艦艇動力指揮專業綜合實踐教學平臺建設

張超杰， 苗 海， 郭朝有， 常廣暉

(海軍工程大學 動力工程學院， 湖北 武漢 430033)

艦艇動力指揮專業是海軍院校教育的重點專業，經過多年的發展，在不斷探索和實踐中，已摸索出許多適應海軍發展需要的較為成熟的組訓方式，為海軍艦艇部隊培養了大批機電軍官，積累了較為豐富的實踐經驗。但同時也暴露出來一些問題，比如教學內容與新時期崗位能力要求有差距、綜合性實踐教學條件缺少、學生組織指揮能力偏弱等[1]。適應新時期實戰化訓練要求[2-4]、培養全面的艦艇動力指揮人才，是當前海軍院校教育亟待解決的問題。

1 建設目的

在實踐教學方面，目前艦艇動力指揮專業的專業課程以裝備種類為基礎設置多門課程，各課程結合所屬的裝備開展實踐教學條件建設，進行相應的實踐教學。這種建設方式導致各種裝備分布于不同的實驗室，且裝備之間是獨立的，因此，實踐教學時只能開展“單裝備訓練”。這種教學方式有利于學生掌握單個裝備的專業知識，包括工作原理、操作使用、維護保養、典型故障排除等。

但這種教學方式也存在明顯的缺點，無形中割裂了機電部門各裝備之間的聯系，無法開展分隊級、部門級的協同訓練，導致學生缺少機電部門所屬設備的整體觀念，無法深刻理解機電裝備的協同工作和機電部門人員的相互配合。而作為機電軍官，不但要掌握單個裝備的專業知識，更應該具備較強的組織指揮能力，根據條令、條例及規章制度，科學合理地組織所屬人員、裝備開展訓練，是機電軍官的必備素質，是訓練正規化、實戰化的前提。

因此，需要整合實驗室分散的實踐教學條件，使機電部門的所屬設備能夠互聯、互通，形成有機整體，為開展綜合性實踐教學提供平臺，為培養學生更高層次的協同指揮能力奠定基礎。

2 建設方法

2.1 總體思路

現有的實踐教學條件總體上可以分為4類:艦艇實裝設備、科研樣機、硬件模擬器、虛擬訓練設備[5-8]，目前各種設備分布于多個實驗室，相互之間獨立運行。為降低建設成本、減少設備搬運帶來的設備損害，綜合實踐教學平臺建設的總體思路是:以艦艇機電部門的實際“站位”設置為總體目標，注重整體籌劃，將各種分立的實踐教學條件進行整合，設計統一的綜合實踐教學控制網絡，將實裝設備、科研樣機、硬件模擬器、虛擬訓練設備通過網絡聯接，實現設備的互聯、互通、互操作。同時，在綜合實踐教學控制網絡中增加教控臺，用于根據不同訓練目的，設置不同訓練設備之間的組合方式、產生不同的訓練環境，并進行訓練科目給定和訓練效果評估。

對于具備實裝設備、科研樣機、硬件模擬器、虛擬訓練設備等多種實踐條件的設備，可以根據不同訓練目的，通過綜合實踐教學控制網絡，靈活選擇設備和以何種方式接入訓練系統，從而產生不同的訓練環境。對于既無實裝設備和科研樣機，又無硬件模擬器的設備，則采用虛擬現實技術，開發虛擬訓練設備，快速補齊訓練短板。

通過統籌規劃，促進硬件和軟件建設協調發展，實現機電部門各種裝備之間多種形式的互聯互通，使實踐教學具備多“站位”協同訓練條件，從而打破“單裝備訓練”局限，為實驗室開展設備級、分隊級、部門級的多層次綜合訓練提供條件。

2.2 網絡架構

根據艦艇機電部門實際設備的布置，結合現有實踐教學設備在各實驗室的分布情況，綜合實踐教學控制網絡，采用雙層、雙冗余、環形網絡架構，實現各實踐教學設備的接入控制和信息共享，具體如圖1所示。

圖1 綜合實踐教學控制網絡架構

綜合實踐教學控制網絡分為2層，上層為系統層，下層為分系統層。推進分系統、電力分系統、船區與損管分系統的所屬訓練設備分別構成一個單獨的子網絡，然后通過上層網絡相互連接。因連接網絡的設備較多，而且分布于多個實驗室，為保證通信的可靠性，每個網絡均采用雙冗余環形工業以太網。各訓練設備同時連接所屬子系統的2個環形工業以太網，通過該訓練設備的控制臺進行網絡通信，將設備實時參數上傳至網絡，同時接收網絡傳來的控制指令；下層子系統網絡分別通過各自的教控臺與上層網絡連接。這種網絡架構的優點是:如果需要進行單個設備級的訓練，只運行單個設備即可；如果需要進行分隊級的訓練，則運行該分隊的分系統網絡及所屬設備即可，由相應的教控臺進行訓練科目給定和訓練設備設置；如果進行整個部門級的訓練，則運行所有網絡和相關訓練設備，由系統教控臺進行訓練科目給定和訓練設備設置。

2.3 教控臺建設

整個綜合實踐教學平臺設置4個教控臺，推進分系統、電力分系統、船區與損管分系統各設置一個分系統級教控臺，系統級設置系統教控臺。子系統級的教控臺同時連接上、下2層網絡，系統教控臺僅連接上層網絡。各子系統的教控臺可以進行該子系統的訓練科目給定，并設置該子系統所屬訓練設備的接入方式，產生相應的訓練環境；系統教控臺進行整個系統的訓練科目給定，并設置所有訓練設備的接入方式，產生相應的訓練環境。

以推進分系統為例，網絡架構及所屬訓練設備如圖2所示。開展完整的推進分系統訓練一般需要駕駛室控制臺、集控室控制臺、柴油機及控制臺、齒輪箱及控制臺、調距槳及控制箱、油水氣輔助系統組成。實驗室現有的實踐訓練條件中，部分設備，如駕駛室控制臺、集控室控制臺，既有科研樣機，又有硬件模擬器和虛擬訓練設備；部分設備，如柴油機、齒輪箱、調距槳，既有實裝設備，又有虛擬訓練設備；部分設備，如柴油機控制臺、齒輪箱控制臺、調距槳控制箱，既有硬件模擬器，又有虛擬訓練設備。從整個推進分系統的角度看，缺少推進相關油水氣輔助系統的訓練設備。

為快速補齊訓練短板，首先采用虛擬現實技術，開發了全面的油水氣輔助系統虛擬訓練設備。新設計研制了推進教控臺，并將推進分系統相關的所有訓練設備通過雙冗余環形工業以太網連接。由于不同類型的訓練設備各有優缺點，根據不同的訓練需求推進教控臺，可以選擇不同類型的訓練設備接入運行，其余設備作為備用或不運行，從而產生不同的訓練環境。例如，駕駛室控制臺有科研樣機、硬件模擬器、虛擬訓練設備3種訓練設備可供選擇，如果開展裝備操縱類相關的訓練，可以優先選擇科研樣機接入訓練系統，增加學生的實物體驗感；如果開展組織指揮類訓練，可以優先選擇硬件模擬器接入訓練系統，重在培養學生的協同指揮能力；如果開展故障應急處置能力訓練，可以優先選擇虛擬訓練設備接入訓練系統，因為虛擬訓練設備便于模擬各種故障類型。

圖2 推進分系統訓練設備

2.4 虛擬訓練設備建設

對于實驗室暫時不具備的硬件訓練條件，利用虛擬現實技術開發虛擬訓練設備是快速補齊訓練短板的有效措施。與硬件訓練設備相比，虛擬訓練設備具有開發周期短、成本低等優點[9-11]，而且能夠實現硬件設備難于實現的訓練條件，如艦艇大風浪航行、嚴重的設備故障等。仍以推進分系統為例，若在實驗室建設一套完整的、類似艦艇布置的油水氣輔助系統，短期內是難于實現的。為此，專門開發了油水氣輔助系統虛擬訓練設備，補齊訓練短板，與實驗室現有訓練設備可以構成完整的推進分系統，不但可以開展設備級的訓練，也可以開展分隊級的訓練，同時為開展部門級的訓練奠定基礎。

以滑油系統為例，學生可以利用虛擬訓練設備進行滑油系統的正常使用方案分析與實現、應急使用方案分析與實現。比如，主機啟動前、運行中、開始停機以及停機結束等不同過程中，各種閥門、滑油預供泵、滑油備用泵、機帶滑油泵的使用方案分析與實現，以及滑油預供泵故障時的應急使用方案分析與實現、機帶滑油泵故障時的應急使用方案分析與實現。當進行更高層次的訓練時，可以與備戰備航部署演練聯合進行，將滑油系統設置為推進系統的連鎖條件，如果滑油系統使用不正確，主機無法啟動，艦船將無法航行。

3 建設效果

3.1 形成多層次綜合訓練體系

構建綜合實踐教學平臺后，機電部門所屬設備實現了多種形式的互連、互通，打破了各設備獨立運行、僅能進行“單裝備訓練”的訓練局限。以綜合實踐教學平臺為依托，既可以開展單裝備訓練，又可以開展機電部門多裝備、多站位的協同訓練，在實驗室形成了設備級、分隊級、部門級的多層次綜合訓練體系。

通過多裝備、多站位的協同與指揮訓練，可以使學生建立系統的整體觀念，深入理解機電裝備的協同工作和機電部門人員的相互配合，提高學生在各種作戰背景下的組織指揮能力、裝備正常操縱能力和故障應急處置能力，全面培養學生的綜合素質。

3.2 開展多課程聯合實踐教學

通過各裝備課程開展相應的單裝備實踐教學，有利于學生掌握單個裝備的工作原理、操作使用、維護保養、典型故障排除等專業知識。構建綜合實踐教學平臺后，在各裝備課程開展實踐教學的基礎上，可以開展多課程聯合實踐教學，實現由單個裝備的實踐訓練向多裝備聯合實踐訓練轉變，分別針對不同作戰背景開展分隊級、部門級的協同訓練。為此，培養方案中新增設了“艦艇動力裝置綜合實踐”課程，開展多課程聯合實踐教學。

在多站位協同訓練時，按照實際艦艇的指揮關系形成上下級指揮體系，利用設計的綜合實踐教學控制網絡將實裝設備、科研樣機、硬件模擬器、虛擬訓練設備等實踐條件聯合運用，根據不同訓練目的構建不同的訓練環境，通過教控臺合理配置相應的訓練設備。訓練過程中，學生按照機電部門的指揮關系進行角色模擬扮演，分別編為部門、分隊、班、成員等角色，根據給定的情節，上級指揮下級，站位內部人員之間分工合作，共同完成指定的任務；同級站位之間通過上級站位進行協調指揮，不但能夠使學生理解機電部門的指揮關系、運作流程，而且能夠提高學生的協作精神。

3.3 開展情境化案例式教學

以艦艇部隊在戰備、訓練和執行任務過程中遇到的真實情況為背景，編寫特色鮮明、實用性強的實戰化教學案例[12-14]，將其引入實踐教學過程中，可以提高實戰化教學的實用性和針對性。依托綜合實踐教學平臺，可以通過教控臺合理配置實驗室的軟硬件設備，使案例中的情形在實驗室重現，由學生開展情況判斷、方案制訂、設備調用、人員調控等各項工作，提高實戰化教學氛圍，全面培養學生的綜合處理能力。例如，可以根據我艦艇編隊執行亞丁灣護航任務過程中遇到的各種具體情況為背景，設置機電設備相關的各種情節開展案例教學，并利用綜合實踐教學平臺復現當時遇到的具體情況，使學生沉浸在具體環境中分析問題、討論問題、解決問題，提高學生執行具體任務的能力。

4 結語

以建設綜合實踐教學平臺為目標，以實際艦艇機電部門的“站位”設置為依據，將各種分立的實踐教學條件進行整合，設計了雙層、雙冗余、環形的綜合實踐教學控制網絡，將實裝設備、科研樣機、硬件模擬器、虛擬訓練設備通過網絡聯接，實現了各訓練設備之間的互聯互通。對于實驗室暫時不具備的硬件訓練條件，利用虛擬現實技術開發了虛擬訓練設備，快速補齊訓練短板。根據不同訓練目的合理配置各訓練設備之間的組合關系、構建不同的訓練環境條件，專門研制了教控臺。通過統籌規劃，促進了硬件建設和軟件建設協調發展，構建了綜合實踐教學平臺，為開展設備級、分隊級、部門級的多層次綜合訓練奠定了設備基礎，實現了單個裝備的實踐訓練向多裝備聯合實踐訓練轉變。依托該綜合實踐教學平臺，既可以開展單裝備訓練，又可以開展機電部門多裝備、多站位的協同訓練。通過教控臺合理調配實驗室的軟硬件設備，可以在實驗室重現實戰化教學案例，全面培養學生的綜合能力，提高實戰化教學效益。

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