。

[1] 魏曉明, 劉金林, 曾凡明. 艦船主動力系統虛擬維修訓練系統研究[J]. 中國修船, 2010, 23(3): 47-48

[2] 陳玉文. 軍用訓練模擬器的需求與發展研究[J]. 海軍軍訓器材研究所, : 14-18

[3] 陸錦輝, 張敏. 主推進系統實船訓練系統的研究與實現[J]. 上海船舶運輸科學研究所學報, 2006, 29(1):6-13.

[4] Moschopoulos J. Advanced Integrated control and information system in The US Navy [A]. Proceeding of Eleventh Ship Control System Symposium [C]. USA:[s. n.], 1997.

[5] Siemens. Completely Integrated solution for navy SINAVYCIS[OB/OL].2004-04-18 [2006-2-17]http://www.industry.siemens.com/broschueren/downloa ds/marine.

[6] 賈寶柱, 曹輝, 張均東, 等. 輪機模擬器及其關鍵技術[J]. 中國航海, 2012, 35(1): 35-40.

[7] 潘立登, 潘迎東. 系統辨識與建模[M]. 北京: 化學工業出版社, 2004.

[8] 周國平, 袁利國, 高宜鵬, 等. 艦船動力裝置實船嵌入式仿真訓練系統[J]. 艦船科學技術, 2013, 35(5):74-78.

Research and Realization of Training System of Ship Main Power System

YUAN Qin-sheng, QU Chong, XU Feng, LUO Hao
(No.711 Institute, CSIC, Shanghai 201108, China)

On-board training system (OBTS) is a kind of crew training simulator embedded in ship system, it enables the crews practice system’s various operation in the daily work environment, and helps crews mastered necessary operation ability, which has the features of low cost, high quality and high efficiency. From the research status of OBTS’s study in domestic and abroad, the article proposes an OBTS that our research institute develops. The article elaborates the system components, system security design, OBTS’s function and the system prospects etc.

ship; main power system; on-board training system; crew’s training

U692.7

A

員欽升（1988-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶自動化。