基于硬件在環(huán)的輪機模擬訓練系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

隗 宇, 周靖淞, 蔡云興

(1.上海船舶運輸科學研究所有限公司 艦船自動化系統(tǒng)事業(yè)部,上海 200135;2.中船黃埔文沖船舶有限公司,廣州 510715)

0 引 言

近年來,隨著智能控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新技術(shù)在船上廣泛應用,船舶設備的性能得到了大幅提升。由于不同船舶的功能、性能和操作方式等可能存在明顯差異,船員操縱船舶自動化系統(tǒng)所需技能是較為復雜的,這就對船員的業(yè)務水平提出了很高的要求,因此加強對船員的業(yè)務培訓具有重要意義,越來越具有挑戰(zhàn)性[1]。

由于不同船舶上的設備在操作上可能存在明顯差異,船員每次到陌生的船舶上工作時都需通過模擬操作熟悉船舶設備的操作方法和使用情況等。對于民用船舶而言,其對設備成本和運營效率等因素都非常敏感,加上國內(nèi)模擬訓練系統(tǒng)產(chǎn)品的市場占有率較低,在船上配置和使用模擬訓練系統(tǒng)存在一定的難度。但是,若采用的模擬訓練系統(tǒng)完全依賴監(jiān)控系統(tǒng)本身,無需增加新設備,只需在軟件設計開發(fā)時區(qū)分2種模式和工作流程,只會略微增加開發(fā)成本;同時,隨著我國船舶工業(yè)的不斷發(fā)展,國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設備的市場占有率會逐步變大。這些都為基于硬件在環(huán)的模擬訓練系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和推廣使用提供了可能。通過購置與推進監(jiān)控系統(tǒng)設備價格接近,兼具推進監(jiān)控系統(tǒng)功能和模擬訓練功能的模擬訓練系統(tǒng),在船員輪換時為新上船的船員提供快速、高效的模擬訓練服務。

對于軍用船和公務船等船舶而言,其通常采用多機多軸多槳的推進方式,配置有調(diào)距槳和齒輪箱,有的還配置有聯(lián)合動力設備和專用作業(yè)設備等,導致其主推進監(jiān)控系統(tǒng)特別復雜,即使是具有豐富經(jīng)驗的船員,在經(jīng)過一般的訓練之后也很難勝任相關(guān)工作。因此,有必要采用經(jīng)濟有效的方式為此類船舶開發(fā)專用的模擬訓練系統(tǒng),通過基于硬件在環(huán)的模擬訓練系統(tǒng)幫助船員快速獲得必要的操作技能。

本文以新研發(fā)的某型船舶推進監(jiān)控系統(tǒng)為基礎,考慮將模擬訓練系統(tǒng)嵌入到實船系統(tǒng)中,使推進監(jiān)控系統(tǒng)的所有硬件設備在模擬訓練系統(tǒng)中在環(huán)工作,在保證安全性和合理性滿足要求的前提下,盡量將信號切入層延伸到底層信號輸入模塊,提升模擬訓練的真實性,使學員真正融入到實際的操縱環(huán)境中,增強訓練的實際效果。

1 輪機模擬訓練系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

在民用領(lǐng)域,國內(nèi)外的輪機模擬訓練系統(tǒng)以各類培訓機構(gòu)、高校和資格評定單位的岸基模擬訓練系統(tǒng)為主,受船舶運營效率和成本等因素的影響,很少在船上安裝模擬訓練系統(tǒng)。挪威的康士博格(KONGSBERG)公司、德國的西門子(SIEMENS)公司和英國的船商(TRANSAS)公司等國外比較有代表性的企業(yè)都只開發(fā)了通用型岸基輪機模擬訓練系統(tǒng)[1]。我國的輪機模擬器開發(fā)雖然起步較晚,但已開發(fā)出很多輪機模擬訓練系統(tǒng),相關(guān)技術(shù)已接近國外先進水平,只是在模擬器標準制定方面還處于空白,國際上大多采用滿足挪威船級社(Det Norske Veritas,DNV)要求的輪機模擬器[2-5]。因此,我國若要開發(fā)基于硬件在環(huán)的輪機模擬訓練系統(tǒng),需面對滿足甚至制定相關(guān)標準方面的挑戰(zhàn)。

在軍用領(lǐng)域,國外開發(fā)了大量實船硬件在環(huán)模擬訓練系統(tǒng),比較著名的有美國的AAI(Aircraft Armaments Inc.)公司、加拿大的CAE(Canadian Aviation Electronics)公司、德國的SIEMENS公司和英國的BAE(British Aerospace System)公司開發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品[1]。AAI公司產(chǎn)品的特點是采用分布式體系結(jié)構(gòu)將現(xiàn)有的艦上嵌入式訓練器與岸上訓練器結(jié)合起來協(xié)同訓練,同時能將各艦艇與位于不同母港的潛艇連接起來協(xié)同訓練;SIEMENS公司產(chǎn)品的特點是能為訓練艦員操作輪機自動化系統(tǒng)提供智能解決方案,可獨立安裝于船上或岸上使用,在船上安裝的是實船訓練系統(tǒng),在岸上安裝的是陸上訓練系統(tǒng);CAE公司產(chǎn)品的特點是將訓練數(shù)據(jù)總線與工作數(shù)據(jù)總線隔離開,根據(jù)實際需求切換使用。我國以往在監(jiān)控系統(tǒng)實船硬件在環(huán)模擬訓練系統(tǒng)研究方面開展的工作相對較少,在此情況下,可根據(jù)國外相關(guān)設備的應用和發(fā)展情況,結(jié)合自身的特點,開發(fā)滿足我國船舶應用需求的相關(guān)產(chǎn)品。

在軍用船和公務船領(lǐng)域,由于這2種船型對船員的培訓需求較大,該模擬訓練系統(tǒng)的應用會逐漸增多;在民船領(lǐng)域,隨著科技的不斷發(fā)展,在技術(shù)、成本和需求達到平衡之后,該系統(tǒng)會得到實船應用。同時,該系統(tǒng)采用的基于硬件在環(huán)的嵌入技術(shù)和解決方案在實際產(chǎn)品開發(fā)中具有一定的實用價值,例如可在設備測試和自檢中應用。

2 系統(tǒng)概述

本文主要對以船舶主推進系統(tǒng)為基礎的輪機模擬訓練系統(tǒng)進行介紹。船舶主推進系統(tǒng)主要包括主機、齒輪箱、調(diào)距槳、軸系和主推進監(jiān)控系統(tǒng),其中主推進監(jiān)控系統(tǒng)的功能包括自動控制、監(jiān)測報警和安全保護,主要使命是保障船舶主推進系統(tǒng)在操作人員的指令下安全可靠運行。對于正常情況下的操縱和使用而言,主推進監(jiān)控系統(tǒng)提供有人機交互界面,能實時反映所有設備的運行狀態(tài)。主推進監(jiān)控系統(tǒng)的設備以電子類元器件為主,便于嵌入模擬訓練系統(tǒng),能實現(xiàn)對整個推進系統(tǒng)進行模擬訓練的功能。

主推進監(jiān)控系統(tǒng)由控制分系統(tǒng)、安全保護分系統(tǒng)和監(jiān)測報警分系統(tǒng)等3部分組成,這3個分系統(tǒng)相互獨立,各分系統(tǒng)的設備通過CAN(Control Area Network)總線組成一個內(nèi)部網(wǎng)絡,且左右2套設備相互獨立,各系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)與上層平臺以太網(wǎng)交互數(shù)據(jù)。

1) 控制分系統(tǒng)實現(xiàn)對主推進裝置的自動遠程控制,包括主機啟停、主機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、齒輪箱接排與脫排控制和調(diào)距槳槳角控制等,自動根據(jù)車令實現(xiàn)機槳聯(lián)控、負荷保護和聯(lián)鎖保護控制等功能;

2) 安全保護分系統(tǒng)實現(xiàn)對主推進裝置的自動安全保護,通過實時采集設備運行狀態(tài)信號,實現(xiàn)對主機的聯(lián)鎖保護、緊急停車、故障停車和故障降速等功能;

3) 監(jiān)測報警分系統(tǒng)實現(xiàn)對主推進裝置及輔助系統(tǒng)或設備運行狀態(tài)的集中監(jiān)測、信息顯示、越限報警和數(shù)據(jù)存儲及管理等功能。

主推進監(jiān)控系統(tǒng)的主要設備組成及功能見表1,總體架構(gòu)見圖1。

圖1 主推進監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)

表1 主推進監(jiān)控系統(tǒng)的主要設備組成及功能

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 設計原則

基于硬件在環(huán)的實船模擬訓練系統(tǒng)應根據(jù)實船監(jiān)控系統(tǒng)的框架設計,解決好訓練系統(tǒng)的嵌入方式問題,以及仿真系統(tǒng)中模型的模擬范圍問題[6]。模擬訓練系統(tǒng)的設計以實船推進監(jiān)控系統(tǒng)為基礎,嵌入模擬訓練功能,整個監(jiān)控系統(tǒng)的硬件資源均在環(huán)工作。該系統(tǒng)的設計遵循以下原則:

1) 安全性。系統(tǒng)軟件的運行模式可分為“航行模式”和“訓練模式”2種,“航行模式”的優(yōu)先級高于“訓練模式”,進入“訓練模式”需經(jīng)過多重條件判斷,滿足條件方可進入,而在“訓練模式”中,只要觸發(fā)到任意一個退出條件,立即進入“航行模式”,將所有資源都讓位給“航行模式”,確保設備安全運行和船舶安全航行。在“訓練模式”下,所有控制輸出的I/O(Input/Output)通道都自動閉鎖,不發(fā)出相應動作指令。

2) 完整性。在資源利用方面,完全采用監(jiān)控系統(tǒng)本身的硬件,不增加新的硬件資源。為實現(xiàn)模擬訓練功能,只需對個別硬件資源的功能進行調(diào)整,因此整個推進監(jiān)控系統(tǒng)是一套能獨立運行的模擬訓練系統(tǒng),也可直接將其投放到陸地上的教室內(nèi),成為陸上模擬訓練系統(tǒng)。

3) 信號切入。模擬機建立的模型可用來模擬主機、齒輪箱、調(diào)距槳和軸等設備的運行狀態(tài),通過網(wǎng)絡將其發(fā)送給采集該信號的控制器,盡管與通過I/O通道采集該信號存在一定的差異,但所有模擬信號的切入設備與實際采集信號的設備完全一致,能保證模擬訓練系統(tǒng)與實際的監(jiān)控系統(tǒng)高度一致。

4) 網(wǎng)絡設計。模擬訓練系統(tǒng)雖然利用的是推進監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡硬件資源,但在通信協(xié)議方面采用了虛擬的網(wǎng)絡節(jié)點與其進行隔離和區(qū)分,在航行模式下能自動屏蔽訓練模式下的數(shù)據(jù)。

5) 精度和實時性要求。受計算機算力和操作系統(tǒng)資源調(diào)用的不可預知性等因素影響,考慮實時性和訓練效果的要求,力求仿真模擬科學準確,對仿真系統(tǒng)進行優(yōu)化,使其滿足一定的精度要求,運行結(jié)果貼近實船航行情況,具有較高的仿真訓練置信度。

3.2 具體實現(xiàn)

該實船訓練系統(tǒng)基于某型船原有的推進監(jiān)控系統(tǒng)配置,未增加新的硬件設備,通過軟件開發(fā)實現(xiàn)推進監(jiān)控和模擬訓練雙重功能。采用這種嵌入方式能大大提升監(jiān)控系統(tǒng)的資源利用率,節(jié)省設備采購成本和艙室空間。在船舶航行時,監(jiān)控系統(tǒng)服務于航行模式;在船舶停航時,可根據(jù)需求組織船員進行模擬訓練,監(jiān)控系統(tǒng)服務于訓練模式。從圖1中可看出,在推進監(jiān)控系統(tǒng)中,遙控控制分系統(tǒng)、監(jiān)測報警分系統(tǒng)和安全保護分系統(tǒng)分別通過各自的設備實現(xiàn)各自的功能,各分系統(tǒng)內(nèi)的設備通過雙冗余CAN總線組網(wǎng)形成一個獨立的系統(tǒng),各分系統(tǒng)通過各自的網(wǎng)關(guān)與平臺以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。模擬訓練系統(tǒng)也幾乎按原推進監(jiān)控系統(tǒng)的功能實現(xiàn)模擬訓練功能,集控室內(nèi)配備有3臺計算機(分別為計算機1、計算機2和計算機3),選用計算機3作為教練員操縱平臺,為其配置教練員綜合管理軟件,使其具有模型模擬仿真功能、數(shù)據(jù)監(jiān)控保存功能和模擬訓練管理功能等。

整個模擬訓練功能的實現(xiàn)流程如下:

1) 遙控控制系統(tǒng)接收到模擬訓練請求(按鍵),根據(jù)動力系統(tǒng)運行狀態(tài)綜合判斷是否滿足進入訓練模式的條件(主機停止運行);

2) 若滿足進入訓練模式的條件,則通過CAN總線廣播發(fā)送訓練指令,各設備收到訓練指令之后進入訓練模式,并運行模擬訓練程序;

3) 若不滿足進入訓練模式的條件,則通過CAN總線廣播航行模式指令,所有設備運行航行模式程序。

系統(tǒng)總體運行流程見圖2;控制分系統(tǒng)運行流程見圖3;安全保護分系統(tǒng)運行流程見圖4;監(jiān)測報警分系統(tǒng)運行流程見圖5;計算機1和計算機2運行流程見圖6;計算機3運行流程見圖7。

圖2 系統(tǒng)總體運行流程

圖3 控制分系統(tǒng)運行流程

圖4 安全保護分系統(tǒng)運行流程

圖5 監(jiān)測報警分系統(tǒng)運行流程

圖6 計算機1和計算機2運行流程

圖7 計算機3運行流程

3.3 關(guān)鍵技術(shù)運用

3.3.1 虛擬現(xiàn)實與建模仿真技術(shù)

通過將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與建模仿真技術(shù)相結(jié)合,利用虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)逼真的動態(tài)圖,準確反映設備的運行狀態(tài),利用仿真軟件建立設備運行的數(shù)學模型,模擬設備在各種工況下的運行狀態(tài)。將兩者有機結(jié)合,創(chuàng)建一個能給用戶一種身臨其境的沉浸感,具有較強的人機交互能力,能營造使用戶從構(gòu)思中得到啟發(fā)的信息環(huán)境,從而提升在船培訓效果的模擬訓練系統(tǒng)。

3.3.2 嵌入式融合技術(shù)

模擬訓練系統(tǒng)根據(jù)實船監(jiān)控系統(tǒng)的框架設計,能解決系統(tǒng)在嵌入方式、信號切入方式和模型模擬范圍等方面存在的問題,保證系統(tǒng)在安全性、設備運行可靠性和模擬訓練效果等方面的需求得到滿足。通過采用虛擬網(wǎng)絡節(jié)點通信,遵循原系統(tǒng)的通信協(xié)議,采取網(wǎng)絡容錯保護機制,保證仿真信號不干擾監(jiān)控層信號;同時,將控制器輸出的對外部設備產(chǎn)生控制效果的通道關(guān)閉,保障被控設備的安全。仿真信號從控制器底層以網(wǎng)絡的方式切入,各操作部位的人機界面均能實現(xiàn)與航行模式相同的操作顯示效果,模擬訓練的逼真度較高[7]。

3.3.3 智能評估技術(shù)

目前我國的艦員模擬訓練在學時和學習效果方面還沒有統(tǒng)一的綜合評估方法。因此,可根據(jù)綜合模擬訓練系統(tǒng),基于仿真訓練情況設計智能化的課程配置和綜合評估方法,根據(jù)考核評估機制可分為綜合評估方法和智能評估方法2類。綜合評估方法是利用計算機程序?qū)崿F(xiàn)綜合評價,并在模擬訓練系統(tǒng)中增加相應的實操評估功能;智能評估方法是將人工智能理論和方法應用于輪機實操評估中,發(fā)揮專家系統(tǒng)在知識推理方面的優(yōu)勢和遺傳算法在智能優(yōu)化方面的優(yōu)勢,彌補綜合評估方法存在的不足,得到智能化的綜合評估方法。智能評價的一般步驟[8]主要包括:確定評價目的;建立指標體系;處理評價數(shù)據(jù);選擇合適的智能評價方法和模型;對評價過程和評價結(jié)果進行評估和檢驗。

4 系統(tǒng)的主要功能

4.1 航行模擬訓練功能

當系統(tǒng)在訓練模式下運行時,教練機中的模型運行,模擬主機、齒輪箱、軸系和調(diào)距槳等設備的運行情況,船員可在駕駛室、集控室和機艙等操作部位發(fā)出各種操作指令,模擬船舶航行時的操船情況,從而達到推進設備實際不動作,而各人機界面的操作顯示與實際船舶航行情況基本一致的操縱訓練效果。

4.2 故障設置分析處理功能

除了模擬正常的船舶航行情況以外,教練機中還提供有大量參數(shù)設置界面,教練員可對安全保護分系統(tǒng)、監(jiān)測報警分系統(tǒng)和控制分系統(tǒng)等設置各類故障或限制,模擬船舶航行過程中可能出現(xiàn)的各類越限報警、斷線報警、聯(lián)鎖報警、限制報警、降速報警和停車報警等,考察船員對設備操縱的熟練程度和故障排除能力。

4.3 學員綜合評估管理功能

為更好地實現(xiàn)訓練功能,該模擬訓練系統(tǒng)還可根據(jù)船員的要求加載設備的操縱指導書和操縱視頻動畫等教材,對學員的信息進行管理,根據(jù)訓練情況和訓練水平推送及設置相應的課程和等級考試,并對學習效果和學習水平進行綜合評估。同時,該系統(tǒng)可對學員的學習情況進行實時記錄,并給出相應的評價和指導意見,歷史數(shù)據(jù)方便查詢管理。此外,該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)管理和應用功能,可將航行數(shù)據(jù)或模擬訓練數(shù)據(jù)導入到仿真模型中運行,既可用于進行教學指導和模擬訓練,又可在典型事件發(fā)生時使模型脫離原數(shù)據(jù)而自行接管運行,考察學員的分析和處理能力。

5 產(chǎn)品及應用前景

由上海船舶運輸科學研究所有限公司開發(fā)的基于硬件在環(huán)的模擬訓練系統(tǒng)樣機的試驗、軟件測評和項目結(jié)題評審工作均已完成,具備裝船條件,后續(xù)將根據(jù)船廠的要求裝船使用。樣機試驗結(jié)果表明,該模擬訓練系統(tǒng)設計合理,能模擬出與實際航行操作相似的工作環(huán)境,使受訓人員獲得與實際相符的心理和生理適應性,大幅提升訓練質(zhì)量,整體應用效果良好。

該模擬訓練系統(tǒng)是基于實船推進監(jiān)控系統(tǒng)設計的,未增加新的硬件設備,通過合理的嵌入方式和軟件開發(fā)實現(xiàn)各項功能,在陸地上也能獨立運行,可根據(jù)需求作為陸上模擬訓練系統(tǒng),訓練功能與在船上基本一樣,大大擴展了系統(tǒng)的應用范圍。此外,該模擬訓練系統(tǒng)設計方案可為其他新船型設計和舊船升級改造提供模擬訓練系統(tǒng)嵌入方面的參考。

6 結(jié) 語

本文所述模擬訓練系統(tǒng)的嵌入功能主要通過軟件開發(fā)實現(xiàn)。下層監(jiān)控模塊的軟件在原軟件的基礎上增加了模擬訓練任務的處理流程,修改工作量較小;教練員操縱平臺的軟件開發(fā)工作量相對較大,需開發(fā)仿真模型和教練員平臺綜合管理評估系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)在評估技術(shù)和智能控制技術(shù)等方面還有提升空間,后續(xù)可在使用過程中根據(jù)需求不斷進行升級改造,通過對監(jiān)控系統(tǒng)模擬訓練技術(shù)進行改進,并將其拓展到其他類似或關(guān)聯(lián)設備中,得到功能更加完善、全面的模擬訓練系統(tǒng)。