船舶操縱控制嵌入式訓練系統設計與實現

肖劍波+胡大斌+胡錦暉+王立偉

摘 要： 嵌入式仿真訓練系統將模擬訓練與實裝訓練相結合，利用仿真技術，將模擬訓練功能嵌入到真實武器平臺中，利用真實武器系統進行高逼真度的訓練，是改善訓練模式，提高訓練效能的有效途徑。介紹嵌入式訓練系統的原理及當前發展現狀；對船舶操縱控制系統模塊進行分析，提出了系統改造的總體方案，并就嵌入式訓練系統與實際操作之間的安全切換、嵌入式訓練系統建模技術、仿真評估及故障仿真等關鍵技術進行研究。通過嵌入式訓練功能加裝，可以提高裝備訓練能力，降低訓練成本，并為新研制裝備的嵌入式模擬訓練系統提供理論支持，具有非常重要的意義。

關鍵詞： 嵌入式訓練系統； 操縱控制； 建模； 評估； 故障仿真

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）20?0080?04

Design and implementation of embedded training system for ship maneuvering control

XIAO Jian?bo， HU Da?bin， HU Jin?hui， WANG Li?wei

（College of Power Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China）

Abstract： The Embedded training simulating system， which combines the simulation training and on?board training together， can get a high fidelity training environment by using real equipments. The Embedded training system can reduce the cost of training and improve the training efficiency. It is getting more and more popular nowadays. The principle and the development status of the embedded training system is introduced. The general scheme of the system improvement is proposed based on the analysis of modules of ship maneuvering control system. The key technologies of the embedded training system， such as safe switch between training mode and actual operation mode， system modeling， simulation evaluation and fault simulation， are studied. The embedded training function added to the system can not only improve the equipment training ability， but also reduce the training cost. The study can provide academic support to newly developing equipments.

Keywords： embedded training system； maneuvering control； modeling； evaluation； fault simulation

0 引 言

現有艦船機電系統的訓練，主要采用理論教學、模擬器操練、實際裝備冷態操練（冷操）、實際裝備運行中操練（熱操）等方式，其訓練效果和訓練損耗顯而易見。與上述訓練方式相比，嵌入式訓練系統，又稱為“實船訓練系統（On?Board Training System，OBTS）”，因能夠充分利用實際裝備上不易故障的監控系統人機界面、節省大量模擬訓練器材生產費用、“以實裝冷操所消耗的設備與能源，獲得實裝熱操的訓練效果”，而受到國內外廣泛的重視。

船舶操縱控制系統是借助操縱裝置改變或保持船舶速度、姿態、方向和深度的系統，在船舶生命力及作戰使命中占有極為重要的地位。在各種作戰背景和海洋環境下良好的操縱船舶，對于保證航行安全，充分發揮船舶的戰技術性能、占據有利陣位、發揮火力、打擊敵人以及提高經濟性，都具有非常重要的意義。

本文通過分析現有船舶操縱控制系統功能結構，提出一種基于現有裝備加裝嵌入式訓練功能的方案。并就嵌入式訓練模式與操縱控制模式之間的安全切換、嵌入式訓練系統建模技術、仿真評估及故障仿真等關鍵技術進行了研究。

1 嵌入式訓練系統內涵特征

嵌入式訓練是將訓練集成到裝備中，實質是在武器裝備中嵌入一種能力，這種能力使得操作人員能夠看到虛擬世界，并通過與武器裝備中子系統的交互實現訓練、任務演練、戰場可視化、效果測試和評估等功能。將訓練系統嵌入到實際裝備中，在真實的裝備環境下實施的訓練，可使受訓者獲得與實戰相符的心理與生理適應性，大幅提升訓練質量。

嵌入式訓練系統的基本構架如圖1所示。

圖1 嵌入式訓練系統的基本構架

美國訓練與條令司令部（TRADOC）在其條例350?70?XX中定義：嵌入式訓練是一種能依靠相關的操作系統開展訓練的能力，且支持單兵、全員及協同訓練應用。其包括允許通信及訓練用操作能力以及戰術使用和通過附加的或者嵌入式仿真實現系統操作控制的系統設計。主要可以分為以下三種方式[1?2]：

完全嵌入式（Fully Embedded）：嵌入式訓練系統完全嵌入到原型系統中；

附加嵌入式（Appended Embedded）：嵌入式訓練系統在需要時被安裝或附加到原型系統中，不需要的情況下可以移除；

臍帶嵌入式（Umbilical Embedded）：和附加嵌入式相類似，臍帶式在需要時被安裝或附加到原型系統中，不需要的情況下可以移除，但其包含附加到外部部件（如電腦、教練員控制臺及其他網絡）的物理連接。

嵌入式訓練具備如下特征[3?8]：

（1） 具有較強的真實性，依托和利用真實裝備開展訓練與演習，逼真度較高。

（2） 時效性好，便于組織和開展新的訓練，保證訓練的連續性；可以方便的修改和發布訓練內容；并可以在脫離教練員的支援和幫助下開展訓練。

（3） 可以在虛擬環境下開展大跨度訓練及演習。

（4） 通過訓練記錄保持和訓練評估，有利于決策指揮，有效地修正決策者及指揮員的意圖及指令，減少決策失誤。

（5） 訓練耗費較低，通過模擬的逼真戰場環境，可以實現對抗戰法、戰術訓練及指揮、特情處理訓練，有效提高學習效率。

2 改造方案分析

某型船舶操縱控制系統主要由中央控制臺、操舵液壓系統、電液控制儀器、電源分配儀器、舵角信號反饋設備、接線盒等組成。其中中央控制臺是操縱系統的核心組成，具有數據處理、網絡通信和綜合顯示能力。

為實現操縱控制系統加裝嵌入式訓練功能，且保證系統與外部系統交互、控制等不受影響，對現有系統改造遵循如下原則：盡可能不改變原有系統的硬件結構；在訓練工況與工作工況切換過程中，必須確保系統安全性；系統與外界交互的數據信息格式及內容不變。

在原系統基礎上實現嵌入式訓練功能，為防止訓練過程中舵機等的誤動作，必須實施實際控制信號的屏蔽，以仿真信號作為反饋替代實際信號。根據系統的實際情況，可以考慮在兩個層面上切入仿真信號：軟件層和信號層。對應下述的軟件層切入和信號層切入兩類方案。

2.1 軟件層切入

軟件層切入是指對系統軟件進行替換，在新版軟件系統中加入仿真模型模塊。系統在工作模式下軟件的運行控制與原有系統相同，系統運行所產生的控制信號輸出到對應的執行結構，如液壓系統等，完成相應的控制。而在訓練工況下，系統運行控制功能模塊接受操縱面板輸入，并生成控制信號輸出到仿真模型模塊，仿真模型通過仿真執行結構動作，進行舵角、船舶姿態等反饋，并實時更新相關顯示。

為實現系統工作模式與訓練模式之間的安全切換，加裝信號控制器控制電液分配儀。當切換到訓練模式時，切斷電液分配儀向執行結構的輸出，包括供電及液壓系統，以防止系統誤動作。

此類方案可以在對系統硬件進行最小更改的情況下實現嵌入式訓練功能，保持訓練操作與實際操作的一致性。但其難以實現訓練設置與訓練評估，且無法實時設置故障進行應急操縱訓練，具有一定的局限性。

2.2 信號層切入

第二種方案是在信號層切入仿真信號，系統原有的操縱控制界面及硬件系統保持不變，通過仿真模型模擬船舶及相關執行機構運行狀態，并通過改造主控計算機軟件系統，加裝仿真模型模塊、數據交換模塊。系統運行所產生的控制信號輸出后不發送至各控制器，而由仿真模型屏蔽并通過控制指令推動模型的動態運行，仿真模型的反饋信號輸入到顯示界面實現更新。選用便攜式計算機作為教控臺，當系統進行訓練時，通過數據交換模塊通信接口實現教控臺的臍帶式嵌入。

為實現系統工作模式與訓練模式的安全切換，在每個控制器上增加額外通信模塊，這樣充分保留了原系統設備，僅僅屏蔽了主控制計算機到執行機構及傳感器之間的信號。且系統使用實際控制器，還可以實現嵌入式訓練程序調試和靜態檢查操縱控制系統到傳感器及執行機構的信號故障及電氣故障，產生了附加功能。

通過比較分析得出，第二種方案可以較好地滿足嵌入式訓練的需求。系統從結構上可以分為實船設備和教控臺兩部分，操縱控制系統主控計算機增加數據交換模塊、仿真模型模塊，教控臺系統軟件主要包括仿真訓練控制模塊、訓練設置模塊、數據記錄模塊及評估模塊等，可以實現訓練發布、故障設置、數據記錄及仿真評估等功能。

3 關鍵技術

3.1 嵌入訓練及操作控制之間的安全切換

嵌入式訓練系統將虛擬模型嵌入到真實裝備系統當中，因此必須要有相應的措施既保證訓練安全，又能快速返回到操作控制模式，不影響操縱控制系統的作戰效能，在確保安全的情況下實現訓練模式和操作控制模式的快速切換。

在本系統樣機研制過程中，通過在每個控制器上增加額外通信模塊，實現主控制計算機到執行機構及傳感器之間的信號的屏蔽。在訓練模式下，通過控制器切斷控制計算機向外部執行結構等的傳輸，以避免誤動作。當切換到操作控制模式時，斷開主控計算機與仿真模型之間的交互，并接通控制器，實現輸出控制。

3.2 數學模型

操縱控制嵌入式訓練系統，利用數學仿真模型模擬本船操作響應，以實現操作控制系統執行結構不動作的情況下，完成艇員實船訓練的目的。

仿真模型的建立是實現該系統嵌入式訓練功能的關鍵。操縱控制系統所涉及的平臺仿真模型包括船舶空間運動六自由度模型、船舶水面運動模型、方向舵模型、舯舵模型、艉舵模型、均衡模型、潛浮模型、螺旋槳推力模型及波浪力模型等。

系統基于模塊化建模方法建立仿真平臺模型，以規范化的標準建立基本設備和部件的數學模型，將它們開發成通用的基本模塊（子程序），用其組合成不同類型子系統的模型（仿真程序），以降低建模的復雜性，縮短建模時間，增加模型的通用性。

仿真平臺運動模型主要模塊結構圖如圖2所示。

3.3 訓練評估

考核評估是仿真培訓中十分重要的一個環節，一般依靠教練員主觀評判打分的方式。但這種方式不僅評估結果具有極大的主觀性、延時性，而且還需要耗費大量的人力物力資源。

圖2 操縱控制系統模塊化分解圖

通過建立評估系統，以相關領域的專家知識和技術人員豐富的實際經驗作為評估標準，使用編程技術實現對考核人員的智能評估，這不僅提高了評估的效率和公正性，而且節省了大量的經費。

智能評估系統的結構原理如圖3所示，考核人員在控制臺上操作，監控軟件將操作數據記錄到數據庫之中。分析數據庫中的數據，對考核人員的實際操作水平進行評估，然后給出客觀、合理的評估結果。智能評估系統還能實現對培訓過程進行各種管理，如人員信息的存儲、查詢、打印等。

圖3 智能評估系統的結構原理圖

智能評估系統主要有數據庫和評判程序兩部分組成。數據庫包含有如下三類數據：操作人員操作信息數據，記錄受訓者操作時各仿真變量隨時間的變化；評估知識庫數據，其根據實際操作經驗作為專家知識存儲在計算機中，是實現評估系統準確有效的關鍵；第三類數據主要是考生的基本信息和考核成績，為培訓的總結及提高提供依據。

評判程序分為如下四個模塊：評估系統維護管理模塊、評估規則和參數管理模塊、評估的項目管理模塊、考生信息管理模塊。

系統考核與評估基本流程如下：首先將系統操作過程進行分解為一系列相對簡單、獨立的子過程，按照操作規范制定評估規則，對系統操作控制信號進行采集、記錄，并通過模糊綜合評估法進行操作評估。

3.4 故障仿真

船舶操縱控制系統由復雜的機、電、液壓系統組成，系統的安全直接影響到船舶航行安全。當操縱控制系統出現異常時，艇員如何根據出現的異常狀況判斷故障，采取相應對策控制及保持浮力，是降低事故隱患，避免重大海難事故發生的重要途徑。因而，故障仿真訓練對于船員具有非常重要的意義。

首先依據船舶操縱控制系統的結構，建立相應的故障模型，將可能出現的故障現象和故障原因轉化為故障數據庫，如表1所示。

表1 故障數據庫

在仿真模型中，添加故障仿真處理模塊，如通過設置并保持對應舵角值模擬舵卡故障等。在訓練過程中，教練員可以通過教控臺設置故障，仿真模型依據故障模擬當前故障現象，并將對應反饋通過通信接口發送至操縱控制臺相關顯示模塊。

4 結 語

針對常規訓練裝備損耗大、訓練耗費高等問題，基于嵌入式設計思路，提出了在現有船舶操縱控制系統中加裝嵌入式訓練功能的方法。對比分析了兩種不同嵌入式方案，并對嵌入式訓練涉及的訓練模式與操縱控制模式之間的安全切換、仿真模型建立、智能訓練評估及故障仿真等進行了研究。通過嵌入式訓練功能的加裝，可以大幅度減少訓練投入及訓練場地依賴度，顯著提高訓練效益，對軍事訓練改革具有重要意義。同時，作為現有武器裝備加裝嵌入式功能的探索，本文對其他武器裝備平臺嵌入模擬訓練功能具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1] 孔慶福，宋金陽，張曉東，等.船舶輪機模擬訓練裝置技術現狀及發展趨勢[J].艦船科學技術，2010，32（1）：138?140.

[2] 常天慶，張波，趙鵬，等.嵌入式訓練技術研究綜述[J].系統仿真學報，2010，22（11）：2694?2697.

[3] 于諒，孫曉博.車內嵌入式仿真系統研究[J].情報指揮控制系統與仿真技術，1999（12）：59?63.

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[8] KLAUS H， BARTOLDUS C. Training with embedded simulation [EB/OL]. [2012?08?26]. http：//ftp.rta.nato.int/MP?MSG?060.doc.

考核評估是仿真培訓中十分重要的一個環節，一般依靠教練員主觀評判打分的方式。但這種方式不僅評估結果具有極大的主觀性、延時性，而且還需要耗費大量的人力物力資源。

圖2 操縱控制系統模塊化分解圖

通過建立評估系統，以相關領域的專家知識和技術人員豐富的實際經驗作為評估標準，使用編程技術實現對考核人員的智能評估，這不僅提高了評估的效率和公正性，而且節省了大量的經費。

智能評估系統的結構原理如圖3所示，考核人員在控制臺上操作，監控軟件將操作數據記錄到數據庫之中。分析數據庫中的數據，對考核人員的實際操作水平進行評估，然后給出客觀、合理的評估結果。智能評估系統還能實現對培訓過程進行各種管理，如人員信息的存儲、查詢、打印等。

圖3 智能評估系統的結構原理圖

智能評估系統主要有數據庫和評判程序兩部分組成。數據庫包含有如下三類數據：操作人員操作信息數據，記錄受訓者操作時各仿真變量隨時間的變化；評估知識庫數據，其根據實際操作經驗作為專家知識存儲在計算機中，是實現評估系統準確有效的關鍵；第三類數據主要是考生的基本信息和考核成績，為培訓的總結及提高提供依據。

評判程序分為如下四個模塊：評估系統維護管理模塊、評估規則和參數管理模塊、評估的項目管理模塊、考生信息管理模塊。

系統考核與評估基本流程如下：首先將系統操作過程進行分解為一系列相對簡單、獨立的子過程，按照操作規范制定評估規則，對系統操作控制信號進行采集、記錄，并通過模糊綜合評估法進行操作評估。

3.4 故障仿真

船舶操縱控制系統由復雜的機、電、液壓系統組成，系統的安全直接影響到船舶航行安全。當操縱控制系統出現異常時，艇員如何根據出現的異常狀況判斷故障，采取相應對策控制及保持浮力，是降低事故隱患，避免重大海難事故發生的重要途徑。因而，故障仿真訓練對于船員具有非常重要的意義。

首先依據船舶操縱控制系統的結構，建立相應的故障模型，將可能出現的故障現象和故障原因轉化為故障數據庫，如表1所示。

表1 故障數據庫

在仿真模型中，添加故障仿真處理模塊，如通過設置并保持對應舵角值模擬舵卡故障等。在訓練過程中，教練員可以通過教控臺設置故障，仿真模型依據故障模擬當前故障現象，并將對應反饋通過通信接口發送至操縱控制臺相關顯示模塊。

4 結 語

針對常規訓練裝備損耗大、訓練耗費高等問題，基于嵌入式設計思路，提出了在現有船舶操縱控制系統中加裝嵌入式訓練功能的方法。對比分析了兩種不同嵌入式方案，并對嵌入式訓練涉及的訓練模式與操縱控制模式之間的安全切換、仿真模型建立、智能訓練評估及故障仿真等進行了研究。通過嵌入式訓練功能的加裝，可以大幅度減少訓練投入及訓練場地依賴度，顯著提高訓練效益，對軍事訓練改革具有重要意義。同時，作為現有武器裝備加裝嵌入式功能的探索，本文對其他武器裝備平臺嵌入模擬訓練功能具有一定的借鑒意義。

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考核評估是仿真培訓中十分重要的一個環節，一般依靠教練員主觀評判打分的方式。但這種方式不僅評估結果具有極大的主觀性、延時性，而且還需要耗費大量的人力物力資源。

圖2 操縱控制系統模塊化分解圖

通過建立評估系統，以相關領域的專家知識和技術人員豐富的實際經驗作為評估標準，使用編程技術實現對考核人員的智能評估，這不僅提高了評估的效率和公正性，而且節省了大量的經費。

智能評估系統的結構原理如圖3所示，考核人員在控制臺上操作，監控軟件將操作數據記錄到數據庫之中。分析數據庫中的數據，對考核人員的實際操作水平進行評估，然后給出客觀、合理的評估結果。智能評估系統還能實現對培訓過程進行各種管理，如人員信息的存儲、查詢、打印等。

圖3 智能評估系統的結構原理圖

智能評估系統主要有數據庫和評判程序兩部分組成。數據庫包含有如下三類數據：操作人員操作信息數據，記錄受訓者操作時各仿真變量隨時間的變化；評估知識庫數據，其根據實際操作經驗作為專家知識存儲在計算機中，是實現評估系統準確有效的關鍵；第三類數據主要是考生的基本信息和考核成績，為培訓的總結及提高提供依據。

評判程序分為如下四個模塊：評估系統維護管理模塊、評估規則和參數管理模塊、評估的項目管理模塊、考生信息管理模塊。

系統考核與評估基本流程如下：首先將系統操作過程進行分解為一系列相對簡單、獨立的子過程，按照操作規范制定評估規則，對系統操作控制信號進行采集、記錄，并通過模糊綜合評估法進行操作評估。

3.4 故障仿真

船舶操縱控制系統由復雜的機、電、液壓系統組成，系統的安全直接影響到船舶航行安全。當操縱控制系統出現異常時，艇員如何根據出現的異常狀況判斷故障，采取相應對策控制及保持浮力，是降低事故隱患，避免重大海難事故發生的重要途徑。因而，故障仿真訓練對于船員具有非常重要的意義。

首先依據船舶操縱控制系統的結構，建立相應的故障模型，將可能出現的故障現象和故障原因轉化為故障數據庫，如表1所示。

表1 故障數據庫

在仿真模型中，添加故障仿真處理模塊，如通過設置并保持對應舵角值模擬舵卡故障等。在訓練過程中，教練員可以通過教控臺設置故障，仿真模型依據故障模擬當前故障現象，并將對應反饋通過通信接口發送至操縱控制臺相關顯示模塊。

4 結 語

針對常規訓練裝備損耗大、訓練耗費高等問題，基于嵌入式設計思路，提出了在現有船舶操縱控制系統中加裝嵌入式訓練功能的方法。對比分析了兩種不同嵌入式方案，并對嵌入式訓練涉及的訓練模式與操縱控制模式之間的安全切換、仿真模型建立、智能訓練評估及故障仿真等進行了研究。通過嵌入式訓練功能的加裝，可以大幅度減少訓練投入及訓練場地依賴度，顯著提高訓練效益，對軍事訓練改革具有重要意義。同時，作為現有武器裝備加裝嵌入式功能的探索，本文對其他武器裝備平臺嵌入模擬訓練功能具有一定的借鑒意義。

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