船舶輪機模擬訓(xùn)練裝置技術(shù)現(xiàn)狀分析

張吉

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，輪機模擬訓(xùn)練裝置都將更加重視虛擬現(xiàn)實、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用，以提高模擬訓(xùn)練的逼真性和實效性，并使得模擬訓(xùn)練裝置在輪機設(shè)備的故障仿真訓(xùn)練、應(yīng)急處理操作訓(xùn)練以及模擬訓(xùn)練效果評估等方面更加全面、客觀和有效，從而進(jìn)一步提高施訓(xùn)效果，文章針對船舶輪機模擬訓(xùn)練裝置技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，希望能夠為相關(guān)人員提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：船舶輪機；模擬系統(tǒng)；船舶機械

目前開發(fā)數(shù)量最多、應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)最為成熟的輪機模擬訓(xùn)練裝置是陸上輪機模擬器。這類輪機模擬器采用半物理仿真方式實現(xiàn)的陸上輪機模擬器，一方面，通過對人機交互裝置的實物模擬，構(gòu)建出盡可能真實的操縱訓(xùn)練環(huán)境，有利于提高訓(xùn)練行為的真實感；另一方面，通過對底層機械設(shè)備的計算機仿真，可靈活設(shè)置實船中難以出現(xiàn)的異常工況進(jìn)行模擬訓(xùn)練，從而達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效的日的。隨著現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)、圖形處理、多媒體等技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于純軟件模擬的輪機虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。不管是陸上輪機模擬器還是輪機虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，都只能對實際的訓(xùn)練環(huán)境進(jìn)行一定程度的模擬，訓(xùn)練行為的真實性及效果都會受到一定的影響。實船輪機訓(xùn)練方案采用基于實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練方式，通過將仿真訓(xùn)練系統(tǒng)嵌入到船舶實際環(huán)境之中，具有訓(xùn)練效率高、費用低、安全性好、便于實施等優(yōu)點，已成為船舶輪機模擬訓(xùn)練的發(fā)展重點和發(fā)展方向。

一、輪機模擬訓(xùn)練裝置研究現(xiàn)狀

陸上輪機模擬器、輪機虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)以及實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)3類輪機模擬訓(xùn)練裝置都將長期并存，互為補充。在受訓(xùn)人員較多的大中型批量生產(chǎn)船舶的輪機訓(xùn)練方面，陸上輪機模擬器將繼續(xù)起到中流砥柱的作用；在小批量生產(chǎn)的中小型船舶輪機模擬訓(xùn)練方面，輪機虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)將得到廣泛的重視；在對輪機人員專業(yè)技能要求很高的高自動化現(xiàn)代船舶和軍用艦船上，實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。從3類輪機模擬訓(xùn)練裝置中，陸上輪機模擬器是研究歷史最為長久、技術(shù)也最為成熟的。從20世紀(jì)60年代末開始，國外即開展了陸上輪機模擬器技術(shù)的研究，到20世紀(jì)90年代已發(fā)展成較為成熟的技術(shù)，成功研制出了一大批技術(shù)先進(jìn)的陸上輪機模擬器，取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益。目前，比較著名的輪機模擬器生產(chǎn)廠家有挪威的KMSS、英國的TRANSAS、德國的STN等公司。國內(nèi)對陸上輪機模擬器的研制起步較晚，但研究起點高，發(fā)展很快。具有代表性的國內(nèi)輪機模擬器研制單位有大連海事大學(xué)、武漢理工大學(xué)、上海海事大學(xué)和海軍工程大學(xué)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代船舶機艙自動化水平的提高，從20世紀(jì)90年代開始，基于純軟件模擬的輪機虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)以及嵌入到實船設(shè)備之中的實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)，因其突出優(yōu)點而受到人們的廣泛重視。特別是實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)，由于其能在完全真實的實船環(huán)境之下進(jìn)行模擬訓(xùn)練的優(yōu)點，已成為船舶輪機模擬訓(xùn)練裝置的發(fā)展方向。目前，實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)作為整個船舶綜合平臺管理系統(tǒng)的重要組成部分，已被許多歐美發(fā)達(dá)國家成功應(yīng)用于新建造的船舶之上。

二、輪機模擬訓(xùn)練裝置的分類分析

輪機模擬訓(xùn)練裝置主要可分為如下3類：基于半物理仿真方式的陸上輪機模擬器、基于純軟件模擬的輪機虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)以及嵌入到實船設(shè)備之中的實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)。陸上輪機模擬器是目前開發(fā)數(shù)量最多、應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)最為成熟的輪機模擬訓(xùn)練裝置。這類輪機模擬器一般采用半物理仿真方式實現(xiàn)，即操縱面板、控制臺等人機交互裝置采用與實船相一致的實物模擬方式，而主機、推進(jìn)軸系、發(fā)電機組等底層機械設(shè)備則通過計算機仿真技術(shù)模擬實現(xiàn)。采用半物理仿真方式實現(xiàn)的陸上輪機模擬器，一方面，通過對人機交互裝置的實物模擬，構(gòu)建出盡可能真實的操縱訓(xùn)練環(huán)境，有利于提高訓(xùn)練行為的真實感；另一方面，通過對底層機械設(shè)備的計算機仿真，可靈活設(shè)置實船中難以出現(xiàn)的異常工況進(jìn)行模擬訓(xùn)練，從而達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效的目的。陸上輪機模擬器雖然可提供盡可能真實的用戶體驗，但同時也存在著開發(fā)周期長、經(jīng)費要求高、通用性較差、更新困難等不足。隨著現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)、圖形處理、多媒體等技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于純軟件模擬的輪機虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。輪機虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)是基于計算機局域網(wǎng)技術(shù)，以輪機設(shè)備的3D模型代替實際輪機裝備，以虛擬屁示面板代替儀表面板實物，用計算機仿真訓(xùn)練過程代替實際訓(xùn)練過程的輪機虛擬訓(xùn)練裝置，具有開發(fā)周期短、經(jīng)費要求低、功能強大、靈活實用、訓(xùn)練和維護(hù)成本低等獨特優(yōu)點，特別適合于小批量生產(chǎn)的中小型船舶輪機模擬訓(xùn)練的需求。不管是陸上輪機模擬器還是輪機虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，都只能對實際的訓(xùn)練環(huán)境進(jìn)行一定程度的模擬，訓(xùn)練行為的真實性及效果都會受到一定的影響。實船輪機訓(xùn)練方案采用基于實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練方式，通過將仿真訓(xùn)練系統(tǒng)嵌入到船舶實際環(huán)境之中，具有訓(xùn)練效率高、費用低、安全性好、便于實施等優(yōu)點，已成為船舶輪機模擬訓(xùn)練的發(fā)展重點和發(fā)展方向。

三、輪機模擬訓(xùn)練裝置技術(shù)分析

OBMETS公司以IPMS的硬件體系為依托，采用分布式結(jié)構(gòu)，上層采用標(biāo)準(zhǔn)化的多功能操控站作為人機交換接口，每個多功能操控站由多個多功能通用標(biāo)準(zhǔn)模塊化顯控臺組成，每個顯控臺的功能可通過軟件設(shè)置決定，根據(jù)任務(wù)的需求中變化；中間層采用局域網(wǎng)絡(luò)，可高速可靠地傳遞數(shù)據(jù)；下層為遍布全船的分布式處理站（RTU），負(fù)責(zé)現(xiàn)場信號采集處理和設(shè)備控制。OBMETS的仿真軟件可安裝在IPMS中的1個或數(shù)個多功能操控站中，在任何時候都可激活。當(dāng)某個操控站被選為訓(xùn)練模式時，該操控站就停止與IPMS數(shù)據(jù)總線通信，其控制功能被屏蔽，從而可以提高IPMS的運行安全性，以避免模擬訓(xùn)練對實際裝置和系統(tǒng)的誤操作。在OBMETS上可以進(jìn)行個人或小組級別的模擬訓(xùn)練，此

時任何一個多功能操控站都可被指定為教練臺或受訓(xùn)臺。依靠教練臺并在教練員的組織下，參與分組訓(xùn)練的所有人員都置于同1個仿真環(huán)境和訓(xùn)練科目下，任何參訓(xùn)者的動作都將影響到其他人，從而達(dá)到協(xié)同訓(xùn)練的目的。KMSS公司生產(chǎn)的PPT2000系列輪機模擬器是最為典型的陸上輪機模擬器，在技術(shù)上居于世界領(lǐng)先地位，產(chǎn)品約占世界市場份額的80%。PPT2000系列輪機模擬器的主要組成硬件部件，如主機遙控系統(tǒng)、機艙設(shè)備控制箱及控制器、車鐘、報警系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等都與實船一樣，學(xué)員在模擬器操作訓(xùn)練如同于實船環(huán)境，模擬訓(xùn)練逼真度高。其數(shù)學(xué)模型庫包括不同船型、不同配置、不同主機類型的數(shù)學(xué)模型，可分別實現(xiàn)對電力推進(jìn)、定距槳和變距槳推進(jìn)的船舶推進(jìn)裝置模擬訓(xùn)練。在體系結(jié)構(gòu)方面，PPT2000系列輪機模擬器采用模塊化結(jié)構(gòu)，不同船型、主機的數(shù)學(xué)模型都存放在模型庫中，開發(fā)時根據(jù)用戶的具體要求，把不同的數(shù)學(xué)模型連接起來，經(jīng)調(diào)試后，即可交付用戶使用。該公司開發(fā)出了1種有效的輪機模擬器教練員系統(tǒng)。該系統(tǒng)按照STCW 95公約的要求，提供了1套現(xiàn)成的練習(xí)方案，教練員可方便地設(shè)計、挑選不同的仿真環(huán)境，對學(xué)員進(jìn)行有效的訓(xùn)練，并對其知識和技能水平進(jìn)行客觀的評估。

四、結(jié)束語

從提高輪機模擬訓(xùn)練的效果方面來說，實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)無疑是最優(yōu)的，因此基于實船環(huán)境的實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)是輪機模擬訓(xùn)練裝置的發(fā)展方向。但實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)必須以高水平的機艙自動化系統(tǒng)為依托，且必須在船舶建造時就同步開發(fā)，這使得實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)的應(yīng)用受到一定的限制?？梢灶A(yù)見，在將來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，陸上輪機模擬器、輪機虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)以及實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)3類輪機模擬訓(xùn)練裝置都將長期并存，互為補充。在受訓(xùn)人員較多的大中型批量生產(chǎn)船舶的輪機訓(xùn)練方面，陸上輪機模擬器將繼續(xù)起到中流砥柱的作用；在小批量生產(chǎn)的中小型船舶輪機模擬訓(xùn)練方面，輪機虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)將得到廣泛的重視；在對輪機人員專業(yè)技能要求很高的高自動化現(xiàn)代船舶和軍用艦船上，實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。從技術(shù)發(fā)展的角度而言，3類輪機模擬訓(xùn)練裝置的發(fā)展重點既有相同之處，又各有特點。例如，3類輪機模擬訓(xùn)練裝置都將更加霞視虛擬現(xiàn)實、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用，以提高模擬訓(xùn)練的逼真性和實效性，并使得模擬訓(xùn)練裝置在輪機設(shè)備的故障仿真訓(xùn)練、應(yīng)急處理操作訓(xùn)練以及模擬訓(xùn)練效果評估等方面更加全面、客觀和有效，從而進(jìn)一步提高施訓(xùn)效果。除此之外，陸上輪機模擬器將更加注重裝置模擬的物理相似性、與其他船舶設(shè)備模擬平臺之間的交互性、訓(xùn)練行為的真實性和培訓(xùn)、評估實施的方便性；輪機虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)將進(jìn)一步豐富軟件功能、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，重點提高虛擬操縱訓(xùn)練的逼真性；而實船輪機訓(xùn)練系統(tǒng)作為整個船舶IPMS的一個重要組成部分，為有效和充分綜合利用各種有用信息，最大限度地實現(xiàn)全船綜合優(yōu)化管理控制，將在進(jìn)一步改進(jìn)完善自身功能的同時，朝著多元化、集成化的方向發(fā)展，以最終實現(xiàn)全船系統(tǒng)的聯(lián)動訓(xùn)練和編隊級的聯(lián)合訓(xùn)練功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚旭.輪機仿真訓(xùn)練器及其仿真技術(shù)發(fā)展[J].科技與世界，2016.

[2]林琳.輪機模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2015.