基于硬件在環的輪機模擬訓練系統設計與實現

隗 宇, 周靖淞, 蔡云興

(1.上海船舶運輸科學研究所有限公司 艦船自動化系統事業部,上海 200135;2.中船黃埔文沖船舶有限公司,廣州 510715)

0 引 言

近年來,隨著智能控制技術和物聯網技術等新技術在船上廣泛應用,船舶設備的性能得到了大幅提升。由于不同船舶的功能、性能和操作方式等可能存在明顯差異,船員操縱船舶自動化系統所需技能是較為復雜的,這就對船員的業務水平提出了很高的要求,因此加強對船員的業務培訓具有重要意義,越來越具有挑戰性[1]。

由于不同船舶上的設備在操作上可能存在明顯差異,船員每次到陌生的船舶上工作時都需通過模擬操作熟悉船舶設備的操作方法和使用情況等。對于民用船舶而言,其對設備成本和運營效率等因素都非常敏感,加上國內模擬訓練系統產品的市場占有率較低,在船上配置和使用模擬訓練系統存在一定的難度。但是,若采用的模擬訓練系統完全依賴監控系統本身,無需增加新設備,只需在軟件設計開發時區分2種模式和工作流程,只會略微增加開發成本;同時,隨著我國船舶工業的不斷發展,國產監控系統設備的市場占有率會逐步變大。這些都為基于硬件在環的模擬訓練系統產品的開發和推廣使用提供了可能。通過購置與推進監控系統設備價格接近,兼具推進監控系統功能和模擬訓練功能的模擬訓練系統,在船員輪換時為新上船的船員提供快速、高效的模擬訓練服務。

對于軍用船和公務船等船舶而言,其通常采用多機多軸多槳的推進方式,配置有調距槳和齒輪箱,有的還配置有聯合動力設備和專用作業設備等,導致其主推進監控系統特別復雜,即使是具有豐富經驗的船員,在經過一般的訓練之后也很難勝任相關工作。因此,有必要采用經濟有效的方式為此類船舶開發專用的模擬訓練系統,通過基于硬件在環的模擬訓練系統幫助船員快速獲得必要的操作技能。

本文以新研發的某型船舶推進監控系統為基礎,考慮將模擬訓練系統嵌入到實船系統中,使推進監控系統的所有硬件設備在模擬訓練系統中在環工作,在保證安全性和合理性滿足要求的前提下,盡量將信號切入層延伸到底層信號輸入模塊,提升模擬訓練的真實性,使學員真正融入到實際的操縱環境中,增強訓練的實際效果。

1 輪機模擬訓練系統發展現狀

在民用領域,國內外的輪機模擬訓練系統以各類培訓機構、高校和資格評定單位的岸基模擬訓練系統為主,受船舶運營效率和成本等因素的影響,很少在船上安裝模擬訓練系統。挪威的康士博格(KONGSBERG)公司、德國的西門子(SIEMENS)公司和英國的船商(TRANSAS)公司等國外比較有代表性的企業都只開發了通用型岸基輪機模擬訓練系統[1]。我國的輪機模擬器開發雖然起步較晚,但已開發出很多輪機模擬訓練系統,相關技術已接近國外先進水平,只是在模擬器標準制定方面還處于空白,國際上大多采用滿足挪威船級社(Det Norske Veritas,DNV)要求的輪機模擬器[2-5]。因此,我國若要開發基于硬件在環的輪機模擬訓練系統,需面對滿足甚至制定相關標準方面的挑戰。

在軍用領域,國外開發了大量實船硬件在環模擬訓練系統,比較著名的有美國的AAI(Aircraft Armaments Inc.)公司、加拿大的CAE(Canadian Aviation Electronics)公司、德國的SIEMENS公司和英國的BAE(British Aerospace System)公司開發的相關產品[1]。AAI公司產品的特點是采用分布式體系結構將現有的艦上嵌入式訓練器與岸上訓練器結合起來協同訓練,同時能將各艦艇與位于不同母港的潛艇連接起來協同訓練;SIEMENS公司產品的特點是能為訓練艦員操作輪機自動化系統提供智能解決方案,可獨立安裝于船上或岸上使用,在船上安裝的是實船訓練系統,在岸上安裝的是陸上訓練系統;CAE公司產品的特點是將訓練數據總線與工作數據總線隔離開,根據實際需求切換使用。我國以往在監控系統實船硬件在環模擬訓練系統研究方面開展的工作相對較少,在此情況下,可根據國外相關設備的應用和發展情況,結合自身的特點,開發滿足我國船舶應用需求的相關產品。

在軍用船和公務船領域,由于這2種船型對船員的培訓需求較大,該模擬訓練系統的應用會逐漸增多;在民船領域,隨著科技的不斷發展,在技術、成本和需求達到平衡之后,該系統會得到實船應用。同時,該系統采用的基于硬件在環的嵌入技術和解決方案在實際產品開發中具有一定的實用價值,例如可在設備測試和自檢中應用。

2 系統概述

本文主要對以船舶主推進系統為基礎的輪機模擬訓練系統進行介紹。船舶主推進系統主要包括主機、齒輪箱、調距槳、軸系和主推進監控系統,其中主推進監控系統的功能包括自動控制、監測報警和安全保護,主要使命是保障船舶主推進系統在操作人員的指令下安全可靠運行。對于正常情況下的操縱和使用而言,主推進監控系統提供有人機交互界面,能實時反映所有設備的運行狀態。主推進監控系統的設備以電子類元器件為主,便于嵌入模擬訓練系統,能實現對整個推進系統進行模擬訓練的功能。

主推進監控系統由控制分系統、安全保護分系統和監測報警分系統等3部分組成,這3個分系統相互獨立,各分系統的設備通過CAN(Control Area Network)總線組成一個內部網絡,且左右2套設備相互獨立,各系統通過網關與上層平臺以太網交互數據。

1) 控制分系統實現對主推進裝置的自動遠程控制,包括主機啟停、主機轉速調節、齒輪箱接排與脫排控制和調距槳槳角控制等,自動根據車令實現機槳聯控、負荷保護和聯鎖保護控制等功能;

2) 安全保護分系統實現對主推進裝置的自動安全保護,通過實時采集設備運行狀態信號,實現對主機的聯鎖保護、緊急停車、故障停車和故障降速等功能;

3) 監測報警分系統實現對主推進裝置及輔助系統或設備運行狀態的集中監測、信息顯示、越限報警和數據存儲及管理等功能。

主推進監控系統的主要設備組成及功能見表1,總體架構見圖1。

圖1 主推進監控系統的總體架構

表1 主推進監控系統的主要設備組成及功能

3 系統設計與實現

3.1 設計原則

基于硬件在環的實船模擬訓練系統應根據實船監控系統的框架設計,解決好訓練系統的嵌入方式問題,以及仿真系統中模型的模擬范圍問題[6]。模擬訓練系統的設計以實船推進監控系統為基礎,嵌入模擬訓練功能,整個監控系統的硬件資源均在環工作。該系統的設計遵循以下原則:

1) 安全性。系統軟件的運行模式可分為“航行模式”和“訓練模式”2種,“航行模式”的優先級高于“訓練模式”,進入“訓練模式”需經過多重條件判斷,滿足條件方可進入,而在“訓練模式”中,只要觸發到任意一個退出條件,立即進入“航行模式”,將所有資源都讓位給“航行模式”,確保設備安全運行和船舶安全航行。在“訓練模式”下,所有控制輸出的I/O(Input/Output)通道都自動閉鎖,不發出相應動作指令。

2) 完整性。在資源利用方面,完全采用監控系統本身的硬件,不增加新的硬件資源。為實現模擬訓練功能,只需對個別硬件資源的功能進行調整,因此整個推進監控系統是一套能獨立運行的模擬訓練系統,也可直接將其投放到陸地上的教室內,成為陸上模擬訓練系統。

3) 信號切入。模擬機建立的模型可用來模擬主機、齒輪箱、調距槳和軸等設備的運行狀態,通過網絡將其發送給采集該信號的控制器,盡管與通過I/O通道采集該信號存在一定的差異,但所有模擬信號的切入設備與實際采集信號的設備完全一致,能保證模擬訓練系統與實際的監控系統高度一致。

4) 網絡設計。模擬訓練系統雖然利用的是推進監控系統的網絡硬件資源,但在通信協議方面采用了虛擬的網絡節點與其進行隔離和區分,在航行模式下能自動屏蔽訓練模式下的數據。

5) 精度和實時性要求。受計算機算力和操作系統資源調用的不可預知性等因素影響,考慮實時性和訓練效果的要求,力求仿真模擬科學準確,對仿真系統進行優化,使其滿足一定的精度要求,運行結果貼近實船航行情況,具有較高的仿真訓練置信度。

3.2 具體實現

該實船訓練系統基于某型船原有的推進監控系統配置,未增加新的硬件設備,通過軟件開發實現推進監控和模擬訓練雙重功能。采用這種嵌入方式能大大提升監控系統的資源利用率,節省設備采購成本和艙室空間。在船舶航行時,監控系統服務于航行模式;在船舶停航時,可根據需求組織船員進行模擬訓練,監控系統服務于訓練模式。從圖1中可看出,在推進監控系統中,遙控控制分系統、監測報警分系統和安全保護分系統分別通過各自的設備實現各自的功能,各分系統內的設備通過雙冗余CAN總線組網形成一個獨立的系統,各分系統通過各自的網關與平臺以太網交換數據。模擬訓練系統也幾乎按原推進監控系統的功能實現模擬訓練功能,集控室內配備有3臺計算機(分別為計算機1、計算機2和計算機3),選用計算機3作為教練員操縱平臺,為其配置教練員綜合管理軟件,使其具有模型模擬仿真功能、數據監控保存功能和模擬訓練管理功能等。

整個模擬訓練功能的實現流程如下:

1) 遙控控制系統接收到模擬訓練請求(按鍵),根據動力系統運行狀態綜合判斷是否滿足進入訓練模式的條件(主機停止運行);

2) 若滿足進入訓練模式的條件,則通過CAN總線廣播發送訓練指令,各設備收到訓練指令之后進入訓練模式,并運行模擬訓練程序;

3) 若不滿足進入訓練模式的條件,則通過CAN總線廣播航行模式指令,所有設備運行航行模式程序。

系統總體運行流程見圖2;控制分系統運行流程見圖3;安全保護分系統運行流程見圖4;監測報警分系統運行流程見圖5;計算機1和計算機2運行流程見圖6;計算機3運行流程見圖7。

圖2 系統總體運行流程

圖3 控制分系統運行流程

圖4 安全保護分系統運行流程

圖5 監測報警分系統運行流程

圖6 計算機1和計算機2運行流程

圖7 計算機3運行流程

3.3 關鍵技術運用

3.3.1 虛擬現實與建模仿真技術

通過將虛擬現實技術與建模仿真技術相結合,利用虛擬現實軟件開發逼真的動態圖,準確反映設備的運行狀態,利用仿真軟件建立設備運行的數學模型,模擬設備在各種工況下的運行狀態。將兩者有機結合,創建一個能給用戶一種身臨其境的沉浸感,具有較強的人機交互能力,能營造使用戶從構思中得到啟發的信息環境,從而提升在船培訓效果的模擬訓練系統。

3.3.2 嵌入式融合技術

模擬訓練系統根據實船監控系統的框架設計,能解決系統在嵌入方式、信號切入方式和模型模擬范圍等方面存在的問題,保證系統在安全性、設備運行可靠性和模擬訓練效果等方面的需求得到滿足。通過采用虛擬網絡節點通信,遵循原系統的通信協議,采取網絡容錯保護機制,保證仿真信號不干擾監控層信號;同時,將控制器輸出的對外部設備產生控制效果的通道關閉,保障被控設備的安全。仿真信號從控制器底層以網絡的方式切入,各操作部位的人機界面均能實現與航行模式相同的操作顯示效果,模擬訓練的逼真度較高[7]。

3.3.3 智能評估技術

目前我國的艦員模擬訓練在學時和學習效果方面還沒有統一的綜合評估方法。因此,可根據綜合模擬訓練系統,基于仿真訓練情況設計智能化的課程配置和綜合評估方法,根據考核評估機制可分為綜合評估方法和智能評估方法2類。綜合評估方法是利用計算機程序實現綜合評價,并在模擬訓練系統中增加相應的實操評估功能;智能評估方法是將人工智能理論和方法應用于輪機實操評估中,發揮專家系統在知識推理方面的優勢和遺傳算法在智能優化方面的優勢,彌補綜合評估方法存在的不足,得到智能化的綜合評估方法。智能評價的一般步驟[8]主要包括:確定評價目的;建立指標體系;處理評價數據;選擇合適的智能評價方法和模型;對評價過程和評價結果進行評估和檢驗。

4 系統的主要功能

4.1 航行模擬訓練功能

當系統在訓練模式下運行時,教練機中的模型運行,模擬主機、齒輪箱、軸系和調距槳等設備的運行情況,船員可在駕駛室、集控室和機艙等操作部位發出各種操作指令,模擬船舶航行時的操船情況,從而達到推進設備實際不動作,而各人機界面的操作顯示與實際船舶航行情況基本一致的操縱訓練效果。

4.2 故障設置分析處理功能

除了模擬正常的船舶航行情況以外,教練機中還提供有大量參數設置界面,教練員可對安全保護分系統、監測報警分系統和控制分系統等設置各類故障或限制,模擬船舶航行過程中可能出現的各類越限報警、斷線報警、聯鎖報警、限制報警、降速報警和停車報警等,考察船員對設備操縱的熟練程度和故障排除能力。

4.3 學員綜合評估管理功能

為更好地實現訓練功能,該模擬訓練系統還可根據船員的要求加載設備的操縱指導書和操縱視頻動畫等教材,對學員的信息進行管理,根據訓練情況和訓練水平推送及設置相應的課程和等級考試,并對學習效果和學習水平進行綜合評估。同時,該系統可對學員的學習情況進行實時記錄,并給出相應的評價和指導意見,歷史數據方便查詢管理。此外,該系統具有數據管理和應用功能,可將航行數據或模擬訓練數據導入到仿真模型中運行,既可用于進行教學指導和模擬訓練,又可在典型事件發生時使模型脫離原數據而自行接管運行,考察學員的分析和處理能力。

5 產品及應用前景

由上海船舶運輸科學研究所有限公司開發的基于硬件在環的模擬訓練系統樣機的試驗、軟件測評和項目結題評審工作均已完成,具備裝船條件,后續將根據船廠的要求裝船使用。樣機試驗結果表明,該模擬訓練系統設計合理,能模擬出與實際航行操作相似的工作環境,使受訓人員獲得與實際相符的心理和生理適應性,大幅提升訓練質量,整體應用效果良好。

該模擬訓練系統是基于實船推進監控系統設計的,未增加新的硬件設備,通過合理的嵌入方式和軟件開發實現各項功能,在陸地上也能獨立運行,可根據需求作為陸上模擬訓練系統,訓練功能與在船上基本一樣,大大擴展了系統的應用范圍。此外,該模擬訓練系統設計方案可為其他新船型設計和舊船升級改造提供模擬訓練系統嵌入方面的參考。

6 結 語

本文所述模擬訓練系統的嵌入功能主要通過軟件開發實現。下層監控模塊的軟件在原軟件的基礎上增加了模擬訓練任務的處理流程,修改工作量較小;教練員操縱平臺的軟件開發工作量相對較大,需開發仿真模型和教練員平臺綜合管理評估系統。目前該系統在評估技術和智能控制技術等方面還有提升空間,后續可在使用過程中根據需求不斷進行升級改造,通過對監控系統模擬訓練技術進行改進,并將其拓展到其他類似或關聯設備中,得到功能更加完善、全面的模擬訓練系統。