基于Visual Studio的船舶舵机操作训练平台的设计与开发

亓冠华

(泰山科技学院,山东 泰安 271000)

0 引言

船舶舵机作为航向控制的关键装备,对于船舶海上航行的准确性及安全性至关重要。由于海上存在海风、海浪等不确定干扰,导致舵机系统工作环境恶劣,容易出现硬件结构及软件通信系统故障,令船舶安全性能下降。当舵机系统发生未知故障时,船舶航向系统会受到影响,船舶控制性能下降则可能造成海上安全事故,对船员人身安全、船舶本身及港口安全会构成巨大威胁,尤其是在靠港工况下舵机系统的平稳运行十分重要。但很多舵机故障产生的原因是船员操控设备不规范,故对船员进行专业、规范的技能培训能够有效降低舵机系统出现人为故障的几率,因此船员专业培训的收益远大于花费的时间成本及资源成本。目前,我国对于轮机管理人员的技能培训正在由工作原理与海洋环境等相关知识学习向轮机模拟器应用及实物操作方向发展,帮助船员进行理论知识与实践应用相结合。故进一步对智能化液压舵机教学平台进行研究、将先进的学习方案与智能设计方法引入到舵机控制训练体系中,对船员技能水平的提高有着重要的意义[1]。国外很多公司对船舶舵机仿真模拟训练器的开发取得了一定的成绩(如英国的TRANSAS公司、德国的西门子公司及日本的三菱公司等[2]),但这些公司设计的仿真模拟训练器普遍存在设计模型较为简单、操作细节要求较低及操作训练流程固化的缺点,不利于培训人员处理舵机紧急状况及深入训练,无法满足马尼拉修正案的船员培训要求。

以PPT-2000型轮机仿真模拟器为例,作为一种功能齐全的全任务推进装置,其仿真模拟器由驾驶员室、船舱模拟器、学员训练室等部分组成[3]。系统利用二维画面生成的流程图来表示各个系统结构,故人机界面繁杂,不易操作,且只有一台监控系统来对全部系统实施监控,系统的可扩展性及可复用性较差[4]。相较而言,TERS-2000型轮机仿真模拟器具有多级别、可通用、可组合等优点,但在实际设计为了简化操作、增加模拟器的可视性,取消了部分硬件设计,导致设备不完整[5]。为了提高我国轮机培训人员的专业基础知识及操作技能熟练性,需设计一套设施完备、仿真程度高及人机界面友好的智能化船舶舵机操作训练平台。以舵机系统为研究对象,根据拨叉式液压系统工作原理,将复杂机械拆分为若干个模块,运用相关方法及理论知识建立舵机系统的动态数学模型。舵机仿真模拟器硬件结构参照川崎式舵机,根据MSA对船员的培训要求,考虑舵机实际工况特点对系统做了相应的简化,令仿真系统达到标准。综合舵机系统各模块的数学模型,基于Visual Studio设计了船舶舵机操作训练平台。在Visual C#的编译环境中利用图形绘制功能及窗体应用,对系统的仿真界面进行设计,使其能够模拟舵机系统的实际工作原理及操作流程,设计的仿真界面操作简便,可视性较好。

1 仿真软件界面设计

模拟界面决定了人机交互的智能化程度,它集成允许执行的各种操作界面及按钮设计。主要包括界面设计及控件设计,该部分作为主要操作界面应简要易懂,可操作性强。

1.1 界面底图的绘制

利用CorelDRAW矢量图形制作工具绘制系统图,界面底图根据实际的舵机液压系统绘制。舵机液压系统子界面的底图如图1所示。

图1 绘制界面底图Fig.1 Base of the interface

图1中间部分为拨叉式液压舵机,属于泵控型舵机,主要由油缸、双向变量泵、滑块、放气阀、舵柱及舵柄等组成。舵机主油路工作原理为:在电机的带动下,双向变量泵进行旋转,从低压侧抽油再经过主油路锁闭阀,将压力油供给到油缸,撞杆在油缸两侧油压差的影响下,利用滑块带动舵柄运动,驱动舵柱,从而改变舵角。在舵角达到驾驶台指令舵角时,舵机控制系统使双向变量泵的变量机构回中,双向变量泵的输出流量为零,这时油路锁闭阀工作在中位,液压系统油路产生锁闭。双向变量泵位于油箱内部,起到对闭式液压系统的冷却作用。

1.2 建立Winform自定义控件库

为了更好进行相应界面设计,需进行界面底图规制,在Windows Framwork中进行控件库设置,当控制库设置完成后,便可在工具箱中直接调用。舵机仿真系统需要制作添加的控件包括斜盘柱塞泵、随动舵、紧急舵、拨叉操纵舵机构、舵角计、压力计及安全阀。以上控件与船舶实际信息相匹配,对于舵机系统应产生相同的作用。将建立的控件整合到控制程序库中,便于后续调用。

采用GDI+(Graphics Device interface plus)绘图技术与C#编程语言来制作程序控件,该方法简单易行,可操作性强。软件包含了矢量图形绘制、文字显示及图像处理3部分,需要多种工具来进行图像处理,GDI+技术只进行简单的图形绘制渲染。其中,类Graphics封装了GDI+的制作图像程序,窗体中所有的制图画图必须由此类操作完成,并由System drawing进行空间命名。自定义控件库创建如图2所示。

图2 自定义控件库的创建Fig.2 Creation of custom control library

1.3 控件设计

船舶舵机系统的控件数量较多,在控件制作处理过程中需重复运用GDI+技术对控件进行缩放、旋转及颜色处理。为美化界面,制作的控件大小可根据需要改变。为使控件在制作变换过程中不变形,可在舵轮控件的属性中将ResizeRedraw设置为true,调用控件内部的平移缩放变换函数即可。图3为制作的随动操舵舵轮控件。

图3 随动操舵舵轮控件Fig.3 Servo steering wheel control

2 仿真界面设计及说明

基于Windows系统下的Visaul C#集成开发环境,设计船舶舵机的模拟操作界面。

图4为仿真软件的加载主界面,是整个系统的入口界面,界面中放置了一些可以实现各种功能的选项,主要包括船舶航行方向、驾驶台推进控制系统、集控台推进控制系统及液压系统等,可通过点击按钮来调用系统的其他子界面。

图4 仿真软件加载界面Fig.4 Interface of simulation software loading

图5为拨叉式船舶舵机液压系统子界面,由两部分组成:液压系统原理图,包含了管路系统、油柜油箱、管路阀件、液压油泵、转舵机构及舵角指示器。控制面板,包括电源指示灯、自动及随动操作转换按钮、操舵舵轮等。

图5 舵机液压系统子界面Fig.5 Sub-interface of servo hydraulic system

实际的船舶集控室拥有故障报警界面,当舵机系统因人为操作失误或发生未知故障时,面板上相应的警示灯开始点亮,同时伴随报警声音,需要船员进行故障确认。如图6所示,舵机故障系统报警界面中的故障指示包括油泵停止、电机断电、电机超负荷及安全阀故障等功能。

图6 故障报警指示界面Fig.6 Interface of fault alarm indicator

图7为驾驶台操作子界面,可以实现启动泵组、停止泵组,舵角选择、操舵位置选择、随动操舵、应急操舵、电源指示、压力指示、航速指示及警报指示等功能。

图7 驾驶台操作子界面Fig.7 Sub-interface of bridge operation

3 结束语

传统的船上培训方式存在周期长、成本高、事故多发等弊端,随着海上设备研发及计算机实时仿真技术的发展,轮船舵机仿真模拟训练器在航海领域得到了广泛应用,能够为船员模拟相对真实的船舶运行状态,已成为很多海运学员院校考核及发布证书的一种重要方式。基于Visual Studio,设计了拨叉船舶舵机系统的二维界面与软件系统,该设计不仅能够快速完成船舶舵机的故障检测,还能够为海员培训院校提供智能化的仿真模拟系统,提高学员操作能力及综合素质。