潛艇動力平臺訓練仿真系統總體設計與實踐

曾凡明 陳于濤 胡錦暉

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢 430033

0 引 言

隨著艦船裝備技術的發展，艦（潛）艇動力平臺集成了越來越多的設備和子系統，其自動化程度越來越高，操作管理的復雜性和難度不斷增加。平臺系統只有通過訓練有素的人員的正確使用，才能發揮出應有的作戰效能。然而，高水平的使用管理人員需要一個較長的持續訓練過程，由于艦艇使用管理人員具有定期的流動性，因此，如何保持和提高人員的訓練質量和訓練水平，是一個迫切需要解決的重要問題［1-2］。在這些需求的帶動下，采用計算機仿真技術進行艦艇動力平臺系統的操縱訓練，逐漸成為人們的共識，并受到世界各國海軍的重視。

1 訓練仿真系統研究概況

目前，各國海軍使用的訓練方式及手段主要有：岸基訓練（Shore Based Trainer，簡稱 SBT），或稱作陸基訓練（Land Based Trainer，簡稱LBT）；實船訓練系統（On-Board Training System，簡稱OBTS）；最終的實船海上訓練［3-6］。

實船海上訓練效果好，作用不可替代，但在訓練組織、航行保障等方面需要大量的準備工作以及后勤支持，人力、物力消耗較大，同時受環境因素的影響也較大，而且也無法模擬一些復雜的情景，如復雜報警顯示、設備與系統的嚴重故障等。因此，作為海上訓練的有益補充，發展了許多輔助訓練的技術手段。

仿真系統訓練是應用效果較好的一種訓練方式，它可用于過程訓練、維護訓練以及管理訓練，此外，仿真系統還可用于平臺系統的設計與開發研究。仿真系統訓練的優點在于：可以在訓練真實性與訓練耗費之間取得一個折中點，在保證足夠的訓練真實性條件下大大降低訓練耗費；可以提高訓練的復雜性、自由度以及安全性，加強了訓練的價值；可以通過教練臺操作記錄對訓練效果進行評估。

訓練仿真系統可以分為兩大類：岸基訓練仿真系統和實船嵌入式訓練仿真系統。

岸基訓練仿真系統（SBTS）是發展最完善的訓練手段之一。例如，英國海軍在20世紀70～80年代為其主要的驅護艦型都建立了相應的岸基訓練仿真系統，為每一種艦型都提供了仿真訓練環境，但其主要問題就是初建費用與維護費用較高。為解決這一問題，采用的主要方法有：擴大模型的仿真范圍，將控制系統也納入仿真；在一套通用模擬器中存入多種艦型的仿真模型，提高訓練仿真系統的通用性等。

實船訓練仿真（On-Board Training Simulation）技術［7］集成了岸基模擬訓練系統與海上艦船實踐環境兩者的優點，通過運用仿真技術，使艦船實際裝備同時具備模擬訓練功能，為使用管理人員提供了一個基于實裝的綜合訓練環境。實船訓練系統（OBTS）即由此發展而來。

在艦船動力平臺訓練仿真系統的研發方面，國外比較著名的岸基訓練仿真系統生產廠家及產品有：挪威KMSS公司的PPT2000系列輪機訓練仿真系統；英國Transas公司的ERS2000、ERS3000、ERS Solo等系列輪機訓練仿真系統；德國STN公司的SES4000系列輪機訓練仿真系統；德國Rheinmetall Defense公司于2009年推出其最新的212A型潛艇模擬器［8］；英國雷迪風公司為英國皇家海軍研制了以“特拉法爾加”級攻擊核潛艇為訓練對象的潛艇操縱訓練設備［9］；美國海軍三叉戟海軍訓練基地配備了各型主要潛艇的訓練模擬器。要特別指出的是，在各船舶自動化公司的集成平臺管理系統（IPMS）產品中，一般都集成了以實船人機界面為訓練接口的實船訓練系統（OBTS）。比較著名的生產廠家有L-3 MAPPS，SIEMENS，ALSTON，ABB等。不論是岸基輪機訓練仿真系統還是實船訓練系統，其核心內容都是動力裝置系統的實時性能仿真。

國內具有代表性的岸基輪機訓練仿真系統研制單位和產品有：大連海事大學的新型輪機模擬器系統DMS-2000，DMS-2005及DMS-2010；上海海事大學的SMSC-2000，SMSC-2006；武漢理工大學的WMS2000等；海軍工程大學以軍用艦艇為對象，研制出了多型訓練仿真系統并投入使用。在實船訓練系統（OBTS）方面，我國的研究與開發剛剛起步，還沒有成功應用的例子。

2 訓練仿真系統總體設計

在艦船動力平臺訓練仿真系統的總體設計中，需要解決的主要問題有：

1）訓練仿真系統功能設計；

2）訓練仿真系統體系結構設計；

3）訓練仿真系統模塊化模型庫設計。

2.1 系統功能設計

在訓練仿真系統的設計過程中，首先需要確定仿真系統的功能需求，然后選擇相應的系統體系結構，包括仿真范圍以及軟、硬件組成等。

訓練仿真系統的功能包括基本功能和擴展功能兩個層次：基本功能主要面向初級使用管理人員，包括操作訓練、應急處理、控制流程訓練和管理過程優化；擴展功能主要面向高級使用管理人員，包括裝備保障、裝備維修、控制參數和控制策略優化等方面。在系統設計的第一階段，需要根據系統的訓練需求來確定系統應具備的功能，然后設計相應的系統體系結構。

2.2 系統體系結構設計

從構成上看，艦船動力裝置及其監控系統主要包含3個層次的內容：

1）人機界面層：包括各控制臺硬件和計算機人機界面。以計算機計算和顯示終端為核心的多功能操作站是動力系統控制臺硬件的發展趨勢。

2）傳感器、控制器層：包括各種溫度、壓力、位移等傳感器網絡和實現各種控制功能的控制器網絡。

3）裝置對象層，包括主機、推進軸系、傳動裝置、推進器等推進系統部件及相關的動力輔助系統。

相應地，推進裝置訓練仿真系統的構成也主要包含3個層次，分別實現對動力裝置系統3個層次的模擬與仿真，以及對整個系統的運行管理。其中，動力裝置實時性能仿真是整個訓練仿真系統的核心層次。

傳感器、控制器層通常可以采用3種實現形式：全范圍仿真、全激勵仿真和部分激勵仿真。

全范圍仿真是使用最多的仿真方式，其采用軟、硬件替代的方法，仿真動力裝置系統的傳感器、控制器層。控制系統硬件采用COST硬件替代的方式，控制軟件按照控制系統的外部可見功能重新開發，將所有的控制功能統一集中在仿真支撐軟件中。

全激勵式仿真是分散式仿真的一種，該方式是保留原有的分散控制系統軟件和硬件。激勵方式涉及激勵系統至仿真計算機的接口，兩個計算機系統之間的硬件接口可由高速并行數據接口、高速異步接口、通路或定做的接口實現。但兩臺計算機之間的通信及同步軟件必須由用戶提供。此外，激勵軟件須加以修改以適應仿真機凍結/運行、快/慢速、回退/重演、初始條件裝/存等運行方式。激勵方式保留了分散控制系統的全部功能，可以在仿真機上方便地進行控制算法分析研究及改進工作，激勵軟件和硬件能很容易做到與實際監控系統始終保持一致，監控系統備用硬件可用于仿真機。

部分激勵方式是在全激勵方式上發展出來的一種新型仿真方式，采用實際控制系統的軟件和硬件復制人機界面，其實際功能（如控制回路）由仿真計算機實現。部分激勵方式結合了仿真和激勵兩種方式的優點，容易適應仿真機的運行方式，具有很高的逼真度，其軟、硬件維護費用最低。

人機界面層可以有3種實現形式，即硬件模擬人機界面、軟件模擬人機界面，以及實裝人機界面。其中硬件模擬人機界面是最常見的形式，其采用硬件替代的方法進行外形和功能模擬，既降低了開發成本，同時又保留了足夠的操作沉浸感和真實感。為了增加單次訓練人員的數量和開發時間，縮減系統規模，可以采用軟件模擬人機界面，即將實裝控制盤臺人機界面以計算機虛擬界面的形式替代。為了使仿真訓練系統具備一定的實裝教學和保障功能，可采用實裝人機界面的形式，采用與實際控制臺完全一致的軟、硬件和數據接口，可以對實裝人機界面的特性和裝備保障進行深入研究。

在動力平臺訓練仿真系統體系結構的設計中，要充分考慮系統需要實現的功能范圍，選擇各個系統層次的實現方式，最終確定整個訓練仿真系統的整體體系結構。

2.3 實時性能仿真要求與模型庫設計

2.3.1 實時性能仿真要求

動力裝置性能仿真系統運行的實時性要求主要體現在4個方面：

1）仿真模型的實時性（妥善處理模型復雜性與計算快速性之間的矛盾）；

2）仿真計算的實時性（計算機硬件資源CPU、內存的合理分配與使用，即操作系統的實時性、算法的實時快速性、仿真代碼的編寫質量等）；

3）通信的實時性（軟件之間、硬件之間、軟硬件接口之間的實時通信）；

4）計算機硬件的計算能力。

實時性能仿真必須從實際系統仿真模型建立時就開始考慮其模型精度和計算實時性的需求。實時仿真程序的運行時間取決于：源代碼、編譯器、計算機的體系結構和操作系統4個方面的共同作用。影響系統實時性的主要因素有兩個：一是仿真模型過于復雜以至于計算機系統不能在給定的采樣時間內完成仿真計算；二是由于操作系統對計算機資源的調用存在不可預知性，出現程序運行過慢甚至被阻塞，以至于不能滿足時限要求。

因此，在開發實時性能仿真系統時，要充分考慮這兩方面的約束：提高模型的代碼效率，將模型復雜性限制在可以接受的范圍內，并采用一種將操作系統有疑問的特性應用到最小的應用程序軟件體系，以達到對計算資源充分的可預知性。

2.3.2 模型庫設計

建立成熟的模型庫是實現模型重用，降低開發風險與耗費的較好方法［10-13］。

動力裝置的建模與仿真過程實際上是根據應用需要，確定合適的模型深度和建模體系。由于裝置本身的復雜性，在確定模型體系時，可以采用系統分解的分析方法，構成具有模塊化結構的系統數學模型。根據動力裝置的結構特點，采用面向對象的模塊劃分方法，按照物理設備或部件逐層分解、劃分模塊。每個模塊包含輸入變量、輸出變量、模塊系數和故障系數，當模塊需要修改時，只需修改它的系數，整體模型通過不同模塊的組合搭建，可以快速調整。

3 訓練仿真系統總體設計實例

圖1所示為一種采用電力推進方式的潛艇動力平臺系統典型的構成形式：包括柴油發電機組、推進電機、蓄電池組、推進軸系、螺旋槳、輔助機械以及其它輔助控制系統等。其中，推進電機分為主推進電機、經航推進電機和輔推電機等；輔助機械包括各類油泵、水泵、通風機、液壓機構及空氣壓縮機等；輔助控制系統則包含潛艇操縱系統和全艇集中控制系統等。

圖1 潛艇動力平臺系統典型構成Fig.1 Typical components of submarine power system

3.1 動力平臺仿真系統總體結構設計

根據圖1所示動力系統的構成特點，建立如圖2所示的訓練仿真系統總體結構：仿真平臺總體上采用半物理仿真的方法，即動力系統中各組成部分的操控臺、操作開關、按鈕、儀表和指示燈等元器件與實船部件基本相同，操作方法完全相同，各被控對象包括柴油發電機組、蓄電池組、主推進電機、經航電機、輔推電機及輔助機械等，采用計算機仿真模型進行模擬。整個仿真系統的硬件上包括動力操控臺系統（人機界面）、計算機仿真系統、網絡及接口系統，以及艙室環境仿真系統等。通信網絡是整個系統的基礎，所有的終端和人機界面軟、硬件都連接到該網絡上，整個系統具有分布式的結構，每個節點可以共享信息和數據，被設計成開放式的網絡，可以通過標準通信協議連接實際設備。可編程邏輯控制器（PLC）接口系統主要有兩個作用：一是對模擬控制臺信號的采集和驅動，一些簡單的邏輯可通過梯形圖的形式寫入PLC中以保證操作響應的實時性；二是連接實際的控制器，以作為實際控制器與仿真系統數據交互的接口。PLC終端的I/O數據通過以太網通信網絡集成到I/O服務器，其它服務器終端的I/O數據也同時集成到I/O服務器。如果所構建的仿真平臺還需要與其它仿真系統（如雷達、聲吶、通信、指揮控制及綜合導航等）進行聯網，以實現與更大規模的仿真系統的互聯互通，就需設計動力系統仿真平臺的HLA接口系統，以使之成為HLA總線上的一個成員。

圖2 訓練仿真系統總體結構Fig.2 System structure of training simulation system

3.2 軟件系統設計

軟件系統分為3個層次：下層數據層、中間核心層、上層教練層。軟件系統的總體原理結構框圖如圖3所示。

圖3 軟件系統原理框圖Fig.3 The principle diagram of software system

下層數據層包括分布式的下層組態王數據采集/驅動模塊和PLC模塊。其中PLC模塊負責采集和驅動硬件盤臺的信號；下層組態王用于與PLC直接通信，通過數據轉換的方式將各自對應PLC的信號轉換為標準以太網數據，并連接到核心層的公用以太網，與網上其它模塊進行通信。

中間核心層包括數據庫、上層組態王和Simu-Works仿真引擎。其中數據庫負責記錄所有的系統運行數據和人員操作數據，為教練臺的功能集成提供數據支撐。上層組態王是整個訓練仿真系統的中心，主要通過網絡管理整個平臺的運行：一方面，它通過以太網與下層組態王通信，將整個訓練仿真平臺的數據集成到一起；另一方面，它通過OPC的方式與SimuWorks仿真引擎交換數據，實現訓練仿真，此外，它還將運行數據通過網絡存入數據庫中。SimuWorks仿真引擎是訓練仿真系統的核心模塊，負責提供計算環境，加載性能計算模型，實現實時性能計算。

整個訓練仿真系統通過上層教練層實現人機交互和教練臺功能集成。上層教練層功能主要包括系統管理、訓練管理、訓練評分，以及機艙環境模擬。其中系統管理包括訓練仿真系統的用戶登錄和權限管理；訓練管理包括訓練工況設置、運行、凍結、回溯、重演、故障的投入與撤出等方面；訓練評分系統根據數據庫中存儲的運行數據和人員操作數據，按照訓練科目的具體要求對人員操作情況進行評價，打分的標準包括操作結果的正確性、操作順序的正確性及操作時間等因素。此外，為了在訓練過程中增加訓練的真實感，在訓練仿真系統中對機艙聲環境進行了模擬，包括對各種電機、柴油機、通風機、泵、閥門，以及進、排氣擋板等設備運行聲音的模擬。

在軟件系統設計中，動力系統的實時性能仿真是關鍵，必須重點考慮以下幾個方面的問題：

1）模塊化建模體系的構建

根據所研究動力系統的特點，可將整個系統劃分為眾多子系統，通過對子系統的分析，可將模塊分為兩部分：邏輯控制模塊化建模體系和被控對象模塊化建模體系。

邏輯控制模塊主要用于實現在動力系統的操作使用中存在的大量控制、自動保護及報警等邏輯過程的功能，如圖4所示。

圖4 控制系統結構Fig.4 Control system structure

被控對象模塊包括設備模塊及子系統模塊。由于動力系統本身的復雜性，在確定模型體系時，應進行合理的模塊化分解，在分解過程中應保證模塊間的物理獨立性和數學獨立性。

圖5與圖6所示分別為主推進系統及輔推進系統模塊化分解方案。根據建模需要，有些設備模塊還應繼續分解為若干相對簡單的部件或環節（圖7所示為根據柴油機的結構特點進行進一步模塊分解的實例），利用相應的理論知識分別建立各子系統或環節的數學模型，然后將相應的子模型進行綜合（圖8所示為艇體和螺旋槳模塊的綜合示例）。

圖5 主推進系統模塊化建模結構Fig.5 Modular structure for main propulsion system

圖6 輔推進系統模塊化建模結構Fig.6 Modular structure for auxiliary propulsion system

圖7 柴油機模塊分解Fig.7 Model decomposing of diesel engine

圖8 艇體模塊與螺旋槳模塊的綜合Fig.8 Integration of hull and propeller models

2）模型的精度與實時性

根據各子系統或子模塊在整個系統中的地位與作用不同，所需仿真模型的精度要求也不盡相同的特點，采用不同的建模方法，以保證在精度要求范圍內滿足仿真的快速性和有效性，使整體模型的計算實時性滿足應用要求。例如，對于柴油機，由于其結構復雜，可依據圖7所示進行進一步的模塊分解后分別建模；對于直流推進電機，可采用如圖9所示的框圖進行仿真計算；而對于輔助機械，在不同的工況下輔助設備的工作狀態各不相同，可采用的簡單的處理方法是在已知電網電壓的情況下，由輔機功率確定輔機耗電電流，將其并入總網路參與仿真計算。

圖9 直流推進電機仿真計算框圖Fig.9 Simulation diagram for DC propulsion motor

3.3 硬件接口系統設計

接口系統用于實現硬件臺屏元件與仿真計算機之間的信息交互。接口系統的設計通常可有兩種方案供選擇：

1）采用工業控制計算機以及相應的硬件接口。此種方案的優點是成本較低、選型方便快捷、開發調試方便。但由于這種接口系統依賴于WINDOWS操作系統運行，可靠性不高。

2）采用PLC作為接口。此種方案的優點是可靠性高、開發調試方便、易于維護，但成本稍高。最新推出的PLC可以連接以太網模塊，便于構成接口系統網絡，如OMRON CJ系列PLC：具有以太網接口，采用模塊化結構，分為電源模塊、CPU模塊、以太網接口模塊、數字量輸出模塊、數字量輸入模塊、模擬量輸出模塊、模擬量輸入模塊及脈沖輸入/輸出模塊等。接口系統結構設計如圖10所示。

圖10 采用PLC的接口系統結構Fig.10 Structure of the interface system

在動力平臺系統訓練仿真系統的開發過程中使用了并行工程的方法，每個部分獨立開發，聯合調試，縮短了研制周期，提高了效率。

4 結 語

在艦船推進裝置訓練仿真系統的設計中，需要確定的問題主要包括系統功能定位、總體結構設計、軟/硬件系統設計以及實時性能仿真模型庫的建立等。本文結合作者近年來研制訓練模擬器的經驗，通過實例研究，對上述關鍵技術問題進行了總結，以期為艦船平臺訓練仿真系統的設計與研究水平的提高奠定良好的基礎。

［1］程剛，倪何，曾濤，等.基于支撐平臺的船舶動力模擬訓練系統研制［J］.系統仿真學報，2009，21（23）：7460-7463.CHENG G，NI H，ZENG T，et al.Development of virtual training system for ship’s propulsion plant based on simulation support software［J］.Journal of System Simulation，2009，21（23）：7460-7463.

［2］王曉雯.集散控制手自動操作站的仿真［J］.電力學報，2007，22（3）：356-358.WANG X W.The imitation of manual acting and automatic operation station with concentrated and dispersive controlling［J］.Journal of Electric Power，2007，22（3）：356-358.

［3］FONG K Q，HODHOD A，SAKAMOTO D，et al.Integrated machinery control system operator training tools for the Canadian Navy［C］//11th Ship Control Systems Symposium.Southampton，UK，1997：357-371.

［4］ROZMYSLOWSKI J，KUCHARZEWSKI H G，BURG J.Simulation programmes for computer based training frigate 124（SIM/CBT F124）［C］//The Sixth International Naval Engineering Conference and Exhibition.UK，2002：295-304.

［5］CORNATON F.Training simulator for la Fayette class frigate［C］//11th Ship Control System Symposium.Southampton，UK，1997：403-416.

［6］SMIERZCHALSKIR.Simulation system for marine engine control room［C］//International Biennial Baltic Electronics Conference. Tallinn，Estonia，2008：978-983.

［7］COOLEY J.Shipboard equipment turns into trainers with simulation technology［EB/OL］.（2007-08-03）［2008-09-05］.http：//www.Tsjonline.com/Simulating stuff.htm.

［8］Training and simulation systems-command teamtrainers AWU 206［EB/OL］.（2009-05-21）［2010-06-15］.http：//www.eisc.com.cn/webdata/data.asp？ nRecno=55112&recno=8002&kw=［Radar］.

［9］劉亮顯.英國海軍的模擬訓練平臺［J］.現代軍事，2008，11（6）：56-59.LIU L X.Navy training simulated platform in UK［J］.Modern Military，2008，11（6）：56-59.

［10］KLUJ S.The modular architecture of the engine room simulator［C］//17th IASTED International Conference on Modeling and Simulation.Montreal，Canada，2006：348-353.

［11］APSLEY J，GONZALEZ A，BARNES M，et al.Propulsion drive models for full electric marine propulsion systems［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2009，45（2）：676-684.

［12］CASTELLAN S，MENIS R，PIGANI M，et al.Modelling and simulation of electric propulsion systems for all-electric cruise liners［C］//Electric Ship Technologies Symposium.Arlington，VA，2007：60-64.

［13］陳虞濤，曾凡明，丁東東，等.相繼增壓柴油機推進裝置增壓系統特性研究［J］.海軍工程大學學報，2005，17（5）：100-103.CHEN Y T，ZENG F M，DING D D，et al.On characteristics of diesel propulsion plant with sequential turbocharging system［J］.Journal of Naval University of Engineering，2005，17（5）：100-103.