船舶操纵控制嵌入式训练系统设计与实现

肖剑波+胡大斌+胡锦晖+王立伟

摘 要： 嵌入式仿真训练系统将模拟训练与实装训练相结合，利用仿真技术，将模拟训练功能嵌入到真实武器平台中，利用真实武器系统进行高逼真度的训练，是改善训练模式，提高训练效能的有效途径。介绍嵌入式训练系统的原理及当前发展现状；对船舶操纵控制系统模块进行分析，提出了系统改造的总体方案，并就嵌入式训练系统与实际操作之间的安全切换、嵌入式训练系统建模技术、仿真评估及故障仿真等关键技术进行研究。通过嵌入式训练功能加装，可以提高装备训练能力，降低训练成本，并为新研制装备的嵌入式模拟训练系统提供理论支持，具有非常重要的意义。

关键词： 嵌入式训练系统； 操纵控制； 建模； 评估； 故障仿真

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）20?0080?04

Design and implementation of embedded training system for ship maneuvering control

XIAO Jian?bo， HU Da?bin， HU Jin?hui， WANG Li?wei

（College of Power Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China）

Abstract： The Embedded training simulating system， which combines the simulation training and on?board training together， can get a high fidelity training environment by using real equipments. The Embedded training system can reduce the cost of training and improve the training efficiency. It is getting more and more popular nowadays. The principle and the development status of the embedded training system is introduced. The general scheme of the system improvement is proposed based on the analysis of modules of ship maneuvering control system. The key technologies of the embedded training system， such as safe switch between training mode and actual operation mode， system modeling， simulation evaluation and fault simulation， are studied. The embedded training function added to the system can not only improve the equipment training ability， but also reduce the training cost. The study can provide academic support to newly developing equipments.

Keywords： embedded training system； maneuvering control； modeling； evaluation； fault simulation

0 引 言

现有舰船机电系统的训练，主要采用理论教学、模拟器操练、实际装备冷态操练（冷操）、实际装备运行中操练（热操）等方式，其训练效果和训练损耗显而易见。与上述训练方式相比，嵌入式训练系统，又称为“实船训练系统（On?Board Training System，OBTS）”，因能够充分利用实际装备上不易故障的监控系统人机界面、节省大量模拟训练器材生产费用、“以实装冷操所消耗的设备与能源，获得实装热操的训练效果”，而受到国内外广泛的重视。

船舶操纵控制系统是借助操纵装置改变或保持船舶速度、姿态、方向和深度的系统，在船舶生命力及作战使命中占有极为重要的地位。在各种作战背景和海洋环境下良好的操纵船舶，对于保证航行安全，充分发挥船舶的战技术性能、占据有利阵位、发挥火力、打击敌人以及提高经济性，都具有非常重要的意义。

本文通过分析现有船舶操纵控制系统功能结构，提出一种基于现有装备加装嵌入式训练功能的方案。并就嵌入式训练模式与操纵控制模式之间的安全切换、嵌入式训练系统建模技术、仿真评估及故障仿真等关键技术进行了研究。

1 嵌入式训练系统内涵特征

嵌入式训练是将训练集成到装备中，实质是在武器装备中嵌入一种能力，这种能力使得操作人员能够看到虚拟世界，并通过与武器装备中子系统的交互实现训练、任务演练、战场可视化、效果测试和评估等功能。将训练系统嵌入到实际装备中，在真实的装备环境下实施的训练，可使受训者获得与实战相符的心理与生理适应性，大幅提升训练质量。

嵌入式训练系统的基本构架如图1所示。

图1 嵌入式训练系统的基本构架

美国训练与条令司令部（TRADOC）在其条例350?70?XX中定义：嵌入式训练是一种能依靠相关的操作系统开展训练的能力，且支持单兵、全员及协同训练应用。其包括允许通信及训练用操作能力以及战术使用和通过附加的或者嵌入式仿真实现系统操作控制的系统设计。主要可以分为以下三种方式[1?2]：

完全嵌入式（Fully Embedded）：嵌入式训练系统完全嵌入到原型系统中；

附加嵌入式（Appended Embedded）：嵌入式训练系统在需要时被安装或附加到原型系统中，不需要的情况下可以移除；

脐带嵌入式（Umbilical Embedded）：和附加嵌入式相类似，脐带式在需要时被安装或附加到原型系统中，不需要的情况下可以移除，但其包含附加到外部部件（如电脑、教练员控制台及其他网络）的物理连接。

嵌入式训练具备如下特征[3?8]：

（1） 具有较强的真实性，依托和利用真实装备开展训练与演习，逼真度较高。

（2） 时效性好，便于组织和开展新的训练，保证训练的连续性；可以方便的修改和发布训练内容；并可以在脱离教练员的支援和帮助下开展训练。

（3） 可以在虚拟环境下开展大跨度训练及演习。

（4） 通过训练记录保持和训练评估，有利于决策指挥，有效地修正决策者及指挥员的意图及指令，减少决策失误。

（5） 训练耗费较低，通过模拟的逼真战场环境，可以实现对抗战法、战术训练及指挥、特情处理训练，有效提高学习效率。

2 改造方案分析

某型船舶操纵控制系统主要由中央控制台、操舵液压系统、电液控制仪器、电源分配仪器、舵角信号反馈设备、接线盒等组成。其中中央控制台是操纵系统的核心组成，具有数据处理、网络通信和综合显示能力。

为实现操纵控制系统加装嵌入式训练功能，且保证系统与外部系统交互、控制等不受影响，对现有系统改造遵循如下原则：尽可能不改变原有系统的硬件结构；在训练工况与工作工况切换过程中，必须确保系统安全性；系统与外界交互的数据信息格式及内容不变。

在原系统基础上实现嵌入式训练功能，为防止训练过程中舵机等的误动作，必须实施实际控制信号的屏蔽，以仿真信号作为反馈替代实际信号。根据系统的实际情况，可以考虑在两个层面上切入仿真信号：软件层和信号层。对应下述的软件层切入和信号层切入两类方案。

2.1 软件层切入

软件层切入是指对系统软件进行替换，在新版软件系统中加入仿真模型模块。系统在工作模式下软件的运行控制与原有系统相同，系统运行所产生的控制信号输出到对应的执行结构，如液压系统等，完成相应的控制。而在训练工况下，系统运行控制功能模块接受操纵面板输入，并生成控制信号输出到仿真模型模块，仿真模型通过仿真执行结构动作，进行舵角、船舶姿态等反馈，并实时更新相关显示。

为实现系统工作模式与训练模式之间的安全切换，加装信号控制器控制电液分配仪。当切换到训练模式时，切断电液分配仪向执行结构的输出，包括供电及液压系统，以防止系统误动作。

此类方案可以在对系统硬件进行最小更改的情况下实现嵌入式训练功能，保持训练操作与实际操作的一致性。但其难以实现训练设置与训练评估，且无法实时设置故障进行应急操纵训练，具有一定的局限性。

2.2 信号层切入

第二种方案是在信号层切入仿真信号，系统原有的操纵控制界面及硬件系统保持不变，通过仿真模型模拟船舶及相关执行机构运行状态，并通过改造主控计算机软件系统，加装仿真模型模块、数据交换模块。系统运行所产生的控制信号输出后不发送至各控制器，而由仿真模型屏蔽并通过控制指令推动模型的动态运行，仿真模型的反馈信号输入到显示界面实现更新。选用便携式计算机作为教控台，当系统进行训练时，通过数据交换模块通信接口实现教控台的脐带式嵌入。

为实现系统工作模式与训练模式的安全切换，在每个控制器上增加额外通信模块，这样充分保留了原系统设备，仅仅屏蔽了主控制计算机到执行机构及传感器之间的信号。且系统使用实际控制器，还可以实现嵌入式训练程序调试和静态检查操纵控制系统到传感器及执行机构的信号故障及电气故障，产生了附加功能。

通过比较分析得出，第二种方案可以较好地满足嵌入式训练的需求。系统从结构上可以分为实船设备和教控台两部分，操纵控制系统主控计算机增加数据交换模块、仿真模型模块，教控台系统软件主要包括仿真训练控制模块、训练设置模块、数据记录模块及评估模块等，可以实现训练发布、故障设置、数据记录及仿真评估等功能。

3 关键技术

3.1 嵌入训练及操作控制之间的安全切换

嵌入式训练系统将虚拟模型嵌入到真实装备系统当中，因此必须要有相应的措施既保证训练安全，又能快速返回到操作控制模式，不影响操纵控制系统的作战效能，在确保安全的情况下实现训练模式和操作控制模式的快速切换。

在本系统样机研制过程中，通过在每个控制器上增加额外通信模块，实现主控制计算机到执行机构及传感器之间的信号的屏蔽。在训练模式下，通过控制器切断控制计算机向外部执行结构等的传输，以避免误动作。当切换到操作控制模式时，断开主控计算机与仿真模型之间的交互，并接通控制器，实现输出控制。

3.2 数学模型

操纵控制嵌入式训练系统，利用数学仿真模型模拟本船操作响应，以实现操作控制系统执行结构不动作的情况下，完成艇员实船训练的目的。

仿真模型的建立是实现该系统嵌入式训练功能的关键。操纵控制系统所涉及的平台仿真模型包括船舶空间运动六自由度模型、船舶水面运动模型、方向舵模型、舯舵模型、艉舵模型、均衡模型、潜浮模型、螺旋桨推力模型及波浪力模型等。

系统基于模块化建模方法建立仿真平台模型，以规范化的标准建立基本设备和部件的数学模型，将它们开发成通用的基本模块（子程序），用其组合成不同类型子系统的模型（仿真程序），以降低建模的复杂性，缩短建模时间，增加模型的通用性。

仿真平台运动模型主要模块结构图如图2所示。

3.3 训练评估

考核评估是仿真培训中十分重要的一个环节，一般依靠教练员主观评判打分的方式。但这种方式不仅评估结果具有极大的主观性、延时性，而且还需要耗费大量的人力物力资源。

图2 操纵控制系统模块化分解图

通过建立评估系统，以相关领域的专家知识和技术人员丰富的实际经验作为评估标准，使用编程技术实现对考核人员的智能评估，这不仅提高了评估的效率和公正性，而且节省了大量的经费。

智能评估系统的结构原理如图3所示，考核人员在控制台上操作，监控软件将操作数据记录到数据库之中。分析数据库中的数据，对考核人员的实际操作水平进行评估，然后给出客观、合理的评估结果。智能评估系统还能实现对培训过程进行各种管理，如人员信息的存储、查询、打印等。

图3 智能评估系统的结构原理图

智能评估系统主要有数据库和评判程序两部分组成。数据库包含有如下三类数据：操作人员操作信息数据，记录受训者操作时各仿真变量随时间的变化；评估知识库数据，其根据实际操作经验作为专家知识存储在计算机中，是实现评估系统准确有效的关键；第三类数据主要是考生的基本信息和考核成绩，为培训的总结及提高提供依据。

评判程序分为如下四个模块：评估系统维护管理模块、评估规则和参数管理模块、评估的项目管理模块、考生信息管理模块。

系统考核与评估基本流程如下：首先将系统操作过程进行分解为一系列相对简单、独立的子过程，按照操作规范制定评估规则，对系统操作控制信号进行采集、记录，并通过模糊综合评估法进行操作评估。

3.4 故障仿真

船舶操纵控制系统由复杂的机、电、液压系统组成，系统的安全直接影响到船舶航行安全。当操纵控制系统出现异常时，艇员如何根据出现的异常状况判断故障，采取相应对策控制及保持浮力，是降低事故隐患，避免重大海难事故发生的重要途径。因而，故障仿真训练对于船员具有非常重要的意义。

首先依据船舶操纵控制系统的结构，建立相应的故障模型，将可能出现的故障现象和故障原因转化为故障数据库，如表1所示。

表1 故障数据库

在仿真模型中，添加故障仿真处理模块，如通过设置并保持对应舵角值模拟舵卡故障等。在训练过程中，教练员可以通过教控台设置故障，仿真模型依据故障模拟当前故障现象，并将对应反馈通过通信接口发送至操纵控制台相关显示模块。

4 结 语

针对常规训练装备损耗大、训练耗费高等问题，基于嵌入式设计思路，提出了在现有船舶操纵控制系统中加装嵌入式训练功能的方法。对比分析了两种不同嵌入式方案，并对嵌入式训练涉及的训练模式与操纵控制模式之间的安全切换、仿真模型建立、智能训练评估及故障仿真等进行了研究。通过嵌入式训练功能的加装，可以大幅度减少训练投入及训练场地依赖度，显著提高训练效益，对军事训练改革具有重要意义。同时，作为现有武器装备加装嵌入式功能的探索，本文对其他武器装备平台嵌入模拟训练功能具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1] 孔庆福，宋金阳，张晓东，等.船舶轮机模拟训练装置技术现状及发展趋势[J].舰船科学技术，2010，32（1）：138?140.

[2] 常天庆，张波，赵鹏，等.嵌入式训练技术研究综述[J].系统仿真学报，2010，22（11）：2694?2697.

[3] 于谅，孙晓博.车内嵌入式仿真系统研究[J].情报指挥控制系统与仿真技术，1999（12）：59?63.

[4] L?3 Inc. Combined IPMS + IBS for the Indian Navy P28 Stealth Corvettes [EB/OL]. [2013?05?16]. http：//www.l?3com.com/MAPPS.

[5] L?3 Inc. From the largest naval IPMS to the largest IPMS upgrade， big Wins for L?3 [EB/OL]. [2013?05?16]. http：//www.l?3com.com/MAPPS.

[6] WEDZINGA Gosse. E?CATS： First time demonstration of embedded training in a combat aircraft [J]. Aerospace Science and Technology， 2006， 10（10）： 73?84.

[7] BILLS C G， FLACHSBART B， LCDR S K， et al. F?35 embedded training [EB/OL]. [2012?08?26]. http：//ftp.rta.nato.int/MP?HFM?169?02.doc.

[8] KLAUS H， BARTOLDUS C. Training with embedded simulation [EB/OL]. [2012?08?26]. http：//ftp.rta.nato.int/MP?MSG?060.doc.

考核评估是仿真培训中十分重要的一个环节，一般依靠教练员主观评判打分的方式。但这种方式不仅评估结果具有极大的主观性、延时性，而且还需要耗费大量的人力物力资源。

图2 操纵控制系统模块化分解图

通过建立评估系统，以相关领域的专家知识和技术人员丰富的实际经验作为评估标准，使用编程技术实现对考核人员的智能评估，这不仅提高了评估的效率和公正性，而且节省了大量的经费。

智能评估系统的结构原理如图3所示，考核人员在控制台上操作，监控软件将操作数据记录到数据库之中。分析数据库中的数据，对考核人员的实际操作水平进行评估，然后给出客观、合理的评估结果。智能评估系统还能实现对培训过程进行各种管理，如人员信息的存储、查询、打印等。

图3 智能评估系统的结构原理图

智能评估系统主要有数据库和评判程序两部分组成。数据库包含有如下三类数据：操作人员操作信息数据，记录受训者操作时各仿真变量随时间的变化；评估知识库数据，其根据实际操作经验作为专家知识存储在计算机中，是实现评估系统准确有效的关键；第三类数据主要是考生的基本信息和考核成绩，为培训的总结及提高提供依据。

评判程序分为如下四个模块：评估系统维护管理模块、评估规则和参数管理模块、评估的项目管理模块、考生信息管理模块。

系统考核与评估基本流程如下：首先将系统操作过程进行分解为一系列相对简单、独立的子过程，按照操作规范制定评估规则，对系统操作控制信号进行采集、记录，并通过模糊综合评估法进行操作评估。

3.4 故障仿真

船舶操纵控制系统由复杂的机、电、液压系统组成，系统的安全直接影响到船舶航行安全。当操纵控制系统出现异常时，艇员如何根据出现的异常状况判断故障，采取相应对策控制及保持浮力，是降低事故隐患，避免重大海难事故发生的重要途径。因而，故障仿真训练对于船员具有非常重要的意义。

首先依据船舶操纵控制系统的结构，建立相应的故障模型，将可能出现的故障现象和故障原因转化为故障数据库，如表1所示。

表1 故障数据库

在仿真模型中，添加故障仿真处理模块，如通过设置并保持对应舵角值模拟舵卡故障等。在训练过程中，教练员可以通过教控台设置故障，仿真模型依据故障模拟当前故障现象，并将对应反馈通过通信接口发送至操纵控制台相关显示模块。

4 结 语

针对常规训练装备损耗大、训练耗费高等问题，基于嵌入式设计思路，提出了在现有船舶操纵控制系统中加装嵌入式训练功能的方法。对比分析了两种不同嵌入式方案，并对嵌入式训练涉及的训练模式与操纵控制模式之间的安全切换、仿真模型建立、智能训练评估及故障仿真等进行了研究。通过嵌入式训练功能的加装，可以大幅度减少训练投入及训练场地依赖度，显著提高训练效益，对军事训练改革具有重要意义。同时，作为现有武器装备加装嵌入式功能的探索，本文对其他武器装备平台嵌入模拟训练功能具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1] 孔庆福，宋金阳，张晓东，等.船舶轮机模拟训练装置技术现状及发展趋势[J].舰船科学技术，2010，32（1）：138?140.

[2] 常天庆，张波，赵鹏，等.嵌入式训练技术研究综述[J].系统仿真学报，2010，22（11）：2694?2697.

[3] 于谅，孙晓博.车内嵌入式仿真系统研究[J].情报指挥控制系统与仿真技术，1999（12）：59?63.

[4] L?3 Inc. Combined IPMS + IBS for the Indian Navy P28 Stealth Corvettes [EB/OL]. [2013?05?16]. http：//www.l?3com.com/MAPPS.

[5] L?3 Inc. From the largest naval IPMS to the largest IPMS upgrade， big Wins for L?3 [EB/OL]. [2013?05?16]. http：//www.l?3com.com/MAPPS.

[6] WEDZINGA Gosse. E?CATS： First time demonstration of embedded training in a combat aircraft [J]. Aerospace Science and Technology， 2006， 10（10）： 73?84.

[7] BILLS C G， FLACHSBART B， LCDR S K， et al. F?35 embedded training [EB/OL]. [2012?08?26]. http：//ftp.rta.nato.int/MP?HFM?169?02.doc.

[8] KLAUS H， BARTOLDUS C. Training with embedded simulation [EB/OL]. [2012?08?26]. http：//ftp.rta.nato.int/MP?MSG?060.doc.

考核评估是仿真培训中十分重要的一个环节，一般依靠教练员主观评判打分的方式。但这种方式不仅评估结果具有极大的主观性、延时性，而且还需要耗费大量的人力物力资源。

图2 操纵控制系统模块化分解图

通过建立评估系统，以相关领域的专家知识和技术人员丰富的实际经验作为评估标准，使用编程技术实现对考核人员的智能评估，这不仅提高了评估的效率和公正性，而且节省了大量的经费。

智能评估系统的结构原理如图3所示，考核人员在控制台上操作，监控软件将操作数据记录到数据库之中。分析数据库中的数据，对考核人员的实际操作水平进行评估，然后给出客观、合理的评估结果。智能评估系统还能实现对培训过程进行各种管理，如人员信息的存储、查询、打印等。

图3 智能评估系统的结构原理图

智能评估系统主要有数据库和评判程序两部分组成。数据库包含有如下三类数据：操作人员操作信息数据，记录受训者操作时各仿真变量随时间的变化；评估知识库数据，其根据实际操作经验作为专家知识存储在计算机中，是实现评估系统准确有效的关键；第三类数据主要是考生的基本信息和考核成绩，为培训的总结及提高提供依据。

评判程序分为如下四个模块：评估系统维护管理模块、评估规则和参数管理模块、评估的项目管理模块、考生信息管理模块。

系统考核与评估基本流程如下：首先将系统操作过程进行分解为一系列相对简单、独立的子过程，按照操作规范制定评估规则，对系统操作控制信号进行采集、记录，并通过模糊综合评估法进行操作评估。

3.4 故障仿真

船舶操纵控制系统由复杂的机、电、液压系统组成，系统的安全直接影响到船舶航行安全。当操纵控制系统出现异常时，艇员如何根据出现的异常状况判断故障，采取相应对策控制及保持浮力，是降低事故隐患，避免重大海难事故发生的重要途径。因而，故障仿真训练对于船员具有非常重要的意义。

首先依据船舶操纵控制系统的结构，建立相应的故障模型，将可能出现的故障现象和故障原因转化为故障数据库，如表1所示。

表1 故障数据库

在仿真模型中，添加故障仿真处理模块，如通过设置并保持对应舵角值模拟舵卡故障等。在训练过程中，教练员可以通过教控台设置故障，仿真模型依据故障模拟当前故障现象，并将对应反馈通过通信接口发送至操纵控制台相关显示模块。

4 结 语

针对常规训练装备损耗大、训练耗费高等问题，基于嵌入式设计思路，提出了在现有船舶操纵控制系统中加装嵌入式训练功能的方法。对比分析了两种不同嵌入式方案，并对嵌入式训练涉及的训练模式与操纵控制模式之间的安全切换、仿真模型建立、智能训练评估及故障仿真等进行了研究。通过嵌入式训练功能的加装，可以大幅度减少训练投入及训练场地依赖度，显著提高训练效益，对军事训练改革具有重要意义。同时，作为现有武器装备加装嵌入式功能的探索，本文对其他武器装备平台嵌入模拟训练功能具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1] 孔庆福，宋金阳，张晓东，等.船舶轮机模拟训练装置技术现状及发展趋势[J].舰船科学技术，2010，32（1）：138?140.

[2] 常天庆，张波，赵鹏，等.嵌入式训练技术研究综述[J].系统仿真学报，2010，22（11）：2694?2697.

[3] 于谅，孙晓博.车内嵌入式仿真系统研究[J].情报指挥控制系统与仿真技术，1999（12）：59?63.

[4] L?3 Inc. Combined IPMS + IBS for the Indian Navy P28 Stealth Corvettes [EB/OL]. [2013?05?16]. http：//www.l?3com.com/MAPPS.

[5] L?3 Inc. From the largest naval IPMS to the largest IPMS upgrade， big Wins for L?3 [EB/OL]. [2013?05?16]. http：//www.l?3com.com/MAPPS.

[6] WEDZINGA Gosse. E?CATS： First time demonstration of embedded training in a combat aircraft [J]. Aerospace Science and Technology， 2006， 10（10）： 73?84.

[7] BILLS C G， FLACHSBART B， LCDR S K， et al. F?35 embedded training [EB/OL]. [2012?08?26]. http：//ftp.rta.nato.int/MP?HFM?169?02.doc.

[8] KLAUS H， BARTOLDUS C. Training with embedded simulation [EB/OL]. [2012?08?26]. http：//ftp.rta.nato.int/MP?MSG?060.doc.