基于硬件在環(huán)的輪機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

隗 宇, 周靖淞, 蔡云興

(1.上海船舶運輸科學(xué)研究所有限公司 艦船自動化系統(tǒng)事業(yè)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(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新技術(shù)在船上廣泛應(yīng)用,船舶設(shè)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(tǒng)所需技能是較為復(fù)雜的,這就對船員的業(yè)務(wù)水平提出了很高的要求,因此加強對船員的業(yè)務(wù)培訓(xùn)具有重要意義,越來越具有挑戰(zhàn)性[1]。

由于不同船舶上的設(shè)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(shè)備的操作方法和使用情況等。對于民用船舶而言,其對設(shè)備成本和運營效率等因素都非常敏感,加上國內(nèi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)產(chǎn)品的市場占有率較低,在船上配置和使用模擬訓(xùn)練系統(tǒng)存在一定的難度。但是,若采用的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)完全依賴監(jiān)控系統(tǒng)本身,無需增加新設(shè)備,只需在軟件設(shè)計開發(fā)時區(qū)分2種模式和工作流程,只會略微增加開發(fā)成本;同時,隨著我國船舶工業(yè)的不斷發(fā)展,國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的市場占有率會逐步變大。這些都為基于硬件在環(huán)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和推廣使用提供了可能。通過購置與推進監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備價格接近,兼具推進監(jiān)控系統(tǒng)功能和模擬訓(xùn)練功能的模擬訓(xùn)練系統(tǒng),在船員輪換時為新上船的船員提供快速、高效的模擬訓(xùn)練服務(wù)。

對于軍用船和公務(wù)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(diào)距槳和齒輪箱,有的還配置有聯(lián)合動力設(shè)備和專用作業(yè)設(shè)備等,導(dǎo)致其主推進監(jiān)控系統(tǒng)特別復(fù)雜,即使是具有豐富經(jīng)驗的船員,在經(jīng)過一般的訓(xùn)練之后也很難勝任相關(guān)工作。因此,有必要采用經(jīng)濟有效的方式為此類船舶開發(fā)專用的模擬訓(xùn)練系統(tǒng),通過基于硬件在環(huán)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)幫助船員快速獲得必要的操作技能。

本文以新研發(fā)的某型船舶推進監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ),考慮將模擬訓(xùn)練系統(tǒng)嵌入到實船系統(tǒng)中,使推進監(jiān)控系統(tǒng)的所有硬件設(shè)備在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中在環(huán)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(xùn)練的真實性,使學(xué)員真正融入到實際的操縱環(huán)境中,增強訓(xùn)練的實際效果。

1 輪機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

在民用領(lǐng)域,國內(nèi)外的輪機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)以各類培訓(xùn)機構(gòu)、高校和資格評定單位的岸基模擬訓(xùn)練系統(tǒng)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(xùn)練系統(tǒng)。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(yè)都只開發(fā)了通用型岸基輪機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[1]。我國的輪機模擬器開發(fā)雖然起步較晚,但已開發(fā)出很多輪機模擬訓(xùn)練系統(tǒng),相關(guān)技術(shù)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(fā)基于硬件在環(huán)的輪機模擬訓(xùn)練系統(tǒng),需面對滿足甚至制定相關(guān)標準方面的挑戰(zhàn)。

在軍用領(lǐng)域,國外開發(fā)了大量實船硬件在環(huán)模擬訓(xùn)練系統(tǒng),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(fā)的相關(guān)產(chǎn)品[1]。AAI公司產(chǎn)品的特點是采用分布式體系結(jié)構(gòu)將現(xiàn)有的艦上嵌入式訓(xùn)練器與岸上訓(xùn)練器結(jié)合起來協(xié)同訓(xùn)練,同時能將各艦艇與位于不同母港的潛艇連接起來協(xié)同訓(xùn)練;SIEMENS公司產(chǎn)品的特點是能為訓(xùn)練艦員操作輪機自動化系統(tǒng)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(xùn)練系統(tǒng),在岸上安裝的是陸上訓(xùn)練系統(tǒng);CAE公司產(chǎn)品的特點是將訓(xùn)練數(shù)據(jù)總線與工作數(shù)據(jù)總線隔離開,根據(jù)實際需求切換使用。我國以往在監(jiān)控系統(tǒng)實船硬件在環(huán)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究方面開展的工作相對較少,在此情況下,可根據(jù)國外相關(guān)設(shè)備的應(yīng)用和發(fā)展情況,結(jié)合自身的特點,開發(fā)滿足我國船舶應(yīng)用需求的相關(guān)產(chǎn)品。

在軍用船和公務(wù)船領(lǐng)域,由于這2種船型對船員的培訓(xùn)需求較大,該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的應(yīng)用會逐漸增多;在民船領(lǐng)域,隨著科技的不斷發(fā)展,在技術(shù)、成本和需求達到平衡之后,該系統(tǒng)會得到實船應(yīng)用。同時,該系統(tǒng)采用的基于硬件在環(huán)的嵌入技術(shù)和解決方案在實際產(chǎn)品開發(fā)中具有一定的實用價值,例如可在設(shè)備測試和自檢中應(yīng)用。

2 系統(tǒng)概述

本文主要對以船舶主推進系統(tǒng)為基礎(chǔ)的輪機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進行介紹。船舶主推進系統(tǒng)主要包括主機、齒輪箱、調(diào)距槳、軸系和主推進監(jiān)控系統(tǒng),其中主推進監(jiān)控系統(tǒng)的功能包括自動控制、監(jiān)測報警和安全保護,主要使命是保障船舶主推進系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)提供有人機交互界面,能實時反映所有設(shè)備的運行狀態(tài)。主推進監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備以電子類元器件為主,便于嵌入模擬訓(xùn)練系統(tǒng),能實現(xiàn)對整個推進系統(tǒng)進行模擬訓(xùn)練的功能。

主推進監(jiān)控系統(tǒng)由控制分系統(tǒng)、安全保護分系統(tǒng)和監(jiān)測報警分系統(tǒng)等3部分組成,這3個分系統(tǒng)相互獨立,各分系統(tǒng)的設(shè)備通過CAN(Control Area Network)總線組成一個內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),且左右2套設(shè)備相互獨立,各系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)與上層平臺以太網(wǎng)交互數(shù)據(jù)。

1) 控制分系統(tǒng)實現(xiàn)對主推進裝置的自動遠程控制,包括主機啟停、主機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、齒輪箱接排與脫排控制和調(diào)距槳槳角控制等,自動根據(jù)車令實現(xiàn)機槳聯(lián)控、負荷保護和聯(lián)鎖保護控制等功能;

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

3) 監(jiān)測報警分系統(tǒng)實現(xiàn)對主推進裝置及輔助系統(tǒng)或設(shè)備運行狀態(tài)的集中監(jiān)測、信息顯示、越限報警和數(shù)據(jù)存儲及管理等功能。

主推進監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)備組成及功能見表1,總體架構(gòu)見圖1。

圖1 主推進監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)

表1 主推進監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)備組成及功能

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 設(shè)計原則

基于硬件在環(huán)的實船模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)實船監(jiān)控系統(tǒng)的框架設(shè)計,解決好訓(xùn)練系統(tǒng)的嵌入方式問題,以及仿真系統(tǒng)中模型的模擬范圍問題[6]。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計以實船推進監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ),嵌入模擬訓(xùn)練功能,整個監(jiān)控系統(tǒng)的硬件資源均在環(huán)工作。該系統(tǒng)的設(shè)計遵循以下原則:

1) 安全性。系統(tǒng)軟件的運行模式可分為“航行模式”和“訓(xùn)練模式”2種,“航行模式”的優(yōu)先級高于“訓(xùn)練模式”,進入“訓(xùn)練模式”需經(jīng)過多重條件判斷,滿足條件方可進入,而在“訓(xùn)練模式”中,只要觸發(fā)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(shè)備安全運行和船舶安全航行。在“訓(xùn)練模式”下,所有控制輸出的I/O(Input/Output)通道都自動閉鎖,不發(fā)出相應(yīng)動作指令。

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

3) 信號切入。模擬機建立的模型可用來模擬主機、齒輪箱、調(diào)距槳和軸等設(shè)備的運行狀態(tài),通過網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)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(shè)備與實際采集信號的設(shè)備完全一致,能保證模擬訓(xùn)練系統(tǒng)與實際的監(jiān)控系統(tǒng)高度一致。

4) 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)雖然利用的是推進監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)硬件資源,但在通信協(xié)議方面采用了虛擬的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與其進行隔離和區(qū)分,在航行模式下能自動屏蔽訓(xùn)練模式下的數(shù)據(jù)。

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

3.2 具體實現(xiàn)

該實船訓(xùn)練系統(tǒng)基于某型船原有的推進監(jiān)控系統(tǒng)配置,未增加新的硬件設(shè)備,通過軟件開發(fā)實現(xiàn)推進監(jiān)控和模擬訓(xùn)練雙重功能。采用這種嵌入方式能大大提升監(jiān)控系統(tǒng)的資源利用率,節(jié)省設(shè)備采購成本和艙室空間。在船舶航行時,監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)于航行模式;在船舶停航時,可根據(jù)需求組織船員進行模擬訓(xùn)練,監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)于訓(xùn)練模式。從圖1中可看出,在推進監(jiān)控系統(tǒng)中,遙控控制分系統(tǒng)、監(jiān)測報警分系統(tǒng)和安全保護分系統(tǒng)分別通過各自的設(shè)備實現(xiàn)各自的功能,各分系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備通過雙冗余CAN總線組網(wǎng)形成一個獨立的系統(tǒng),各分系統(tǒng)通過各自的網(wǎng)關(guān)與平臺以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)也幾乎按原推進監(jiān)控系統(tǒng)的功能實現(xiàn)模擬訓(xùn)練功能,集控室內(nèi)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(shù)據(jù)監(jiān)控保存功能和模擬訓(xùn)練管理功能等。

整個模擬訓(xùn)練功能的實現(xiàn)流程如下:

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

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

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

系統(tǒng)總體運行流程見圖2;控制分系統(tǒng)運行流程見圖3;安全保護分系統(tǒng)運行流程見圖4;監(jiān)測報警分系統(tǒng)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(tǒng)總體運行流程

圖3 控制分系統(tǒng)運行流程

圖4 安全保護分系統(tǒng)運行流程

圖5 監(jiān)測報警分系統(tǒng)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(guān)鍵技術(shù)運用

3.3.1 虛擬現(xiàn)實與建模仿真技術(shù)

通過將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與建模仿真技術(shù)相結(jié)合,利用虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)逼真的動態(tài)圖,準確反映設(shè)備的運行狀態(tài),利用仿真軟件建立設(shè)備運行的數(shù)學(xué)模型,模擬設(shè)備在各種工況下的運行狀態(tài)。將兩者有機結(jié)合,創(chuàng)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(gòu)思中得到啟發(fā)的信息環(huán)境,從而提升在船培訓(xùn)效果的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

3.3.2 嵌入式融合技術(shù)

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)根據(jù)實船監(jiān)控系統(tǒng)的框架設(shè)計,能解決系統(tǒng)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(tǒng)在安全性、設(shè)備運行可靠性和模擬訓(xùn)練效果等方面的需求得到滿足。通過采用虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信,遵循原系統(tǒng)的通信協(xié)議,采取網(wǎng)絡(luò)容錯保護機制,保證仿真信號不干擾監(jiān)控層信號;同時,將控制器輸出的對外部設(shè)備產(chǎn)生控制效果的通道關(guān)閉,保障被控設(shè)備的安全。仿真信號從控制器底層以網(wǎng)絡(luò)的方式切入,各操作部位的人機界面均能實現(xiàn)與航行模式相同的操作顯示效果,模擬訓(xùn)練的逼真度較高[7]。

3.3.3 智能評估技術(shù)

目前我國的艦員模擬訓(xùn)練在學(xué)時和學(xué)習(xí)效果方面還沒有統(tǒng)一的綜合評估方法。因此,可根據(jù)綜合模擬訓(xùn)練系統(tǒng),基于仿真訓(xùn)練情況設(shè)計智能化的課程配置和綜合評估方法,根據(jù)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?qū)崿F(xiàn)綜合評價,并在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中增加相應(yīng)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(yīng)用于輪機實操評估中,發(fā)揮專家系統(tǒng)在知識推理方面的優(yōu)勢和遺傳算法在智能優(yōu)化方面的優(yōu)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(shù)據(jù);選擇合適的智能評價方法和模型;對評價過程和評價結(jié)果進行評估和檢驗。

4 系統(tǒng)的主要功能

4.1 航行模擬訓(xùn)練功能

當(dāng)系統(tǒng)在訓(xùn)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(diào)距槳等設(shè)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(fā)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(shè)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(xùn)練效果。

4.2 故障設(shè)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(shù)設(shè)置界面,教練員可對安全保護分系統(tǒng)、監(jiān)測報警分系統(tǒng)和控制分系統(tǒng)等設(shè)置各類故障或限制,模擬船舶航行過程中可能出現(xiàn)的各類越限報警、斷線報警、聯(lián)鎖報警、限制報警、降速報警和停車報警等,考察船員對設(shè)備操縱的熟練程度和故障排除能力。

4.3 學(xué)員綜合評估管理功能

為更好地實現(xiàn)訓(xùn)練功能,該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)還可根據(jù)船員的要求加載設(shè)備的操縱指導(dǎo)書和操縱視頻動畫等教材,對學(xué)員的信息進行管理,根據(jù)訓(xùn)練情況和訓(xùn)練水平推送及設(shè)置相應(yīng)的課程和等級考試,并對學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)水平進行綜合評估。同時,該系統(tǒng)可對學(xué)員的學(xué)習(xí)情況進行實時記錄,并給出相應(yīng)的評價和指導(dǎo)意見,歷史數(shù)據(jù)方便查詢管理。此外,該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用功能,可將航行數(shù)據(jù)或模擬訓(xùn)練數(shù)據(jù)導(dǎo)入到仿真模型中運行,既可用于進行教學(xué)指導(dǎo)和模擬訓(xùn)練,又可在典型事件發(fā)生時使模型脫離原數(shù)據(jù)而自行接管運行,考察學(xué)員的分析和處理能力。

5 產(chǎn)品及應(yīng)用前景

由上海船舶運輸科學(xué)研究所有限公司開發(fā)的基于硬件在環(huán)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)樣機的試驗、軟件測評和項目結(jié)題評審工作均已完成,具備裝船條件,后續(xù)將根據(jù)船廠的要求裝船使用。樣機試驗結(jié)果表明,該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計合理,能模擬出與實際航行操作相似的工作環(huán)境,使受訓(xùn)人員獲得與實際相符的心理和生理適應(yīng)性,大幅提升訓(xùn)練質(zhì)量,整體應(yīng)用效果良好。

該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是基于實船推進監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的,未增加新的硬件設(shè)備,通過合理的嵌入方式和軟件開發(fā)實現(xiàn)各項功能,在陸地上也能獨立運行,可根據(jù)需求作為陸上模擬訓(xùn)練系統(tǒng),訓(xùn)練功能與在船上基本一樣,大大擴展了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。此外,該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計方案可為其他新船型設(shè)計和舊船升級改造提供模擬訓(xùn)練系統(tǒng)嵌入方面的參考。

6 結(jié) 語

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