基于Visual Studio的船舶舵機(jī)操作訓(xùn)練平臺的設(shè)計(jì)與開發(fā)

亓冠華

(泰山科技學(xué)院,山東 泰安 271000)

0 引言

船舶舵機(jī)作為航向控制的關(guān)鍵裝備,對于船舶海上航行的準(zhǔn)確性及安全性至關(guān)重要。由于海上存在海風(fēng)、海浪等不確定干擾,導(dǎo)致舵機(jī)系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣,容易出現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)及軟件通信系統(tǒng)故障,令船舶安全性能下降。當(dāng)舵機(jī)系統(tǒng)發(fā)生未知故障時(shí),船舶航向系統(tǒng)會受到影響,船舶控制性能下降則可能造成海上安全事故,對船員人身安全、船舶本身及港口安全會構(gòu)成巨大威脅,尤其是在靠港工況下舵機(jī)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行十分重要。但很多舵機(jī)故障產(chǎn)生的原因是船員操控設(shè)備不規(guī)范,故對船員進(jìn)行專業(yè)、規(guī)范的技能培訓(xùn)能夠有效降低舵機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)人為故障的幾率,因此船員專業(yè)培訓(xùn)的收益遠(yuǎn)大于花費(fèi)的時(shí)間成本及資源成本。目前,我國對于輪機(jī)管理人員的技能培訓(xùn)正在由工作原理與海洋環(huán)境等相關(guān)知識學(xué)習(xí)向輪機(jī)模擬器應(yīng)用及實(shí)物操作方向發(fā)展,幫助船員進(jìn)行理論知識與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合。故進(jìn)一步對智能化液壓舵機(jī)教學(xué)平臺進(jìn)行研究、將先進(jìn)的學(xué)習(xí)方案與智能設(shè)計(jì)方法引入到舵機(jī)控制訓(xùn)練體系中,對船員技能水平的提高有著重要的意義[1]。國外很多公司對船舶舵機(jī)仿真模擬訓(xùn)練器的開發(fā)取得了一定的成績(如英國的TRANSAS公司、德國的西門子公司及日本的三菱公司等[2]),但這些公司設(shè)計(jì)的仿真模擬訓(xùn)練器普遍存在設(shè)計(jì)模型較為簡單、操作細(xì)節(jié)要求較低及操作訓(xùn)練流程固化的缺點(diǎn),不利于培訓(xùn)人員處理舵機(jī)緊急狀況及深入訓(xùn)練,無法滿足馬尼拉修正案的船員培訓(xùn)要求。

以PPT-2000型輪機(jī)仿真模擬器為例,作為一種功能齊全的全任務(wù)推進(jìn)裝置,其仿真模擬器由駕駛員室、船艙模擬器、學(xué)員訓(xùn)練室等部分組成[3]。系統(tǒng)利用二維畫面生成的流程圖來表示各個系統(tǒng)結(jié)構(gòu),故人機(jī)界面繁雜,不易操作,且只有一臺監(jiān)控系統(tǒng)來對全部系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控,系統(tǒng)的可擴(kuò)展性及可復(fù)用性較差[4]。相較而言,TERS-2000型輪機(jī)仿真模擬器具有多級別、可通用、可組合等優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際設(shè)計(jì)為了簡化操作、增加模擬器的可視性,取消了部分硬件設(shè)計(jì),導(dǎo)致設(shè)備不完整[5]。為了提高我國輪機(jī)培訓(xùn)人員的專業(yè)基礎(chǔ)知識及操作技能熟練性,需設(shè)計(jì)一套設(shè)施完備、仿真程度高及人機(jī)界面友好的智能化船舶舵機(jī)操作訓(xùn)練平臺。以舵機(jī)系統(tǒng)為研究對象,根據(jù)撥叉式液壓系統(tǒng)工作原理,將復(fù)雜機(jī)械拆分為若干個模塊,運(yùn)用相關(guān)方法及理論知識建立舵機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。舵機(jī)仿真模擬器硬件結(jié)構(gòu)參照川崎式舵機(jī),根據(jù)MSA對船員的培訓(xùn)要求,考慮舵機(jī)實(shí)際工況特點(diǎn)對系統(tǒng)做了相應(yīng)的簡化,令仿真系統(tǒng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。綜合舵機(jī)系統(tǒng)各模塊的數(shù)學(xué)模型,基于Visual Studio設(shè)計(jì)了船舶舵機(jī)操作訓(xùn)練平臺。在Visual C#的編譯環(huán)境中利用圖形繪制功能及窗體應(yīng)用,對系統(tǒng)的仿真界面進(jìn)行設(shè)計(jì),使其能夠模擬舵機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際工作原理及操作流程,設(shè)計(jì)的仿真界面操作簡便,可視性較好。

1 仿真軟件界面設(shè)計(jì)

模擬界面決定了人機(jī)交互的智能化程度,它集成允許執(zhí)行的各種操作界面及按鈕設(shè)計(jì)。主要包括界面設(shè)計(jì)及控件設(shè)計(jì),該部分作為主要操作界面應(yīng)簡要易懂,可操作性強(qiáng)。

1.1 界面底圖的繪制

利用CorelDRAW矢量圖形制作工具繪制系統(tǒng)圖,界面底圖根據(jù)實(shí)際的舵機(jī)液壓系統(tǒng)繪制。舵機(jī)液壓系統(tǒng)子界面的底圖如圖1所示。

圖1 繪制界面底圖Fig.1 Base of the interface

圖1中間部分為撥叉式液壓舵機(jī),屬于泵控型舵機(jī),主要由油缸、雙向變量泵、滑塊、放氣閥、舵柱及舵柄等組成。舵機(jī)主油路工作原理為:在電機(jī)的帶動下,雙向變量泵進(jìn)行旋轉(zhuǎn),從低壓側(cè)抽油再經(jīng)過主油路鎖閉閥,將壓力油供給到油缸,撞桿在油缸兩側(cè)油壓差的影響下,利用滑塊帶動舵柄運(yùn)動,驅(qū)動舵柱,從而改變舵角。在舵角達(dá)到駕駛臺指令舵角時(shí),舵機(jī)控制系統(tǒng)使雙向變量泵的變量機(jī)構(gòu)回中,雙向變量泵的輸出流量為零,這時(shí)油路鎖閉閥工作在中位,液壓系統(tǒng)油路產(chǎn)生鎖閉。雙向變量泵位于油箱內(nèi)部,起到對閉式液壓系統(tǒng)的冷卻作用。

1.2 建立Winform自定義控件庫

為了更好進(jìn)行相應(yīng)界面設(shè)計(jì),需進(jìn)行界面底圖規(guī)制,在Windows Framwork中進(jìn)行控件庫設(shè)置,當(dāng)控制庫設(shè)置完成后,便可在工具箱中直接調(diào)用。舵機(jī)仿真系統(tǒng)需要制作添加的控件包括斜盤柱塞泵、隨動舵、緊急舵、撥叉操縱舵機(jī)構(gòu)、舵角計(jì)、壓力計(jì)及安全閥。以上控件與船舶實(shí)際信息相匹配,對于舵機(jī)系統(tǒng)應(yīng)產(chǎn)生相同的作用。將建立的控件整合到控制程序庫中,便于后續(xù)調(diào)用。

采用GDI+(Graphics Device interface plus)繪圖技術(shù)與C#編程語言來制作程序控件,該方法簡單易行,可操作性強(qiáng)。軟件包含了矢量圖形繪制、文字顯示及圖像處理3部分,需要多種工具來進(jìn)行圖像處理,GDI+技術(shù)只進(jìn)行簡單的圖形繪制渲染。其中,類Graphics封裝了GDI+的制作圖像程序,窗體中所有的制圖畫圖必須由此類操作完成,并由System drawing進(jìn)行空間命名。自定義控件庫創(chuàng)建如圖2所示。

圖2 自定義控件庫的創(chuàng)建Fig.2 Creation of custom control library

1.3 控件設(shè)計(jì)

船舶舵機(jī)系統(tǒng)的控件數(shù)量較多,在控件制作處理過程中需重復(fù)運(yùn)用GDI+技術(shù)對控件進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)及顏色處理。為美化界面,制作的控件大小可根據(jù)需要改變。為使控件在制作變換過程中不變形,可在舵輪控件的屬性中將ResizeRedraw設(shè)置為true,調(diào)用控件內(nèi)部的平移縮放變換函數(shù)即可。圖3為制作的隨動操舵舵輪控件。

圖3 隨動操舵舵輪控件Fig.3 Servo steering wheel control

2 仿真界面設(shè)計(jì)及說明

基于Windows系統(tǒng)下的Visaul C#集成開發(fā)環(huán)境,設(shè)計(jì)船舶舵機(jī)的模擬操作界面。

圖4為仿真軟件的加載主界面,是整個系統(tǒng)的入口界面,界面中放置了一些可以實(shí)現(xiàn)各種功能的選項(xiàng),主要包括船舶航行方向、駕駛臺推進(jìn)控制系統(tǒng)、集控臺推進(jìn)控制系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等,可通過點(diǎn)擊按鈕來調(diào)用系統(tǒng)的其他子界面。

圖4 仿真軟件加載界面Fig.4 Interface of simulation software loading

圖5為撥叉式船舶舵機(jī)液壓系統(tǒng)子界面,由兩部分組成:液壓系統(tǒng)原理圖,包含了管路系統(tǒng)、油柜油箱、管路閥件、液壓油泵、轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)及舵角指示器。控制面板,包括電源指示燈、自動及隨動操作轉(zhuǎn)換按鈕、操舵舵輪等。

圖5 舵機(jī)液壓系統(tǒng)子界面Fig.5 Sub-interface of servo hydraulic system

實(shí)際的船舶集控室擁有故障報(bào)警界面,當(dāng)舵機(jī)系統(tǒng)因人為操作失誤或發(fā)生未知故障時(shí),面板上相應(yīng)的警示燈開始點(diǎn)亮,同時(shí)伴隨報(bào)警聲音,需要船員進(jìn)行故障確認(rèn)。如圖6所示,舵機(jī)故障系統(tǒng)報(bào)警界面中的故障指示包括油泵停止、電機(jī)斷電、電機(jī)超負(fù)荷及安全閥故障等功能。

圖6 故障報(bào)警指示界面Fig.6 Interface of fault alarm indicator

圖7為駕駛臺操作子界面,可以實(shí)現(xiàn)啟動泵組、停止泵組,舵角選擇、操舵位置選擇、隨動操舵、應(yīng)急操舵、電源指示、壓力指示、航速指示及警報(bào)指示等功能。

圖7 駕駛臺操作子界面Fig.7 Sub-interface of bridge operation

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的船上培訓(xùn)方式存在周期長、成本高、事故多發(fā)等弊端,隨著海上設(shè)備研發(fā)及計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)的發(fā)展,輪船舵機(jī)仿真模擬訓(xùn)練器在航海領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,能夠?yàn)榇瑔T模擬相對真實(shí)的船舶運(yùn)行狀態(tài),已成為很多海運(yùn)學(xué)員院校考核及發(fā)布證書的一種重要方式。基于Visual Studio,設(shè)計(jì)了撥叉船舶舵機(jī)系統(tǒng)的二維界面與軟件系統(tǒng),該設(shè)計(jì)不僅能夠快速完成船舶舵機(jī)的故障檢測,還能夠?yàn)楹T培訓(xùn)院校提供智能化的仿真模擬系統(tǒng),提高學(xué)員操作能力及綜合素質(zhì)。