船舶電力系統(tǒng)模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

摘要：根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的設(shè)備特性、結(jié)構(gòu)和操作，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)船舶電力系統(tǒng)的分析，給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案，對(duì)教學(xué)系統(tǒng)的功能組成、軟件設(shè)計(jì)以及解決的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析和研究。實(shí)際使用表明，模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)使學(xué)生通過(guò)點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)就可以對(duì)船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行操作、訓(xùn)練，可用于船舶電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)仿真；模擬訓(xùn)練

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.2#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文章編號(hào)：1007-0079（2014）18-0051-02

由于船舶電力系統(tǒng)規(guī)模較大、復(fù)雜度較高，其運(yùn)行操作對(duì)操作人員的技術(shù)水平、業(yè)務(wù)熟練程度等提出了很高的要求。如何提高船舶電力系統(tǒng)各個(gè)崗位人員的操作正確率和熟練度成為一個(gè)重要課題。如果使用實(shí)裝系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，會(huì)受到訓(xùn)練時(shí)間、訓(xùn)練地點(diǎn)等方面的限制，很難對(duì)船員進(jìn)行全面的操作訓(xùn)練，特別是如何對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行處理的訓(xùn)練非常困難，而且會(huì)造成一定的設(shè)備損耗，因此如果對(duì)學(xué)生進(jìn)行船舶電力系統(tǒng)操作訓(xùn)練也是海軍工程大學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。

本文借助計(jì)算機(jī)軟件，即用計(jì)算機(jī)軟件描繪出裝備的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及操作平臺(tái)，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬船舶電力系統(tǒng)模型，使學(xué)生通過(guò)點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)就可以實(shí)現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練學(xué)習(xí)。

一、船舶電力系統(tǒng)模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)功能分析

船舶電力系統(tǒng)模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)需要模擬電力系統(tǒng)與船舶其他分系統(tǒng)之間交換必要的信息，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互通、互操作，使學(xué)生在與實(shí)艇外觀功能一致的裝備上訓(xùn)練，學(xué)習(xí)各項(xiàng)操作和故障處理方法。因此，系統(tǒng)需要從總線上獲取數(shù)據(jù)，具體包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理（訓(xùn)練題庫(kù)、工況庫(kù)）、訓(xùn)練課程管理（訓(xùn)練場(chǎng)景、工況參數(shù)設(shè)置）、訓(xùn)練過(guò)程管理（訓(xùn)練模式設(shè)置、學(xué)生名單設(shè)置、故障設(shè)置、訓(xùn)練過(guò)程觀測(cè)）、評(píng)估與打分歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)分析（訓(xùn)練評(píng)估、建議）等，同時(shí)運(yùn)行一些必要的控制指令以達(dá)到全船訓(xùn)練的目的，這種模擬訓(xùn)練是在實(shí)時(shí)、逼真的仿真環(huán)境下進(jìn)行的，其主要功能組成如圖1、圖2所示。

第一，手動(dòng)方式時(shí)，模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)訓(xùn)練學(xué)生除了應(yīng)對(duì)機(jī)組緊急停機(jī)故障進(jìn)行保護(hù)，完成電站運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、顯示、故障報(bào)警和網(wǎng)絡(luò)通訊，不參與控制和管理；還訓(xùn)練學(xué)生對(duì)于機(jī)組的啟、停機(jī)、加速、減速及合閘、分?jǐn)嗟葎?dòng)作的完成。

第二，半自動(dòng)方式時(shí)，整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行，整個(gè)電站的運(yùn)行，既處于學(xué)生的管理控制下，又可以自動(dòng)完成相關(guān)控制功能，達(dá)到一種人工管理與自動(dòng)控制的有機(jī)結(jié)合；此時(shí)，手動(dòng)方式下的電力系統(tǒng)功能均有效，此外還需要訓(xùn)練學(xué)生對(duì)機(jī)組（停機(jī)）故障進(jìn)行保護(hù)和分級(jí)卸載功能；機(jī)組的啟動(dòng)、停機(jī)、加速、減速和發(fā)電機(jī)斷路器合閘/并車(chē)、分?jǐn)?、跨接斷路器的合閘、分?jǐn)唷⒉④?chē)以及調(diào)頻調(diào)載等功能通過(guò)操作按鈕進(jìn)行操作。

第三，自動(dòng)方式時(shí)，電力網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)控系統(tǒng)控制和管理下始終處于全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；此時(shí)，半自動(dòng)方式下的電力監(jiān)控分系統(tǒng)功能均有效，監(jiān)控系統(tǒng)除了進(jìn)行電站運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、顯示、故障報(bào)警和網(wǎng)絡(luò)通訊以及對(duì)機(jī)組實(shí)施故障保護(hù)外，還將實(shí)現(xiàn)如下主要控制功能：電網(wǎng)失電自啟動(dòng)、跨接斷路器合閘/并車(chē)、跨接斷路器分?jǐn)?、分?jí)卸載、自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載、自動(dòng)增/減機(jī)、故障換機(jī)等功能。

模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)目的在于訓(xùn)練學(xué)生熟練掌握對(duì)船舶電力系統(tǒng)基本操作，以機(jī)組啟動(dòng)為例，要求學(xué)生熟悉機(jī)組啟動(dòng)的基本過(guò)程，以及對(duì)啟動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障的應(yīng)對(duì)，因此教學(xué)系統(tǒng)定義“機(jī)組啟動(dòng)”的功能是：當(dāng)按下“啟動(dòng)”按鈕時(shí)，系統(tǒng)首先檢測(cè)該機(jī)組有無(wú)相關(guān)故障，其次檢測(cè)該機(jī)組是否為“備車(chē)完畢”狀態(tài)，最后檢測(cè)相應(yīng)機(jī)旁控制箱操作部位轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是否為“遙控”位置。當(dāng)以上條件全部滿(mǎn)足后，系統(tǒng)向該機(jī)組發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，待機(jī)組啟動(dòng)成功后收回該啟動(dòng)指令；若發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)后機(jī)組三次啟動(dòng)均未成功，系統(tǒng)收回啟動(dòng)指令并發(fā)出“啟動(dòng)失敗”的聲光報(bào)警。機(jī)組啟動(dòng)的流程圖見(jiàn)圖3所示。

二、船舶電力系統(tǒng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)的功能分析，為了能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行仿真模型，實(shí)現(xiàn)在線訓(xùn)練系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件主要分為應(yīng)用層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)庫(kù)層。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源和受控對(duì)象均為仿真模型，仿真模型與真實(shí)系統(tǒng)的各種監(jiān)控設(shè)備之間從數(shù)據(jù)鏈路層上是相互獨(dú)立的。

模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)需要首先建立船舶各種設(shè)備的數(shù)學(xué)模型。由于教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源和受控對(duì)象均為仿真服務(wù)器提供的仿真模型，為了能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行仿真模型，實(shí)現(xiàn)在線訓(xùn)練，首先模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)需要具備完成模型計(jì)算任務(wù)的仿真服務(wù)器，負(fù)責(zé)訓(xùn)練過(guò)程所有模型的計(jì)算工作。訓(xùn)練人員的操作終端則直接采用平臺(tái)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)，將訓(xùn)練系統(tǒng)軟件嵌入到PC機(jī)的監(jiān)控軟件中。另外教學(xué)系統(tǒng)還需要設(shè)置教練工作站，供教練設(shè)置訓(xùn)練任務(wù)，監(jiān)視訓(xùn)練過(guò)程使用。

三、關(guān)鍵問(wèn)題的解決

第一，教學(xué)系統(tǒng)中針對(duì)實(shí)際船舶各種設(shè)備的建模研究，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，基于分布式系統(tǒng)的模型運(yùn)行的實(shí)時(shí)性是教學(xué)系統(tǒng)建模技術(shù)中最為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)。主要原因在于，由于船舶電力系統(tǒng)的復(fù)雜性非常高，導(dǎo)致其仿真模型的復(fù)雜性也非常高，因此其仿真模型所需的計(jì)算資源極其龐大，普通的計(jì)算機(jī)計(jì)算模型時(shí)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，于是仿真模型模擬某一場(chǎng)景的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際設(shè)備在某一場(chǎng)景下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，這將無(wú)法滿(mǎn)足模擬訓(xùn)練對(duì)仿真模型的實(shí)時(shí)性要求。為了解決這一問(wèn)題，教學(xué)系統(tǒng)在硬件上采用了多內(nèi)核的CPU組成的仿真服務(wù)器，通過(guò)多核硬件環(huán)境下仿真模型的并行計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了分布式環(huán)境下的實(shí)時(shí)調(diào)度算法和實(shí)時(shí)通信協(xié)議。

第二，模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)容以及訓(xùn)練有效性的研究。船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其包含多臺(tái)發(fā)電機(jī)組、配電板、斷路器及負(fù)載等設(shè)備，教學(xué)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)上述設(shè)備的分析研究，能夠正確顯示系統(tǒng)的控制狀態(tài)、各機(jī)組、斷路器、負(fù)載以及各配電板的位置關(guān)系、機(jī)組狀態(tài)、斷路器狀態(tài)以及負(fù)載接入狀態(tài)等。

第三，模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)評(píng)估方法。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)教學(xué)系統(tǒng)的各項(xiàng)模擬訓(xùn)練操作，系統(tǒng)綜合模擬訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一套有效的模擬訓(xùn)練評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)，能夠?qū)W(xué)生的訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行有效評(píng)估，以便于進(jìn)一步指導(dǎo)訓(xùn)練。

四、教學(xué)效果

在虛擬訓(xùn)練閉環(huán)中， 設(shè)備作為抽象實(shí)體存在于信息空間， 學(xué)生更易于接受；學(xué)生是虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的宿主， 通過(guò)虛擬裝備的各項(xiàng)參數(shù)及各種外在表現(xiàn)認(rèn)識(shí)設(shè)備特征。教學(xué)系統(tǒng)使學(xué)生在訓(xùn)練時(shí)能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行仿真模型，模擬真實(shí)設(shè)備的各種特性和行為，了解并掌握實(shí)際設(shè)備的操作使用、指揮、維修等技術(shù)與技能，其操作界面與實(shí)際船舶操作完全一致，使學(xué)生有身臨其境的感覺(jué)。

五、小結(jié)

模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，根據(jù)船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建實(shí)船各種設(shè)備的數(shù)學(xué)模型并實(shí)時(shí)運(yùn)行仿真模型，將模擬真實(shí)設(shè)備的各種特性和行為在虛擬系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)演示、操作訓(xùn)練，是一種非常有效的訓(xùn)練方式，因此在國(guó)內(nèi)外各種艦載模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中被廣泛采用。

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（責(zé)任編輯：王意琴）