船舶動力定位模擬操作訓練系統設計與應用

許安靜

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室，上海 200135)

0　引　言

隨著人類對深水海洋資源開發的不斷深入和船舶動力定位技術的不斷推進，動力定位系統己被廣泛地應用在海上鉆井平臺、多用途工作船、海洋調查船、鋪管船及港作船。由于高技術、高附加值的動力定位船舶大多從事危險性較高的海洋工程作業，船舶動力定位系統安全作業能力和操作能力與船舶的作業安全密切相關，它的安全性將直接影響工程的進展、質量、費用及工程人員的生命安全。因此，各國際海事組織和船級社對動力定位系統和動力定位操作員的要求制定了相關的公約和規則及規范[1-3]，這些公約、規則及規范對實現動力定位船舶安全作業有著極為重要的作用。

1　系統總體設計

1.1　系統組成

圖1　船舶動力定位模擬操作訓練系統組成

船舶動力定位模擬操作訓練系統由動力定位操控系統、教員站控制系統及可視化視景系統組成。其中，動力定位操控系統由動力定位控制系統、獨立的聯合操縱桿系統、推進器遙控系統、單手柄操縱系統、綜合信息顯示系統、電子海圖顯示與信息系統組成；教員站控制系統由教員站、模擬控制系統服務器組成，船舶動力定位模擬操作訓練系統組成見圖1。

1.2　系統網絡結構

船舶動力定位模擬操作訓練系統采用以太網絡通信技術，星型拓撲結構形式構建集中型局域網絡，通過中心處理機使船舶操控系統、教站控制系統及可視化視景系統的信息流匯集起來，實現三者間的信息共享，可大幅加快數據的傳輸速率和信息處理效率。船舶動力定位模擬操作訓練系統設備基于以太網絡平臺，使系統易于擴展。動力定位操控系統的各子系統內部采用控制器局域網絡(Controller Area Network,CAN)，船舶動力定位模擬操作訓練系統網絡結構見圖2。

圖2　船舶動力定位模擬操作訓練系統網絡結構

1.3　系統設計

為保證動力定位船舶作業安全，提高動力定位操作員的技術專業知識和實際操作技能，依據《海員培訓、發證和值班標準國際公約》(STCW公約)馬尼拉修正案第B-V/d節規定，和DNV《CERTIFICATION No. 2.14 MARITIME SIMULATORSYSTEMS JANUARY 2011》規范，動力定位模擬操作訓練系統采用計算機成象技術、虛擬現實技術及無縫拼接寬視場角視頻對攝等先進的技術手段和方法，結合實際的動力定位操控系統設備，可將數字化的港口及相關設施動態逼真地展現給操作人員。動力定位模擬操作訓練系統除能滿足各種訓練的要求外，還可進行工程論證、控制策略驗證和海事分析。船舶動力定位模擬操作訓練系統構架見圖3。

圖3　船舶動力定位模擬操作訓練系統構架

1.3.1系統操作模式設計

經對當前大多數海洋工程船舶推進設備類型配置調研，為使系統適應多種海洋工程船動力定位控制系統的操作訓練，動力定位模擬操作訓練系統推進系統配置2套艏側推控制單元、1套艉側推控制單元、2套全回轉推力器控制單元(全回轉推力器控制單元通過選擇也可作為主推進器控制單元)、1套車鐘控制單元及1套迷你手輪舵機控制單元。

船舶動力定位模擬操作訓練系統有5個操作模式，分別為手動模式、動力定位模式、獨立聯合操縱模式、單手柄操縱模式及航行模式。側推器、全回轉推力器、舵機裝置在上述操作模式下的控制狀態如表1所示。

表1　推進系統控制配置

1.3.2動力定位操作系統

船舶動力定位模擬操作訓練系統配置2套SRI-VC2110DP動力定位控制系統[4]構成雙冗余的動力定位系統(DP-2),1套SRI-VC2110DP-JS獨立的聯合操縱桿系統、1套推進器系統手動遙控系統和1套SRI-VC2110DP-JH單手柄操縱系統。

動力定位控制系統功能包括：

(1)動力定位控制系統基本功能,可進行自動定位及自動定艏向。

(2)動力定位系統基本功能擴展,可進行自動導航(駕駛)及自動航跡跟蹤。

(3)動力定位控制系統常規功能,可采用手動操縱(JOYSTICK)及混合操縱(手動操縱+部分自動控制)。

(4)獨立的聯合操縱桿系統功能聯合手動操縱(JOYSTICK)實現自動艏向,自動航向。

1.3.3推進器手動遙控系統

推進器手動遙控系統由全回轉舵槳推力器、側推器和舵機的手動遙控，與動力定位系統功能相結合成為一個具有全方位船舶控制功能的操控系統。具體控制功能包括：

(1)推進控制系統操作模式切換。

(2)主推進器、全回轉舵槳及側推器手柄操控。

(3)舵機工作模式切換(包括自動舵模式、隨動舵模式及應急舵模式)。

(4)舵機隨動舵及應急舵手動操控。

1.3.4單手柄操縱系統

動力定位模擬操作訓練系統配置的單手柄操縱系統其控制功能包括：

(1)手柄操控功能,可進行手動操作,實現艏向保持及保持位置。

(2)自動舵功能,可實現自動航向及航跡跟蹤。

1.3.5教員站控制系統

教員站控制系統由內配置訓練海域數據庫、本船模型數據庫(包括DP模型船)、目標船模型數據庫及飛機模型數據庫等。控制系統根據推進器、舵的操作和航行環境信息(風、流及潮汐等)，實時解算模擬船的運動參數(船位、航向、速度、航向變化率及加速度等)。

教員站控制系統能進行訓練海(江河)域區及訓練環境的設定，本船和目標船初始位置、航向及速度的設置，在線控制和設置模擬船部分設備的故障及錯誤信息，數據的實時記錄和各船航跡的動態顯示、打印及操控船操作過程的事后重演和打印功能，編輯操控訓練科目、航行訓練科目及特殊條件下的操控訓練科目等。

1.3.6可視化視景系統

船舶動力定位模擬操作訓練系統的船視景系統為5通道、120度水平視場角且垂直視場角為30°，每個視景通道的分辨率為1920×1080，三維視景圖象更新速率為30 幀/s，采用幾何校正和邊緣融合軟件校正技術，做到視景真正無縫拼接和高清的顯示屏視景系統。本船視景系統提供操作員視域范圍的所有靜態及動態景物三維視景，通過三維環境中對模型對象的操作顯示船舶在海上或港內航行及作業情景,且能顯示狂風、暴雨雷電、大雪等各種氣象情景、白天和夜間及水面的反射效果等。

此外，系統還配置1套單獨的采用大地坐標系的第三視覺系統，系統配置15個虛擬攝像頭，每個攝像頭均可實現360°全景環視。用于從第三視覺角度觀察本船的靠離泊作業及動力定位作業的狀態，了解本船四周環境，如附近的目標船、浮標及海況等信息。

音響系統產生模擬海況對應的環境聲響(風、浪及聲號等)及工作環境(主機、輔機、錨及纜操作等)等聲響，能模擬船舶碰撞、擱淺及觸礁等海損事故的音響效果。

1.3.7動力定位操控系統接口

動力定位操控系統對外接口形式有以太網接口、現場總線CAN接口和串行數據通信接口等3種模式。

基于TCP IP的以太網的系統接口與NTPRO 5 000服務器系統相連，接口信息一方面來自動力定位操控系統的命令，如動力定位操控系統操作模式選擇，推進器輔助系統啟、停，推進器驅動系統啟、停，及推進器應急停控制，推力器螺距、方位、側推器螺距、舵機的舵角命令；另一方面是NTPRO 5 000模擬器系統發送動力定位操控系統命令的反饋信息、船舶航行狀態信息(位置、航向、航速)、主機系統運行參數、動力定位傳感器系統測量信息及動力系統運行信息等。

基于NMEA—0183協議的標準規范的數據串口通訊用于接收NTPRO 5 000服務器系統的傳感器模型信息驅動儀表指示(風速風向儀、GPS復示器、電羅經復示器及計程儀等)。

基于CAN2.0B協議規范現場總線CAN接口采用架構在控制局域網路CANopen通信協議,為此后科研項目的應用提供端口。

1.3.8動力定位控制系統技術研究

動力定位模擬操作訓練系統搭建動力定位控制系統關鍵技術研究科研平臺，通過這一平臺可進一步開展對動力定位控制系統方法研究，船舶動力定位控制系統在某一海況環境下定位能力測試、動力定位系統的故障模式與影響分析及船舶動力定位關鍵技術的研究和驗證。

2　硬件設計

動力定位模擬操作訓練系統的硬件主要由動力定位操控臺、教練站工作臺、三維視景設備、船用航行通信儀表設備、音響設備和監視設備等組成。系統配置的儀表設備設備為船用實際設備，操控臺上的操作部件為自主研發的船用產品，可較完整地模擬駕駛室船舶動力定位作業操作環境。

2.1　動力定位操控臺

動力定位操控臺由2套動力定位操作站、推進器遙控操作站、綜合信息顯示站及電子海圖信息顯示站組成，動力定位操控臺示意見圖4。

a) 動力定位操控臺(俯視圖)

b) 動力定位操控臺(側視圖)

2.1.1動力定位操作站

a) 動力定位工作站操作板(俯視圖)b) 動力定位工作站操作板(側視圖)

圖5動力定位工作站操作板布置

動力定位操作站配置有動力定位工作站和嵌入式控制計算機及網絡交換機，通過網絡交換機以太網網絡將2套SRI-VC2110DP動力定位操作站[4]物理連接，構成雙冗余的DP-2動力定位控制系統。

動力定位工作站由23.1寸顯示器、操作板及計算機組成。操作板作為人機交互接口提供人機交互服務，操作板布局設計便于人工操作，為動力定位工作站操作板布置見圖5。

2.1.2推進器遙控操作站及航行儀表

推進器遙控操作站由2套全回轉推力器控制板、3套側推器控制板、1個隨動舵手輪、非隨動舵手柄轉換開關、推力系統工作模式切換板、輔車鐘、5個推進器儀表、2個舵角指示儀、1個GPS復示器、1個電羅經復示器及2個風速風向儀組成，各部件布局設計注重人性化，操作板部件便于操作，儀表布置便于監視，推進器控制操作站操作板部件布置見圖6，推進器控制操作站儀表布置見圖7。

a) 推進器遙控操作站操作板部件(俯視圖)b)推進器遙控操作站操作板部件(側視圖)

圖6推進器遙控操作站操作板部件布置

圖7　推進器遙控操作站操作站儀表布置

2.1.3綜合信息顯示站

綜合信息顯示站分別由23.1寸顯示器及HP計算機組成。綜合信息顯示站臺面及內部嵌入SRI-VC2110DP-JH單手柄操縱系統。

單手柄操縱系統由手柄操作板和嵌入式控制計算機組成。手柄操作板作為人機交互接口提供人機交互服務，操作板布局設計便于操作，單手柄操作板布置見圖8。

2.1.4電子海圖顯示與信息系統顯示站

電子海圖顯示與信息系統顯示站由23.1寸顯示器及HP計算機組成。

電子海圖顯示與信息系統顯示站臺面及內部嵌入SRI-VC2110DP-JS獨立聯合操縱桿系統。

獨立聯合操縱桿系統由獨立聯合操作板和嵌入式控制計算機組成。獨立的聯合操作板作為人機交互接口提供人機交互服務，操作板布局設計便于操作，獨立聯合操作板布置見圖9。

圖9　獨立聯合操作板布置

2.2　教員站教練站工作臺

教員站由1臺HP計算機和2臺21寸寬屏LCD的HP顯示器組成，模擬控制系統服務器由1臺HP計算機和1臺21寸寬屏LCD的HP顯示器組成，網絡設備為24口千兆交換機及交換機柜。

2.3　三維可視化視景系統

系統的三維可視化視景系統由本船視景系統和第三視覺視景系統組成，其中本船視景系統由5臺HP圖形工作站和5臺55寸液晶電視機組成；第三視覺視景系統由1臺HP臺圖形工作站、1臺55寸液晶電視機和1臺19寸HP顯示器組成，二套視景系統配置一套2.1音響系統。

3　軟件設計

3.1　系統軟件結構

圖10　動力定位模擬操縱系統軟件結構

軟件設計是系統可靠穩定工作的重點，合理的軟件設計是系統的實時性及可靠穩定的保障。動力定位模擬操縱系統軟件結構見圖10。

動力定位模擬操縱系統軟件結構主要包括核心層、基礎層、業務層和應用層。核心層構建在硬件設施上，包括操作系統、數據庫系統等。在動力定位模擬操縱訓練系統中，提供三維建模、視景仿真及數據庫等多種工具應用支持。基礎層為動力定位模擬操縱訓練系統提供專用構件，主要包括數據處理傳輸、電子海圖數據庫、視景三維模型庫、船舶數學模型數據庫、環境聲音媒體庫及圖形處理等專業軟件，各分系統接口數據信息匯集，依據通信協議進行轉換處理，建立統一的通用的數據傳輸務。業務層提供各種組件以適應用戶船舶駕駛模擬訓練業務需求，包括動力定位船模型系統、航行操縱船模型系統、船舶推進系統、舵機系統、電站管理系統、船舶控制模擬器系統、船舶駕駛綜合顯控服務、電子海圖服務、船舶駕駛視景服務及航行儀器儀表驅動系統等。應用層包括有動力定位模擬操縱系統的應用模塊，實現動力定位控制系統(DP-2)海工作業操作訓練模塊，單手柄操縱訓練模塊、狹道航行的操作訓練模塊和進出港的操作訓練模塊。

3.2　系統軟件設計

船舶動力定位模擬操作訓練系統軟件分為動力定位操控系統、推進器遙控操作站、單手柄操縱單元、綜合信息顯示站、教員站、模擬控制系統服務器、三維視景系統和電子海圖信息顯示等8個部分，各部分軟件間通過網絡進行相關數據通信構成一個模擬操作訓練平臺。其中，動力定位操控系統軟件基于已研發的SRI-VC2110DP動力定位控制系統和SRI-VC2110DP-JS獨立的聯合桿操縱系統軟件。單手柄操縱系統軟件基于已研發的SRI-VC2110DP-JH單手柄操縱系統。

推進器控制操作軟件由全回轉推力器手柄操作模塊、側推器手柄操作模塊、舵機驅動模塊、推進器控制模塊及系統工作模式切換報警模塊組成。

全回轉推力器手柄控制模塊功能包括全回轉推力器輔助系統啟停控制狀態指示，驅動系統啟停控制狀態指示，應急停操作、全回轉推力器手柄位置處理、全回轉推力器報警和接口信息通訊。側推器手柄控制模塊功能包括側推器輔助系統啟停控制狀態指示，驅動系統啟停控制狀態指示，應急停操作、側推器手柄位置處理、側推器報警和接口信息通訊。

圖11　推進器控制操作軟件體系結構

推進器控制模塊功能包括輔助系統控制、驅動系統控制、推進器螺距控制和接口信息通訊。系統工作模式切換報警模塊功能包括工作模式切換操作、系統工作模式狀態指示、推進器遙控系統報警、操作板指示等調光和接口信息通訊。

舵機驅動控制模塊功能包括舵機控制模式切換、隨動舵手輪位置處理、應急舵轉換開關操作處理和接口信息通訊。推進器控制操作軟件體系結構見圖11。

教員站控制系統、可視化視景系統的軟件采用Navi-Trainer Professional 5000軟件系統[5]，該軟件系統包含DP系統模塊和DP模型船數據庫。

教員站軟件可設置訓練的水域環境、交通狀況和特殊海域、編輯訓練場景練習，控制、監視并重放、分析操作員的訓練過程；軟件采用Windows NT的新技術，可讓教員同時打開多個數據顯示和設置窗口，通過“DP system control panel”，可對動力定位傳感器系統、推力系統及動力系統進行故障設置。

模擬控制系統服務器具有數據傳輸和訓練文件保存和管理功能，且模擬控制系統服務器配置豐富的船舶運動數學模型庫和三維視景庫，覆蓋全球大部分重要的航運海區、海峽、港口及內河水域，配備的電子海圖系統可提供5 000余幅電子海圖，包括世界許多重要港口和航道。

視景系統軟件采用先進的OPEN-GL圖形技術，動態實時生成視景圖像，包括本船、目標船、周圍的物標、海面、大風浪、岸線和環境的影響、能見度及光照等的影響。

電子海圖顯示與信息系統軟件為Navi-Sailor 400軟件。

4　船舶動力定位模擬操作訓練系統的應用

4.1　動力定位模擬操作訓練實驗室建設

基于船舶動力定位模擬操作訓練系統的研制，開展動力定位模擬操作訓練實驗室的籌建。目前，動力定位模擬操作訓練實驗室設計與建設已完成，實驗室布置效果見圖12，船舶動力定位模擬操作訓練系統實景見圖13。

圖12　實驗室布置效果

4.2　動力定位系統操作訓練實例

通過教員站建立海洋工程作業練習(建立海域、海況環境)，加載動力定位模型船，運行船舶模擬器控制系統。依據動力定位船定位作業流程,操作員進行一系列動力定位模擬操作訓練。動力定位控制系統上電，依次啟動推進系統輔助系統、驅動系統，觀察操作臺儀器儀表指示狀態，進行動力定位系統實際作業操作。動力定位系統操作訓練系統也提供在動力定位系統出現報警及警告的情況下的故障排查和應急處理訓練(包括在實現實船中不允許或在極端條件下才發生的報警)[6]。

5　結　語

開發的動力定位模擬操作訓練系統模擬器軟件滿足STCW2010公約，SOLAS國際公約，基于把國內新技術與國外先進技術相結合設計理念，在國內首次將具有自主知識產權的動力定位操控系統與NTPRO 5 000航海模擬器相結合組建成船舶動力定位模擬操作訓練系統，為普及船舶動力定位理論知識，熟悉了解船舶動力定位系統的功能和原理,熟練掌握動力定位船的定位作業操作[7]及開展動力定位系統科研工作提供良好的平臺。由于船用動力定位操控系統硬件及為其開發應用的軟件均屬于自主研發，因此有利船舶動力定位模擬操作訓練系統今后的性能擴展和靈活應用。

參考文獻：

[1]DNV．Standard for Certification No 2．14 Maritime Simulator Systems January[S]．Norway：DNV Press，2011．

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[3]Nautical Institute. Dynamic Positioning Operator’s Training and Certification Scheme[M]. London: Nautical Institute, 2016．

[4]侯馨光，張敏，許安靜，等. SRI-VC2110DP系列動力定位控制系統[C]//上海市造船工程學會2011年學術年會論文集，2011：1-6．

[5]楊曉.航海模擬器視景系統中陰影技術的研究[D].大連：大連海事大學，2011．

[6]聶壘鑫.基于控制中心的船舶駕駛模擬系統開發[D].鎮江：江蘇科技大學，2013．

[7]陳麗寧，何淋，王新輝，等.動力定位操作員適任研究綜述[J].航海教育研究，2016，33(4):65-71．