船艇机舱综合模拟训练系统的设计研究

文章编号：1000-4882 (2010) 02-0184-06

船艇机舱综合模拟训练系统的设计研究

余世林1，陈辉2，宁海强1，王术新1

（1.镇江船艇学院，镇江，212003； 2.武汉理工大学能动学院，武汉，430063）

摘要

从船艇机舱装备的使用管理要求出发，结合船队实际训练需要，吸收各种轮机模拟训练器研究的成功经验，综合运用虚拟技术、故障诊断技术和网络技术等，开发船艇机舱综合模拟训练系统。具体介绍了系统结

构、系统组成和功能、系统设计和实现方法，提出了一种集船艇机舱装备的操作使用和管理、监控报警、故

障诊断、虚拟维修、考核评分等功能的综合模拟训练系统。经实践证明，该系统功能全面，结构设计合理，

实现方法简便可行，可替代实船开展机电人员培训，效率高、周期短、成本低。

关键词：船艇机舱；综合模拟；故障诊断；虚拟维修

中图分类号：U676.4 文献标识码：A

0 引言

随着计算机软硬件技术、图形显示技术、通讯技术、人工智能等相关技术的发展，虚拟现实技术也取得了突破性进展，并广泛应用于军事、机械、建筑等领域[1]。利用虚拟技术开发的各种轮机训练模拟器、虚拟维修训练系统已应用于实际，取得了良好的使用效果。

船艇机舱设备复杂，涉及学科领域广泛；尤其在浅滩、大风浪等特殊工况下，管理要求高，故障诊断难度大，维修困难。因受装备条件、地理条件、气候条件等方面的，利用实船进行训练很难实施；这样就导致许多训练课目难以达到训练要求。因此，必须综合应用先进仿真技术、研制船艇机舱综合模拟训练系统、替代实装进行机舱综合训练、改善当前船艇机舱综合训练现状、丰富培训手段和方法、降低训练成本、提高训练效果，从而对培养高水平船艇机电管理专业技术人才，提高船艇机舱的综合保障水平具有重要意义。

1 系统结构和工作流程

1.1系统结构

船艇机舱综合模拟训练系统的结构示于图1，该系统的核心是实时仿真支撑平台，由支撑平台进行集中管理和调度各个功能子系统，实时反映各子系统的运行状态和训练过程。该系统主要由船艇机舱仿真系统、操作管理模拟平台、故障模拟系统、监控报警系统、虚拟拆装系统和考核评分系统组成。

收稿日期：2009-08-28；修改稿收稿日期：2010-04-26

基金项目：某总部科研项目（2007YY037）

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图形库是构建该系统的基础，主要由机舱装备零部件图形库、维修工具图形库和配件图形库组成。

图1 船艇机舱综合模拟训练系统结构

1.2 工作流程

船艇机舱综合模拟训练系统的工作流程示于图2。启动系统后，由教练员在实时仿真平台上设置训练课目，学员按照要求进行操作、管理。误操作或教练员设置的故障，通过运行监控参数与声、光信报警信号反映出来。学员根据故障现象进行故障分析、判断；然后，实施虚拟维修，直至故障排除。自动评分系统对学员的整个训练过程自动跟踪记录，结合评分规则进行考核。

图2 船艇机舱综合模拟训练系统工作流程

2 船艇机舱综合模拟训练仿真系统组成与功能

船艇机舱综合模拟训练仿真系统由硬件系统和软件系统组成。

2.1 系统硬件与功能

系统硬件的组成结构示于图3。根据实装系统工作流程，系统硬件是由各子系统仿真设备通过网络建立联系的仿真平台[3]。其主要由视景系统、模拟操作盘台、监控台、教练台和系统网络等组成。

系统硬件的组成结构示于图3。根据实装系统工作流程，系统硬件是由各子系统仿真设备通过网络

建立联系的仿真平台[3]。其主要由视景系统、模拟操作盘台、监控台、教练台和系统网络等组成。

视景系统硬件由PC机与三通道135°水平投影场景组成，以模拟机舱环境。模拟操作盘台根据机舱操作盘台仿真而成，供学员进行机舱设备操作训练。监控台用以仿真机舱监控系统，实现监控报警。教练台用以实现对整个系统的管理。

系统网络由实装网和监控网组成。实装网的体系结构与实际系统一致，由硬件仿真实现；实装网上各模拟操作盘台与视景系统中的机舱仿真设备可以通过网络互联，组成与实际系统一致的网络，实现信号的接受与转换、数据的处理、信息的传输、接口状态的设置，为操作训练提供硬件支持。监控网是对系统中所有机舱仿真设备进行监控的网络，在监控网上实现监控信号的接受、解析与执行，并反馈监控台机舱仿真设备的状态信息，为受训人员提供方便的控制接口。

图3 系统硬件组成结构

2.2系统软件与功能

船艇机舱模拟训练仿真系统的软件由3部分组成：实时仿真管理平台、机舱视景系统和仿真板卡固件，其连接关系如图4所示。

2.2.1 视景仿真系统

机舱视景仿真系统总体框图示于图5。该系统是根据真实船艇机舱的布置和机舱设备结构，开发而成的三维机舱虚拟环境[4，5]；虚拟环境中的机舱仿真设备对应于原型系统中的船艇主机、船艇电站、船艇辅助机械、船艇管系、推进系统、监控台、操作盘台等。虚拟机舱与机舱操作模拟盘台及模拟监控台之间建立的实时通讯网络，可实现虚拟盘台与模拟操作盘台间的互操作；操作信息传递给实时仿真管理平台后，再实时实现驱动虚拟场景内的机舱仿真设备动态变化。

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图5 视景仿真系统总体框图

对应不同的仿真设备，仿真设备软件稍有不同，但其总体结构组成是相同的，都由虚拟界面显示、驱动程序、通信模块和功能模块等几个程序模块组成，实现与用户的交互及原实体的功能仿真。

2.2.2 实时仿真管理平台

实时仿真管理平台负责对整个仿真系统的监视和控制，具有强大的教练员管理与控制功能，可随时调阅仿真设备的状态(包括操作信息、接口数据、故障状态等)及实现对仿真设备的控制，可方便地进行仿真程序的起/停控制、外部条件参数设置、初始工况选择与编辑、故障设置、维修科目设置、操作记录、冻结、解冻、改变运行速度、追忆、返回及自动评分等[6]。图6为实时仿真管理平台外部参数设置界面图。

图6 实时仿真管理平台界面

1.操作模拟

本系统研制有模拟操作硬件盘台和虚拟操作盘台，两者通过网络通讯实现实时互动。根据实时仿真平台设定的训练科目，学员操作模拟盘台，系统根据学员的操作动作实时响应；通过船艇机舱视景仿真系统、监控报警系统实时反应仿真机舱装备的运行状况，学员可以及时调整、纠正、规范操作管理，熟练掌握实船机舱的使用操作规范，正确进行船艇机舱在各种工况下的使用管理。

2.故障模拟

采用基于规则的诊断专家系统与故障树分析法相结合的办法，根据船艇机舱设备故障产生机理，建立各系统和设备的故障树模型；然后，对所建立的故障树进行定性分析，并根据简化的故障树生成诊断专家系统的知识库以及搜索模式实现推理，最终实现对船艇机舱装备的故障诊断，给出维修建议。

188 中国造船学术论文

根据后台设定的故障或操作不当时出现的故障，通过压力、温度、转速等仪表参数显示与声、光、色信号报警，实现故障现象模拟。

3.监控报警模拟

监控报警系统可以模拟实际船艇机舱的集中监测系统，实现仿真机舱运行参数的显示、设置、打印、面板操作、延伸报警及分组表、测点表的输出等，可监控及记录各种故障，以及利用声、光信号模拟设备超限报警。

4.维修模拟

受训人员根据系统“产生”的故障现象，经初步判断，在计算机上进行交互式的船艇机舱设备虚拟维修。系统主要针对航行过程中船艇机舱设备的虚拟拆装，其关键是三维场景中零部件的建模和虚拟装配工艺。本维修模拟系统界面设置有待修设备区、维修工具区、备件区和操作参数区，系统界面友好，实现简单可行；船艇装备虚拟维修界面示于图7。

图7 船艇装备虚拟维修界面

5.考核评分

结合专家系统和基于模糊推理的综合评估技术，建立灵活、实用的评分规则库，采用合理的知识表示方法将模拟器操纵规则、故障诊断方案等转化为计算机能识别并进行推理的应用知识，即学员操作的评价依据。系统可自动记录考试时间，实时获取作业仿真系统的状态和学员的操作动作，能对训练过程进行回放并记录每一时刻训练人员的操作内容，自动跟踪学员的操作情况，能够提供实时解释机制和成绩评定。

2.3固件程序

固件程序是运行于外部仿真板卡CPU上的软件，负责执行USB1. 1协议规定的内容、初始化各硬件单元、配置设备以及对接口故障点的控制。

3 结语

本系统利用VC++、SE2000及VT3.0软件平台开发而成，可以实现对船艇机舱装备的使用操作、故障诊断、监控报警、虚拟维修、自动评估功能，替代实装开展船艇机舱的综合模拟训练，尤其是可以进行特殊工况下船艇机舱的管理和重大故障的诊断与排除训练。经实际使用证明，该系统性能可靠、培训效果好、周期短、成本低、可节能减排。

51卷第2期(总第190期) 余世林，等：船艇机舱综合模拟训练系统的设计研究 1 参考文献：

[1] 王术新,余世林,宁海强，等. 船艇主动力装备模拟训练系统的开发与研制[J].船海工程,2008,37(4):28-30.

[2] 孙建波,郭晨,张旭.船舶机舱检测和报警系统的设计与实现[J].系统仿真学报,2006,17(8):851-853.

[3] 全厚德,张洪才,周云锋，等.C3I系统维修模拟训练系统的设计与实现[J].军械工程学院学报, 2005.17(4):58-60.

[4] 郭晨,叶榛,史成军.船舶机舱虚拟现实仿真系统[J].中国造船.2004,45(9):75-78

[5] 孙俊,陆畅,逢守文.船舶机舱虚拟现实仿真系统的实现方法[J].系统仿真学报,2008,19(15):3456-3459

[6] 高海波,陈明昭,陈辉.船舶轴带发电机系统的仿真设计与建模[J].系统仿真学报,2002,13(6): 806-808

Design Research on Watercraft Cabin Multiple

Simulation Training System

YU Shi-lin1, CHEN Hui2, NING Hai-qiang1, WANG Shu-xin1

(1. Zhenjiang Watercraft College of the PLA, Zhenjiang 212003, China;

2. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract

Based on operation and management requirements of watercraft cabin equipment, a comprehensive simulation training system has been developed. In this system，actual military training needs are considered, successful experience from a variety of engineering train simulators is drawn，as well as virtual technology, fault diagnosis technology and network technology are applied comprehensively. The system structure, composition, design, system implementation, and system functions are particularly introduced. System functions contain operation and management equipment of cabin, alarm monitoring, fault diagnosis, virtual maintenance and assessment score. It is proved that the system provide comprehensive functions, reasonable structures and viable method. By using this system, training shipmen engaged in electrical or mechanical works will be more efficient and cheaper than using actual equipments.

Key words: watercraft cabin; multiple simulation; fault diagnosis; virtual maintenance

作者简介

余世林男，1973年生，硕士，副教授。研究方向为船艇装备仿真技术。

陈 辉男，1963年生，博士，教授，博士生导师。研究方向为轮机仿真技术。

宁海强男，1981年生，博士生，讲师。研究方向为船艇动力工程。

王术新男，1973年生，博士后，副教授。研究方向为船艇动力工程。