CN106652646A - 基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统，包括船舶的监控系统，仿真计算机和训练控制计算机；仿真计算机分别与监控系统的过程控制站、训练控制计算机相连。本发明以各型船舶动力系统都具有的动力监控系统为嵌入平台，通过专用接口实现了模拟训练设备与动力监控系统的有效嵌入；本发明是基于动力监控系统实现，有别于传统基于全船综合平台管理系统的实现方式，不但充分利用了动力监控系统原有人机交互部件和自动控制部件，而且适用于我国船舶自动化水平整体较低，大部分船舶没有全船综合平台管理系统的实际情况。

Description

基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统

技术领域

本发明涉及船舶模拟训练技术领域，尤其涉及基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统。

背景技术

对于船舶动力系统嵌入式模拟训练系统的研究，欧、美等西方发达国家起步较早，取得的成果较多。目前，嵌入式模拟训练系统作为现代船舶综合平台管理系统的有机组成部分已经得到了广泛的应用。美、英、德、法、意等国近年来新建船舶都配置有先进的综合平台管理系统，在其中都包括有嵌入式模拟训练模块。我国由于早期船舶自动化、智能化水平有限，对船舶综合平台管理系统的研制起步晚，尚未形成统一的标准化、自动化、智能化船舶网络平台系统。在船舶嵌入式模拟训练系统的研究总体上来说也还处于探索和试验阶段，除个别型号的少数子系统具有初步的模拟训练功能外，嵌入式模拟训练在我国船舶动力系统中暂时还未得到大范围的应用。

在欧、美等西方发达国家，船舶动力系统嵌入式模拟训练系统是作为船舶综合平台管理系统的一个子功能模块发展起来的，其结构必须与全船综合平台管理系统完全一致，通常采用分布式总体结构形式(例如：CAE公司研制的F124护卫舰嵌入式模拟训练系统、Siemens公司研制的F125护卫舰和212潜艇的嵌入式模拟训练系统、加拿大L3-MAPPSCommunication公司研制的嵌入式模拟训练系统等)，一般由上层多功能显控站、下层通用型远程处理单元和中间的高速局域网三部分组成，如图1所示。

我国船舶的自动化水平与国外先进水平相比有一定差距，加上综合平台管理系统涉及到整个船舶自动化系统的基础架构、其研制通常需要与船舶建造同步进行，所以到目前为止我国仅有少数新型船舶的部份动力设备具有初步模拟训练功能，其中最具代表性的是上海船舶运输科学研究所以STI-VC2100型机舱监控系统为基础研制的390型柴油机嵌入式模拟训练系统，如图2所示。

该系统采用半物理/半模拟的结构模式，半物理指操纵手柄和监控设备是STI-VC2100型监控系统的实物，半模拟指训练对象即390型柴油机为仿真模型。在模拟训练过程中，船员通过对实际设备的操作，完成对390型柴油机的模拟操作训练；该结构模式除了船员训练的作用外，还可用于在静态条件下检查主推进装置控制监测系统的逻辑功能是否满足要求、网络通信是否正常等。

嵌入式模拟训练系统由训练机和带有CAN通信功能的各种数据交换模块组成，具有独立的训练数据通讯网络，并通过接口与STI-VC2100型机舱监控系统相连接，与模拟训练系统相连的各种监控设备都配有专门的通讯控制及接口处理器。训练机的主要功能是运行主动力装置仿真模型和训练系统的人机界面，在整个训练系统的网络结构中，起着网关的作用；上层通过交换机连接机电综合管理系统，下层通过双口RAM模块连接训练CAN网。主机采用PC/104加固机，型号为STI-VC2100PC，支持100M TCP/IP协议通信和CAN2.0B现场总线通信功能。数据交换模块嵌入在各控制器中，主要功能是实现训练机和主动力装置监控系统设备之间的数据通信。为了不影响主动力装置监控系统的监控过程，数据交换模块设计为具有智能功能，采用PC/104总线标准，作为训练系统的通信模块嵌入到控制器及PC/104加固机内。当系统处于模拟训练工作状态时，操作人员通过实际的操纵手柄或按钮发出操作指令，监控设备接受指令，经过控制运算后将控制命令写入嵌入在控制器内的数据交换模块的双口RAM存储空间；数据交换模块的微控制器从双口RAM中读出控制命令，并通过CAN控制器发送和传输到训练机的数据交换模块双口RAM上，训练机的仿真模型从双口RAM读取控制命令；经过模型的仿真运算，把仿真结果数据写到嵌入在训练机的数据交换模块的双口RAM存储空间；数据交换模块的微控制器从双口RAM中读取模拟仿真结果数据，并通过CAN控制器发送和传输到控制器的数据交换模块双口RAM上；控制器的监控程序从双口RAM存储空间获得训练机的模拟数据，通过监控系统网络传输到机电综合管理平台上。值得指出的是，该设计方案是在系统底层的控制器级来实现模拟训练数据的嵌入，因此要求各底层控制器具有与训练系统网通讯的数据交换模块。目前，国内各型船舶动力系统都没有严格意义上的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统，虽然有少数新型船舶的部分设备具有模拟训练功能，但常常仅针对某些特定工况，以本设备的操作使用为目的，并没有针对整个动力系统。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统。

为实现上述目的，本发明提供一种基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统，包括船舶的监控系统，仿真计算机和训练控制计算机；

所述仿真计算机分别与所述监控系统的过程控制站、训练控制计算机相连，用于响应训练控制计算机、监控系统手操部件或自控部件发送的指令，计算动力系统各设备和管路系统的运行状态参数，用以替换实装的传感器信号，为监控系统的自控部件、显示与报警部件、人机接口操作站，训练控制计算机提供仿真运行状态参数；

所述训练控制计算机用于教练员建立和执行训练计划、编制和执行训练脚本、设置训练题目、配置运行环境参数、注入和清除装备故障、设定装备控制与运行参数以及当前技术性能水平与状态、存储和恢复初始状态、控制训练进程、记录和重放训练过程、评价训练效果。

作为本发明的进一步改进，还包括新增或扩展过程控制站、参数输入信号切换模块、运行模式切换指示灯、运行模式切换开关和主机阀位显示切换模块；

新增或扩展过程控制站一端通过总线及板/卡与所述仿真计算机相连，另一端通过数字总线与所述监控系统的过程控制站相连；

新增或扩展过程控制站通过仿真参数模数转换模块与所述参数输入信号切换模块相连，所述参数输入信号切换模块所述监控系统的二次仪表、声光仪表相连；

新增或扩展过程控制站通过控制指令模数转换模块与所述监控系统的监控台开关或按钮相连；

新增或扩展过程控制站通过控制指令模数转换模块与所述监控系统的主机专业手操器相连；

新增或扩展过程控制站与所述主机阀位显示切换模块相连，所述主机阀位显示切换模块分别与所述监控系统的主机专业手操器、阀位传感器、主机专业调节阀相连；

新增或扩展过程控制站通过切换指令模数转换模块与所述运行模式切换开关相连；

新增或扩展过程控制站通过切换指令模数转换模块分别与所述参数输入信号切换模块、运行模式切换指示灯、热主机阀位显示切换模块相连。

作为本发明的进一步改进，所述仿真计算机上安装有仿真模型单元、模型算法库和模型变量库；

所述仿真模型单元用于以动力系统的结构参数为基础，模拟动力系统的运行状态参数、保障条件参数与运行控制参数之间的相互关系，反映动力系统的受控运行规律、环境条件响应规律和故障响应规律；

所述模型算法库和模型变量库均与所述仿真模型单元相连，用于提供数据支持。

作为本发明的进一步改进，所述训练控制计算机上安装有机旁虚拟操作终端，所述机旁虚拟操作终端用于机舱设备和系统的机旁模拟操作和参数显示，与仿真模型单元及监控系统原有人机交互部件和自动控制部件一道，实现模拟训练功能。

作为本发明的进一步改进，所述训练控制计算机上还安装有训练管理和组织功能单元、故障数据库和试题库；

所述故障数据库和试题库均与所述训练管理和组织功能单元相连，用于提供数据支持；

所述训练管理和组织功能单元包括系统管理与调度功能模块、训练环境设置模块、训练流程控制模块、故障投入与解除功能模块、训练评估模块、网络通讯及接口管理模块，用于训练过程的管理和组织。

本发明还提供一种基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统的训练方法，包括：

步骤1、受训人员通过监控台面上的显示与报警部件以及人机接口操作站，观察动力系统运行状态与控制器位置状态信息；

步骤2、受训人员根据所观察到的信息判断系统的当前运行状态及发展趋势，或根据口令的要求，确定系统的操纵控制要求；

步骤3、受训人员根据需要通过手操部件发出控制指令，并通过显示与报警部件和人机接口操作站，同步关注仿真计算机提供的动力系统的运行状态仿真参数的变化情况；

步骤4、受训人员通过手操部件发出的控制指令，通过总线、网络或专线发送给仿真计算机；

步骤5、仿真计算机根据控制指令和动力系统当前运行状态参数计算值，计算动力系统的下步运行状态参数；

步骤6、仿真计算机计算出的动力系统运行状态参数，由总线或以太网送往显示与报警部件和人机接口操作站，供受训人员观察并做出进一步判断；

步骤7、实装监控系统的连锁保护功能部件和报警功能部件则依据仿真计算机提供的运行状态参数，向仿真计算机发出模拟连锁保护的运行控制指令或向报警器发出报警指令；

步骤8、在没有人员参与训练的岗位上，通过将控制方式转为自动，便可由监控系统的自动调节器依据仿真计算机提供的动力系统运行状态参数，根据需要向仿真计算机发出调整动力设备运行状态的控制指令。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开的基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统，以各型船舶动力系统都具有的动力监控系统为嵌入平台，通过专用接口实现了模拟训练设备与动力监控系统的有效嵌入，进而构筑起船舶动力系统嵌入式模拟训练系统的整体技术框架。该技术框架是基于动力监控系统实现的，有别于传统基于全船综合平台管理系统的实现方式，不但充分利用了动力监控系统原有人机交互部件和自动控制部件，而且适用于我国船舶自动化水平整体较低，大部分船舶没有全船综合平台管理系统的实际情况。

附图说明

图1为现有技术中作为全船综合平台管理系统子功能模块的嵌入式模拟训练系统的框架图；

图2为现有技术中基于STI-VC2100型监控系统的嵌入式模拟训练系统的框架图；

其中：GT:网关；GDB:网关数据交换模块；AOP:自动操作板；SAOP:半自动操作板；RCC:遥控操作器；ESP:安全保护报警板；LBC:功率平衡控制器；LDB:LBC数据交换模块；PCC:齿轮箱/调距桨控制器；PDB:PCC数据交换模块；DEC:柴油机控制器；DDB:DEC数据交换模块；ESC:安全保护控制器；EDB:ESC数据交换模块；nD:转速测量装置；nDB:nD数据交换模块；

图3为本发明一种实施例公开的基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统的总框架图；

图4为本发明一种实施例公开的基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统的硬件结构图；

图5为本发明一种实施例公开的基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统的软件体系结构及信息流程图；

图6为本发明一种实施例公开的基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统的专用接口组成图；

其中：实框为新增部件，虚框为已有部件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

实施例1：本发明提供一种基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统，包括船舶的监控系统，仿真计算机和训练控制计算机；仿真计算机分别与监控系统的过程控制站、训练控制计算机相连，用于响应训练控制计算机、监控系统手操部件或自控部件发送的指令，计算动力系统各设备和管路系统的运行状态参数，用以替换实装的传感器信号，为监控系统的自控部件、显示与报警部件、人机接口操作站，训练控制计算机提供仿真运行状态参数；训练控制计算机用于教练员建立和执行训练计划、编制和执行训练脚本、设置训练题目、配置运行环境参数、注入和清除装备故障、设定装备控制与运行参数以及当前技术性能水平与状态、存储和恢复初始状态、控制训练进程、记录和重放训练过程、评价训练效果。

本发明基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统还包括新增或扩展过程控制站、参数输入信号切换模块、运行模式切换指示灯、运行模式切换开关和主机阀位显示切换模块；新增或扩展过程控制站一端通过总线及板/卡与仿真计算机相连，另一端通过数字总线与监控系统的过程控制站相连；新增或扩展过程控制站通过仿真参数模数转换模块与参数输入信号切换模块相连，参数输入信号切换模块监控系统的二次仪表、声光仪表相连；新增或扩展过程控制站通过控制指令模数转换模块与监控系统的监控台开关或按钮相连；新增或扩展过程控制站通过控制指令模数转换模块与监控系统的主机专业手操器相连；新增或扩展过程控制站与主机阀位显示切换模块相连，主机阀位显示切换模块分别与监控系统的主机专业手操器、阀位传感器、主机专业调节阀相连；新增或扩展过程控制站通过切换指令模数转换模块与运行模式切换开关相连；新增或扩展过程控制站通过切换指令模数转换模块分别与参数输入信号切换模块、运行模式切换指示灯、热主机阀位显示切换模块相连。

优选的，仿真计算机上安装有仿真模型单元、模型算法库和模型变量库；仿真模型单元用于以动力系统的结构参数为基础，模拟动力系统的运行状态参数、保障条件参数与运行控制参数之间的相互关系，反映动力系统的受控运行规律、环境条件响应规律和故障响应规律；模型算法库和模型变量库均与仿真模型单元相连，用于提供数据支持。

优选的，训练控制计算机上安装有机旁虚拟操作终端，机旁虚拟操作终端用于机舱设备和系统的机旁模拟操作和参数显示，与仿真模型单元及监控系统原有人机交互部件和自动控制部件一道，实现模拟训练功能。

优选的，训练控制计算机上还安装有训练管理和组织功能单元、故障数据库和试题库；故障数据库和试题库均与训练管理和组织功能单元相连，用于提供数据支持；训练管理和组织功能单元包括系统管理与调度功能模块、训练环境设置模块、训练流程控制模块、故障投入与解除功能模块、训练评估模块、网络通讯及接口管理模块，用于训练过程的管理和组织。

实施例2：本发明还提供一种基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统的训练方法，包括：

步骤1、受训人员通过监控台面上的显示与报警部件以及人机接口操作站，观察动力系统运行状态与控制器位置状态信息；

步骤2、受训人员根据所观察到的信息判断系统的当前运行状态及发展趋势，或根据口令的要求，确定系统的操纵控制要求；

步骤3、受训人员根据需要通过手操部件发出控制指令，并通过显示与报警部件和人机接口操作站，同步关注仿真计算机提供的动力系统的运行状态仿真参数的变化情况；

步骤4、受训人员通过手操部件发出的控制指令，通过总线、网络或专线发送给仿真计算机；

步骤5、仿真计算机根据控制指令和动力系统当前运行状态参数计算值，计算动力系统的下步运行状态参数；

步骤6、仿真计算机计算出的动力系统运行状态参数，由总线或以太网送往显示与报警部件和人机接口操作站，供受训人员观察并做出进一步判断；

步骤7、实装监控系统的连锁保护功能部件和报警功能部件则依据仿真计算机提供的运行状态参数，向仿真计算机发出模拟连锁保护的运行控制指令或向报警器发出报警指令；

步骤8、在没有人员参与训练的岗位上，通过将控制方式转为自动，便可由监控系统的自动调节器依据仿真计算机提供的动力系统运行状态参数，根据需要向仿真计算机发出调整动力设备运行状态的控制指令。

实施例3：本发明从国内大部分船舶没有全船综合平台管理系统的现实情况出发，以各型船舶动力系统都有的动力监控系统为嵌入平台，充分利用动力监控系统已有人机交互部件和自动控制部件，通过增设仿真计算机和训练控制计算机等训练设备形成的一个属于动力监控系统的模拟训练三级子系统；模拟训练时由仿真计算机和训练控制计算机等训练设备替代实装响应受训人员的操作指令并计算产生设备运行状态仿真参数，使动力监控系统具有交替开展监控动力设备运行和支持操作人员模拟训练两种运行模式；实现模拟训练系统与监控系统的有效融合，形成先进、高效和低消耗的现场模拟训练平台；使船员在不启用动力机械、设备与管路的情况下，利用动力监控系统已有的各种手操部件、各种显示与报警部件、人机接口操作站等人机交互部件，开展逼真的日常操作和应急处置训练；能够以较低的训练费用保障训练的针对性、有效性和实时性，进一步提高船员操纵的准确性与快速反应能力，为动力系统的使用和维修保障决策提供支撑。

为达到上述目的，本发明首先提出了基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统总体方案和功能实现原理，然后在此基础上设计了系统的软、硬件结构，并给出了模拟训练设备与动力监控系统的有效嵌入方法。

(一)总体方案

1、设计原则

基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统的设计原则如下。

(1)尽量不影响原有监控系统原有功能和可靠性

嵌入式模拟训练系统是嵌入到动力监控系统的一个功能系统，与决定着动力系统安全可靠运行的监控功能相比，模拟训练功能永远是次要的。因此，必须重视“嵌入”的策略与方法，既要保证训练设备有效接入、训练功能的有效嵌入，又要做到在各种情况下、尤其是动力系统实际运行期间，监控系统的监控功能和可靠性不受嵌入到系统中的模拟训练设备的任何影响。

(2)尽可能使用监控系统已有人机交互界面

嵌入式模拟训练系统最大的优点是模拟训练的高度逼真性。为此，在系统的设计开发中，要将模拟训练的逼真性放在非常重要的位置。为尽量提高训与用、训与战的一致性水平，要求模拟训练时的所有人机交互界面，特别是位于遥控室、损管中心和备用损管中心的操控手柄、按钮、旋钮、开关等控制输入手段和用于观察动力系统运行状态的各类仪表和声光报警装置等人机交互界面，都尽可能使用监控系统已有人机交互界面。

(3)不过量增加设备

嵌入式模拟训练系统的开发应该秉承可实现性原则，并在可能情况下尽量少增加设备、减少系统研制的工作量与工程风险。由于嵌入式模拟训练系统是嵌入到动力监控系统中的一个新型功能系统，因此会需要增设一些计算机和软、硬切换开关等设备，实现现场模拟训练与动力监控的自由切换，但必须基于目标船舶动力系统的动力监控系统网络，使增加的设备最少化，减少订货经费。

2、方案设计

基于前述设计原则，立足于当前国内船舶动力监控系统的技术基础，设计出基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统总体方案如图3所示。

由图3可见，基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统，主要由与实际监控系统的共用部件(含过程控制站和人机接口操作站)、仿真计算机、训练控制计算机(含训练控制与管理、机旁虚拟操作)及其接口组成。仿真计算机、训练控制计算机和机旁操作模拟软件之间采用以太网相连，通过网络进行数据交互；而与监控系统共用的部件和仿真计算机之间的数据交互方式与设备有关，过程控制站通过原动力监控系统的数据总线进行通讯，而人机接口操作站则通过新增加的以太网进行通讯。

(二)功能实现原理

1、工作流程

嵌入式模拟训练系统投入运行后，在遥控室和损管中心的受训人员以及配合训练的人员，通过监控系统的原有显示台屏，包括人机接口操作站、二次仪表、手操器阀位指示部件、声光报警装置等，观察动力系统的运行与控制状态参数，发现系统的运行异常后或根据口令，按照预定的控制规则，通过监控系统的原有发令部件，包括手操器、开关、按钮等，发出控制指令，并继续从显示台屏上观察系统的运行与控制状态。

嵌入式模拟训练系统训练过程如下：

(1)受训人员通过监控台面上的显示与报警部件以及人机接口操作站，观察动力系统运行状态与控制器位置状态等信息；

(2)受训人员根据所观察到的信息判断系统的当前运行状态及发展趋势，或根据口令的要求，确定系统的操纵控制要求；

(3)受训人员根据需要通过手操部件发出控制指令，并通过显示与报警部件和人机接口操作站，同步关注仿真计算机提供的动力系统的运行状态仿真参数的变化情况；

(4)受训人员通过手操部件发出的控制指令，通过总线、网络或专线发送给仿真计算机；

(5)仿真计算机根据控制指令和动力系统当前运行状态参数计算值，计算动力系统的下步运行状态参数；

(6)仿真计算机计算出的动力系统运行状态参数，由总线或以太网送往显示与报警部件和人机接口操作站，供受训人员观察并做出进一步判断；

(7)实装监控系统的连锁保护功能部件和报警功能部件则依据仿真计算机提供的运行状态参数，向仿真计算机发出模拟连锁保护的运行控制指令或向报警器发出报警指令；

(8)在没有人员参与训练的岗位上，通过将控制方式转为自动，便可由监控系统的自动调节器依据仿真计算机提供的动力系统运行状态参数，根据需要向仿真计算机发出调整动力设备运行状态的控制指令。

上述8个步骤形成了“观察状态—发出指令—指令传输—状态计算—状态传输—状态显示”这种类似于实际操作控制的循环，从而实现了在设备现场的动力系统嵌入式模拟训练。

2、数据交互方法

(1)操控指令的发送

a、主机手动控制操作通过新增发令元件向主机过程控制站发送操控指令、并由控制站转变为阀位信号后，通过总线发给仿真计算机；

b、主机自控部件动作指令由主机过程控制站直接根据运行状态参数转换为阀位信号后，通过总线发给仿真计算机；

c、其他设备的手动控制操作和自控部件动作指令，先按照原有渠道驱动相应的调节阀动作，继而由调节阀反馈阀位信号，最后通过总线发给仿真计算机；

d、各开关和按钮操作由新增发令触点通过过程控制站转换为开关状态信号后，再通过总线发给仿真计算机。

(2)由机舱设备控制的指示灯

由机舱设备控制的指示灯主要是反映动力系统的运行状态，采取在相应部位的盖板下面新增一个指示灯的办法，该指示灯通过专线与过程控制站相连接，在训练时，仿真计算机产生机舱设备的运行状态仿真信号，再通过总线发给相应的过程控制站，最后由过程控制站驱动新增的指示灯点亮或熄灭；对于由开关或按钮直接控制的指示灯，不做任何改动。

(3)手操器上的阀位信号

a、主机阀位信号采用转换开关的方式进行信号源切换，即在监控系统正常工作时来源于调节阀的阀位传感器，在训练时由主机过程控制站依据各手动操作指令或自控部件动作指令计算产生；

b、其他设备的阀位信号由实际存在的阀位传感器信号驱动。

(4)指针式二次仪表的状态参数

指针式二次仪表上显示的状态参数采用转换开关的方式进行信号源切换，即在监控系统正常工作时，信号来源于设备的传感变送电路，在训练时信号来源于仿真计算机。

(5)声光报警器和人机接口操作站

声光报警器、人机接口操作站等其它人机交互部件，在训练时仍然按照监控系统原有的信号传递方式工作，即由过程控制站依据仿真计算机提供的状态参数向声光报警器发送报警信号、向人机接口操作站发送显示参数。

(三)系统硬件组成

基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统在硬件方面主要由与实际监控系统的共用部件、仿真计算机、训练控制计算机、专用接口等四个部分组成，如图4所示。

(1)与实际监控系统共用的部件

与实际监控系统共用的部件即包括监控系统的人机交互部件，也包括监控系统的自控部件。与实际监控部分有大量的共用部件，是基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统区别于其他样式模拟训练系统的最主要特征。

与实际监控系统共用的人机交互部件，包括手操器、二次仪表、人机接口操作站、报警器、按钮、开关等，这些部件既是监控系统用于监控动力设备与管路运行状态的人机交互部件，又是船员开展基于嵌入式模拟训练系统模拟训练的操控终端，因而保证了训用的一致性；与实际监控系统共用的自控部件，主要是参数监测计算机、自动控制计算机、连锁保护计算机、报警控制计算机等，这些部件在开展模拟训练时，按照其原先的模式继续运行。

(2)仿真计算机

仿真计算机是开展嵌入式模拟训练系统的关键。仿真计算机用于响应训练控制计算机(含训练控制指令和机旁虚拟操作指令)、监控系统手操部件或自控部件等发送的指令，计算动力系统各设备和管路系统的运行状态参数，用以替换实装的传感器信号，为监控系统的自控部件、显示与报警部件、人机接口操作站、训练控制计算机等提供仿真运行状态参数。

(3)训练控制计算机

训练控制计算机具备训练控制和机旁虚拟操作两项职能，是开展嵌入式模拟训练系统必须具备的部件。训练控制计算机主要用于教练员建立和执行训练计划、编制和执行训练脚本、设置训练题目、配置运行环境参数、注入和清除装备故障、设定装备控制与运行参数以及当前技术性能水平与状态、存储和恢复初始状态、控制训练进程、记录和重放训练过程、评价训练效果等。

机旁虚拟操作用于机舱受训人员在机舱设备和管路系统不启用的情况下，配合遥控室和损管中心人员开展模拟训练，一方面通过该终端观察相应设备的运行状态信息、听取上级口令、报告规定情况，另一方面通过其上的虚拟手操部件发出虚拟的调整操作或机旁控制指令。

(4)接口部件

除上述部件之外，总线、网络、专线、交换机、切换开关等接口设备用于将仿真计算机等训练设备嵌入到动力监控系统中，主要包括实际监控系统与仿真计算机之间的数据接口、仿真计算机和训练控制计算机之间的数据接口，其中以监控系统与仿真计算机之间的数据接口技术最为复杂，是影响嵌入式模拟训练系统方案的主要因素。接口部件的具体组成和设计将在下面“模拟训练设备与动力监控系统的嵌入方法”中详细阐述。

(四)系统软件组成

基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统软件从功能上可分为仿真模型软件(仿真模型单元)、机旁虚拟操作软件(机旁虚拟操作终端)、训练管理和组织功能软件(训练管理和组织功能单元)、通讯软件(通讯单元)和数据库五类，软件的体系结构和信息流程如图5所示，主要软件部件包括：

(1)仿真模型软件安装在仿真计算机上，以动力系统的结构参数为基础，模拟动力系统的运行状态参数、保障条件参数与运行控制参数之间的相互关系，反映动力系统的受控运行规律、环境条件响应规律和故障响应规律等；

(2)机旁虚拟操作软件安装在训练控制计算机上，构成机旁虚拟操作终端，用于机舱设备和系统的机旁模拟操作和参数显示，与仿真模型软件及监控系统原有人机交互部件和自动控制部件一道，实现模拟训练功能；

(3)训练管理和组织功能软件同样安装在训练控制计算机上，由系统管理与调度功能模块、训练环境设置模块、训练流程控制模块、故障投入与解除功能模块、训练评估模块、网络通讯及接口管理模块等组成，主要用于训练过程的管理和组织；

(4)通讯软件用于将仿真计算机、实际监控系统、训练控制计算机三者连接起来，其中仿真计算机与实际监控系统通过原有的数据总线进行通讯，而仿真计算机与训练控制计算机通过以太网进行通讯。

(5)数据库包括模型算法库、模型变量库、故障数据库和试题库，模型算法库和模型变量库安装在仿真计算机上，而故障数据库和试题库安装在训练控制计算机上，用途是为模拟训练提供全过程数据支持。

(五)模拟训练设备与动力监控系统的嵌入方法

1、技术要求

模拟训练设备与动力监控系统的有效嵌入是实现基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统的关键技术。一方面，为保证模拟训练的顺利实施，需要将仿真计算机和训练控制计算机等模拟训练设备有效嵌入到实际动力监控系统中，保证训练数据流的通行流畅，从而形成以动力监控系统为基础的嵌入式模拟训练系统，另一方面，为避免模拟训练系统嵌入后对原动力监控系统正常监控功能的干扰，需要精心设计嵌入方法，将模拟训练系统嵌入后对动力监控系统正常监控功能的影响减小到最低。

2、专用接口

为了将仿真计算机和训练控制计算机等模拟训练设备嵌入到实际监控系统中，形成以监控系统为基础的嵌入式模拟训练系统，必须配置将仿真计算机和现有监控系统连接为一体的“嵌入式模拟训练系统专用接口”，简称“专用接口”。简而言之，专用接口就是由多种不同类型的部件组成的一种将嵌入式模拟训练设备嵌入到动力监控系统的复杂装置，其组成如图6所示。

(1)专用接口的组成

专用接口主要由以下7个部分组成。

a、运行模式切换装置，采用“多路两位开关+切换指令采集模块+电子开关+数字指令”的形式，实现两种运行模式切换的集中控制和分级安全确认。

b、新增或拓展的过程控制站，通过专门的总线及相关板/卡与仿真计算机连接，双向交换数据；通过监控系统内部的数字总线与实装过程控制站和人机接口操作站相连接，从而充分利用已有监控系统部件的计算机参数监测和报警功能。

c、二次仪表、主机专业阀位显示部件、由机舱设备控制的指示灯或声光报警等的信号源切换模块及数模转换模块，以便在上述部件上能够观察到或听到仿真计算机送来的信息。

d、各种开关和按钮等发令部件的发令元件和模数转换部件，以便将这些部件的动作信号发送至仿真计算机。

e、位于新增或拓展过程控制站上的数据接口，以便新增或拓展过程控制站能够通过该接口及总线与仿真计算机交换数据。

f、位于仿真计算机端的数据接口，以便仿真计算机通过该接口及总线与新增或拓展过程控制站交换数据。

g、连接过程控制站和仿真计算机数据接口的总线或网线，以便将新增或拓展的过程控制站的数据接口与仿真计算机端的数据接口相连接。

(2)专用接口的功能

专用接口的主要功能有3项。

a、直接或间接地将监控系统的人工操作指令或自动控制指令送给仿真计算机，使仿真计算机能够据之改变其仿真模型软件的运行状态，模拟出动力系统的受控运行规律；

b、将仿真计算机计算出的仿真状态参数送给监控系统，用以替代实际设备的传感器信号，使监控系统能够动态显示控制效果；

c、在实装监控与模拟训练模式之间实施切换，并保证切换的可靠性。

本发明公开的基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统，以各型船舶动力系统都具有的动力监控系统为嵌入平台，通过专用接口实现了模拟训练设备与动力监控系统的有效嵌入，进而构筑起船舶动力系统嵌入式模拟训练系统的整体技术框架。该技术框架是基于动力监控系统实现的，有别于传统基于全船综合平台管理系统的实现方式，不但充分利用了动力监控系统原有人机交互部件和自动控制部件，该发明可直接应用于各型船舶动力系统的嵌入式模拟训练系统研制。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统，包括船舶的监控系统，其特征在于，还包括：仿真计算机和训练控制计算机；

所述仿真计算机分别与所述监控系统的过程控制站、训练控制计算机相连，用于响应训练控制计算机、监控系统手操部件或自控部件发送的指令，计算动力系统各设备和管路系统的运行状态参数，用以替换实装的传感器信号，为监控系统的自控部件、显示与报警部件、人机接口操作站，训练控制计算机提供仿真运行状态参数；

所述训练控制计算机用于教练员建立和执行训练计划、编制和执行训练脚本、设置训练题目、配置运行环境参数、注入和清除装备故障、设定装备控制与运行参数以及当前技术性能水平与状态、存储和恢复初始状态、控制训练进程、记录和重放训练过程、评价训练效果。

2.如权利要求1所述的基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统，其特征在于，还包括新增或扩展过程控制站、参数输入信号切换模块、运行模式切换指示灯、运行模式切换开关和主机阀位显示切换模块；

新增或扩展过程控制站一端通过总线及板/卡与所述仿真计算机相连，另一端通过数字总线与所述监控系统的过程控制站相连；

新增或扩展过程控制站通过仿真参数模数转换模块与所述参数输入信号切换模块相连，所述参数输入信号切换模块所述监控系统的二次仪表、声光仪表相连；

新增或扩展过程控制站通过控制指令模数转换模块与所述监控系统的监控台开关或按钮相连；

新增或扩展过程控制站通过控制指令模数转换模块与所述监控系统的主机专业手操器相连；

新增或扩展过程控制站与所述主机阀位显示切换模块相连，所述主机阀位显示切换模块分别与所述监控系统的主机专业手操器、阀位传感器、主机专业调节阀相连；

新增或扩展过程控制站通过切换指令模数转换模块与所述运行模式切换开关相连；

新增或扩展过程控制站通过切换指令模数转换模块分别与所述参数输入信号切换模块、运行模式切换指示灯、热主机阀位显示切换模块相连。

3.如权利要求1所述的基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统，其特征在于，所述仿真计算机上安装有仿真模型单元、模型算法库和模型变量库；

所述仿真模型单元用于以动力系统的结构参数为基础，模拟动力系统的运行状态参数、保障条件参数与运行控制参数之间的相互关系，反映动力系统的受控运行规律、环境条件响应规律和故障响应规律；

所述模型算法库和模型变量库均与所述仿真模型单元相连，用于提供数据支持。

4.如权利要求3所述的基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统，其特征在于，所述训练控制计算机上安装有机旁虚拟操作终端，所述机旁虚拟操作终端用于机舱设备和系统的机旁模拟操作和参数显示，与仿真模型单元及监控系统原有人机交互部件和自动控制部件一道，实现模拟训练功能。

5.如权利要求4所述的基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统，其特征在于，所述训练控制计算机上还安装有训练管理和组织功能单元、故障数据库和试题库；

所述故障数据库和试题库均与所述训练管理和组织功能单元相连，用于提供数据支持；

所述训练管理和组织功能单元包括系统管理与调度功能模块、训练环境设置模块、训练流程控制模块、故障投入与解除功能模块、训练评估模块、网络通讯及接口管理模块，用于训练过程的管理和组织。

6.一种如权利要求1所述的基于实际监控系统的船舶动力系统嵌入式模拟训练系统的训练方法，其特征在于，包括：

步骤1、受训人员通过监控台面上的显示与报警部件以及人机接口操作站，观察动力系统运行状态与控制器位置状态信息；

步骤2、受训人员根据所观察到的信息判断系统的当前运行状态及发展趋势，或根据口令的要求，确定系统的操纵控制要求；

步骤3、受训人员根据需要通过手操部件发出控制指令，并通过显示与报警部件和人机接口操作站，同步关注仿真计算机提供的动力系统的运行状态仿真参数的变化情况；

步骤4、受训人员通过手操部件发出的控制指令，通过总线、网络或专线发送给仿真计算机；

步骤5、仿真计算机根据控制指令和动力系统当前运行状态参数计算值，计算动力系统的下步运行状态参数；

步骤6、仿真计算机计算出的动力系统运行状态参数，由总线或以太网送往显示与报警部件和人机接口操作站，供受训人员观察并做出进一步判断；

步骤7、实装监控系统的连锁保护功能部件和报警功能部件则依据仿真计算机提供的运行状态参数，向仿真计算机发出模拟连锁保护的运行控制指令或向报警器发出报警指令；

步骤8、在没有人员参与训练的岗位上，通过将控制方式转为自动，便可由监控系统的自动调节器依据仿真计算机提供的动力系统运行状态参数，根据需要向仿真计算机发出调整动力设备运行状态的控制指令。