基于xPC Target平台的实船训练系统

李又一 王海燕 乔 南

(上海海事大学 商船学院，中国 上海 201306)

0 引言

我国拥有18000多公里的海岸线和12.3万公里的内河航运线，拥有庞大的船队，船员个人的技术水平与管理能力是整个船队实行正常营运和安全的基本保证。随着科技技术的不断进步，船舶自动化系统在安全性、可靠性、经济性等综合指标方面逐渐完善。如今，船舶自动化系统成为船员个人能力延伸的有效工具，尤其是机舱自动化。经过几代技术发展，逐渐形成了各种手动、半自动、全自动的轮机设备的自动控制。因此船员操作船舶自动化系统需要的技能和知识要求是很高的，并且还在不断的进步中，对船员培训的工作越来越具有挑战性。因此为了训练船员在正常和紧急情况下对船舶主动力装置系统的实际操作能力,培养学员对船舶主动力装置系统的感性认识,许多航海院校建立了陆上轮机模拟器对学生进行模拟操作培训,船公司也对新船员进行海上航行训练[1]。

使用陆上轮机模拟器是一种有效提高船员专业技能的训练手段,因其安全、经济、可控、高效等独特优势一直以来都受到各国航运界人士的高度重视，取得了巨大的成功。它是利用计算机技术,模拟船舶动力装置和控制系统的特性,设置各种工况和运行环境,进行操作和训练。但是轮机模拟器只能在岸上进行，另外由于陆上的轮机模拟器和实际的船舶有差异。而海上航行训练是在航行过程中,船员在实际的船舶环境中操作实际的船舶自动化系统和设备，可以边工作边学习。但是这种训练不能提供故障的处理，训练周期长，投入和风险大，不利于系统的学习[2]。

因此把这两种训练方式结合起来，优势互补,在实船上建立一个综合训练环境——实船训练系统。这一训练方法综合了以上2种训练方式的优点,一是计算机模拟仿真系统能够模拟航行情况和设置故障工况,二是实船训练是在实际装备上进行操作[2]。

本文提出一种基于xPC Target的实船训练系统，将仿真模拟训练系统嵌入到实际的船舶中，以实现对船员进行培训的目的。

1 系统的总体结构

本研究的目的建立一套包含机-桨-船模型在内实船训练系统，其首要功能是提供一个真实的训练环境，使船员在平时工作环境中,学习主推进系统的各项操作和故障处理,使训练好像在航行中实际操作一样；并且也可以用来对主机遥控系统及集控室其他监控系统的性能进行监测。

1.1 系统整体结构框图

该系统的整体框图如图1所示，虚线下部为实际的操纵手柄和监控设备，上部是柴油机硬件在环平台。该平台采用基于Matlab/xPC目标的双机仿真结构，由监控计算机和实时仿真计算机组成。实时仿真计算机为xPC体系的目标机，运行动力装置实时仿真程序；监控计算机一方面作为xPC体系的宿主机，另一方面也运行状态监控程序。目标机和宿主机通过以太网通信。

目标机可通过数据采集板卡或CAN总线实现数据的输入输出。仿真系统计算的实时数据经过传感器信号模拟器，转换为实际船舶常用传感器信号再输出，特别是热电偶和热电阻信号，使仿真器能够提供更真实的仿真环境。遥控系统的命令信号经过仿真系统内部的信号分配器，分别送入目标机和宿主机，控制仿真系统的运行并在监控系统中记录。

图1 系统整体设计结构图

1.2 xPC Target平台

在实时仿真领域中，MATLAB/Simulink占有举足轻重的地位，仿真模型建立和硬件在环仿真，都可以使用MATLAB来完成，形成了一整套的系统。xPC Target是Marh Works公司发行和提供的一个基于Real Time Workshop体系框架的附加产品，可将普通的PC机转变为一个实时系统，并且支持许多类型的I/O设备板卡，例如数据采集卡，CAN通讯卡等。

采用Matlab xPC平台构建实船训练系统的优点：

（1）构建基于xPC的低成本硬件在环实时仿真系统，即节约成本也可以实现实时仿真的功能，在船舶动力装置仿真中尚不多见。

（2）采用实际电路将计算得到的数据转换为实际的传感器信号，使仿真系统能够为提供更真实的仿真环境。

（3）采用以太网和CAN总线通信，保证了仿真系统的先进性，并便于扩展以及和其他系统互连。

（4）可以利用Matlab命令行接口来修改参数，或通过Simulink外部模式来进行模型参数的调整。

（5）在仿真模型运行过程中可以信号进行监测、跟踪和数据记录，允许用户捕获、存储和显示突发数据，可以通过数据库记录可获得整个程序执行期间的数据，采集到的信号数据可以上传到主机，用户可以进行分析和存档。

（6）使用Simulink建模，因为Simulink是图形界面，可以利用鼠标单击和拖拉将模块拖入到模型之中，因此建立仿真系统模型就像绘制系统的方框图一样，具有直观、方便、更灵活的优点[3]。

1.3 轮机仿真系统通讯平台

本研究建立的轮机系统仿真通讯平台是一个混合P2P结构的通用型分布式仿真平台。其功能是将做好的仿真模型嵌入到该平台，通过以太网根据制定好的协议进行数据传输，从而达到快速的模拟器开发工作；该平台可以实现仿真实时数据的同步传输；降低了服务器的重要性。

1.4 实船训练系统的硬件设备

宿主机即教练机如图1所示的监控计算机用来运行Simulink来对模型修改、搭建等操作以及对目标机进行监控，宿主机采用普通基于x86架构的PC即可。

目标机即仿真计算机如图1所示的实时仿真计算机用来运行动态实时仿真模型和与主机遥控和监控系统完成数据交换。目标机采用工业控制机以满足I/O接口数量的需求。

2 实船训练系统的设计

2.1 实时动态仿真模型

柴油机模型采用容积法模型。由于大型低速主机都是直接可逆转的，因此，所建模型必须包括启动、制动、换向及反向启动和反向运转等工作过程；具有较好的实时性，在主流配置的PC机上满足实时仿真要求，并在xPC目标中实现实时仿真。

建立与柴油机相匹配的定距螺旋桨的四象限运动模型，可计算船舶前进螺旋桨正转、船舶前进螺旋桨逆转、船舶倒退螺旋桨正转、船舶倒退螺旋桨逆转等四个象限中的螺旋桨推力和扭矩变化；与船舶运动模型相匹配，计算在船舶动态运动工况下螺旋桨的运动特性。

完成机-桨-船联合仿真，考察在船舶在不同航行工况下，柴油机性能的变化，包括：转速、扭矩、排温、爆炸压力、压缩压力、扫气压力、排气压力、透平转速等多种性能参数。

传统的岸上轮机模拟器中实时仿真系统模型一旦建好，就很难对其参数进行修改，但是在实际的船舶中随着运营时间的增加，运行工况肯定会发生改变，因此实船训练系统需要仿真模型跟实际设备具有一致的响应和信号，如果仿真系统模型改变的话，一定会与实际船舶设备有较大差异，失去了实船训练的效果。因此，主动力实船训练系统的仿真模型可以进行修改，及时修正系统的仿真模型，当处于实船训练模式时，本研究利用修正过的系统模型模拟系统运行信号，获得精确真实的训练效果[4]。

2.2 接口设计与信号模拟

收集实际设备所需采集的信号（包括类型、数量、取值范围等）以及所发出的命令的信号类型、数量、取值范围等信息。这些信号信息需要多方调研，尽量多的包含现有遥控系统和监控系统所需的各种信号。根据这些信息并考虑一定的扩展能力，设计标准化的物理接口，提高系统的可用性。提供RS485和CAN总线，提高系统的通用性和可扩展性，也可以通过以太网与外界完成数据交换。

信号模拟主要是将模型解算出的数据转换为相应的传感器信号，特别是热电阻和热电偶信号模拟。

2.3 训练内容设置和评估

实船训练系统包括一系列的培训课程内容要求。训练课程可以调动船员训练的学习兴趣和积极性。对于熟练程度不同的学员，设置不同难度、不同范围和的不同侧重点训练内容，为所有船员提供合适的训练。训练课程除包括正常操作训练外，还包括对故障工况和异常工况的处理的训练。如何更加科学地有效地设置训练内容，是深入研究和探讨。

实船训练系统不仅可以正常运行、提供操作练习的轮机模拟器，它更加具备教学的功能。教学功能包括对训练过程进行，对学员训练情况进行评估，提供给学员反馈信息和如何改善训练，记录和分析训练过程，保存个人和集体的训练一记录和训练缺陷一记录等。

实船训练系统可以对船员的训练进行评估，评估体系可以给出学员一个评定等级，可以使船员能够根据自己所得的成绩和评价，找出自己的不足和缺点以进行改进。当船员在训练时出现严重错误，训练评估系统可以发出警告和进行纠正，使学员不至于在错误中越走越远。[5]

3 结束语

实船训练系统相对于岸上轮机模拟器和海上航行训练具有安全、经济、训练效率高等优点。本文利用Matlab—xPC实时仿真系统设计和构建了含有机-桨-船在内的一套实船训练系统，充分利用xPC Target系统易于构建和Simulink建模方便的优点。由于时间仓促，个人的水平有限，对于该系统还在试验阶段，实验结果需要更多的验证。本研究存在一些不足之处：该实船训练系统仅用于集控室和在内的监控系统，对于集控室外部自动化设备没有进行互动。但是本研究可以为后续的实船训练系统的开发提供借鉴意义。

［1］陆锦辉,张敏.主推进系统实船训练系统的研究与实现[J].上海船舶运输科学研究所学报,2006,29(1)∶6-13.

［2］华梅堂.STI-VC2100主动力装置实船训练系统实时性探讨[J].上海船舶运输科学研究所学报,2008,31(1)∶1-5.

［3］张永光.基于Xpc Target的发动机ECU硬件在环测试平台的研究与开发[D].浙江大学,2011.

［4］谢宽,吴杰长,陈国钧,等.基于 CompactRIO平台的舰船实船训练系统[J].机电工程,2013,30(4).

［5］王天昌.船舶主动力装置训练系统建模与仿真研究[J].大连∶大连海事大学,2008,1.