船舶轮机模拟训练装置技术现状分析

　　摘要：随着科学技术的进步，轮机模拟训练装置都将更加重视虚拟现实、人工智能等现代技术的应用，以提高模拟训练的逼真性和实效性，并使得模拟训练装置在轮机设备的故障仿真训练、应急处理操作训练以及模拟训练效果评估等方面更加全面、客观和有效，从而进一步提高施训效果，文章针对船舶轮机模拟训练装置技术现状进行了研究，希望能够为相关人员提供一定的参考和借鉴。
　　关键词：船舶轮机；模拟系统；船舶机械
　　目前开发数量最多、应用范围最广、技术最为成熟的轮机模拟训练装置是陆上轮机模拟器。这类轮机模拟器采用半物理仿真方式实现的陆上轮机模拟器，一方面，通过对人机交互装置的实物模拟，构建出尽可能真实的操纵训练环境，有利于提高训练行为的真实感；另一方面，通过对底层机械设备的计算机仿真，可灵活设置实船中难以出现的异常工况进行模拟训练，从而达到安全、经济、高效的日的。随着现代计算机网络、图形处理、多媒体等技术的发展，出现了基于纯软件模拟的轮机虚拟训练系统。不管是陆上轮机模拟器还是轮机虚拟训练系统，都只能对实际的训练环境进行一定程度的模拟，训练行为的真实性及效果都会受到一定的影响。实船轮机训练方案采用基于实船轮机训练系统的训练方式，通过将仿真训练系统嵌入到船舶实际环境之中，具有训练效率高、费用低、安全性好、便于实施等优点，已成为船舶轮机模拟训练的发展重点和发展方向。
　　一、轮机模拟训练装置研究现状
　　陆上轮机模拟器、轮机虚拟训练系统以及实船轮机训练系统3类轮机模拟训练装置都将长期并存，互为补充。在受训人员较多的大中型批量生产船舶的轮机训练方面，陆上轮机模拟器将继续起到中流砥柱的作用；在小批量生產的中小型船舶轮机模拟训练方面，轮机虚拟训练系统将得到广泛的重视；在对轮机人员专业技能要求很高的高自动化现代船舶和军用舰船上，实船轮机训练系统将得到越来越广泛的应用。从3类轮机模拟训练装置中，陆上轮机模拟器是研究历史最为长久、技术也最为成熟的。从20世纪60年代末开始，国外即开展了陆上轮机模拟器技术的研究，到20世纪90年代已发展成较为成熟的技术，成功研制出了一大批技术先进的陆上轮机模拟器，取得了非常好的经济效益。目前，比较著名的轮机模拟器生产厂家有挪威的KMSS、英国的TRANSAS、德国的STN等公司。国内对陆上轮机模拟器的研制起步较晚，但研究起点高，发展很快。具有代表性的国内轮机模拟器研制单位有大连海事大学、武汉理工大学、上海海事大学和海军工程大学。随着计算机技术的发展和现代船舶机舱自动化水平的提高，从20世纪90年代开始，基于纯软件模拟的轮机虚拟训练系统以及嵌入到实船设备之中的实船轮机训练系统，因其突出优点而受到人们的广泛重视。特别是实船轮机训练系统，由于其能在完全真实的实船环境之下进行模拟训练的优点，已成为船舶轮机模拟训练装置的发展方向。目前，实船轮机训练系统作为整个船舶综合平台管理系统的重要组成部分，已被许多欧美发达国家成功应用于新建造的船舶之上。
　　二、轮机模拟训练装置的分类分析
　　轮机模拟训练装置主要可分为如下3类：基于半物理仿真方式的陆上轮机模拟器、基于纯软件模拟的轮机虚拟训练系统以及嵌入到实船设备之中的实船轮机训练系统。陆上轮机模拟器是目前开发数量最多、应用范围最广、技术最为成熟的轮机模拟训练装置。这类轮机模拟器一般采用半物理仿真方式实现，即操纵面板、控制台等人机交互装置采用与实船相一致的实物模拟方式，而主机、推进轴系、发电机组等底层机械设备则通过计算机仿真技术模拟实现。采用半物理仿真方式实现的陆上轮机模拟器，一方面，通过对人机交互装置的实物模拟，构建出尽可能真实的操纵训练环境，有利于提高训练行为的真实感；另一方面，通过对底层机械设备的计算机仿真，可灵活设置实船中难以出现的异常工况进行模拟训练，从而达到安全、经济、高效的目的。陆上轮机模拟器虽然可提供尽可能真实的用户体验，但同时也存在着开发周期长、经费要求高、通用性较差、更新困难等不足。随着现代计算机网络、图形处理、多媒体等技术的发展，出现了基于纯软件模拟的轮机虚拟训练系统。轮机虚拟训练系统是基于计算机局域网技术，以轮机设备的3D模型代替实际轮机装备，以虚拟屁示面板代替仪表面板实物，用计算机仿真训练过程代替实际训练过程的轮机虚拟训练装置，具有开发周期短、经费要求低、功能强大、灵活实用、训练和维护成本低等独特优点，特别适合于小批量生产的中小型船舶轮机模拟训练的需求。不管是陆上轮机模拟器还是轮机虚拟训练系统，都只能对实际的训练环境进行一定程度的模拟，训练行为的真实性及效果都会受到一定的影响。实船轮机训练方案采用基于实船轮机训练系统的训练方式，通过将仿真训练系统嵌入到船舶实际环境之中，具有训练效率高、费用低、安全性好、便于实施等优点，已成为船舶轮机模拟训练的发展重点和发展方向。
　　三、轮机模拟训练装置技术分析
　　OBMETS公司以IPMS的硬件体系为依托，采用分布式结构，上层采用标准化的多功能操控站作为人机交换接口，每个多功能操控站由多个多功能通用标准模块化显控台组成，每个显控台的功能可通过软件设置决定，根据任务的需求中变化；中间层采用局域网络，可高速可靠地传递数据；下层为遍布全船的分布式处理站（RTU），负责现场信号采集处理和设备控制。OBMETS的仿真软件可安装在IPMS中的1个或数个多功能操控站中，在任何时候都可激活。当某个操控站被选为训练模式时，该操控站就停止与IPMS数据总线通信，其控制功能被屏蔽，从而可以提高IPMS的运行安全性，以避免模拟训练对实际装置和系统的误操作。在OBMETS上可以进行个人或小组级别的模拟训练，此
　　时任何一个多功能操控站都可被指定为教练台或受训台。依靠教练台并在教练员的组织下，参与分组训练的所有人员都置于同1个仿真环境和训练科目下，任何参训者的动作都将影响到其他人，从而达到协同训练的目的。KMSS公司生产的PPT2000系列轮机模拟器是最为典型的陆上轮机模拟器，在技术上居于世界领先地位，产品约占世界市场份额的80。PPT2000系列轮机模拟器的主要组成硬件部件，如主机遥控系统、机舱设备控制箱及控制器、车钟、报警系统、电力系统等都与实船一样，学员在模拟器操作训练如同于实船环境，模拟训练逼真度高。其数学模型库包括不同船型、不同配置、不同主机类型的数学模型，可分别实现对电力推进、定距桨和变距桨推进的船舶推进装置模拟训练。在体系结构方面，PPT2000系列轮机模拟器采用模块化结构，不同船型、主机的数学模型都存放在模型库中，开发时根据用户的具体要求，把不同的数学模型连接起来，经调试后，即可交付用户使用。该公司开发出了1种有效的轮机模拟器教练员系统。该系统按照STCW95公约的要求，提供了1套现成的练习方案，教练员可方便地设计、挑选不同的仿真环境，对学员进行有效的训练，并对其知识和技能水平进行客观的评估。
　　四、结束语
　　从提高轮机模拟训练的效果方面来说，实船轮机训练系统无疑是最优的，因此基于实船环境的实船轮机训练系统是轮机模拟训练装置的发展方向。但实船轮机训练系统必须以高水平的机舱自动化系统为依托，且必须在船舶建造时就同步开发，这使得实船轮机训练系统的应用受到一定的限制。可以预见，在将来相当长的一段时间内，陆上轮机模拟器、轮机虚拟训练系统以及实船轮机训练系统3类轮机模拟训练装置都将长期并存，互为补充。在受训人员较多的大中型批量生产船舶的轮机训练方面，陆上轮机模拟器将继续起到中流砥柱的作用；在小批量生产的中小型船舶轮机模拟训练方面，轮机虚拟训练系统将得到广泛的重视；在对轮机人员专业技能要求很高的高自动化现代船舶和军用舰船上，实船轮机训练系统将得到越来越广泛的应用。从技术发展的角度而言，3类轮机模拟训练装置的发展重点既有相同之处，又各有特点。例如，3类轮机模拟训练装置都将更加霞视虚拟现实、人工智能等现代技术的应用，以提高模拟训练的逼真性和实效性，并使得模拟训练装置在轮机设备的故障仿真训练、应急处理操作训练以及模拟训练效果评估等方面更加全面、客观和有效，从而进一步提高施训效果。除此之外，陆上轮机模拟器将更加注重装置模拟的物理相似性、与其他船舶设备模拟平台之间的交互性、训练行为的真实性和培训、评估实施的方便性；轮机虚拟训练系统将进一步丰富软件功能、优化网络结构，重点提高虚拟操纵训练的逼真性；而实船轮机训练系统作为整个船舶IPMS的一个重要组成部分，为有效和充分综合利用各种有用信息，最大限度地实现全船综合优化管理控制，将在进一步改进完善自身功能的同时，朝着多元化、集成化的方向发展，以最终实现全船系统的联动训练和编队级的联合训练功能。
　　参考文献：
　　〔1〕姚旭。轮机仿真训练器及其仿真技术发展〔J〕。科技与世界，2016。
　　〔2〕林琳。轮机模拟训练仿真系统研究〔J〕。系统仿真学报，2015。