現(xiàn)代船舶輪機模擬器的應用與發(fā)展

，張均東

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

現(xiàn)代船舶輪機模擬器能夠為輪機工程專業(yè)的教學和培訓提供一個完整的模擬操作平臺。模擬器所包含的外部設備及其具有的燈光、聲響等效果可被設計成與母型船基本一致，系統(tǒng)及設備的操作方式、工作流程等也可以最大限度地與實船相接近，甚至某些方面會克服母型船固有的缺陷，實現(xiàn)一定程度的超越，因此輪機模擬器在使用過程中具有很強的真實交互感及臨場體驗特性。為了提高船舶機艙人員的自動化操作水平、增強其故障分析及處理突發(fā)事件的能力，相關國際公約、國內(nèi)法規(guī)以及各海事組織對航海類院校和船員培訓機構關于應用船舶輪機模擬器開展培訓進行了強制性規(guī)定，同時對輪機模擬器的自身功能也提出了規(guī)范性要求，這些規(guī)范同時也推進了輪機模擬器的發(fā)展以及在教學、培訓和適任評估中的應用。本文論述的內(nèi)容即在上述背景下引出并分析的。

一、船舶輪機模擬器的概念及研究目的

1.船舶輪機模擬器的概念及特點

船舶輪機模擬器是一種利用預建的數(shù)學模型模擬機艙設備實物及系統(tǒng)，通過計算機進行聯(lián)合計算，最終將計算結果以類實物的信息反饋形式通過多種媒介顯示在人機交互設備上的裝置。操作者通過“類機艙操作”的方式與其交互后所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)狀態(tài)，可以最大限度地再現(xiàn)真實機艙設備及系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)對操作者的專業(yè)技能訓練、評估、考核等工作。安全、節(jié)能、環(huán)保、實效是船舶輪機模擬器的最大優(yōu)點，當然這也是由“模擬器”的含義所決定的。

2.船舶輪機模擬器的評價標準

船舶輪機模擬器是一個龐大而復雜的系統(tǒng)，其與船舶駕駛、飛行器操縱、機車控制等模擬器的區(qū)別在于它并非主要借助視景效果(本體與視景的相對運動)，而是以內(nèi)部的數(shù)學邏輯關系為核心來達到模擬效果的再現(xiàn)。工作人員的操作依據(jù)或受饋方式是一個復雜的過程，它以系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)為主，同時以視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等綜合感受作為輔助。因此，衡量船舶輪機模擬器先進與否應該著重以其數(shù)學邏輯的表現(xiàn)是否最大限度地與實船運行狀態(tài)相一致為標準，而非一味地注重外在視覺元素的融入，雖然這會潤色模擬器的運行效果。

3.船舶輪機模擬器的分類

船舶輪機模擬器按照其內(nèi)容的表現(xiàn)形式可分為全任務式、協(xié)作分布式、單機式以及WEB式等不同類型，按照場景視覺效果又可分為二維、三維以及二/三維混合式，按照母型船的性質(zhì)又可分通用型、專用型、特種型；后兩種又可進一步劃分為VLCC型、集裝箱型、中壓型、電力推進型、內(nèi)河型等等，限于篇幅，不作贅述。

4.船舶輪機模擬器的研究目的及作用[1]

(1)專業(yè)認識教育。為了使新學員對所學專業(yè)有一個初步認識和理解，可以通過對輪機模擬器進行總體講解和示范性操作的方式，使受訓者初步了解船舶機艙的主要設備和系統(tǒng)，形成輪機管理概念，熟悉將來的工作環(huán)境并樹立專業(yè)理想。

(2)專業(yè)課輔助教學。對于即將走向工作崗位的學員，教師可在各專業(yè)課的理論教學過程中融入輪機模擬器的操作演示，實現(xiàn)對授課內(nèi)容的輔助講解，以提高學生對專業(yè)知識的掌握程度。筆者在進行輪機自動化的授課過程中經(jīng)常結合實驗室自主研發(fā)的DMS系列輪機模擬器對鍋爐蒸汽系統(tǒng)、主機遙控系統(tǒng)、檢測報警系統(tǒng)等關鍵性內(nèi)容進行單機版操作演示，獲得了事半功倍的效果。

(3)專項強化訓練。在學生上完專業(yè)理論課后及開展綜合訓練前針對某一特定的設備或系統(tǒng)開展強化訓練，目的在于把專業(yè)課中零散的理論知識有機地結合起來并應用于實際操作中。該訓練形式可在全任務操作模式下展開，使學生在盤臺等設備的操作過程中能夠獲得更加真實的操作體驗。

(4)崗前綜合訓練。為了培養(yǎng)和提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題以及正確應變等能力，該訓練一般在全任務模式下展開，訓練內(nèi)容包含了所有的機艙系統(tǒng)的操作，訓練過程中會伴隨著一定數(shù)量的故障及情景觸發(fā)事件。該種模式的訓練能夠最大限度地發(fā)揮輪機模擬器的作用，縮短學員的適崗時間。

二、國際公約和國內(nèi)法規(guī)關于輪機模擬器的規(guī)定

1.國際公約或規(guī)范對船舶模擬器功能上的要求

國際海事組織(IMO)于2010年1月召開了STW第41次會議，完成STCW修正案的起草(草案)，并于當年6月25日在菲律賓馬尼拉召開的《海員培訓、發(fā)證和值班標準國際公約》締約國外交大會上通過了該修正案(簡稱STCW公約馬尼拉修正案)。STCW公約馬尼拉修正案對STCW78/95進行了全面回顧和修訂，涉及的海員培訓、發(fā)證和值班標準均發(fā)生了較大變化。STCW公約馬尼拉修正案將于2012年1月1日生效。

STCW公約馬尼拉修正案在第一章總則中對輪機模擬器的使用和性能按照“強制性標準(A部分)”和“建議性標準和指導(B部分)”進行了劃分。強制性標準也叫“一般性能標準”，詳細列出要求各締約國為充分和完全地實施該公約所需保持的最低標準；“建議性標準和指導”為非強制性，屬于建議及引導性標準，會隨著時代的發(fā)展不斷地修正或轉(zhuǎn)為強制性標準范疇內(nèi)。上述標準分別從輪機模擬器的“用于培訓的一般性能標準”“用于適任評估的一般性能標準”“模擬器的培訓目標”“培訓程序”“評估程序”“教員和評估員的資格”等方面對輪機模擬器操作環(huán)境的可控性、物理真實水平、行為真實性、非正常狀況的仿真度等作出了詳細規(guī)定，要求輪機模擬器能夠模擬船上相關設備的操作，包括這種設備的性能局限性和可能產(chǎn)生的誤差、通信等，同時，還應具有足夠的仿真環(huán)境(如三維虛擬現(xiàn)實)，使受訓者達到培訓目標的預定水平。

為了準確地執(zhí)行STCW公約及標準，國內(nèi)外相關認證機構均對船舶輪機模擬的功能及形式進行了詳細的規(guī)范及等級劃分說明。以國外的認證機構DNV為例，其在Standard for Certification No.2.14：Maritime Simulator Systems中，針對不同船型的輪機模擬的等級由高到低劃分為A級(full mission)、B級(multi-task)、C級(limited task)和S級(special-tasks)，各級的認證標準及出發(fā)點均以STCW公約中的相關規(guī)定為依據(jù)和來源：A級要求模擬器具有全任務操作模式，且所具有的機艙系統(tǒng)及功能最全；B級則以具有多項任務交互能力的模擬器為認定對象；C級相對B級而言，模擬器的某些功能及任務存在一定的限制性或不完善性；S級則指具有單系統(tǒng)訓練功能的輪機模擬器，如船舶壓載水操作模擬器、船舶電站操作模擬器等。

2.國內(nèi)法規(guī)對輪機模擬器培訓的強制性規(guī)定

為了履行國際公約，保證船員培訓質(zhì)量，我國對模擬器在船員培訓與評估中的應用作了強制性規(guī)定。2009年頒布的《中華人民共和國船員培訓管理規(guī)則》規(guī)定，開展海船輪機員適任培訓的機構必須配備單機版輪機模擬器和全任務輪機模擬器。2009年頒布的《中華人民共和國海船船員適任評估大綱和規(guī)范》中進一步明確規(guī)定了輪機模擬器培訓的評估項目，規(guī)定3000 kW及以上船舶輪機長必須用輪機模擬器通過現(xiàn)場實操的形式對以下內(nèi)容進行評估[2]：(1)冷船啟動(3項)；(2)備車操作及定速航行(6項)；(3)應急操作(7項)；(4)設備及系統(tǒng)故障分析及排除(9項)。具體內(nèi)容參閱相關大綱和規(guī)范。

三、船舶輪機模擬器的發(fā)展現(xiàn)狀

早期的船舶輪機模擬器僅是一臺小型的由微機支撐的臺式訓練機。隨著計算機技術的發(fā)展，輪機模擬器不斷推陳出新，逐漸從單微機仿真系統(tǒng)發(fā)展成如今的多種結構形式、多種交互再現(xiàn)、多種體驗、多角色協(xié)作的大型專業(yè)模擬設備。

1.國外輪機模擬器的發(fā)展現(xiàn)狀

航海技術先進的國家自20世紀70年代就開始研究使用輪機模擬器，由于受到當時計算機技術的限制，對設備及系統(tǒng)數(shù)學模型的描述及對動態(tài)過程的分析、顯示等較為簡單。隨著計算機技術的發(fā)展，自20世紀90年代以來，新技術、新工藝被不斷應用于輪機模擬器中，較具有代表性的產(chǎn)品有挪威的KONSBERG公司和英國的TRANSAS公司所研制的輪機模擬器。KONSBERG公司的技術較為領先，其研發(fā)的產(chǎn)品以“通用型”模擬器為主，并在同行中率先研制出了變距槳輪機模擬器，該系列產(chǎn)品的特點是不指定具體的母型船、面板布置及功能設計以通用性為主，對機艙系統(tǒng)的模擬注重概念和示意，雖然這在很大程度上簡化了開發(fā)和維護成本，但某些系統(tǒng)過于抽象(如MC90-VLCC模擬器的壓載水系統(tǒng)只有3個壓載艙作為示意)也是其不足之處。英國TRANSAS公司的輪機模擬器主要以ERS系列為主，形式上分為群集式、全任務式和單機式，應用時可以針對這三種類型進行單獨配置，也可以結合起來使用。該公司率先引入虛擬現(xiàn)實技術并實現(xiàn)平臺間交互操作(系統(tǒng)界面效果可在二、三維間切換)，這是其產(chǎn)品的一個亮點，不足之處是專業(yè)方面的數(shù)學邏輯不夠完善，操作流程過于簡單化和游戲化。

2.我國輪機模擬器的發(fā)展現(xiàn)狀

我國輪機模擬器的研制工作雖然起步較晚，但研究起點高、發(fā)展快，目前已基本達到國際水平。國內(nèi)具有代表性的研制單位有大連海事大學、武漢理工大學和上海海事大學。大連海事大學研制的輪機模擬器以DMS系列為主，具有交互點最多、數(shù)學模型最全、功能最完善等特點。DMS系列模擬器的基本形式分為全任務型、單機型和協(xié)作型，母型船包括遠洋教學實習船、萬箱集裝箱船、VLCC、LNG船以及內(nèi)河船等多種船型。該系列模擬器的通信方式采用同類產(chǎn)品中速率最快、并發(fā)載容量最大的工業(yè)以太網(wǎng)通信，通過自主研發(fā)的通信板卡配合自擬定的變通道收發(fā)協(xié)議，能夠在系統(tǒng)運行時順利通過同時多人、多點、快速點擊的極端測試，保證了系統(tǒng)運行的實時性和穩(wěn)定性。武漢理工大學和上海海事大學同樣是國內(nèi)研發(fā)輪機模擬器較早的單位，其技術實力扎實，已開發(fā)出多種船型的輪機模擬器，通信方式均采用工業(yè)總線式收發(fā)，雖然二者在數(shù)學邏輯及盤臺外觀設計上各有側(cè)重，但整體上趨于一致。目前，這三家單位均已經(jīng)將虛擬現(xiàn)實技術引入輪機模擬器產(chǎn)品研發(fā)之中，雖然在聯(lián)合交互和實時渲染方面有待進一步完善，但與國際同類產(chǎn)品相比已趨于同步，甚至某些方面已經(jīng)有所領先，如大連海事大學的“漫游交互”“多點觸發(fā)”“管網(wǎng)建?！薄爸悄茉u估”等技術。

四、船舶輪機模擬器研發(fā)使用的最新理論和技術

1.虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術是近幾年來在計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術及傳感技術基礎上發(fā)展起來的一門交叉技術。該技術具有嵌入性、交互性、多感知性等特點。將虛擬現(xiàn)實技術引入輪機模擬器視景制作，通過三維虛擬漫游與場景設備的交互操作，能夠逼真地展現(xiàn)機艙實景效果，實現(xiàn)機艙設備及其運行狀態(tài)的立體化仿真模擬。[3]

2.微縮塑模技術

部分機艙系統(tǒng)和設備的運行狀態(tài)可采用等比縮小的實物模型，該類模型可以采用剖面結構、透視結構的等視圖方式輔之以一定的聲、光效果來展示設備的動態(tài)運行狀態(tài)?？梢杂脕硭苣５脑O備包括主機、發(fā)電機、空壓機、鍋爐、造水機、各類泵以及重要油/水管路等，從而能夠為操作者展現(xiàn)設備內(nèi)部的運行狀態(tài)。

3.無線通信技術

無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播信息的一種通信方式，該技術的引入能夠為輪機模擬器的布局方式帶來革命性變化，如真正意義上移動式終端、無線操控將成為現(xiàn)實，盤臺等設備的空間利用率將會顯著增強，布置會更加靈活。

4.先進的自動感測技術

自動感測就是在感應和測量過程中完全不需要或僅需要很少的人工干預的過程，該技術是自動化科學技術的一個重要分支，是一門綜合性技術。采用紅外、微波、雷達、聲音、激光等先進的自動感測技術實現(xiàn)模擬器中的某些特殊的功能，將提高系統(tǒng)的自動化及智能化水平，減少人為錯誤干擾和人為差錯，提高系統(tǒng)運行的效率。

5.分布式并行處理技術

隨著船舶輪機模擬器的功能、運行速度、仿真程度的不斷提高，設備及系統(tǒng)數(shù)學模型的不斷完善和細化，系統(tǒng)方程如非線性方程組、稀疏伴隨矩陣等愈加復雜，使系統(tǒng)核心處理器承受更大的計算負荷。針對該問題，最新的一種解決方案就是采用分布式并行處理技術將過于復雜的計算過程按系統(tǒng)或區(qū)域劃分給不同的分布式處理單元(DPU)，以實現(xiàn)在同一時鐘周期內(nèi)完成兩種或兩種以上的處理工作[3]，從而在很大程度上提高系統(tǒng)的運行速度。

五、船舶輪機模擬器在技術和功能上的發(fā)展方向

隨著船舶工業(yè)的不斷發(fā)展，輪機模擬器的研制將朝著網(wǎng)絡化、智能化、虛擬液晶化以及駕機合一的方向發(fā)展，虛擬設備和實物模型將更加緊密地結合并融入其中，借助網(wǎng)絡技術，遠程訓練與教學也指日可待，未來的輪機模擬器將更加先進、靈活和智能。

1.分布式集群協(xié)作模式

系統(tǒng)將采用分布式網(wǎng)絡結構，每個節(jié)點視為具有一定角色的、完全自治的工作站，每個站均裝配分布式處理單元(DPU)，擁有特殊的自然屬性和操作權限。系統(tǒng)運行時，節(jié)點操作人員的職能屬性與實船一致，因此每一項任務都需要多位操作人員共同協(xié)作來完成。

2.故障模擬與智能診斷

將故障因素的數(shù)學描述與反饋機制融入相關的數(shù)學模型和系統(tǒng)，使模擬器在運行過程中能夠更加真實地反映出故障的激活狀態(tài)。結合專家系統(tǒng)知識庫，利用智能診斷技術對模擬的故障現(xiàn)象進行診斷，通過對故障關聯(lián)信息的認知和積累，加強學生分析、解決、排除故障的能力。

3.多感知與情境再現(xiàn)

三維虛擬現(xiàn)實技術的引入可生成一個高度沉浸感和真實感的機艙環(huán)境[4]，同時借助紅外感應、激光及雷達探測、煙霧釋放、光影再現(xiàn)等技術，可以使人機交互的形式更加豐富和逼真，進而提高系統(tǒng)的感知效果和情境再現(xiàn)程度。

4.機艙資源管理

機艙資源管理屬于管理科學的范疇，科學而有效的管理能夠使輪機人員充分利用機艙的人力、物力資源，明確各自日常工作中的義務與責任，正確使用并維護機艙的各種設備，保持船舶的正常安全航行，減少和杜絕潛在的人為失誤，全面做好各種突發(fā)事件的有效應急措施[5]。STCW公約馬尼拉修正案中在第III章“輪機部”的規(guī)則中新增了“操作級：領導力和團隊工作技能的適用”和“管理級：領導力和管理技能的適用”，將機艙資源管理的知識和技能作為輪機部高級船員的強制性適任標準。借助輪機模擬器平臺圍繞機艙資源管理的培訓項目對船員承擔的相關任務進行訓練，規(guī)范操作流程，對提高船員的組織溝通能力、團隊協(xié)作意識具有重要作用。

5.遠程WEB化、多樣化及可擴展化發(fā)展趨勢

隨著教育形式的多樣化發(fā)展，輪機模擬器基于Internet的WEB化甚至WEB 3D化發(fā)展是一種必然趨勢[6]，該形式能夠很大程度上降低系統(tǒng)安裝及維護成本，提高系統(tǒng)利用率以及擴大系統(tǒng)的使用范圍。同時，輪機模擬器的功能將趨于多樣化，參數(shù)設置將更加靈活，可以利用輪機模擬器對實船系統(tǒng)的設計進行輔助驗證，以實現(xiàn)系統(tǒng)設計的可行性、節(jié)能性分析；另外，模擬器的擴展性和二次開發(fā)能力將得到進一步的增強，模擬器將有可能成為特定系統(tǒng)或設備的設計、測試平臺。

6.構建駕機合一的模擬訓練中心

與航海操縱模擬器進行聯(lián)合交互，構建駕機合一的綜合訓練平臺。實現(xiàn)該模式的技術其實早已成熟，只要雙方約定好通信形式，制定統(tǒng)一的通信協(xié)議，合理地規(guī)劃平臺間交互數(shù)據(jù)，實現(xiàn)起來并無技術障礙。目前其形成的主要的制約因素有兩點：一是大背景下駕機合一的需求及規(guī)范還沒有形成，其次是各部門間的體制存在較大差異。筆者相信，隨著社會的進步，在相關權威部門的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和部署下，駕機合一的綜合訓練模式必將成為現(xiàn)實。

[1] 曾青山, 李忠輝.WMS2000型輪機模擬器在航海教學中的應用與展望[J].航海教育研究，2002 (4): 61-63.

[2] 中華人民共和國海事局.中華人民共和國海船船員適任評估大綱和規(guī)范[M].大連：大連海事大學出版社，2009.

[3] 何治斌, 張均東, 林葉錦,等.國內(nèi)外輪機模擬器的發(fā)展及對比研究[J].造船技術，2007(1): 38-40.

[4] 曾 鴻, 張均東, 王海燕.三通道立體投影輪機模擬器視景仿真系統(tǒng)[J].大連海事大學學報，2007, 33(1): 39-42.

[5] 蔣德志, 趙曉玲.基于輪機模擬器的“機艙資源管理”研究與實踐[J].中國航海，2011, 34(1): 115-118.

[6] 李婷云, 陳躍坡, 楊國豪,等.基于Web3D的輪機模擬器網(wǎng)絡虛擬平臺實現(xiàn)[J].艦船電子工程，2009, 29(11): 115-118.