智能船舶的輪機工程專業(yè)仿真課程改革與實踐

［摘 要］ 基于智能船舶的技術發(fā)展趨勢，系統(tǒng)分析了船舶動力裝置的技術體系和知識體系，結合輪機工程專業(yè)的培養(yǎng)目標，提出了輪機工程專業(yè)仿真課程的具體課程目標。在此基礎上系統(tǒng)梳理了仿真課程的知識體系，其覆蓋了仿真的基本概念與方法等基礎性知識，還涵蓋了船舶柴油機建模與仿真方法、船舶動力裝置匹配仿真方法和船舶航行智能控制與仿真方法等專業(yè)性知識，以及船舶智能航行-控制聯(lián)合仿真的綜合性知識。設計了課程實踐環(huán)節(jié)，通過教學實踐，檢驗了課程改革的效果，也為進一步完善和提高課程教學效果奠定了良好基礎。

［關鍵詞］ 智能船舶；輪機工程；仿真課程；教學研究

［基金項目］ 2020年度湖北省教育廳教學研究項目“面向智能船舶的輪機工程仿真課程改革與教學方法研究”（2020081）

［作者簡介］ 唐國元（1973—），男（苗族），湖北利川人，博士，華中科技大學船舶與海洋工程學院教授，主要從事智能船舶、海洋航行器智能控制研究；王建軍（1987—），男，湖南永州人，博士，華中科技大學船舶與海洋工程學院副教授，主要從事智能船舶、艦船機電系統(tǒng)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）15-0041-04 ［收稿日期］ 2023-01-06

引言

隨著信息和通信技術的快速發(fā)展，近十年來，智能船舶已逐漸成為全球船舶工程界科技創(chuàng)新的前沿課題，是未來船舶發(fā)展的重點方向［1］。

2015年5月，國務院印發(fā)《中國制造2025》，智能船舶是其重點發(fā)展領域之一。2018年12月，工業(yè)和信息化部、交通運輸部、國防科工局聯(lián)合印發(fā)《智能船舶發(fā)展行動計劃（2019—2021年）》。2022年10月，交通運輸部、科學技術部聯(lián)合印發(fā)《交通領域科技創(chuàng)新中長期發(fā)展規(guī)劃綱要（2021—2035年）》，強調推動智能船舶等自主設計建造及船載智能感知與控制關鍵技術及設備的突破［2］。2016年10月，挪威海事局和挪威海岸管理局在特隆赫姆峽灣建立了世界上第一個自主船舶測試區(qū)，將無人駕駛船舶研究提升到國家層面。2022年4月，國際海事組織（IMO）海事安全委員會（MSC）第105次會議（MSC 105）提出研發(fā)《智能船舶法典》（MASS Code），計劃于2024年下半年推出非強制性版本，在此基礎上研發(fā)強制性《智能船舶法典》，預計2028年1月1日生效。

在教育部、工業(yè)和信息化部、中國工程院印發(fā)的《關于加快建設發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》中，明確提出深入開展新工科研究與實踐。智能船舶技術發(fā)展趨勢所帶來的知識更新，不可避免地給傳統(tǒng)“輪機工程仿真”課程的知識體系、教學內容、教學模式帶來挑戰(zhàn)。

為此，我們提出了新形勢下“輪機工程仿真”課程的課程目標、具體教學內容和教學模式，以使“輪機工程仿真”課程不斷適應智能船舶發(fā)展及人才需求的新趨勢。

一、智能船舶動力裝置的技術與知識體系

2020年，中國船級社發(fā)布《智能船舶規(guī)范》（2020），根據其界定，智能船舶的功能按照由局部應用到全船應用、由輔助決策到完全自主的方向發(fā)展，其功能一般分為智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理、智能集成平臺、遠程控制和自主操作。本文主要從智能航行及遠程控制和自主操作的角度討論其技術與知識體系。

智能船舶能感知自身的狀態(tài)，也能感知其周圍環(huán)境的信息，通過分析形成對自身狀態(tài)和其周圍環(huán)境的認知，通過思考形成決策，并采取措施應對環(huán)境變化及自身狀態(tài)變化，將這些決策傳輸給智能控制系統(tǒng)，并在通過運算后發(fā)出控制指令給執(zhí)行系統(tǒng)，包括船舶的主動力裝置、推進裝置、舵機等。船舶動力系統(tǒng)在技術體系上的更新，必然使其傳統(tǒng)機電液知識體系發(fā)生擴充、迭代和更新。

這些特點，正是船舶工程與人工智能進行深度融合，并使人工智能的相關知識、方法和技術在智能船舶上得到實際應用的具體體現。智能船舶的信息處理與控制過程是從底層到中樞（或從外部到內部）再到底層去執(zhí)行的過程，其中所需要的技術形成了完整的技術體系，如圖1所示，該體系涵蓋了智能認知、信息傳輸、智能控制、智能感知及智能執(zhí)行技術。對應的，這些技術所涉及的如圖1所示的知識體系涵蓋的內容包括船舶類知識、機械類知識、電子電氣類知識、智能類知識、計算機類知識、通信類知識、自動控制與自動化類知識。可見，智能船舶從知識體系上體現出強烈的綜合性與交叉性的特點。船舶工程解決基礎性的運載功能，是船舶智能性功能的基礎載體；人工智能解決船舶在復雜海洋及水運交通環(huán)境中的智能思維與決策問題，是智能船舶的大腦；計算機是人工智能算法實現的基礎性計算設施；大數據為船舶人工智能提供了記憶和知識，是計算、判斷和決策的基礎；自動控制與自動化則為船舶快速而穩(wěn)定地應對各種復雜工況提供了動力傳遞的方式和方法，是人工智能的執(zhí)行系統(tǒng)；電子與通信則為船舶內部以及與外界的聯(lián)系提供了信息通道，是船舶的感知和信息傳輸系統(tǒng)，也是數據及船舶記憶的來源；電氣工程則解決船舶的電力能源及傳輸問題。

二、“輪機工程仿真”課程的目標與知識體系

（一）本科培養(yǎng)目標

為適應上述智能船舶技術體系，對輪機工程專業(yè)本科人才培養(yǎng)目標提出了新的要求。在智能船舶時代，結合輪機工程的專業(yè)特點，輪機工程專業(yè)的培養(yǎng)目標為針對智能船舶運行系統(tǒng)培養(yǎng)高級工程技術人才，本科畢業(yè)生在從事本行業(yè)工作五年后，應達到以下工程能力：（1）能夠系統(tǒng)應用自然科學及輪機工程專業(yè)基礎理論知識，具有較強的從事船舶智能動力裝置設計及科學研究的能力；（2）能夠應用輪機工程專業(yè)技術知識，解決船舶智能動力裝置相關領域的復雜工程問題；（3）具有優(yōu)良的道德品質、科學素質與人文修養(yǎng)，在工程實踐中能夠綜合考慮倫理、社會與環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展等因素。

（二）課程目標

根據上述培養(yǎng)目標，以及智能船舶的知識體系，對“輪機工程仿真”課程的培養(yǎng)體系和知識體系進行梳理。

仿真技術從應用上已基本覆蓋現代社會的各個重要領域。在船舶動力裝置領域，仿真是設計、試驗、制造不可缺少的重要方法和手段。美國海軍研究與發(fā)展中心、德國MTU公司、英國Yard公司等都有專門從事艦船動力系統(tǒng)仿真研究的機構。國內的哈爾濱工程大學、上海交通大學、海軍論證中心、海軍工程大學、武漢理工大學等高校和研究單位都相繼從不同側面和角度開展研究工作，分別在船舶柴油機、船舶燃氣輪機、船舶推進裝置及控制系統(tǒng)設計、機艙自動化等方面深入開展了計算機仿真技術的應用研究。

這些研究成果也較好促進了“輪機工程仿真”的教學。在“輪機工程仿真”的教學領域，當前的教材及教學內容大多以上述研究成果為基礎，對于促進輪機工程專業(yè)學生的專業(yè)能力培養(yǎng)和綜合素質的提高起到了重要作用。隨著智能船舶技術的發(fā)展引起動力裝置知識體系的更新，對“輪機工程仿真”課程的教學提出了新的要求。

為此我們提出“輪機工程仿真”課程的目標是以船舶動力裝置和人工智能原理為基礎，了解智能船舶發(fā)展的基本趨勢及仿真技術在其動力裝置設計及開發(fā)中的作用，熟悉數字仿真基本理論，掌握船舶動力裝置匹配仿真的基本方法和技術，通過學習本課程，使學生具備船舶智能航行與控制的聯(lián)合仿真和分析能力，形成解決船舶動力裝置仿真分析復雜工程問題的專業(yè)素養(yǎng)。

為此，對于“輪機工程仿真”課程改革的方向，應滿足如下基本要求：（1）結合智能船舶最新科技發(fā)展及最新科研成果。使學生充分了解輪機工程發(fā)展趨勢和前沿技術，特別是船舶在智能航行及遠程控制和自主操作方面的最新發(fā)展成果。（2）使學生具備系統(tǒng)、扎實的專業(yè)基礎知識。系統(tǒng)掌握仿真的基礎知識，以及智能船舶運動與控制、動力裝置設計與匹配的建模及仿真的基本方法。（3）理論與實際相結合。聯(lián)系實際工程問題，結合案例訓練，通過多層次仿真訓練，使學生具備較強仿真分析設計能力，以及突出的創(chuàng)新能力。（4）有利于實現培養(yǎng)目標。對實現理論與實際相結合的合格人才培養(yǎng)具有顯著支撐作用。

（三）面向智能船舶的輪機工程仿真知識體系

圖2是“輪機工程仿真”課程的知識體系組成圖。課程的前置基礎知識包括船舶動力裝置原理、控制理論基礎、機器學習及人工智能原理等。仿真課程本身覆蓋了仿真的基本概念與方法、智能系統(tǒng)仿真方法、連續(xù)系統(tǒng)建模與仿真方法、離散系統(tǒng)建模與仿真方法等基礎概念性和原理性知識，還涵蓋了船舶柴油機建模與仿真方法、船舶動力裝置匹配仿真方法以及船舶航行智能控制與仿真方法等專業(yè)性知識，以上述基本原理性知識和專業(yè)性知識為基礎，課程內容還涵蓋了船舶智能航行-控制聯(lián)合仿真的綜合性知識。

在介紹基本知識的基礎上，設計了教學實踐環(huán)節(jié)，讓學生通過項目式案例教學模式，對上述知識進行仿真實踐。具體包括船舶動力裝置匹配與智能優(yōu)化、無人艇運動過程智能控制聯(lián)合仿真分析兩個實踐環(huán)節(jié)。通過知識加實踐的模式，實現學生三個方面的能力培養(yǎng)和素質養(yǎng)成，并最終服務于畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標的達成。

三、課程實踐

基于上述知識體系和教學模式的梳理，筆者編寫了《輪機工程仿真技術基礎及應用》本科生教材，于2021年由華中科技大學出版社出版，其內容基本涵蓋上述知識體系。所編寫教材及確立的教學模式已在輪機工程本科生中展開實踐，從教學過程和教學效果來看，在以下幾個方面具有明顯的改進和提高。

（一）智能船舶動力裝置仿真及匹配設計能力

以船舶動力裝置匹配仿真方法知識為基礎，融合智能方法，結合船舶動力裝置匹配與智能優(yōu)化實踐環(huán)節(jié)，通過建模、編程、調試、仿真及數據分析等環(huán)節(jié)的訓練，提高了學生對動力裝置匹配的相關問題理解能力、方案提出能力和問題解決能力。

（二）無人船動力裝置-控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析能力

以船舶柴油機建模與仿真方法、船舶航行智能控制與仿真知識為基礎，結合無人艇運動過程智能控制聯(lián)合仿真分析實踐環(huán)節(jié)，訓練學生在已知動力配置情況下，無人艇運動智能控制參數的仿真調試，提高了學生對智能航行影響因素的認識和無人船舶工程實踐中的問題解決能力。

（三）以仿真手段解決船舶動力裝置復雜工程問題的能力

通過知識傳授與能力的培養(yǎng)，提高了學生的綜合工程能力，通過實踐環(huán)節(jié)中采取團隊協(xié)作等模式，并結合學術報告等訓練，提高了學生團隊協(xié)作攻關的素養(yǎng)及學術交流能力，為解決更復雜的工程問題奠定了良好基礎。

結語

本文基于智能船舶的技術發(fā)展趨勢，提出了“輪機工程仿真”課程的具體課程目標，并在此基礎上系統(tǒng)梳理了仿真課程的知識體系，設計了課程實踐環(huán)節(jié)，對課程教學內容及教學模式進行了改革，通過教學實踐，檢驗了課程在三個方面實現了教學效果的提升，具體包括：提升了學生在智能船舶動力裝置仿真及匹配設計方面的能力，提升了學生在無人船動力裝置-控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析方面的能力，提升了學生以仿真手段解決船舶動力裝置復雜工程問題的能力。通過上述教學改革及實踐，為實現課程的進一步優(yōu)化奠定了良好基礎。

參考文獻

［1］柯佳成，張旋武，吳剛，等.智能船舶發(fā)展未來趨勢［J］.中國船檢，2022（12）：60-66.

［2］交通運輸部，科學技術部.關于印發(fā)《交通領域科技創(chuàng)新中長期發(fā)展規(guī)劃綱要（2021—2035年）》的通知：交科技發(fā)〔2022〕11號［A/OL］.（2022-01-24）［2023-01-02］.https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-04/06/content_5683595.htm.