船舶輪機(jī)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(jī)模擬訓(xùn)練裝置都將更加重視虛擬現(xiàn)實(shí)、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(shí)效性，并使得模擬訓(xùn)練裝置在輪機(jī)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(píng)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(duì)船舶輪機(jī)模擬訓(xùn)練裝置技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：船舶輪機(jī)；模擬系統(tǒng)；船舶機(jī)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(jī)模擬訓(xùn)練裝置是陸上輪機(jī)模擬器。這類輪機(jī)模擬器采用半物理仿真方式實(shí)現(xiàn)的陸上輪機(jī)模擬器，一方面，通過對(duì)人機(jī)交互裝置的實(shí)物模擬，構(gòu)建出盡可能真實(shí)的操縱訓(xùn)練環(huán)境，有利于提高訓(xùn)練行為的真實(shí)感；另一方面，通過對(duì)底層機(jī)械設(shè)備的計(jì)算機(jī)仿真，可靈活設(shè)置實(shí)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(jì)算機(jī)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(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。不管是陸上輪機(jī)模擬器還是輪機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，都只能對(duì)實(shí)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(shí)性及效果都會(huì)受到一定的影響。實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練方案采用基于實(shí)船輪機(jī)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(shí)際環(huán)境之中，具有訓(xùn)練效率高、費(fèi)用低、安全性好、便于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，已成為船舶輪機(jī)模擬訓(xùn)練的發(fā)展重點(diǎn)和發(fā)展方向。

一、輪機(jī)模擬訓(xùn)練裝置研究現(xiàn)狀

陸上輪機(jī)模擬器、輪機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)以及實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)3類輪機(jī)模擬訓(xùn)練裝置都將長(zhǎng)期并存，互為補(bǔ)充。在受訓(xùn)人員較多的大中型批量生產(chǎn)船舶的輪機(jī)訓(xùn)練方面，陸上輪機(jī)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(jī)模擬訓(xùn)練方面，輪機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)將得到廣泛的重視；在對(duì)輪機(jī)人員專業(yè)技能要求很高的高自動(dòng)化現(xiàn)代船舶和軍用艦船上，實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。從3類輪機(jī)模擬訓(xùn)練裝置中，陸上輪機(jī)模擬器是研究歷史最為長(zhǎng)久、技術(shù)也最為成熟的。從20世紀(jì)60年代末開始，國(guó)外即開展了陸上輪機(jī)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(jī)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(jī)模擬器生產(chǎn)廠家有挪威的KMSS、英國(guó)的TRANSAS、德國(guó)的STN等公司。國(guó)內(nèi)對(duì)陸上輪機(jī)模擬器的研制起步較晚，但研究起點(diǎn)高，發(fā)展很快。具有代表性的國(guó)內(nèi)輪機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代船舶機(jī)艙自動(dòng)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(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)以及嵌入到實(shí)船設(shè)備之中的實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)，因其突出優(yōu)點(diǎn)而受到人們的廣泛重視。特別是實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)，由于其能在完全真實(shí)的實(shí)船環(huán)境之下進(jìn)行模擬訓(xùn)練的優(yōu)點(diǎn)，已成為船舶輪機(jī)模擬訓(xùn)練裝置的發(fā)展方向。目前，實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)作為整個(gè)船舶綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的重要組成部分，已被許多歐美發(fā)達(dá)國(guó)家成功應(yīng)用于新建造的船舶之上。

二、輪機(jī)模擬訓(xùn)練裝置的分類分析

輪機(jī)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(jī)模擬器、基于純軟件模擬的輪機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)以及嵌入到實(shí)船設(shè)備之中的實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)。陸上輪機(jī)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(jī)模擬訓(xùn)練裝置。這類輪機(jī)模擬器一般采用半物理仿真方式實(shí)現(xiàn)，即操縱面板、控制臺(tái)等人機(jī)交互裝置采用與實(shí)船相一致的實(shí)物模擬方式，而主機(jī)、推進(jìn)軸系、發(fā)電機(jī)組等底層機(jī)械設(shè)備則通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬實(shí)現(xiàn)。采用半物理仿真方式實(shí)現(xiàn)的陸上輪機(jī)模擬器，一方面，通過對(duì)人機(jī)交互裝置的實(shí)物模擬，構(gòu)建出盡可能真實(shí)的操縱訓(xùn)練環(huán)境，有利于提高訓(xùn)練行為的真實(shí)感；另一方面，通過對(duì)底層機(jī)械設(shè)備的計(jì)算機(jī)仿真，可靈活設(shè)置實(shí)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(jī)模擬器雖然可提供盡可能真實(shí)的用戶體驗(yàn)，但同時(shí)也存在著開發(fā)周期長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)要求高、通用性較差、更新困難等不足。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。輪機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)，以輪機(jī)設(shè)備的3D模型代替實(shí)際輪機(jī)裝備，以虛擬屁示面板代替儀表面板實(shí)物，用計(jì)算機(jī)仿真訓(xùn)練過程代替實(shí)際訓(xùn)練過程的輪機(jī)虛擬訓(xùn)練裝置，具有開發(fā)周期短、經(jīng)費(fèi)要求低、功能強(qiáng)大、靈活實(shí)用、訓(xùn)練和維護(hù)成本低等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，特別適合于小批量生產(chǎn)的中小型船舶輪機(jī)模擬訓(xùn)練的需求。不管是陸上輪機(jī)模擬器還是輪機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，都只能對(duì)實(shí)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(shí)性及效果都會(huì)受到一定的影響。實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練方案采用基于實(shí)船輪機(jī)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(shí)際環(huán)境之中，具有訓(xùn)練效率高、費(fèi)用低、安全性好、便于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，已成為船舶輪機(jī)模擬訓(xùn)練的發(fā)展重點(diǎn)和發(fā)展方向。

三、輪機(jī)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(jī)交換接口，每個(gè)多功能操控站由多個(gè)多功能通用標(biāo)準(zhǔn)模塊化顯控臺(tái)組成，每個(gè)顯控臺(tái)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(chǎng)信號(hào)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(gè)或數(shù)個(gè)多功能操控站中，在任何時(shí)候都可激活。當(dāng)某個(gè)操控站被選為訓(xùn)練模式時(shí)，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(yùn)行安全性，以避免模擬訓(xùn)練對(duì)實(shí)際裝置和系統(tǒng)的誤操作。在OBMETS上可以進(jìn)行個(gè)人或小組級(jí)別的模擬訓(xùn)練，此

時(shí)任何一個(gè)多功能操控站都可被指定為教練臺(tái)或受訓(xùn)臺(tái)。依靠教練臺(tái)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(gè)仿真環(huán)境和訓(xùn)練科目下，任何參訓(xùn)者的動(dòng)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(jī)模擬器是最為典型的陸上輪機(jī)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(chǎng)份額的80%。PPT2000系列輪機(jī)模擬器的主要組成硬件部件，如主機(jī)遙控系統(tǒng)、機(jī)艙設(shè)備控制箱及控制器、車鐘、報(bào)警系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等都與實(shí)船一樣，學(xué)員在模擬器操作訓(xùn)練如同于實(shí)船環(huán)境，模擬訓(xùn)練逼真度高。其數(shù)學(xué)模型庫(kù)包括不同船型、不同配置、不同主機(jī)類型的數(shù)學(xué)模型，可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)模擬器采用模塊化結(jié)構(gòu)，不同船型、主機(jī)的數(shù)學(xué)模型都存放在模型庫(kù)中，開發(fā)時(shí)根據(jù)用戶的具體要求，把不同的數(shù)學(xué)模型連接起來(lái)，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(jī)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(jì)、挑選不同的仿真環(huán)境，對(duì)學(xué)員進(jìn)行有效的訓(xùn)練，并對(duì)其知識(shí)和技能水平進(jìn)行客觀的評(píng)估。

四、結(jié)束語(yǔ)

從提高輪機(jī)模擬訓(xùn)練的效果方面來(lái)說，實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)無(wú)疑是最優(yōu)的，因此基于實(shí)船環(huán)境的實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)是輪機(jī)模擬訓(xùn)練裝置的發(fā)展方向。但實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)必須以高水平的機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)為依托，且必須在船舶建造時(shí)就同步開發(fā)，這使得實(shí)船輪機(jī)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(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，陸上輪機(jī)模擬器、輪機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)以及實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)3類輪機(jī)模擬訓(xùn)練裝置都將長(zhǎng)期并存，互為補(bǔ)充。在受訓(xùn)人員較多的大中型批量生產(chǎn)船舶的輪機(jī)訓(xùn)練方面，陸上輪機(jī)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(jī)模擬訓(xùn)練方面，輪機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)將得到廣泛的重視；在對(duì)輪機(jī)人員專業(yè)技能要求很高的高自動(dòng)化現(xiàn)代船舶和軍用艦船上，實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。從技術(shù)發(fā)展的角度而言，3類輪機(jī)模擬訓(xùn)練裝置的發(fā)展重點(diǎn)既有相同之處，又各有特點(diǎn)。例如，3類輪機(jī)模擬訓(xùn)練裝置都將更加霞視虛擬現(xiàn)實(shí)、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(shí)效性，并使得模擬訓(xùn)練裝置在輪機(jī)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(píng)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(jī)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(tái)之間的交互性、訓(xùn)練行為的真實(shí)性和培訓(xùn)、評(píng)估實(shí)施的方便性；輪機(jī)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(diǎn)提高虛擬操縱訓(xùn)練的逼真性；而實(shí)船輪機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)作為整個(gè)船舶IPMS的一個(gè)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(shí)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(shí)，朝著多元化、集成化的方向發(fā)展，以最終實(shí)現(xiàn)全船系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)訓(xùn)練和編隊(duì)級(jí)的聯(lián)合訓(xùn)練功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚旭.輪機(jī)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(jī)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2015.