船舶主动力系统实船训练系统的研究与实现

员钦升，屈 崇，许 峰，罗 昊

● （中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108）

船舶主动力系统实船训练系统的研究与实现

员钦升，屈 崇，许 峰，罗 昊

● （中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108）

实船训练系统是将仿真训练系统嵌入到船舶的实际系统中，船员可在平时的工作环境中训练各项操作，以便能够熟练地掌握各项操作技能，具有费用低、质量高、效率高等优点。 本文从国内外实船训练系统的研究现状出发，提出了基于某型船主动力系统开发的实船训练系统，阐述了该系统的组成、系统安全性的设计、 系统所实现的功能以及系统的应用前景等。

船舶；主动力系统；实船训练系统；船员培训

0 引言

随着科技的发展，现代船舶的装备性能得到大幅提高，船舶主动力系统的装备操纵规程也趋于自动化、智能化，对船员的要求也不断提高，传统的船员培训方式已不能满足船员的要求[1]。

目前，国内对学员采用的培训方式主要是陆上模拟器训练[2]，由于模拟器训练是采用模拟设备，与实际设备之间有很大差距，学员不能真正的融入到实际的操纵环境中，对提高学员的实际操纵能力有很大的局限性。国外船舶自动化公司于20世纪90年代提出了实船训练系统，它是指将仿真训练系统嵌入到船舶的实际操纵系统中，能够使船员熟练地掌握各项操作技能[3]。

近年来，国外很多船舶自动化公司陆续研究出了适用于各自船舶自动化系统的实船训练系统，有些系统已经在实船得到了应用，具有很好的效果。但是目前国内还没有成熟的实船训练系统，我所基于某型船的主动力系统开发出了一套主动力系统的实船训练系统，该系统具有仿真精度高、培训课程系列化、系统安全性高等优点，目前该系统已完成样机试验。

1 国内外实船训练系统的现状

1.1 国外状况

随着船舶自动化的快速发展，许多国家都将实船训练系统作为船舶平台管理系统的重要组成部分，结合各自的船舶自动化系统构建出了相应的实船训练系统，如美国AAI公司、德国西门子公司、ABB公司、加拿大L3-MAPPS Communication公司等。

作为世界领先的实船训练系统制造商，美国的 AAI公司从1998年以来，就在90多条美国舰艇上安装了400多套OBTS(On-Board Training System)[4]。

近年来，德国西门子公司的SINAVYCISOBTS(训练船员操作船舶轮机自动化系统的实船训练系统)被广泛应用于西门子公司所参与的多艘德国和其他国家海军的水面舰艇和潜艇的设计制造，受到了广大官兵好评[5]。

加拿大L3-MAPPS Communication公司所开发的实船训练系统是利用船员日常使用的IPMS工作站作为平台，平台加载有实时的模拟环境，船员可按照培训的计划操纵设备，不会对控制系统原有的功能构成影响。

实船训练系统不但可应用于船舶的轮机自动化系统中，在船舶雷达、导航、船舶操纵等方面也可发挥其重要作用。近年来，已有很多公司形成了其成熟的实船训练系统产品，被广泛应用于军舰和民用船舶上。

1.2 国内状况

虽然实船训练系统在国外得到了快速发展，但是国内船员自动化厂商还没有给予足够的重视，轮机模拟器仍是国内船员培训的主要方式和研究重点。

轮机模拟器是指采用半实物仿真的方法搭建一个与实船相似的模拟操作平台，在模拟设备上对系统进行操作，使学员了解设备的操作方法，对单纯的书本教学来说，模拟器培训可有效降低培训成本，提升培训质量和效率[6]。但是轮机模拟器也有其局限性：模拟器是半实物仿真，学员对船舶设备认识不够直观；模拟设备无法真实反映船舶设备的实际响应情况，学员操纵模拟器与操纵船舶设备会产生较大落差。而实船训练系统是将仿真训练系统嵌入到船舶的实际操纵系统中，既包含了模拟器的优点，也解决了模拟器仿真情况不逼真的问题，能够使船员更加熟练地掌握动力系统的各项操作技能和积累经验。

目前，国内还没有投入实船使用的训练系统产品，但是国内模拟器的研究已经非常成熟，在借鉴国内成熟模拟器技术的基础上，711所开发出了一套针对某型船主动力系统的实船训练系统，该系统将训练软件嵌入到船舶原有动力监控系统中，具有较高的仿真精度，有效实现了实船训练功能。

2 实船训练系统介绍

船舶主动力系统一般分为主动力控制系统和主动力监测系统：主动力控制系统是对船舶主动力的设备（主机、齿轮箱、螺旋桨等）进行控制，主动力监测系统是对这些设备的运行状况进行监测，实时反映相关设备的运行参数。

2.1 训练系统的组成

本实船训练系统基于某型船的原有推进监控系统模式，增加了一个教练员操纵平台（可根据船舶实际情况，将操纵平台安装在其它设备上），系统结构如图1所示。原船舶动力系统中各设备之间的通讯方式为双冗余以太网通讯（航行网1和航行网2），本训练系统在原网络通讯基础上增加了训练网，如图1所示。在航行模式时，航行网1、航行网2与驾驶室推进控制台、集控室推进控制台、主机、齿轮箱、螺旋桨及其附属设备构成船舶的主动力系统。当进入实船训练模式时，实船训练系统屏蔽监控系统与其监控设备的通讯，训练网与驾驶室控制台、集控室控制台、教练员操纵平台（装有仿真模型及教练员软件）就构成了一个具有高仿真精度的“主动力系统”。

图1 系统结构图

教练员操纵平台上装有仿真模型和教练员软件，仿真模型是利用微分方程以及系统辨识等多种建模方法叠加建立的替代主推进装置（包括主机、齿轮箱、轴系、螺旋桨、船体以及辅助设备等）的数学模型[7]，训练系统根据控制台发出的主机、齿轮箱、轴系、螺旋桨的起动、运行、停机和各类故障等指令改变模型的状态，从而达到推进设备不动作而进行船员训练的目的。教练员软件是训练指导者使用的控制终端，负责对整个训练系统的管理、配置、监视和评估的任务。

实船训练系统的主动力控制系统是在原主动力控制系统基础上增加了实船训练功能，即本实船训练系统的控制系统分为2种运行模式：航行模式和训练模式，从而降低了训练操作和实际操作之间的差异。进入训练模式时需要满足条件：动力系统相关设备控制部位在遥控时，需要主机转速为零，齿轮箱、螺旋桨等设备均在空车位；上述设备的控制部位在机旁时，可无条件进入训练模式。退出训练模式时需要满足条件：如果系统相应设备在遥控状态，需要驾、集控制手柄推到空车位置，其它设备的控制也在空车位。船员训练时，可以通过控制台对设备进行操纵，训练过程中教练员操纵平台可以模拟设备操纵过程中的各类故障，提高了船员对设备操纵的熟练程度以及故障排除能力。

实船训练系统的监测系统是在原监测系统基础上增加了实船训练功能，即本实船训练系统的监测台系统分为2种运行模式：航行模式和训练模式，系统在训练模式下接收仿真模型数据，屏蔽航行模式数据，系统在航行模式下接收实际设备的运行参数，屏蔽仿真模型数据。船员训练时，不仅可通过监测台软件实时监测参数的变化和报警，还可通过故障答题卡进行故障排除。故障解决后，仿真模型故障解除，相应测点恢复正常。

2.2 训练系统安全性的设计

动力系统的安全性是本实船训练系统的研究重点，一个好的实船训练系统不仅可为船员提供一个高精度操纵平台，还要不影响船舶原系统的稳定性。为了达到上述目的，本实船训练系统在网络与监控系统方面均采取了相应的措施。

网络方面：为了实现实际数据和训练数据的安全隔离，本实船训练系统采用两个网络：航行网和训练网，两个网络使用不同的交换机，实现了网络的物理隔离，同时对航行网的网段、IP地址与训练网的网段、IP地址做了专门的设置。

监控系统方面：本实船训练系统除对进入、退出训练模式设置了联锁条件之外，在进行模式切换的同时也对网络进行了切换：进入训练模式时，系统关闭航行网的通讯Socket，对训练网的通讯Socket进行初始化；退出训练模式时，系统关闭训练网的通讯Socket，初始化航行网的通讯Socket。

2.3 训练系统实现的功能

为了很好的实现训练功能，本实船训练系统包括训练辅导教学、训练课程设置、训练结果评估以及训练历时数据查询等功能。

训练辅导教学：本系统可根据船员的具体要求加载一些设备的操纵指导书、操纵视频、操纵音频等教材，船员可以通过这些教材对动力系统的操作进行详细了解，提高自身的业务水平。

训练课程设置：本系统包含系列化的培训课程，教练员可以根据不同岗位、不同熟练程度的学员设置不同范围、不同侧重点和不同难度的训练内容，为所有学员提供一个有效的训练课程。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，学员可完成实际系统中无法或者不允许执行的操作训练。训练形式包括单学员培训和小组集体培训，可以很好的提高学员独立操纵能力和团队协作能力。

训练评估：本系统不仅给学员提供了系列化的培训课程，也可以对学员的操作进评估，并给出相应的分数。本评估系统主要从训练内容完成情况、训练过程故障修复情况以及操作时间等方面进行综合评估，给出一个公正的分数，教练员可对学员的掌握情况有一个明确的了解。

训练数据查询：本系统具有历史数据查询功能，可以查询以往学员操作的历史数据，同时对学员操纵过程中出现的问题进行汇总、分析，通过统计结果，教练员可了解到学员的问题所在，对学员出现错误比较多的问题进行系统讲解、培训，让学员的操作能力切实得到提高。

2.4 训练系统的应用情况

本实船训练系统作为主动力监控系统的一部分已经应用在了在所制造的某型船的动力监控系统上面，目前该系统已完成样机试验，系统的稳定性、安全性已经得到了验证，本系统将依据计划应用到船舶上，将成为我国训练系统实船应用的先例。

3 结语

实船训练系统作为船舶平台管理系统的一部分，教练员可在船员日常工作的操纵环境中对其进行培训，可地提高船员的实际操纵能力[8]。国外很多公司已经进行了研究，并有了成熟的产品，但是国内还没有成熟的实船训练系统产品。711所开发了一套基于某型船主动力系统的实船训练系统，该系统具有仿真精度高、培训内容系列化、稳定性高等优点，对船员起到很好的训练效果。该系统目前已完成样机研制，将依据计划应用到船舶上，将来会结合船员的实际使用情况不断完善，最终形成一套成熟的实船训练系统，该系统将会填补国内实船训练系统在实船应用方面的空白。

[1] 魏晓明, 刘金林, 曾凡明. 舰船主动力系统虚拟维修训练系统研究[J]. 中国修船, 2010, 23(3): 47-48

[2] 陈玉文. 军用训练模拟器的需求与发展研究[J]. 海军军训器材研究所, : 14-18

[3] 陆锦辉, 张敏. 主推进系统实船训练系统的研究与实现[J]. 上海船舶运输科学研究所学报, 2006, 29(1):6-13.

[4] Moschopoulos J. Advanced Integrated control and information system in The US Navy [A]. Proceeding of Eleventh Ship Control System Symposium [C]. USA:[s. n.], 1997.

[5] Siemens. Completely Integrated solution for navy SINAVYCIS[OB/OL].2004-04-18 [2006-2-17]http://www.industry.siemens.com/broschueren/downloa ds/marine.

[6] 贾宝柱, 曹辉, 张均东, 等. 轮机模拟器及其关键技术[J]. 中国航海, 2012, 35(1): 35-40.

[7] 潘立登, 潘迎东. 系统辨识与建模[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004.

[8] 周国平, 袁利国, 高宜鹏, 等. 舰船动力装置实船嵌入式仿真训练系统[J]. 舰船科学技术, 2013, 35(5):74-78.

Research and Realization of Training System of Ship Main Power System

YUAN Qin-sheng, QU Chong, XU Feng, LUO Hao
(No.711 Institute, CSIC, Shanghai 201108, China)

On-board training system (OBTS) is a kind of crew training simulator embedded in ship system, it enables the crews practice system’s various operation in the daily work environment, and helps crews mastered necessary operation ability, which has the features of low cost, high quality and high efficiency. From the research status of OBTS’s study in domestic and abroad, the article proposes an OBTS that our research institute develops. The article elaborates the system components, system security design, OBTS’s function and the system prospects etc.

ship; main power system; on-board training system; crew’s training

U692.7

A

员钦升（1988-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶自动化。