轮机模拟器的现状和发展趋势_曾青山

第8卷 第1期集美大学学报(自然科学版)V ol.8 N o.12003年3月Journal of Jimei U niv ersity(Natur al Science)M ar.2003[文章编号]1007-7405(2003)01-0074-06综 述轮机模拟器的现状和发展趋势曾青山1,陈景峰2,黄加亮2(1.厦门海事局,福建厦门361012; 2.集美大学轮机工程学院,福建厦门361021)[摘要]介绍了国内外具有代表性的轮机模拟器的一般组成和性能特点,并分析其未来发展趋势.[关键词]轮机模拟器;现状;发展趋势;分析[中图分类号]T P391.19;U664[文献标识码]A0 引言轮机模拟器是用计算机仿真的方法将实船使用的控制箱体、物理盘台及其它模拟设备进行展示,模拟实船机舱设备及其操作控制功能,并对操作者进行操作技能训练和熟练程度评估的装置.由于它是一种培训现代远洋轮机人员经济、安全、高效的设施之一,国际海事组织(IMO)在ST CW78/ 95公约中已将其列入船员培训的必备条件之一,并对轮机模拟器的一般性能标准和建议性标准做了详细规定.目前,国内外对轮机模拟器的研制均以满足STCW78/95公约对轮机模拟器的一般性能标准的要求作为最低的研制目标,并力争达到其建议性标准的要求.笔者就国内外具有代表性的轮机模拟器生产厂家研制的轮机模拟器的一般组成和性能特点以及未来的发展趋势做一些分析.1 国外轮机模拟器的研制现状国外对航海领域的计算机仿真研究始于20世纪60年代末,到90年代已发展成为十分成熟的技术.国外研制的轮机模拟器一般软、硬件水平比较高,价格也比较昂贵[1].比较著名的轮机模拟器生产厂家有挪威的KMSS公司、英国的Transas公司、德国的ST N公司.1.1 PPT2000系列轮机模拟器挪威KMSS公司生产的PPT2000系列轮机模拟器基于真实的船舶机舱类型,主要部件,如主机遥控系统、机舱就地控制箱及控制器、车钟、报警系统、电力供给系统、机器声响等都与实船一样,学员在模拟器操作训练如同于实船.它的数学模型包括不同的船型,不同的配置,不同的主机类型.船型方面有超大型油轮的数学模型;主机方面既有二冲程低速柴油机的数学模型,也有四冲程高速柴油机的数学模型.PPT2000系列轮机模拟器,从柴油机生产厂家看,可以仿真MAN B&W、Sulzer、Pielstick、Mak和MT U等世界著名柴油机厂生产的柴油主机和发电机;从推进方式上看,可对电力推进的船舶,燃气轮机推进的军舰,定距桨和变距桨船舶进行仿真;从软件工程的角度看,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,根据用户的要求,把不同的数学模型连接起[收稿日期]2002-09-03[作者简介]曾青山(1965-),男,轮机长,从事海事管理和轮机模拟器应用研究.K ongsberg Norcontr ol.Ship s system:Engine Room Simulator.2002来,经过调试后,交付用户使用.同时该公司开发出了一种有效的轮机模拟器教练员系统,该系统按照STCW 95公约的要求,提供了一套现成的练习方案,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.PPT2000采用开放式结构,为用户在此基础上开发新的功能创造了条件,便于进行升级换代.最近KMSS 公司开发的模拟器操作系统已转变到基于Window s,可以方便地把各个独立的船舶设备模拟器连接起来,形成船舶操纵(机舱和甲板)总体模拟训练,或组成与真实模拟器功能一样多的虚拟模拟器训练教室.在虚拟模拟器训练教室,教练员可以监控、评估学员的操作,学员可用聊天工具、电子白板等与教练员进行充分的交流,每个学员可获得充分的操作训练机会.该公司的工作站型模拟器可用于离线或在线远程模拟操作训练.KMSS 公司生产的轮机模拟器说明书资料齐全,内容包括所模拟装置母型详细的性能参数和操作说明以及教练员设备详细的使用说明两大部分,还有培训教练员详尽的课程资料,内容从模拟器的简单教学使用到整个模拟器设备的简单维修.该公司研制的轮机模拟器系列、种类齐全,在技术上居于世界领先地位,产品约占世界市场份额的80%[1].目前该公司正致力于船上模拟训练系统和远程在线模拟教学训练系统的开发和改进.1.2 ERS2000和ERS3000型轮机模拟器英国Transas 公司生产的轮机模拟器分为三个类型,即ERS2000、ERS3000和ERS Solo 型轮机模拟器,操作系统为Window s 2000或NT,PC 配置要求P !-400以上.ERS2000型轮机模拟器基于PC 网络,由一个教练员台和1~12个学员工作站组成,教练员工作站可以在线监视和控制学员工作站的操作,学员台可运行不同的柴油主机模型(二冲程定距桨或四冲程变距桨)和电站模型以及与其相配的控制系统和设备,如主机控制系统、淡水冷却系统、海水冷却系统、燃油供应系统、燃油净化系统、滑油和活塞冷却系统、压缩空气系统、扫气和排气系统、警报系统,故障排除系统、机舱污水及油水分离系统、火管组合锅炉、舵机、造水机等.ERS3000是全使命轮机模拟器,采用实际的控制设备面板、仪表和控制台,其中推进装置模拟器包括如下控制面板:1)推进系统,2)燃油和滑油系统,3)水冷却和海水冷却系统,4)蒸汽设备和压缩空气系统;电站模拟器包括如下控制面板:1)NO.1&NO.2柴油发电机组,2)轴带发电机和应急发电机组,3)主配电板(NO.1&NO.2柴油发电机组、轴带发电机控制屏、应急发电机组、同步屏各一个,380V 和220V 负载屏各一个).主机推进系统模拟器和电站模拟器可以分别作为两套独立的系统来训练,也可以联合在一起训练,并且可与航海模拟器相互联网组成驾机综合训练中心.ERS Solo 是单台PC 桌面型轮机模拟器,特别适用于海船船员的适任评估和相关的知识更新培训.该系统采用开放式结构,易于扩充新的功能或升级新的版本,也易于开展远程模拟训练教学.每个类型的轮机模拟器功能都一样.这三种类型的轮机模拟器可以单独配置,也可以结合起来配置[2].1.3 SES4000系列轮机模拟器∀德国STN Atlas Elektronik 公司生产的SES4000系列轮机模拟器,基于对仿真环境真实性的考虑,对所有的物理过程都进行建模、图形显示,主机和集控室都采用硬设备.每个系统的泵浦和管线都予以再现,并且考虑到了液体或气体的流动特性.SES4000系列中的大型和中型轮机模拟器包含的仿真设备有:主机推进装置、蒸汽系统、冷却和空调系统、舱底污水系统和压载系统.此外,还对消防系统、舵机系统、电站系统及船舶自动控制系统进行了仿真.SES4000系列中的小型轮机模拟器是基于工作站的轮机模拟器,采用多任务图形方式来仿真主机和子系统的功能.SES4000系列轮机模拟器的优点之一就是它可以作为整船操纵模拟器的一部分.STN 公司为Flensburg Poly technic 制造的75 ∀New sletter 2000:M odular S hip Engine simul ators.STN ATLAS Elektronik.2000.S i mulators:Engine Room S i mulator.Transas M arine.2002 第1期曾青山等:轮机模拟器的现状和发展趋势76集美大学学报(自然科学版)第8卷SES4000M多功能轮机模拟器是根据STCW78/95公约中对推进装置操作者的训练要求而设计的,该系统基于低速二冲程柴油机Sulzer5RTA84C,额定功率为20000kW,额定转速为102r/m in,采用实际的控制盘台和显示装置,能够仿真300个不同的报警和故障,同时能够产生随机的机舱声响效果.2 国内轮机模拟器的研制现状我国轮机模拟器的研制起步较晚,条件差,但研究起点高,发展很快,国内具有代表性的轮机模拟器研制单位有大连海事大学、上海海运学院、武汉理工大学.2.1 新型(虚拟)轮机模拟器系统[3,4]大连海事大学研制的新型轮机模拟器系统,是以交换机为中心将各个子系统仿真工作站、服务器、相关控制台、配电盘和VR(Virtual Reality,虚拟)工作站以星型网络结构构成的分布式仿真系统,系统以虚拟现实技术,配合集控室控制台、配电盘和驾驶室控制台等实物再现船舶的实际机舱.该系统微机采用Window s95/98等32位操作系统,服务器采用Window s NT作为操作系统,整个轮机模拟器留有网关,可与航海操纵模拟器联网,建成驾机联网模拟训练中心.整个系统由驾驶室/教员室功能模块、集控室功能模块、机舱设备功能模块、学员操作功能模块和电源(UPS不间断电源)五大部分组成.1)驾驶室/教员室功能模块配有驾驶室主机遥控台(包括报警系统、车钟记录仪、多通道记录仪和网络打印机)、仿真服务器、数据库服务器(w eb服务器)、工控机、教员工作站、声音合成及功率输出设备和音箱(放置机舱).教员室具有遥控主机及控制台上相关设备、修改参数和设置故障、对受训人员进行评估和对网络进行管理的功能.2)集控室配有主机集控台(包括各类仪表、转换开关、声光报警系统和网络打印机)、巡回检测工作站、系统图示工作站、配电盘(仪表和开关)、船舶电力系统工作站、工控机、两台VR工作站、两台投影仪和两块投影幕.集控室具有对主机及机舱各设备的远距离控制功能、巡回检测和报警功能、主机工况监视和主机遥控系统的显示功能、配电盘上发电机并车操作(包括调频调载)等功能.通过立体眼镜观看投影幕可看到动态的虚拟控制台、虚拟主机、虚拟驾驶台和实现机舱漫游,具有身临机舱的感觉(临场感).3)机舱设备功能模块由各仿真子系统工作站组成,具体由主机、主机操纵系统、发电柴油机组、锅炉系统(惰性气体)、分油机系统、舱底水系统、消防和应急系统、压缩空气系统、机舱燃油系统、机舱滑油系统和冷却水系统等组成.各仿真子系统既可独立仿真,也可组网构成全系统(整个机舱)仿真.4)学员操作功能模块(学员软操训练室)由大型图解板、教员站和15台学员工作站组成.图解板由电脑显示器拼接而成,可生动地反映机舱各设备分布、设备工作状态和各液位的在线指示,而且易于更新;教员站和15台工作站与教员室、集控室、机舱设备子系统相联网,在学生工作站可获取船舶全部资料、船舶各系统结构和相关设备的工作原理图(二维、三维动画、图片和录像),可单机运行子系统仿真程序或全船仿真程序(各学生工作站参数的改变不影响其他工作站的工作)或进行网络仿真(各工作站运行同一仿真程序,一个工作站改变参数,各工作站同时也改变相应参数).这种基于虚拟现实的轮机模拟器,学员进入机舱有临场感,操纵有真实感,通过三维透视图像可看到真实机舱设备封闭着的部件的运动情况,故障设置更为形象,还增加了机舱巡回检查和结构维修功能.由于采用分布式模块化结构的网络系统,对部分子系统的修改和更换不需修改整个系统.2.2 SMSC-2000大型轮机模拟器[5,6]77第1期曾青山等:轮机模拟器的现状和发展趋势上海海运学院研制的SMSC-2000大型轮机模拟器,以先进的2700TEU集装箱船作为基本仿真对象,其造型及面板结构的设计充分基于仿真母型船的实际.模拟器总体布局上由4个仿真训练舱室(集控室、模拟机舱室、驾驶室/教练员室、轮机长室)及延伸培训室(学员软操训练室、讲习室)组成,还配置有若干个其他辅助舱室.从计算机网络而言,由主体部分和延伸部分两个子网络构成,其主体部分设置了集散型分布式计算机局域网,配置有集控台、电站配电屏、机舱动力装置和管路系统仿真图解板、机旁操纵台、驾驶控制台、教练员台.延伸部分包括软操训练室、轮机长室和讲习室.软操训练室配置有1台服务器和20个学员工作站,同时专门为学员工作站开发了主机遥控模拟系统、轮机长远程监控系统、分油机运行管理系统等12个独立的系统软件包,学员可在微机联网和脱网状态下分别进行培训和学习.轮机长室配有一套与集控室一致的实时微机监控工作站,安置有延伸报警板一块.在选择机舱无人值班的运行方式时,它可兼作值班室.该模拟器在功能上模拟了实船具有的大部分自动控制系统,如主机遥控系统、安全保护系统、报警监控系统、污水处理系统、电站自动化系统等,并采用了人工神经网络故障诊断系统.在软件和网络结构方面,该系统选择了微软公司的视窗软件作为操作系统和国际上先进的实时仿真支撑软件,采用分布式计算机网络和模块化结构,综合使用了系统集成技术将地域分散、厂商不同的硬件和软件、实体表示方法各异的仿真节点连接成一体,其中机舱管系图解板采用组合式可控制、可视化的型式,以软代硬,软硬件结合,省却了功能简单而成本较高的辅机控制箱.为了便于培训教学,还专门设置了讲习室,讲习室内配有大型投影仪、联网的计算机工作站,可同时容纳80名学员在讲习室内实时观摩模拟操作过程.整个轮机模拟器留有网关,可与航海操纵模拟器等联网,建成驾机联网模拟训练中心.2.3 WM S2000型轮机模拟器武汉理工大学研制的WM S2000型轮机模拟器,采用UN IX操作系统和亚洲仿真器公司先进的实时仿真支撑软件,以先进的集装箱船为母型船进行仿真,大部分机械设备及其运行特性都按母型船设计,可再现母型船机舱各种机电设备的主要操作控制功能.该系统在设备布局上,由教练员室(兼主机驾控室)、集控室、模拟机舱、轮机长室、学员软操训练室和触摸屏式轮机模拟器信息查询机等组成[7].其中各舱室设备配备如下:1)教练员室: 驾驶遥控操纵台上有主、副车钟及车钟打印机、主机主要报警装置、侧推器操作装置、各种应急停止按钮及必要的仪表和指示灯等.∀教练员台可用来监控整个模拟器的运行,设置各种运行模式和运行的初始状态以及设置、删除故障等.2)集控室: 集中控制台的大小和布置与实船相同,在集中控制台上有4台显示器、主机遥控安保面板、主机遥控系统板、调速及执行器面板、各种运行状态指示灯、燃油粘度控制器面板、中央冷却淡水温度调节器面板、主/副车钟及车钟打印机、舵角指示器、各种仪表、警报监视系统打印机,还有压载、消防、舱底水遥控操作系统及其他辅助设备的控制开关、按钮等.∀电站系统,由两个柴油发电机控制屏、一个轴带发电机控制屏、一个并车屏、一个负载屏、两个组合起动控制屏、一个应急配电屏和一个岸电箱组成,配电屏尺寸采用68cm标准型,仪表、空气开关等均为实物.#油轮系统包括油轮锅炉控制箱、货油泵操纵控制台.3)模拟机舱:可操作的大型动态图解板、主机模型、主机机旁操纵台及主机模拟推进系统、轴带发电机机旁控制箱、副机机旁控制箱、空压机控制箱、燃油和滑油分油机控制箱、油水分离装置控制箱、生活污水处理装置控制箱、伙食冷藏装置控制箱等.仿真音响系统可模仿应急空压机、应急发电机、主发电机、主机工作的音响效果.武汉理工大学.WM S2000型轮机模拟器技术说明书,2001.78集美大学学报(自然科学版)第8卷4)软操训练室:一套投影仪和40台用于学员∃软操%训练的计算机.学员能在软操训练机上完成整个轮机模拟器所有功能的模拟操作.5)轮机长室:设有延伸报警板和监视轮机模拟器全部工作过程和状态的监控工作站.6)轮机模拟器信息查询机:可查询整个轮机模拟器的组成、功能和有关使用方法.该型轮机模拟器可在机旁、集控台、驾控室主机遥控台三处操纵主机,船舶电站系统可对柴油副机、发电机、配电板、电网负荷等进行操作控制,机舱工况集中监控和报警计算机能分别对主机的工作参数和缸内工作过程、动力装置热工系统及船舶电站系统的设备运行状态和系统的工作参数等进行动态图形监视,基本上可满足STCW95公约对轮机模拟器的要求.学员终端软操新增加了惰性气体系统、液压舵机、集装箱船二氧化碳灭火系统.另为适应油轮培训的需要,增加了油轮锅炉、蒸气透平货油泵系统.3 发展趋势轮机模拟器的研制将与船舶自动化的发展和船员教育培训要求紧密结合,并随着船舶自动化程度的提高和计算机技术的发展而发展,具体将表现在如下几个方面:1)研制轮机模拟器首先要满足STCW78/95的要求,特别注重轮机模拟器的物理真实性、行为真实性和便于培训、评估两方面,使之更加接近于实船机舱情况,使受训者能更方便地获得和展示合乎培训目标要求的有关技能,同时更加方便教练员设计不同的仿真环境来强化训练和评估学员.2)计算机网络系统将普遍采用分布式模块化结构,可以把基于不同目的的系统、不同厂商的产品和不同的平台组织起来并允许它们互操作,具体可组建驾机合一的船舶模拟训练中心甚至船岸管理训练中心(与VTS模拟器等联网),中心的每个单元点是完全自治的,有自己的自然属性和操作行为,仿真系统规模的扩大或缩小不会影响原有单元点间的交互[7].同时随着船舶自动化和计算机技术的发展,以软代硬的设计将更加普遍,更多的∃硬%的控制面板和控制箱体将被∃软%面板所代替[6].3)人工智能和专家系统知识库的应用将使轮机模拟器实时故障仿真、应急操作训练和对学员的模拟评估更加全面、客观和有效,在模拟器上的适当训练将可以替代一部分海上资历.4)虚拟技术的介入,可生成一个逼真的、具有视、听、触的虚拟机舱环境,可以极大提高人控仿真的逼真性和实效性,将对轮机模拟器的研制产生革命性的变革.5)模拟器的功能将趋于多样化,由于采用实船使用的硬件和高精度数学模型,轮机模拟器不但可以用于教学培训和模拟评估,也可以作为特定设备研制、改进和一些科学研究的开发平台.6)随着internet和远程教育的迅速发展,轮机模拟器作为一种有效的教育培训工具,对其研制也不能例外,操作系统将更多的采用微软的视窗系统,用户界面将更加友好,基于电脑网络和桌面型的轮机模拟器将获得长足的发展,并应用于远程模拟培训和船上操作模拟训练.4 结束语综上所述,目前国内外对轮机模拟器的研制都投入了巨大的人力物力,并把能否研制轮机模拟器作为衡量一个国家技术水平高低的标志之一.轮机模拟器的布局一般根据实际轮机系统的组成兼顾轮机模拟训练教学的需要,随着船舶自动化的提高和计算机技术的进步,轮机模拟器已发展成一个软硬结合、人机结合、高度复杂、可伸缩的庞大系统.由于ST CW78/95公约的实施,轮机模拟器的研制已从纯技术转向更有益于广泛地开展培训和客观有效地评估的仿真环境的设计.因此,评价一种轮机模拟器的先进程度,不仅仅要看它采用什么样的计算机硬件、软件以及它的仿真精度,还要看它是否便于教练员设计不同的仿真环境、灵活高效地开展培训,是否便于教练员客观地评估学员在操作轮机模拟器时所表现出的知识和技能水平以及对紧急情况的应变能力.[参考文献][1]范志贤,蔡振雄.国产轮机模拟器器的立项选项原则[J].集美大学学报(自科科学版),1999,4(4):80 83.[2]张惠泽.轮机模拟器现状[J].世界海运,1999,(2):44 45.[3]郭晨,吴恒,史成军,等.应用虚拟现实技术的新型轮机模拟器总体设计与系统结构[J].大连海事大学学报,1999,25(2):67 71.[4]史成军,吴恒,郭晨.新型轮机模拟器系统功能和结构设计[J].大连海事大学学报,1999,25(4):56 60.[5]郑华耀.计算机网络与轮机仿真训练器[J].上海造船,2000,(1):45 48.[6]郑华耀.基于网络化技术的大型集装箱船舶轮机模拟器[J].系统仿真学报,2001,13(6):723 725.[7]肖章权,高孝洪.现代轮机仿真训练器及其仿真技术发展[J].计算机仿真,1998,15(4):9 12.The Present Situation and Development Trend of Marine SimulatorZENG Qing shan 1,CH EN Jing feng 2,HUANG Jia liang 2(1.Xiamen M aritime Safety Administration,X iamen 361012,China2.Mar ine Eng ineering Institute,Jimei U niv ersity,Xiamen 361021,China)Abstract:This paper introduces the general components,functions of representational marine simula tor in the state and oversea,and discuss the future developing of m arine sim ulator.Key words:marine simulator;present situation;development trend;analysis 79 第1期曾青山等:轮机模拟器的现状和发展趋势。