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船舶实训体系的研发与效果

时间:2011-10-15

 
  近20年来,随着工程应用技术的不断发展,船舶自动化系统在可靠性、安全性、经济性等综合指标方面日趋完善。如今,船舶自动化系统已经成为船员能力延伸的有效工具,特别是机舱自动化,经过几代技术革新之后,形成了包括手动、半自动、全自动等多级别的轮机设备自动控制。船员操作舰船自动化系统所需要的技能和知识是复杂的,并且还在不断的变化中,对船员培训的工作变得越来越具有挑战性。
  过去,我国海军培训舰员的方法主要有2种:陆上模拟器训练和海上航行演习训练。这2种方式都各有优势,在培养舰员的过程中发挥了很大的作用,但也存在不利于培训的不足之处。实船的仿真训练是20世纪90年代提出的一种新型训练方案,它将仿真训练系统嵌入舰船实际的应用系统,能够使全舰人员更加熟练地掌握各项操作技能和积累操作经验,并且保持全舰备战状态。采用实船训练系统进行舰员训练,具有效率高、费用低、安全性好、便于实施等多方面的优点。
  实船训练系统应用于舰船上多个系统,如武器、雷达、通讯、导航和轮机等系统,都有根据各系统的要求而开发的实船训练系统。本文主要讨论的是主动力系统的实船训练系统。
  2实船训练系统的研究现状2.1国外状况目前国际上许多国家的仿真和训练工程师们都在进行实船训练系统的研究。美国的AAI公司、加拿大的CAE公司、德国的西门子公司、ABB公司、英国的BAE系统公司、以色列的BVR系统公司等,这些国际上著名的舰船自动化系统的设计和生产公司,把实船训练系统作为舰船平台管理系统的重要组成部分,针对各自的船舶自动化系统的特点,研究并构建相应的实船训练系统。
  美国海军的舰队主力部队战术训练(BattleForceTacticalTrainingSystem,BFTT)计划是美国海军水面部队的一号训练计划。该系统能实施逼真的武装冲突中的联合作战训练以及主要作战区域中部队级训练;能把各舰艇与位于不同母港的潜艇连接起来,以实施协同训练;能从外部来促进舰载作战训练系统的运作;能模拟诸如友方、中立方及敌方飞机舰艇潜艇武器等的非舰载部队。BFTT采用分布式体系结构把现有的舰上嵌入式训练器和岸上训练器综合起来,协同训练,网络采用了DIS协议(分布交互仿真协议)。
  美国AAI公司是世界领先的实船训练系统的制造商。从1998年以来,AAI公司在90多条美国舰艇上安装了400多套OBTS.在海牙举办的第11届国际训练和教育会议上,AAI公司的总工程师JamesRCooley在发言中提到,除了美国海军以外,其它许多国家的海军也都把备战训练搬到了教室以外的作战舰船上。他认为,有2个因素促使了这次演变:缩减国防预算开支和提高作战系统小组成员的战备。
  SINAVYCISOBTSLBTS是德国西门子公司用于训练舰员操作轮机自动化系统的智能解决方案。这一系统如果在舰上安装就是实船训练系统(OBTS:OnBoardTrainingSystem),如果在陆上电子教室里安装就是陆上训练系统(LBTS:LandBasedTrainingSystem)。可以看到该系统主要由3个部分组成:数学过程模型、自动化软件和人机界面。这3个部分都要求与原自动化系统的功能一致。
  西门子的舰船自动化系统一般分为4个层次:传感器执行机构层、现场采集层、控制层和管理层。传感器执行机构层和现场采集层采用Profibus现场总线通讯,控制层采用现场总线和工业以太网结合的通讯方式,管理层完全采用工业以太网通讯。SINAVYCISOBTSLBTS的3个组成部分对应了舰船自动化系统的不同层次。数学过程模型用于仿真推进装置(主机、齿轮箱、螺旋桨等),对应于原自动化系统的传感器执行机构层和现场采集层。
  自动化软件在PC(SoftPLC)上用软件模拟可编程控制器,如SIMATICS7、S5等,获得和原来控制器相同的控制功能,对应于原自动化系统的控制层。人机界面包括学员机和教练机,这部分与自动化系统的原有人机界面共用,对应于自动化系统的管理层。SINAVYCISOBTSLBTS训练系统支持指导功能,可以记录和事后分析训练过程。同时,指导功能还可以精确地定义和配置过程信号、模拟系统故障以及设置训练程序。通过与遥控装置间的数据通讯,指导功能可以实时监视受训者的操作行为,必要时加以干涉和纠正。
  近几年,西门子公司参与了多艘德国和其他国家海军的水面舰艇和潜艇的设计制造,投入使用的自动控制系统中,大都嵌入了SINAVYCISOBTS,受到良好评价。加拿大L3MAPPSCommunication公司为军事民用船舶提供控制、导航系统方面的服务,目前全球有18支海军的130多艘军舰安装了其舰船自动化系统,为军舰提供了先进而有效的控制功能。
  L3MAPPSCommunication公司的OBTS采用舰员日常使用的IPMS人机界面、控制顺序和其他控制和监视软件作为培训工具。他们的设计概念,是让舰员和工作小组能在日常使用的IPMS工作站上,进入实时模拟的环境中,根据培训目的执行各项行动指令,而不会对控制的功能构成影响。OBTS为舰员提供了一个理想的培训环境,既安全又高效。示出L3MAPPSCommunication公司的OBTS结构示意图。L3MAPPSCommunication的OBTS拥有独占的数据总线,所有需要训练功能的控制台都连接到训练总线上。L3MAPPSCommunication训练和IPMS控制通讯信道完全分离,不会相互干扰,因此即使IPMS系统正用于操控整艘船只时,OBTS系统的模拟软件仍能被启动及进行培训。如果在其中一个IPMS工作站启动OBTS模式功能后,控制台将中止与IPMS数据线的联系,该工作站将无法控制船只的机械运作。进入OBTS培训模式之前,受训舰员必须把所负责的IPMS系统控制和监视功能转换到另一个工作站。这样,如果遇到问题或发生紧急情况,可立即停止培训,并把培训系统的控制台自动换回原来的基本控制模式。
  在国外,实船训练作为一种训练的可选方案,受到越来越多舰船自动化系统工程师和制造商的重视,不但有轮机的实船训练系统,还有雷达、导航、船舶操纵等方面的实船训练系统。很多公司已经形成了成熟的实船训练系统产品,广泛应用于军舰和民船上。实船训练系统正在向多元化,集成化的方向发展。
  2.2国内状况和国际上实船训练系统大量应用于水面舰艇和潜艇的情况相比,实船训练系统在国内的研究没有得到应有的重视。至今,陆上轮机模拟器,仍是国内轮机员训练的主要方式和研究重点。
  我国的轮机模拟器的研究经历3个阶段。第1阶段,从20世纪80年代末开始,我国各航海院校相继引进了外国公司的轮机模拟器,如挪威的挪控公司的PPT2000系列轮机模拟器、英国的TransasMarine公司的ERS2000和ERS3000型轮机模拟器、德国的STN公司SES4000系列轮机模拟器等。第2阶段,20世纪90年代,各院校把引进的模拟器应用于教学的同时,充分挖掘教师的科研力量,研究并消化国外模拟器的仿真技术,自行研制模拟器。第3阶段,进入21世纪以来,各航海院校纷纷推出了自主研制的轮机模拟器。如大连海事大学在国内外首次提出并实现应用虚拟现实(VR)技术的大型多功能船舶轮机仿真系统;上海海事大学设有轮机模拟实验室,承担了大量轮机模拟器的研制和改造工作;武汉理工大学研制的轮机仿真模拟器于1999年获得了国家科技进步三等奖。
  在国内,实船训练系统的研究刚刚起步,目前还没有可投入实船使用的训练系统。在成熟的模拟器技术的基础上,研制实船训练系统,首先要解决的问题是如何把模拟器的技术和成果应用到实船训练系统中,如何把模拟装置和实船设备融合,又不降低原有系统的性能。这需要模拟器研制工程师和船舶自动化系统的工程师加强沟通与合作,共同建立更有效的训练平台。
  3基于STIVC2100机舱监控系统构建实船训练系统3.1STIVC2100机舱监控系统STIVC2100机舱监控系统是上海船舶运输科学研究所在世纪之交研制成功的新型船舶自动化产品。该系统支持多机多桨控制和多机并车的功率平衡控制,整个系统按通用化、系列化和组合化(模块化)的要求设计,使用符合标准化的模块组成,遥控系统、安保系统以及功率平衡控制装置都由标准的控制器构成。RCC遥控控制器、DEC柴油机控制器、ESC安全保护控制器、PCC齿轮箱调距桨控制器、LBC功率平衡控制器等,其硬件组成基本相同,装入不同的控制软件,即为不同的控制器,每个控制器都由标准的CPU模块、电源模块、输入输出模块及通信模块构成。监测报警系统由标准的数据采集模块构成,包括开关量输入模块、模拟量输入模块、热电偶输入模块、热电阻输入模块、脉冲输入模块等等,这些模块均由前端信号采集板与相同的CAN板构成。
  系统通讯采用可靠的CAN现场总线网技术,网络设计成上下2层网络:上层是管理网络,汇总所有的控制和监测的信息;下层为现场网络,负责现场数据的采集和控制功能的实现,下层网络又分成若干个相互独立的子网,既做到相互联系,又做到相对独立,任何一个子网损坏,不影响整个网络的工作,做到危险分散。整个网络均采用双冗余配置,提高了网路通讯的可靠性。
  目前,STIVC2100机舱监控系统已经大量应用于民用、军用船舶的主推进装置监控系统中,本文主要研究的内容是如何在此系统的基础上,嵌入实船训练系统,获得经济快捷的训练方案。
  3.2建立实船训练系统的关键技术建立实船训练系统的关键技术主要有以下4个方面:3.2.1嵌入技术实船训练系统是为实现舰员实船训练而建立的计算机辅助教育系统,嵌在舰船自动化系统体系中。实船训练系统的嵌入,要求既不影响原自动化系统的运行性能,又要使训练情境和工作情境达到一致,学员培训可以在全真的环境中进行。嵌入技术要解决的问题是怎样把实际的主推进装置用数学仿真模型替代,怎样实现训练模式和正常工作模式之间的安全转换。根据不同的系统设计,我们可以在舰船自动化系统结构的不同层次下嵌入仿真模型,如在设备层嵌入、在控制器层嵌入和在应用软件层嵌入等。
  3.2.2数学建模主动力系统实船训练系统,利用数学仿真模型替代主推进装置,达到真实的主推进装置不动作,而进行舰员实船训练的目的。仿真模型是实船训练系统的核心模块,模型的仿真度决定了训练系统的真实度。数学建模是用数学和系统辨识的方法,获得对实际设备运行的模拟。主动力系统实船训练系统的仿真模型需要模拟的对象包括:主机、齿轮箱及耦合器、轴系、螺旋桨、船体等。
  3.2.3训练内容设置实船训练系统包含了系列化的培训课程内容。训练内容要求能够调动舰员训练的积极性和学习兴趣。
  针对不同熟练程度的学员,可以设置不同难度、不同侧重点和不同范围的训练内容,为所有舰员提供有效的训练机会。训练内容除包括正常操作训练外,还包括对故障和异常情况处理的训练。如何更科学有效地设计训练内容,是需要展开深入研究的。
  3.2.4训练评估和指导实船训练系统不仅是可以正常运行、供操作练习的模拟器,它更要具备教学指导的功能。这种教学指导功能应该包括:监视训练过程,评估学员训练情况,为学员提供反馈信息以改善训练执行情况,记录和回放训练过程,保存个人和集体的训练记录和训练缺陷记录等。
  在实船训练系统下,进行训练操作是个复杂的过程,评估体系不能仅仅给出一个评定等级,这样的评判对于学员来说意义不大。优秀的评估体系,要使学员能够根据自己所得的成绩和评价,知道自己在哪一方面表现欠缺。当学员在训练操作中出现严重错误时,训练系统指导的功能可以发出警告或者进行纠正,使学员不至于在错误中越走越远。
  3.3实船训练系统的方案和基本结构我们希望立足于以下两方面的原则来设计实船训练系统的方案:一是实船训练系统的人机界面使用机舱监控系统的人机界面,尽量降低训练操作和实际操作之间的差异性;二是尽可能使用机舱监控系统的原有设备,降低软件仿真的工作量。
  在机舱监控系统的基础上建立实船训练系统,为了达到不启动轮机而进行训练的目的,必须在监控系统的某一层次上,将实际轮机装置的信号屏蔽掉,以仿真模型的信号替代实际信号。根据STIVC2100机舱监控系统的结构,可以考虑在以下3个层面上切入仿真信号:软件层切入、管理层切入和控制器层切入。管理层切入的方案要求进行控制器的软件化,这使得机舱监控系统内的有些功能难以在训练系统中实现,并且软件仿真的工作量很大。控制器层切入由于使用实际控制器,训练系统不但可以实现全部机舱监控系统的功能,而且可以随着监控系统的功能改变同步,并且使训练系统产生了附加功能:可以实船进行控制器程序调试和静态检查机舱监控系统的电气设备是否存在故障。参考国外实船训练系统的构造和国内陆上模拟器设计的经验,确定主推进系统实船训练系统由仿真机、教练机、数据交换模块和实船设备等4部分组成。
  仿真机是运行主推进装置仿真模型的平台,主要功能是产生类似于实际设备运行时的各种传感器激励信号,通过数据交换模块传送给训练系统,并接收控制器的控制命令,为训练系统提供人机互动的数据。主推进装置的仿真模型和实际设备运行情况吻合,使训练系统达到了较高的训练精度。教练机是训练教师使用的控制终端,担负着对整个训练系统的管理、配置、监视、评估和指导任务。
  数据交换模块是硬件添加模块,添加到机舱监控系统下层网的控制器和路由器上,硬件应符合PC104标准,通讯使用CAN2.0B协议。数据交换模块的主要功能是把控制器的控制命令发送给仿真机,同时把仿真模型的运行结果发送给控制器。数据交换模块是模拟训练系统和实船设备连接的关键。
  可以看到,教练机与机舱监控系统的上层CAN网相连,数据流是单向的,教练机从上层CAN网接收实时运行数据,教练机通过这些数据获得训练的情况,并保存数据。教练机通过网卡和仿真机相连,数据流是双向的,教练机向仿真机发送参数设置信号,仿真机向教练机发送模型运行状态。仿真机通过数据交换模块与下层CAN网上的控制器和路由器相连,数据流也是双向的,仿真机向控制器发送激励信号,控制器向仿真机发送控制命令。
  3.4实船训练系统的硬件设备STIVC2100机舱监控系统的硬件设计有如下2个特点:尽量采用COTS产品;所有控制器和计算机符合PC104标准。具有这2个特点的硬件系统,在实船运行中性能良好。为了更好地与机舱监控系统结合,实船训练系统的硬件应当尽量秉承这2个特点。实船训练系统主要由仿真机、教练机、数据交换模块和实船设备等4部分组成。需要添加的硬件包括设备仿真机、教练机和数据交换模块。
  3.4.1仿真机和教练机仿真机和教练机使用PC104加固机,要求支持10MTCPIP协议通讯和CAN2.0B现场总线通讯。
  PC104加固机完全兼容IBMPC,可以使用传统的基于PC的软件开发工具,进行应用软件的开发。但是,PC104加固机不同于传统桌面PC,也不同于使用后天加固的工业用计算机,它是先天加固型的嵌入式计算机。PC104加固机使用高品质、长寿命、超低功耗的电子元件,机箱采用特殊的加固技术,整机可靠性高,平均无故障时间达到15000h以上。PC104加固机由于其元件功耗小,发热量低,机箱材料是金属合金,因此采用无风扇设计,就可满足其散热要求,提高了整机运行的稳定性。
  PC104加固机具有开放的堆栈式连接结构,可以方便地互换各种通讯板卡和特殊功能模块。该PC104加固机由上海船研所和盛博科技嵌入式计算机有限公司合作开发生产,通过了电源电压波动试验、耐压试验、绝缘电阻试验、湿热试验、振动试验、冲击试验、电磁兼容性试验等型式试验项目,试验结果均符合相应的标准要求。
  3.4.2数据交换模块数据交换模块的主要作用是实现仿真机和机舱监控系统的控制器之间的数据通讯功能。
  数据交换模块将作为控制器的通讯功能模块嵌入到控制器的框架内。由于控制器的设计符合模块化要求,采用PC104总线标准,数据交换模块的设计也必须符合PC104总线标准的要求。数据交换模块的基本结构如所示。
  仿真机通过CAN总线发送模拟数据到数据交换模块,CAN控制器接收这些数据以后,给微控制器进行处理;微处理器处理这些数据后,把信息写入双口RAM的某一存储空间,监控系统的控制器通过读取双口RAM的存储空间获得仿真机的模拟数据。监控系统的控制器把控制命令写入双口RAM的存储空间,当微控制器从双口RAM中读到控制命令后,就交给CAN控制器发送;CAN控制器把控制命令发送给仿真机。通过上述的2个过程,仿真机和控制器之间实现了互动的数据交换。
  3.5实船训练系统的软件为了使各硬件能够实现设计的功能,必须为硬件开发应用软件。根据实船训练系统的硬件结构,实船训练系统的软件分为3个部分:教练机软件、仿真机软件和数据交换模块软件。各部分软件之间相互协调,构成一个训练环境。
  3.5.1教练机软件教练机是训练的指导者使用的控制终端,担负着对整个训练系统的管理、配置、监视和评估的任务。教练机软件的设计包含教学设计和系统管理功能设计。
  我们的教学目标是使学员能够熟练操作机舱监控系统的自动化设备,能够迅速有效地处理各类突发事件和故障。受训对象包括所有的新舰员、有一定经验的舰员和经验丰富的舰员在内的所有舰上轮机人员,由于这些舰员的基础参差不齐,必须针对不同基础的舰员设置不同的训练情景。训练结束后,要对受训人员的操作水平作出客观合理的分析和评估。根据上述要求,教练机软件需要实现的主要功能如所示。
  3.5.2仿真机软件仿真机是实船训练系统的重要组成部分,起着承上启下的作用。仿真机要接受教练机发送来的初始化和配置命令,模型仿真后数据送给机舱监控系统的控制器,同时还要接收控制器对执行机构发出的各种命令。仿真机的软件模块主要有3个部分。
  TCPIP通讯模块,负责仿真机与教练机的数据通讯,接受教练机的初始化和配置命令。教练机和仿真机之间是单向通讯,仿真机不向教练机发送数据,教练机通过上层管理网获得仿真机的状态。
  CAN通讯模块的作用是将仿真模型的仿真结果发送给机舱监控系统的控制器。这个过程主要有3个步骤,首先将仿真结果按照一定的规则,转换成控制器可识别的二进制码,第2步把二进制码按照数据的目的控制器地址打成CAN数据包,最后把这些CAN数据包发送出去。
  3.5.3数据交换模块软件数据交换模块的主要功能是实现机舱监控系统的控制器和实船训练系统的仿真机之间的信息交互。控制器通过数据交换模块接收仿真数据并向仿真机发送控制命令,这些数据和命令具有相似的格式。但是各控制器需要接收的数据和发送的命令各不相同,因此各数据交换模块处理的数据流量也各不相同。我们要求数据交换模块的软件是通用的,不需要为不同控制器的数据交换模块编写不同的软件,数据存储空间都要求具有冗余量,处理的数据流量可以自适应变化,不需要人工干预。
  3.6主推进装置仿真建模STIVC2100机舱监控系统可支持对多推进轴系、每条轴上多机并车的主推进装置的监控。基于STIVC2100的实船训练系统,其仿真机的模型必须能够模拟多轴、多机并车的运行状况。根据STIVC2100的模块化设计方法,各条轴的监控系统独立,而且每条轴上的推进装置的组成基本相同,因此运用简化的原则,我们讨论建立一条轴上双机并车的推进装置的仿真模型。获得一条轴的模型后,将很容易对其扩展,得到OBTS所需要的全船主推进装置仿真模型。
  主推进装置是舰船动力装置的核心,它包括数量众多的电气、机械设备,它们之间有着密切的联系和相互影响,形成一个复杂的工程系统。这个系统的运行包含了能量产生、传递及消耗的循环往复的过程,是柴油机工作特性、船舶阻力特性及螺旋桨推进特性的统一体。
  STIVC2100机舱监控系统为了得到主推进装置的运行状态,并对其进行控制,在主推进装置上安装了大量传感器。这些传感器能满足控制和保护功能所需要的信息量,保证反映主推进装置状态的重要参数可以被观测到。主推进装置的仿真模型的任务是模拟实际主推进装置的各组成部分的动静态特性,模型必须是可控的,可以接收外部的控制命令,模拟实际设备的运行状态,为训练操作提供模拟的设备反馈。
  主推进装置仿真模型的对象包括主推进装置本身和主推进装置使用的环境。主推进装置本身包括柴油机、传动元件、减速齿轮箱、轴系和螺旋桨系统;使用环境包括船体、船桨干扰和海况等外部条件的干扰。各对象模型都是多输入多输出的动态非线性系统,具有复杂的输入输出关系和动态过程。
  主推进装置模型中,有的对象机理是明确的,这些对象的特性可以使用线性的或非线性的微分方程、状态方程来表达(比如齿轮箱的减速比);有的对象机理是模糊的或者很复杂,不容易掌握和确定。这些对象难以使用具有明确物理意义的解析表达式描述其内部关系。我们可以通过采集对象的输入输出信号,进行系统辨识,获得这类对象的特性模型。根据这种情况,主推进装置的建模将采用机理分析和系统辨识相结合的方式,同时根据系统辨识的不同需要,使用不同的辨识方法。最终通过多种建模方法叠加运用,在matlab7.0simulink6.0环境下,建立逼真的动态模型。
  4结语实船训练系统由于其高效、低费用和便捷的特点,受到越来越多舰船自动化系统的工程师和制造商的关注,不但有轮机的实船训练系统,还有雷达、导航、武器、指挥、船舶操纵等各方面的实船训练系统。很多公司已经形成了成熟的实船训练系统产品,广泛应用于各国的水面舰艇和潜艇中。实船训练系统已经成为舰船本身的需求,根据德国BV37001、BV37001结构化条例的规定,德国后续的水面舰艇和潜艇必须安装训练系统。
  实船训练系统正在向多元化、集成化的方向发展,以实现全船系统的联动训练和舰队级的联合训练。可以预见,通过全球舰船自动化系统工程师的共同努力,实船训练系统将实现一个更加完善、更加全面的模拟训练体系。
 
 

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