现代船舶轮机模拟器的应用与发展

，张均东

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

现代船舶轮机模拟器能够为轮机工程专业的教学和培训提供一个完整的模拟操作平台。模拟器所包含的外部设备及其具有的灯光、声响等效果可被设计成与母型船基本一致，系统及设备的操作方式、工作流程等也可以最大限度地与实船相接近，甚至某些方面会克服母型船固有的缺陷，实现一定程度的超越，因此轮机模拟器在使用过程中具有很强的真实交互感及临场体验特性。为了提高船舶机舱人员的自动化操作水平、增强其故障分析及处理突发事件的能力，相关国际公约、国内法规以及各海事组织对航海类院校和船员培训机构关于应用船舶轮机模拟器开展培训进行了强制性规定，同时对轮机模拟器的自身功能也提出了规范性要求，这些规范同时也推进了轮机模拟器的发展以及在教学、培训和适任评估中的应用。本文论述的内容即在上述背景下引出并分析的。

一、船舶轮机模拟器的概念及研究目的

1.船舶轮机模拟器的概念及特点

船舶轮机模拟器是一种利用预建的数学模型模拟机舱设备实物及系统，通过计算机进行联合计算，最终将计算结果以类实物的信息反馈形式通过多种媒介显示在人机交互设备上的装置。操作者通过“类机舱操作”的方式与其交互后所产生的数据状态，可以最大限度地再现真实机舱设备及系统的运行状态，从而实现对操作者的专业技能训练、评估、考核等工作。安全、节能、环保、实效是船舶轮机模拟器的最大优点，当然这也是由“模拟器”的含义所决定的。

2.船舶轮机模拟器的评价标准

船舶轮机模拟器是一个庞大而复杂的系统，其与船舶驾驶、飞行器操纵、机车控制等模拟器的区别在于它并非主要借助视景效果(本体与视景的相对运动)，而是以内部的数学逻辑关系为核心来达到模拟效果的再现。工作人员的操作依据或受馈方式是一个复杂的过程，它以系统的状态数据为主，同时以视觉、听觉、嗅觉、触觉等综合感受作为辅助。因此，衡量船舶轮机模拟器先进与否应该着重以其数学逻辑的表现是否最大限度地与实船运行状态相一致为标准，而非一味地注重外在视觉元素的融入，虽然这会润色模拟器的运行效果。

3.船舶轮机模拟器的分类

船舶轮机模拟器按照其内容的表现形式可分为全任务式、协作分布式、单机式以及WEB式等不同类型，按照场景视觉效果又可分为二维、三维以及二/三维混合式，按照母型船的性质又可分通用型、专用型、特种型；后两种又可进一步划分为VLCC型、集装箱型、中压型、电力推进型、内河型等等，限于篇幅，不作赘述。

4.船舶轮机模拟器的研究目的及作用[1]

(1)专业认识教育。为了使新学员对所学专业有一个初步认识和理解，可以通过对轮机模拟器进行总体讲解和示范性操作的方式，使受训者初步了解船舶机舱的主要设备和系统，形成轮机管理概念，熟悉将来的工作环境并树立专业理想。

(2)专业课辅助教学。对于即将走向工作岗位的学员，教师可在各专业课的理论教学过程中融入轮机模拟器的操作演示，实现对授课内容的辅助讲解，以提高学生对专业知识的掌握程度。笔者在进行轮机自动化的授课过程中经常结合实验室自主研发的DMS系列轮机模拟器对锅炉蒸汽系统、主机遥控系统、检测报警系统等关键性内容进行单机版操作演示，获得了事半功倍的效果。

(3)专项强化训练。在学生上完专业理论课后及开展综合训练前针对某一特定的设备或系统开展强化训练，目的在于把专业课中零散的理论知识有机地结合起来并应用于实际操作中。该训练形式可在全任务操作模式下展开，使学生在盘台等设备的操作过程中能够获得更加真实的操作体验。

(4)岗前综合训练。为了培养和提高学生发现问题、分析问题、解决问题以及正确应变等能力，该训练一般在全任务模式下展开，训练内容包含了所有的机舱系统的操作，训练过程中会伴随着一定数量的故障及情景触发事件。该种模式的训练能够最大限度地发挥轮机模拟器的作用，缩短学员的适岗时间。

二、国际公约和国内法规关于轮机模拟器的规定

1.国际公约或规范对船舶模拟器功能上的要求

国际海事组织(IMO)于2010年1月召开了STW第41次会议，完成STCW修正案的起草(草案)，并于当年6月25日在菲律宾马尼拉召开的《海员培训、发证和值班标准国际公约》缔约国外交大会上通过了该修正案(简称STCW公约马尼拉修正案)。STCW公约马尼拉修正案对STCW78/95进行了全面回顾和修订，涉及的海员培训、发证和值班标准均发生了较大变化。STCW公约马尼拉修正案将于2012年1月1日生效。

STCW公约马尼拉修正案在第一章总则中对轮机模拟器的使用和性能按照“强制性标准(A部分)”和“建议性标准和指导(B部分)”进行了划分。强制性标准也叫“一般性能标准”，详细列出要求各缔约国为充分和完全地实施该公约所需保持的最低标准；“建议性标准和指导”为非强制性，属于建议及引导性标准，会随着时代的发展不断地修正或转为强制性标准范畴内。上述标准分别从轮机模拟器的“用于培训的一般性能标准”“用于适任评估的一般性能标准”“模拟器的培训目标”“培训程序”“评估程序”“教员和评估员的资格”等方面对轮机模拟器操作环境的可控性、物理真实水平、行为真实性、非正常状况的仿真度等作出了详细规定，要求轮机模拟器能够模拟船上相关设备的操作，包括这种设备的性能局限性和可能产生的误差、通信等，同时，还应具有足够的仿真环境(如三维虚拟现实)，使受训者达到培训目标的预定水平。

为了准确地执行STCW公约及标准，国内外相关认证机构均对船舶轮机模拟的功能及形式进行了详细的规范及等级划分说明。以国外的认证机构DNV为例，其在Standard for Certification No.2.14：Maritime Simulator Systems中，针对不同船型的轮机模拟的等级由高到低划分为A级(full mission)、B级(multi-task)、C级(limited task)和S级(special-tasks)，各级的认证标准及出发点均以STCW公约中的相关规定为依据和来源：A级要求模拟器具有全任务操作模式，且所具有的机舱系统及功能最全；B级则以具有多项任务交互能力的模拟器为认定对象；C级相对B级而言，模拟器的某些功能及任务存在一定的限制性或不完善性；S级则指具有单系统训练功能的轮机模拟器，如船舶压载水操作模拟器、船舶电站操作模拟器等。

2.国内法规对轮机模拟器培训的强制性规定

为了履行国际公约，保证船员培训质量，我国对模拟器在船员培训与评估中的应用作了强制性规定。2009年颁布的《中华人民共和国船员培训管理规则》规定，开展海船轮机员适任培训的机构必须配备单机版轮机模拟器和全任务轮机模拟器。2009年颁布的《中华人民共和国海船船员适任评估大纲和规范》中进一步明确规定了轮机模拟器培训的评估项目，规定3000 kW及以上船舶轮机长必须用轮机模拟器通过现场实操的形式对以下内容进行评估[2]：(1)冷船启动(3项)；(2)备车操作及定速航行(6项)；(3)应急操作(7项)；(4)设备及系统故障分析及排除(9项)。具体内容参阅相关大纲和规范。

三、船舶轮机模拟器的发展现状

早期的船舶轮机模拟器仅是一台小型的由微机支撑的台式训练机。随着计算机技术的发展，轮机模拟器不断推陈出新，逐渐从单微机仿真系统发展成如今的多种结构形式、多种交互再现、多种体验、多角色协作的大型专业模拟设备。

1.国外轮机模拟器的发展现状

航海技术先进的国家自20世纪70年代就开始研究使用轮机模拟器，由于受到当时计算机技术的限制，对设备及系统数学模型的描述及对动态过程的分析、显示等较为简单。随着计算机技术的发展，自20世纪90年代以来，新技术、新工艺被不断应用于轮机模拟器中，较具有代表性的产品有挪威的KONSBERG公司和英国的TRANSAS公司所研制的轮机模拟器。KONSBERG公司的技术较为领先，其研发的产品以“通用型”模拟器为主，并在同行中率先研制出了变距桨轮机模拟器，该系列产品的特点是不指定具体的母型船、面板布置及功能设计以通用性为主，对机舱系统的模拟注重概念和示意，虽然这在很大程度上简化了开发和维护成本，但某些系统过于抽象(如MC90-VLCC模拟器的压载水系统只有3个压载舱作为示意)也是其不足之处。英国TRANSAS公司的轮机模拟器主要以ERS系列为主，形式上分为群集式、全任务式和单机式，应用时可以针对这三种类型进行单独配置，也可以结合起来使用。该公司率先引入虚拟现实技术并实现平台间交互操作(系统界面效果可在二、三维间切换)，这是其产品的一个亮点，不足之处是专业方面的数学逻辑不够完善，操作流程过于简单化和游戏化。

2.我国轮机模拟器的发展现状

我国轮机模拟器的研制工作虽然起步较晚，但研究起点高、发展快，目前已基本达到国际水平。国内具有代表性的研制单位有大连海事大学、武汉理工大学和上海海事大学。大连海事大学研制的轮机模拟器以DMS系列为主，具有交互点最多、数学模型最全、功能最完善等特点。DMS系列模拟器的基本形式分为全任务型、单机型和协作型，母型船包括远洋教学实习船、万箱集装箱船、VLCC、LNG船以及内河船等多种船型。该系列模拟器的通信方式采用同类产品中速率最快、并发载容量最大的工业以太网通信，通过自主研发的通信板卡配合自拟定的变通道收发协议，能够在系统运行时顺利通过同时多人、多点、快速点击的极端测试，保证了系统运行的实时性和稳定性。武汉理工大学和上海海事大学同样是国内研发轮机模拟器较早的单位，其技术实力扎实，已开发出多种船型的轮机模拟器，通信方式均采用工业总线式收发，虽然二者在数学逻辑及盘台外观设计上各有侧重，但整体上趋于一致。目前，这三家单位均已经将虚拟现实技术引入轮机模拟器产品研发之中，虽然在联合交互和实时渲染方面有待进一步完善，但与国际同类产品相比已趋于同步，甚至某些方面已经有所领先，如大连海事大学的“漫游交互”“多点触发”“管网建模”“智能评估”等技术。

四、船舶轮机模拟器研发使用的最新理论和技术

1.虚拟现实技术

虚拟现实技术是近几年来在计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术及传感技术基础上发展起来的一门交叉技术。该技术具有嵌入性、交互性、多感知性等特点。将虚拟现实技术引入轮机模拟器视景制作，通过三维虚拟漫游与场景设备的交互操作，能够逼真地展现机舱实景效果，实现机舱设备及其运行状态的立体化仿真模拟。[3]

2.微缩塑模技术

部分机舱系统和设备的运行状态可采用等比缩小的实物模型，该类模型可以采用剖面结构、透视结构的等视图方式辅之以一定的声、光效果来展示设备的动态运行状态。可以用来塑模的设备包括主机、发电机、空压机、锅炉、造水机、各类泵以及重要油/水管路等，从而能够为操作者展现设备内部的运行状态。

3.无线通信技术

无线通信是利用电磁波信号在自由空间中传播信息的一种通信方式，该技术的引入能够为轮机模拟器的布局方式带来革命性变化，如真正意义上移动式终端、无线操控将成为现实，盘台等设备的空间利用率将会显著增强，布置会更加灵活。

4.先进的自动感测技术

自动感测就是在感应和测量过程中完全不需要或仅需要很少的人工干预的过程，该技术是自动化科学技术的一个重要分支，是一门综合性技术。采用红外、微波、雷达、声音、激光等先进的自动感测技术实现模拟器中的某些特殊的功能，将提高系统的自动化及智能化水平，减少人为错误干扰和人为差错，提高系统运行的效率。

5.分布式并行处理技术

随着船舶轮机模拟器的功能、运行速度、仿真程度的不断提高，设备及系统数学模型的不断完善和细化，系统方程如非线性方程组、稀疏伴随矩阵等愈加复杂，使系统核心处理器承受更大的计算负荷。针对该问题，最新的一种解决方案就是采用分布式并行处理技术将过于复杂的计算过程按系统或区域划分给不同的分布式处理单元(DPU)，以实现在同一时钟周期内完成两种或两种以上的处理工作[3]，从而在很大程度上提高系统的运行速度。

五、船舶轮机模拟器在技术和功能上的发展方向

随着船舶工业的不断发展，轮机模拟器的研制将朝着网络化、智能化、虚拟液晶化以及驾机合一的方向发展，虚拟设备和实物模型将更加紧密地结合并融入其中，借助网络技术，远程训练与教学也指日可待，未来的轮机模拟器将更加先进、灵活和智能。

1.分布式集群协作模式

系统将采用分布式网络结构，每个节点视为具有一定角色的、完全自治的工作站，每个站均装配分布式处理单元(DPU)，拥有特殊的自然属性和操作权限。系统运行时，节点操作人员的职能属性与实船一致，因此每一项任务都需要多位操作人员共同协作来完成。

2.故障模拟与智能诊断

将故障因素的数学描述与反馈机制融入相关的数学模型和系统，使模拟器在运行过程中能够更加真实地反映出故障的激活状态。结合专家系统知识库，利用智能诊断技术对模拟的故障现象进行诊断，通过对故障关联信息的认知和积累，加强学生分析、解决、排除故障的能力。

3.多感知与情境再现

三维虚拟现实技术的引入可生成一个高度沉浸感和真实感的机舱环境[4]，同时借助红外感应、激光及雷达探测、烟雾释放、光影再现等技术，可以使人机交互的形式更加丰富和逼真，进而提高系统的感知效果和情境再现程度。

4.机舱资源管理

机舱资源管理属于管理科学的范畴，科学而有效的管理能够使轮机人员充分利用机舱的人力、物力资源，明确各自日常工作中的义务与责任，正确使用并维护机舱的各种设备，保持船舶的正常安全航行，减少和杜绝潜在的人为失误，全面做好各种突发事件的有效应急措施[5]。STCW公约马尼拉修正案中在第III章“轮机部”的规则中新增了“操作级：领导力和团队工作技能的适用”和“管理级：领导力和管理技能的适用”，将机舱资源管理的知识和技能作为轮机部高级船员的强制性适任标准。借助轮机模拟器平台围绕机舱资源管理的培训项目对船员承担的相关任务进行训练，规范操作流程，对提高船员的组织沟通能力、团队协作意识具有重要作用。

5.远程WEB化、多样化及可扩展化发展趋势

随着教育形式的多样化发展，轮机模拟器基于Internet的WEB化甚至WEB 3D化发展是一种必然趋势[6]，该形式能够很大程度上降低系统安装及维护成本，提高系统利用率以及扩大系统的使用范围。同时，轮机模拟器的功能将趋于多样化，参数设置将更加灵活，可以利用轮机模拟器对实船系统的设计进行辅助验证，以实现系统设计的可行性、节能性分析；另外，模拟器的扩展性和二次开发能力将得到进一步的增强，模拟器将有可能成为特定系统或设备的设计、测试平台。

6.构建驾机合一的模拟训练中心

与航海操纵模拟器进行联合交互，构建驾机合一的综合训练平台。实现该模式的技术其实早已成熟，只要双方约定好通信形式，制定统一的通信协议，合理地规划平台间交互数据，实现起来并无技术障碍。目前其形成的主要的制约因素有两点：一是大背景下驾机合一的需求及规范还没有形成，其次是各部门间的体制存在较大差异。笔者相信，随着社会的进步，在相关权威部门的统一协调和部署下，驾机合一的综合训练模式必将成为现实。

[1] 曾青山, 李忠辉.WMS2000型轮机模拟器在航海教学中的应用与展望[J].航海教育研究，2002 (4): 61-63.

[2] 中华人民共和国海事局.中华人民共和国海船船员适任评估大纲和规范[M].大连：大连海事大学出版社，2009.

[3] 何治斌, 张均东, 林叶锦,等.国内外轮机模拟器的发展及对比研究[J].造船技术，2007(1): 38-40.

[4] 曾 鸿, 张均东, 王海燕.三通道立体投影轮机模拟器视景仿真系统[J].大连海事大学学报，2007, 33(1): 39-42.

[5] 蒋德志, 赵晓玲.基于轮机模拟器的“机舱资源管理”研究与实践[J].中国航海，2011, 34(1): 115-118.

[6] 李婷云, 陈跃坡, 杨国豪,等.基于Web3D的轮机模拟器网络虚拟平台实现[J].舰船电子工程，2009, 29(11): 115-118.