基于xPC Target平臺的實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)

李又一 王海燕 喬 南

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，中國 上海 201306)

0 引言

我國擁有18000多公里的海岸線和12.3萬公里的內(nèi)河航運(yùn)線，擁有龐大的船隊(duì)，船員個人的技術(shù)水平與管理能力是整個船隊(duì)實(shí)行正常營運(yùn)和安全的基本保證。隨著科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，船舶自動化系統(tǒng)在安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等綜合指標(biāo)方面逐漸完善。如今，船舶自動化系統(tǒng)成為船員個人能力延伸的有效工具，尤其是機(jī)艙自動化。經(jīng)過幾代技術(shù)發(fā)展，逐漸形成了各種手動、半自動、全自動的輪機(jī)設(shè)備的自動控制。因此船員操作船舶自動化系統(tǒng)需要的技能和知識要求是很高的，并且還在不斷的進(jìn)步中，對船員培訓(xùn)的工作越來越具有挑戰(zhàn)性。因此為了訓(xùn)練船員在正常和緊急情況下對船舶主動力裝置系統(tǒng)的實(shí)際操作能力,培養(yǎng)學(xué)員對船舶主動力裝置系統(tǒng)的感性認(rèn)識,許多航海院校建立了陸上輪機(jī)模擬器對學(xué)生進(jìn)行模擬操作培訓(xùn),船公司也對新船員進(jìn)行海上航行訓(xùn)練[1]。

使用陸上輪機(jī)模擬器是一種有效提高船員專業(yè)技能的訓(xùn)練手段,因其安全、經(jīng)濟(jì)、可控、高效等獨(dú)特優(yōu)勢一直以來都受到各國航運(yùn)界人士的高度重視，取得了巨大的成功。它是利用計(jì)算機(jī)技術(shù),模擬船舶動力裝置和控制系統(tǒng)的特性,設(shè)置各種工況和運(yùn)行環(huán)境,進(jìn)行操作和訓(xùn)練。但是輪機(jī)模擬器只能在岸上進(jìn)行，另外由于陸上的輪機(jī)模擬器和實(shí)際的船舶有差異。而海上航行訓(xùn)練是在航行過程中,船員在實(shí)際的船舶環(huán)境中操作實(shí)際的船舶自動化系統(tǒng)和設(shè)備，可以邊工作邊學(xué)習(xí)。但是這種訓(xùn)練不能提供故障的處理，訓(xùn)練周期長，投入和風(fēng)險(xiǎn)大，不利于系統(tǒng)的學(xué)習(xí)[2]。

因此把這兩種訓(xùn)練方式結(jié)合起來，優(yōu)勢互補(bǔ),在實(shí)船上建立一個綜合訓(xùn)練環(huán)境——實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)。這一訓(xùn)練方法綜合了以上2種訓(xùn)練方式的優(yōu)點(diǎn),一是計(jì)算機(jī)模擬仿真系統(tǒng)能夠模擬航行情況和設(shè)置故障工況,二是實(shí)船訓(xùn)練是在實(shí)際裝備上進(jìn)行操作[2]。

本文提出一種基于xPC Target的實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)，將仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)嵌入到實(shí)際的船舶中，以實(shí)現(xiàn)對船員進(jìn)行培訓(xùn)的目的。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本研究的目的建立一套包含機(jī)-槳-船模型在內(nèi)實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)，其首要功能是提供一個真實(shí)的訓(xùn)練環(huán)境，使船員在平時工作環(huán)境中,學(xué)習(xí)主推進(jìn)系統(tǒng)的各項(xiàng)操作和故障處理,使訓(xùn)練好像在航行中實(shí)際操作一樣；并且也可以用來對主機(jī)遙控系統(tǒng)及集控室其他監(jiān)控系統(tǒng)的性能進(jìn)行監(jiān)測。

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示，虛線下部為實(shí)際的操縱手柄和監(jiān)控設(shè)備，上部是柴油機(jī)硬件在環(huán)平臺。該平臺采用基于Matlab/xPC目標(biāo)的雙機(jī)仿真結(jié)構(gòu)，由監(jiān)控計(jì)算機(jī)和實(shí)時仿真計(jì)算機(jī)組成。實(shí)時仿真計(jì)算機(jī)為xPC體系的目標(biāo)機(jī)，運(yùn)行動力裝置實(shí)時仿真程序；監(jiān)控計(jì)算機(jī)一方面作為xPC體系的宿主機(jī)，另一方面也運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控程序。目標(biāo)機(jī)和宿主機(jī)通過以太網(wǎng)通信。

目標(biāo)機(jī)可通過數(shù)據(jù)采集板卡或CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。仿真系統(tǒng)計(jì)算的實(shí)時數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器信號模擬器，轉(zhuǎn)換為實(shí)際船舶常用傳感器信號再輸出，特別是熱電偶和熱電阻信號，使仿真器能夠提供更真實(shí)的仿真環(huán)境。遙控系統(tǒng)的命令信號經(jīng)過仿真系統(tǒng)內(nèi)部的信號分配器，分別送入目標(biāo)機(jī)和宿主機(jī)，控制仿真系統(tǒng)的運(yùn)行并在監(jiān)控系統(tǒng)中記錄。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1.2 xPC Target平臺

在實(shí)時仿真領(lǐng)域中，MATLAB/Simulink占有舉足輕重的地位，仿真模型建立和硬件在環(huán)仿真，都可以使用MATLAB來完成，形成了一整套的系統(tǒng)。xPC Target是Marh Works公司發(fā)行和提供的一個基于Real Time Workshop體系框架的附加產(chǎn)品，可將普通的PC機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€實(shí)時系統(tǒng)，并且支持許多類型的I/O設(shè)備板卡，例如數(shù)據(jù)采集卡，CAN通訊卡等。

采用Matlab xPC平臺構(gòu)建實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）構(gòu)建基于xPC的低成本硬件在環(huán)實(shí)時仿真系統(tǒng)，即節(jié)約成本也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時仿真的功能，在船舶動力裝置仿真中尚不多見。

（2）采用實(shí)際電路將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的傳感器信號，使仿真系統(tǒng)能夠?yàn)樘峁└鎸?shí)的仿真環(huán)境。

（3）采用以太網(wǎng)和CAN總線通信，保證了仿真系統(tǒng)的先進(jìn)性，并便于擴(kuò)展以及和其他系統(tǒng)互連。

（4）可以利用Matlab命令行接口來修改參數(shù)，或通過Simulink外部模式來進(jìn)行模型參數(shù)的調(diào)整。

（5）在仿真模型運(yùn)行過程中可以信號進(jìn)行監(jiān)測、跟蹤和數(shù)據(jù)記錄，允許用戶捕獲、存儲和顯示突發(fā)數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)庫記錄可獲得整個程序執(zhí)行期間的數(shù)據(jù)，采集到的信號數(shù)據(jù)可以上傳到主機(jī)，用戶可以進(jìn)行分析和存檔。

（6）使用Simulink建模，因?yàn)镾imulink是圖形界面，可以利用鼠標(biāo)單擊和拖拉將模塊拖入到模型之中，因此建立仿真系統(tǒng)模型就像繪制系統(tǒng)的方框圖一樣，具有直觀、方便、更靈活的優(yōu)點(diǎn)[3]。

1.3 輪機(jī)仿真系統(tǒng)通訊平臺

本研究建立的輪機(jī)系統(tǒng)仿真通訊平臺是一個混合P2P結(jié)構(gòu)的通用型分布式仿真平臺。其功能是將做好的仿真模型嵌入到該平臺，通過以太網(wǎng)根據(jù)制定好的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而達(dá)到快速的模擬器開發(fā)工作；該平臺可以實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)時數(shù)據(jù)的同步傳輸；降低了服務(wù)器的重要性。

1.4 實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件設(shè)備

宿主機(jī)即教練機(jī)如圖1所示的監(jiān)控計(jì)算機(jī)用來運(yùn)行Simulink來對模型修改、搭建等操作以及對目標(biāo)機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，宿主機(jī)采用普通基于x86架構(gòu)的PC即可。

目標(biāo)機(jī)即仿真計(jì)算機(jī)如圖1所示的實(shí)時仿真計(jì)算機(jī)用來運(yùn)行動態(tài)實(shí)時仿真模型和與主機(jī)遙控和監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交換。目標(biāo)機(jī)采用工業(yè)控制機(jī)以滿足I/O接口數(shù)量的需求。

2 實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)時動態(tài)仿真模型

柴油機(jī)模型采用容積法模型。由于大型低速主機(jī)都是直接可逆轉(zhuǎn)的，因此，所建模型必須包括啟動、制動、換向及反向啟動和反向運(yùn)轉(zhuǎn)等工作過程；具有較好的實(shí)時性，在主流配置的PC機(jī)上滿足實(shí)時仿真要求，并在xPC目標(biāo)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時仿真。

建立與柴油機(jī)相匹配的定距螺旋槳的四象限運(yùn)動模型，可計(jì)算船舶前進(jìn)螺旋槳正轉(zhuǎn)、船舶前進(jìn)螺旋槳逆轉(zhuǎn)、船舶倒退螺旋槳正轉(zhuǎn)、船舶倒退螺旋槳逆轉(zhuǎn)等四個象限中的螺旋槳推力和扭矩變化；與船舶運(yùn)動模型相匹配，計(jì)算在船舶動態(tài)運(yùn)動工況下螺旋槳的運(yùn)動特性。

完成機(jī)-槳-船聯(lián)合仿真，考察在船舶在不同航行工況下，柴油機(jī)性能的變化，包括：轉(zhuǎn)速、扭矩、排溫、爆炸壓力、壓縮壓力、掃氣壓力、排氣壓力、透平轉(zhuǎn)速等多種性能參數(shù)。

傳統(tǒng)的岸上輪機(jī)模擬器中實(shí)時仿真系統(tǒng)模型一旦建好，就很難對其參數(shù)進(jìn)行修改，但是在實(shí)際的船舶中隨著運(yùn)營時間的增加，運(yùn)行工況肯定會發(fā)生改變，因此實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)需要仿真模型跟實(shí)際設(shè)備具有一致的響應(yīng)和信號，如果仿真系統(tǒng)模型改變的話，一定會與實(shí)際船舶設(shè)備有較大差異，失去了實(shí)船訓(xùn)練的效果。因此，主動力實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真模型可以進(jìn)行修改，及時修正系統(tǒng)的仿真模型，當(dāng)處于實(shí)船訓(xùn)練模式時，本研究利用修正過的系統(tǒng)模型模擬系統(tǒng)運(yùn)行信號，獲得精確真實(shí)的訓(xùn)練效果[4]。

2.2 接口設(shè)計(jì)與信號模擬

收集實(shí)際設(shè)備所需采集的信號（包括類型、數(shù)量、取值范圍等）以及所發(fā)出的命令的信號類型、數(shù)量、取值范圍等信息。這些信號信息需要多方調(diào)研，盡量多的包含現(xiàn)有遙控系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)所需的各種信號。根據(jù)這些信息并考慮一定的擴(kuò)展能力，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的物理接口，提高系統(tǒng)的可用性。提供RS485和CAN總線，提高系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)展性，也可以通過以太網(wǎng)與外界完成數(shù)據(jù)交換。

信號模擬主要是將模型解算出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的傳感器信號，特別是熱電阻和熱電偶信號模擬。

2.3 訓(xùn)練內(nèi)容設(shè)置和評估

實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)包括一系列的培訓(xùn)課程內(nèi)容要求。訓(xùn)練課程可以調(diào)動船員訓(xùn)練的學(xué)習(xí)興趣和積極性。對于熟練程度不同的學(xué)員，設(shè)置不同難度、不同范圍和的不同側(cè)重點(diǎn)訓(xùn)練內(nèi)容，為所有船員提供合適的訓(xùn)練。訓(xùn)練課程除包括正常操作訓(xùn)練外，還包括對故障工況和異常工況的處理的訓(xùn)練。如何更加科學(xué)地有效地設(shè)置訓(xùn)練內(nèi)容，是深入研究和探討。

實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)不僅可以正常運(yùn)行、提供操作練習(xí)的輪機(jī)模擬器，它更加具備教學(xué)的功能。教學(xué)功能包括對訓(xùn)練過程進(jìn)行，對學(xué)員訓(xùn)練情況進(jìn)行評估，提供給學(xué)員反饋信息和如何改善訓(xùn)練，記錄和分析訓(xùn)練過程，保存?zhèn)€人和集體的訓(xùn)練一記錄和訓(xùn)練缺陷一記錄等。

實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)可以對船員的訓(xùn)練進(jìn)行評估，評估體系可以給出學(xué)員一個評定等級，可以使船員能夠根據(jù)自己所得的成績和評價(jià)，找出自己的不足和缺點(diǎn)以進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)船員在訓(xùn)練時出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤，訓(xùn)練評估系統(tǒng)可以發(fā)出警告和進(jìn)行糾正，使學(xué)員不至于在錯誤中越走越遠(yuǎn)。[5]

3 結(jié)束語

實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)相對于岸上輪機(jī)模擬器和海上航行訓(xùn)練具有安全、經(jīng)濟(jì)、訓(xùn)練效率高等優(yōu)點(diǎn)。本文利用Matlab—xPC實(shí)時仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)和構(gòu)建了含有機(jī)-槳-船在內(nèi)的一套實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)，充分利用xPC Target系統(tǒng)易于構(gòu)建和Simulink建模方便的優(yōu)點(diǎn)。由于時間倉促，個人的水平有限，對于該系統(tǒng)還在試驗(yàn)階段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要更多的驗(yàn)證。本研究存在一些不足之處：該實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)僅用于集控室和在內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)，對于集控室外部自動化設(shè)備沒有進(jìn)行互動。但是本研究可以為后續(xù)的實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)提供借鑒意義。

［1］陸錦輝,張敏.主推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào),2006,29(1)∶6-13.

［2］華梅堂.STI-VC2100主動力裝置實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)時性探討[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào),2008,31(1)∶1-5.

［3］張永光.基于Xpc Target的發(fā)動機(jī)ECU硬件在環(huán)測試平臺的研究與開發(fā)[D].浙江大學(xué),2011.

［4］謝寬,吳杰長,陳國鈞,等.基于 CompactRIO平臺的艦船實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2013,30(4).

［5］王天昌.船舶主動力裝置訓(xùn)練系統(tǒng)建模與仿真研究[J].大連∶大連海事大學(xué),2008,1.