基于硬件在环的轮机模拟训练系统设计与实现

隗 宇, 周靖淞, 蔡云兴

(1.上海船舶运输科学研究所有限公司 舰船自动化系统事业部,上海 200135;2.中船黄埔文冲船舶有限公司,广州 510715)

0 引 言

近年来,随着智能控制技术和物联网技术等新技术在船上广泛应用,船舶设备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显差异,船员操纵船舶自动化系统所需技能是较为复杂的,这就对船员的业务水平提出了很高的要求,因此加强对船员的业务培训具有重要意义,越来越具有挑战性[1]。

由于不同船舶上的设备在操作上可能存在明显差异,船员每次到陌生的船舶上工作时都需通过模拟操作熟悉船舶设备的操作方法和使用情况等。对于民用船舶而言,其对设备成本和运营效率等因素都非常敏感,加上国内模拟训练系统产品的市场占有率较低,在船上配置和使用模拟训练系统存在一定的难度。但是,若采用的模拟训练系统完全依赖监控系统本身,无需增加新设备,只需在软件设计开发时区分2种模式和工作流程,只会略微增加开发成本;同时,随着我国船舶工业的不断发展,国产监控系统设备的市场占有率会逐步变大。这些都为基于硬件在环的模拟训练系统产品的开发和推广使用提供了可能。通过购置与推进监控系统设备价格接近,兼具推进监控系统功能和模拟训练功能的模拟训练系统,在船员轮换时为新上船的船员提供快速、高效的模拟训练服务。

对于军用船和公务船等船舶而言,其通常采用多机多轴多桨的推进方式,配置有调距桨和齿轮箱,有的还配置有联合动力设备和专用作业设备等,导致其主推进监控系统特别复杂,即使是具有丰富经验的船员,在经过一般的训练之后也很难胜任相关工作。因此,有必要采用经济有效的方式为此类船舶开发专用的模拟训练系统,通过基于硬件在环的模拟训练系统帮助船员快速获得必要的操作技能。

本文以新研发的某型船舶推进监控系统为基础,考虑将模拟训练系统嵌入到实船系统中,使推进监控系统的所有硬件设备在模拟训练系统中在环工作,在保证安全性和合理性满足要求的前提下,尽量将信号切入层延伸到底层信号输入模块,提升模拟训练的真实性,使学员真正融入到实际的操纵环境中,增强训练的实际效果。

1 轮机模拟训练系统发展现状

在民用领域,国内外的轮机模拟训练系统以各类培训机构、高校和资格评定单位的岸基模拟训练系统为主,受船舶运营效率和成本等因素的影响,很少在船上安装模拟训练系统。挪威的康士博格(KONGSBERG)公司、德国的西门子(SIEMENS)公司和英国的船商(TRANSAS)公司等国外比较有代表性的企业都只开发了通用型岸基轮机模拟训练系统[1]。我国的轮机模拟器开发虽然起步较晚,但已开发出很多轮机模拟训练系统,相关技术已接近国外先进水平,只是在模拟器标准制定方面还处于空白,国际上大多采用满足挪威船级社(Det Norske Veritas,DNV)要求的轮机模拟器[2-5]。因此,我国若要开发基于硬件在环的轮机模拟训练系统,需面对满足甚至制定相关标准方面的挑战。

在军用领域,国外开发了大量实船硬件在环模拟训练系统,比较著名的有美国的AAI(Aircraft Armaments Inc.)公司、加拿大的CAE(Canadian Aviation Electronics)公司、德国的SIEMENS公司和英国的BAE(British Aerospace System)公司开发的相关产品[1]。AAI公司产品的特点是采用分布式体系结构将现有的舰上嵌入式训练器与岸上训练器结合起来协同训练,同时能将各舰艇与位于不同母港的潜艇连接起来协同训练;SIEMENS公司产品的特点是能为训练舰员操作轮机自动化系统提供智能解决方案,可独立安装于船上或岸上使用,在船上安装的是实船训练系统,在岸上安装的是陆上训练系统;CAE公司产品的特点是将训练数据总线与工作数据总线隔离开,根据实际需求切换使用。我国以往在监控系统实船硬件在环模拟训练系统研究方面开展的工作相对较少,在此情况下,可根据国外相关设备的应用和发展情况,结合自身的特点,开发满足我国船舶应用需求的相关产品。

在军用船和公务船领域,由于这2种船型对船员的培训需求较大,该模拟训练系统的应用会逐渐增多;在民船领域,随着科技的不断发展,在技术、成本和需求达到平衡之后,该系统会得到实船应用。同时,该系统采用的基于硬件在环的嵌入技术和解决方案在实际产品开发中具有一定的实用价值,例如可在设备测试和自检中应用。

2 系统概述

本文主要对以船舶主推进系统为基础的轮机模拟训练系统进行介绍。船舶主推进系统主要包括主机、齿轮箱、调距桨、轴系和主推进监控系统,其中主推进监控系统的功能包括自动控制、监测报警和安全保护,主要使命是保障船舶主推进系统在操作人员的指令下安全可靠运行。对于正常情况下的操纵和使用而言,主推进监控系统提供有人机交互界面,能实时反映所有设备的运行状态。主推进监控系统的设备以电子类元器件为主,便于嵌入模拟训练系统,能实现对整个推进系统进行模拟训练的功能。

主推进监控系统由控制分系统、安全保护分系统和监测报警分系统等3部分组成,这3个分系统相互独立,各分系统的设备通过CAN(Control Area Network)总线组成一个内部网络,且左右2套设备相互独立,各系统通过网关与上层平台以太网交互数据。

1) 控制分系统实现对主推进装置的自动远程控制,包括主机启停、主机转速调节、齿轮箱接排与脱排控制和调距桨桨角控制等,自动根据车令实现机桨联控、负荷保护和联锁保护控制等功能;

2) 安全保护分系统实现对主推进装置的自动安全保护,通过实时采集设备运行状态信号,实现对主机的联锁保护、紧急停车、故障停车和故障降速等功能;

3) 监测报警分系统实现对主推进装置及辅助系统或设备运行状态的集中监测、信息显示、越限报警和数据存储及管理等功能。

主推进监控系统的主要设备组成及功能见表1,总体架构见图1。

图1 主推进监控系统的总体架构

表1 主推进监控系统的主要设备组成及功能

3 系统设计与实现

3.1 设计原则

基于硬件在环的实船模拟训练系统应根据实船监控系统的框架设计,解决好训练系统的嵌入方式问题,以及仿真系统中模型的模拟范围问题[6]。模拟训练系统的设计以实船推进监控系统为基础,嵌入模拟训练功能,整个监控系统的硬件资源均在环工作。该系统的设计遵循以下原则:

1) 安全性。系统软件的运行模式可分为“航行模式”和“训练模式”2种,“航行模式”的优先级高于“训练模式”,进入“训练模式”需经过多重条件判断,满足条件方可进入,而在“训练模式”中,只要触发到任意一个退出条件,立即进入“航行模式”,将所有资源都让位给“航行模式”,确保设备安全运行和船舶安全航行。在“训练模式”下,所有控制输出的I/O(Input/Output)通道都自动闭锁,不发出相应动作指令。

2) 完整性。在资源利用方面,完全采用监控系统本身的硬件,不增加新的硬件资源。为实现模拟训练功能,只需对个别硬件资源的功能进行调整,因此整个推进监控系统是一套能独立运行的模拟训练系统,也可直接将其投放到陆地上的教室内,成为陆上模拟训练系统。

3) 信号切入。模拟机建立的模型可用来模拟主机、齿轮箱、调距桨和轴等设备的运行状态,通过网络将其发送给采集该信号的控制器,尽管与通过I/O通道采集该信号存在一定的差异,但所有模拟信号的切入设备与实际采集信号的设备完全一致,能保证模拟训练系统与实际的监控系统高度一致。

4) 网络设计。模拟训练系统虽然利用的是推进监控系统的网络硬件资源,但在通信协议方面采用了虚拟的网络节点与其进行隔离和区分,在航行模式下能自动屏蔽训练模式下的数据。

5) 精度和实时性要求。受计算机算力和操作系统资源调用的不可预知性等因素影响,考虑实时性和训练效果的要求,力求仿真模拟科学准确,对仿真系统进行优化,使其满足一定的精度要求,运行结果贴近实船航行情况,具有较高的仿真训练置信度。

3.2 具体实现

该实船训练系统基于某型船原有的推进监控系统配置,未增加新的硬件设备,通过软件开发实现推进监控和模拟训练双重功能。采用这种嵌入方式能大大提升监控系统的资源利用率,节省设备采购成本和舱室空间。在船舶航行时,监控系统服务于航行模式;在船舶停航时,可根据需求组织船员进行模拟训练,监控系统服务于训练模式。从图1中可看出,在推进监控系统中,遥控控制分系统、监测报警分系统和安全保护分系统分别通过各自的设备实现各自的功能,各分系统内的设备通过双冗余CAN总线组网形成一个独立的系统,各分系统通过各自的网关与平台以太网交换数据。模拟训练系统也几乎按原推进监控系统的功能实现模拟训练功能,集控室内配备有3台计算机(分别为计算机1、计算机2和计算机3),选用计算机3作为教练员操纵平台,为其配置教练员综合管理软件,使其具有模型模拟仿真功能、数据监控保存功能和模拟训练管理功能等。

整个模拟训练功能的实现流程如下:

1) 遥控控制系统接收到模拟训练请求(按键),根据动力系统运行状态综合判断是否满足进入训练模式的条件(主机停止运行);

2) 若满足进入训练模式的条件,则通过CAN总线广播发送训练指令,各设备收到训练指令之后进入训练模式,并运行模拟训练程序;

3) 若不满足进入训练模式的条件,则通过CAN总线广播航行模式指令,所有设备运行航行模式程序。

系统总体运行流程见图2;控制分系统运行流程见图3;安全保护分系统运行流程见图4;监测报警分系统运行流程见图5;计算机1和计算机2运行流程见图6;计算机3运行流程见图7。

图2 系统总体运行流程

图3 控制分系统运行流程

图4 安全保护分系统运行流程

图5 监测报警分系统运行流程

图6 计算机1和计算机2运行流程

图7 计算机3运行流程

3.3 关键技术运用

3.3.1 虚拟现实与建模仿真技术

通过将虚拟现实技术与建模仿真技术相结合,利用虚拟现实软件开发逼真的动态图,准确反映设备的运行状态,利用仿真软件建立设备运行的数学模型,模拟设备在各种工况下的运行状态。将两者有机结合,创建一个能给用户一种身临其境的沉浸感,具有较强的人机交互能力,能营造使用户从构思中得到启发的信息环境,从而提升在船培训效果的模拟训练系统。

3.3.2 嵌入式融合技术

模拟训练系统根据实船监控系统的框架设计,能解决系统在嵌入方式、信号切入方式和模型模拟范围等方面存在的问题,保证系统在安全性、设备运行可靠性和模拟训练效果等方面的需求得到满足。通过采用虚拟网络节点通信,遵循原系统的通信协议,采取网络容错保护机制,保证仿真信号不干扰监控层信号;同时,将控制器输出的对外部设备产生控制效果的通道关闭,保障被控设备的安全。仿真信号从控制器底层以网络的方式切入,各操作部位的人机界面均能实现与航行模式相同的操作显示效果,模拟训练的逼真度较高[7]。

3.3.3 智能评估技术

目前我国的舰员模拟训练在学时和学习效果方面还没有统一的综合评估方法。因此,可根据综合模拟训练系统,基于仿真训练情况设计智能化的课程配置和综合评估方法,根据考核评估机制可分为综合评估方法和智能评估方法2类。综合评估方法是利用计算机程序实现综合评价,并在模拟训练系统中增加相应的实操评估功能;智能评估方法是将人工智能理论和方法应用于轮机实操评估中,发挥专家系统在知识推理方面的优势和遗传算法在智能优化方面的优势,弥补综合评估方法存在的不足,得到智能化的综合评估方法。智能评价的一般步骤[8]主要包括:确定评价目的;建立指标体系;处理评价数据;选择合适的智能评价方法和模型;对评价过程和评价结果进行评估和检验。

4 系统的主要功能

4.1 航行模拟训练功能

当系统在训练模式下运行时,教练机中的模型运行,模拟主机、齿轮箱、轴系和调距桨等设备的运行情况,船员可在驾驶室、集控室和机舱等操作部位发出各种操作指令,模拟船舶航行时的操船情况,从而达到推进设备实际不动作,而各人机界面的操作显示与实际船舶航行情况基本一致的操纵训练效果。

4.2 故障设置分析处理功能

除了模拟正常的船舶航行情况以外,教练机中还提供有大量参数设置界面,教练员可对安全保护分系统、监测报警分系统和控制分系统等设置各类故障或限制,模拟船舶航行过程中可能出现的各类越限报警、断线报警、联锁报警、限制报警、降速报警和停车报警等,考察船员对设备操纵的熟练程度和故障排除能力。

4.3 学员综合评估管理功能

为更好地实现训练功能,该模拟训练系统还可根据船员的要求加载设备的操纵指导书和操纵视频动画等教材,对学员的信息进行管理,根据训练情况和训练水平推送及设置相应的课程和等级考试,并对学习效果和学习水平进行综合评估。同时,该系统可对学员的学习情况进行实时记录,并给出相应的评价和指导意见,历史数据方便查询管理。此外,该系统具有数据管理和应用功能,可将航行数据或模拟训练数据导入到仿真模型中运行,既可用于进行教学指导和模拟训练,又可在典型事件发生时使模型脱离原数据而自行接管运行,考察学员的分析和处理能力。

5 产品及应用前景

由上海船舶运输科学研究所有限公司开发的基于硬件在环的模拟训练系统样机的试验、软件测评和项目结题评审工作均已完成,具备装船条件,后续将根据船厂的要求装船使用。样机试验结果表明,该模拟训练系统设计合理,能模拟出与实际航行操作相似的工作环境,使受训人员获得与实际相符的心理和生理适应性,大幅提升训练质量,整体应用效果良好。

该模拟训练系统是基于实船推进监控系统设计的,未增加新的硬件设备,通过合理的嵌入方式和软件开发实现各项功能,在陆地上也能独立运行,可根据需求作为陆上模拟训练系统,训练功能与在船上基本一样,大大扩展了系统的应用范围。此外,该模拟训练系统设计方案可为其他新船型设计和旧船升级改造提供模拟训练系统嵌入方面的参考。

6 结 语

本文所述模拟训练系统的嵌入功能主要通过软件开发实现。下层监控模块的软件在原软件的基础上增加了模拟训练任务的处理流程,修改工作量较小;教练员操纵平台的软件开发工作量相对较大,需开发仿真模型和教练员平台综合管理评估系统。目前该系统在评估技术和智能控制技术等方面还有提升空间,后续可在使用过程中根据需求不断进行升级改造,通过对监控系统模拟训练技术进行改进,并将其拓展到其他类似或关联设备中,得到功能更加完善、全面的模拟训练系统。