基于Visual Studio的船舶舵機操作訓練平臺的設計與開發

亓冠華

(泰山科技學院,山東 泰安 271000)

0 引言

船舶舵機作為航向控制的關鍵裝備,對于船舶海上航行的準確性及安全性至關重要。由于海上存在海風、海浪等不確定干擾,導致舵機系統工作環境惡劣,容易出現硬件結構及軟件通信系統故障,令船舶安全性能下降。當舵機系統發生未知故障時,船舶航向系統會受到影響,船舶控制性能下降則可能造成海上安全事故,對船員人身安全、船舶本身及港口安全會構成巨大威脅,尤其是在靠港工況下舵機系統的平穩運行十分重要。但很多舵機故障產生的原因是船員操控設備不規范,故對船員進行專業、規范的技能培訓能夠有效降低舵機系統出現人為故障的幾率,因此船員專業培訓的收益遠大于花費的時間成本及資源成本。目前,我國對于輪機管理人員的技能培訓正在由工作原理與海洋環境等相關知識學習向輪機模擬器應用及實物操作方向發展,幫助船員進行理論知識與實踐應用相結合。故進一步對智能化液壓舵機教學平臺進行研究、將先進的學習方案與智能設計方法引入到舵機控制訓練體系中,對船員技能水平的提高有著重要的意義[1]。國外很多公司對船舶舵機仿真模擬訓練器的開發取得了一定的成績(如英國的TRANSAS公司、德國的西門子公司及日本的三菱公司等[2]),但這些公司設計的仿真模擬訓練器普遍存在設計模型較為簡單、操作細節要求較低及操作訓練流程固化的缺點,不利于培訓人員處理舵機緊急狀況及深入訓練,無法滿足馬尼拉修正案的船員培訓要求。

以PPT-2000型輪機仿真模擬器為例,作為一種功能齊全的全任務推進裝置,其仿真模擬器由駕駛員室、船艙模擬器、學員訓練室等部分組成[3]。系統利用二維畫面生成的流程圖來表示各個系統結構,故人機界面繁雜,不易操作,且只有一臺監控系統來對全部系統實施監控,系統的可擴展性及可復用性較差[4]。相較而言,TERS-2000型輪機仿真模擬器具有多級別、可通用、可組合等優點,但在實際設計為了簡化操作、增加模擬器的可視性,取消了部分硬件設計,導致設備不完整[5]。為了提高我國輪機培訓人員的專業基礎知識及操作技能熟練性,需設計一套設施完備、仿真程度高及人機界面友好的智能化船舶舵機操作訓練平臺。以舵機系統為研究對象,根據撥叉式液壓系統工作原理,將復雜機械拆分為若干個模塊,運用相關方法及理論知識建立舵機系統的動態數學模型。舵機仿真模擬器硬件結構參照川崎式舵機,根據MSA對船員的培訓要求,考慮舵機實際工況特點對系統做了相應的簡化,令仿真系統達到標準。綜合舵機系統各模塊的數學模型,基于Visual Studio設計了船舶舵機操作訓練平臺。在Visual C#的編譯環境中利用圖形繪制功能及窗體應用,對系統的仿真界面進行設計,使其能夠模擬舵機系統的實際工作原理及操作流程,設計的仿真界面操作簡便,可視性較好。

1 仿真軟件界面設計

模擬界面決定了人機交互的智能化程度,它集成允許執行的各種操作界面及按鈕設計。主要包括界面設計及控件設計,該部分作為主要操作界面應簡要易懂,可操作性強。

1.1 界面底圖的繪制

利用CorelDRAW矢量圖形制作工具繪制系統圖,界面底圖根據實際的舵機液壓系統繪制。舵機液壓系統子界面的底圖如圖1所示。

圖1 繪制界面底圖Fig.1 Base of the interface

圖1中間部分為撥叉式液壓舵機,屬于泵控型舵機,主要由油缸、雙向變量泵、滑塊、放氣閥、舵柱及舵柄等組成。舵機主油路工作原理為:在電機的帶動下,雙向變量泵進行旋轉,從低壓側抽油再經過主油路鎖閉閥,將壓力油供給到油缸,撞桿在油缸兩側油壓差的影響下,利用滑塊帶動舵柄運動,驅動舵柱,從而改變舵角。在舵角達到駕駛臺指令舵角時,舵機控制系統使雙向變量泵的變量機構回中,雙向變量泵的輸出流量為零,這時油路鎖閉閥工作在中位,液壓系統油路產生鎖閉。雙向變量泵位于油箱內部,起到對閉式液壓系統的冷卻作用。

1.2 建立Winform自定義控件庫

為了更好進行相應界面設計,需進行界面底圖規制,在Windows Framwork中進行控件庫設置,當控制庫設置完成后,便可在工具箱中直接調用。舵機仿真系統需要制作添加的控件包括斜盤柱塞泵、隨動舵、緊急舵、撥叉操縱舵機構、舵角計、壓力計及安全閥。以上控件與船舶實際信息相匹配,對于舵機系統應產生相同的作用。將建立的控件整合到控制程序庫中,便于后續調用。

采用GDI+(Graphics Device interface plus)繪圖技術與C#編程語言來制作程序控件,該方法簡單易行,可操作性強。軟件包含了矢量圖形繪制、文字顯示及圖像處理3部分,需要多種工具來進行圖像處理,GDI+技術只進行簡單的圖形繪制渲染。其中,類Graphics封裝了GDI+的制作圖像程序,窗體中所有的制圖畫圖必須由此類操作完成,并由System drawing進行空間命名。自定義控件庫創建如圖2所示。

圖2 自定義控件庫的創建Fig.2 Creation of custom control library

1.3 控件設計

船舶舵機系統的控件數量較多,在控件制作處理過程中需重復運用GDI+技術對控件進行縮放、旋轉及顏色處理。為美化界面,制作的控件大小可根據需要改變。為使控件在制作變換過程中不變形,可在舵輪控件的屬性中將ResizeRedraw設置為true,調用控件內部的平移縮放變換函數即可。圖3為制作的隨動操舵舵輪控件。

圖3 隨動操舵舵輪控件Fig.3 Servo steering wheel control

2 仿真界面設計及說明

基于Windows系統下的Visaul C#集成開發環境,設計船舶舵機的模擬操作界面。

圖4為仿真軟件的加載主界面,是整個系統的入口界面,界面中放置了一些可以實現各種功能的選項,主要包括船舶航行方向、駕駛臺推進控制系統、集控臺推進控制系統及液壓系統等,可通過點擊按鈕來調用系統的其他子界面。

圖4 仿真軟件加載界面Fig.4 Interface of simulation software loading

圖5為撥叉式船舶舵機液壓系統子界面,由兩部分組成:液壓系統原理圖,包含了管路系統、油柜油箱、管路閥件、液壓油泵、轉舵機構及舵角指示器?？刂泼姘?包括電源指示燈、自動及隨動操作轉換按鈕、操舵舵輪等。

圖5 舵機液壓系統子界面Fig.5 Sub-interface of servo hydraulic system

實際的船舶集控室擁有故障報警界面,當舵機系統因人為操作失誤或發生未知故障時,面板上相應的警示燈開始點亮,同時伴隨報警聲音,需要船員進行故障確認。如圖6所示,舵機故障系統報警界面中的故障指示包括油泵停止、電機斷電、電機超負荷及安全閥故障等功能。

圖6 故障報警指示界面Fig.6 Interface of fault alarm indicator

圖7為駕駛臺操作子界面,可以實現啟動泵組、停止泵組,舵角選擇、操舵位置選擇、隨動操舵、應急操舵、電源指示、壓力指示、航速指示及警報指示等功能。

圖7 駕駛臺操作子界面Fig.7 Sub-interface of bridge operation

3 結束語

傳統的船上培訓方式存在周期長、成本高、事故多發等弊端,隨著海上設備研發及計算機實時仿真技術的發展,輪船舵機仿真模擬訓練器在航海領域得到了廣泛應用,能夠為船員模擬相對真實的船舶運行狀態,已成為很多海運學員院校考核及發布證書的一種重要方式?；赩isual Studio,設計了撥叉船舶舵機系統的二維界面與軟件系統,該設計不僅能夠快速完成船舶舵機的故障檢測,還能夠為海員培訓院校提供智能化的仿真模擬系統,提高學員操作能力及綜合素質。