本發(fā)明涉及船舶模擬訓練技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

對于船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的研究，歐、美等西方發(fā)達國家起步較早，取得的成果較多。目前，嵌入式模擬訓練系統(tǒng)作為現(xiàn)代船舶綜合平臺管理系統(tǒng)的有機組成部分已經(jīng)得到了廣泛的應用。美、英、德、法、意等國近年來新建船舶都配置有先進的綜合平臺管理系統(tǒng)，在其中都包括有嵌入式模擬訓練模塊。我國由于早期船舶自動化、智能化水平有限，對船舶綜合平臺管理系統(tǒng)的研制起步晚，尚未形成統(tǒng)一的標準化、自動化、智能化船舶網(wǎng)絡平臺系統(tǒng)。在船舶嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的研究總體上來說也還處于探索和試驗階段，除個別型號的少數(shù)子系統(tǒng)具有初步的模擬訓練功能外，嵌入式模擬訓練在我國船舶動力系統(tǒng)中暫時還未得到大范圍的應用。

在歐、美等西方發(fā)達國家，船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)是作為船舶綜合平臺管理系統(tǒng)的一個子功能模塊發(fā)展起來的，其結(jié)構(gòu)必須與全船綜合平臺管理系統(tǒng)完全一致，通常采用分布式總體結(jié)構(gòu)形式(例如：CAE公司研制的F124護衛(wèi)艦嵌入式模擬訓練系統(tǒng)、Siemens公司研制的F125護衛(wèi)艦和212潛艇的嵌入式模擬訓練系統(tǒng)、加拿大L3-MAPPS Communication公司研制的嵌入式模擬訓練系統(tǒng)等)，一般由上層多功能顯控站、下層通用型遠程處理單元和中間的高速局域網(wǎng)三部分組成，如圖1所示。

我國船舶的自動化水平與國外先進水平相比有一定差距，加上綜合平臺管理系統(tǒng)涉及到整個船舶自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)、其研制通常需要與船舶建造同步進行，所以到目前為止我國僅有少數(shù)新型船舶的部份動力設備具有初步模擬訓練功能，其中最具代表性的是上海船舶運輸科學研究所以STI-VC2100型機艙監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)研制的390型柴油機嵌入式模擬訓練系統(tǒng)，如圖2所示。

該系統(tǒng)采用半物理/半模擬的結(jié)構(gòu)模式，半物理指操縱手柄和監(jiān)控設備是STI-VC2100型監(jiān)控系統(tǒng)的實物，半模擬指訓練對象即390型柴油機為仿真模型。在模擬訓練過程中，船員通過對實際設備的操作，完成對390型柴油機的模擬操作訓練；該結(jié)構(gòu)模式除了船員訓練的作用外，還可用于在靜態(tài)條件下檢查主推進裝置控制監(jiān)測系統(tǒng)的邏輯功能是否滿足要求、網(wǎng)絡通信是否正常等。

嵌入式模擬訓練系統(tǒng)由訓練機和帶有CAN通信功能的各種數(shù)據(jù)交換模塊組成，具有獨立的訓練數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡，并通過接口與STI-VC2100型機艙監(jiān)控系統(tǒng)相連接，與模擬訓練系統(tǒng)相連的各種監(jiān)控設備都配有專門的通訊控制及接口處理器。訓練機的主要功能是運行主動力裝置仿真模型和訓練系統(tǒng)的人機界面，在整個訓練系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，起著網(wǎng)關(guān)的作用；上層通過交換機連接機電綜合管理系統(tǒng)，下層通過雙口RAM模塊連接訓練CAN網(wǎng)。主機采用PC/104加固機，型號為STI-VC2100PC，支持100M TCP/IP協(xié)議通信和CAN2.0B現(xiàn)場總線通信功能。數(shù)據(jù)交換模塊嵌入在各控制器中，主要功能是實現(xiàn)訓練機和主動力裝置監(jiān)控系統(tǒng)設備之間的數(shù)據(jù)通信。為了不影響主動力裝置監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控過程，數(shù)據(jù)交換模塊設計為具有智能功能，采用PC/104總線標準，作為訓練系統(tǒng)的通信模塊嵌入到控制器及PC/104加固機內(nèi)。當系統(tǒng)處于模擬訓練工作狀態(tài)時，操作人員通過實際的操縱手柄或按鈕發(fā)出操作指令，監(jiān)控設備接受指令，經(jīng)過控制運算后將控制命令寫入嵌入在控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)交換模塊的雙口RAM存儲空間；數(shù)據(jù)交換模塊的微控制器從雙口RAM中讀出控制命令，并通過CAN控制器發(fā)送和傳輸?shù)接柧殭C的數(shù)據(jù)交換模塊雙口RAM上，訓練機的仿真模型從雙口RAM讀取控制命令；經(jīng)過模型的仿真運算，把仿真結(jié)果數(shù)據(jù)寫到嵌入在訓練機的數(shù)據(jù)交換模塊的雙口RAM存儲空間；數(shù)據(jù)交換模塊的微控制器從雙口RAM中讀取模擬仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，并通過CAN控制器發(fā)送和傳輸?shù)娇刂破鞯臄?shù)據(jù)交換模塊雙口RAM上；控制器的監(jiān)控程序從雙口RAM存儲空間獲得訓練機的模擬數(shù)據(jù)，通過監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸?shù)綑C電綜合管理平臺上。值得指出的是，該設計方案是在系統(tǒng)底層的控制器級來實現(xiàn)模擬訓練數(shù)據(jù)的嵌入，因此要求各底層控制器具有與訓練系統(tǒng)網(wǎng)通訊的數(shù)據(jù)交換模塊。目前，國內(nèi)各型船舶動力系統(tǒng)都沒有嚴格意義上的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)，雖然有少數(shù)新型船舶的部分設備具有模擬訓練功能，但常常僅針對某些特定工況，以本設備的操作使用為目的，并沒有針對整個動力系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題中存在的不足之處，本發(fā)明提供基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)，包括船舶的監(jiān)控系統(tǒng)，仿真計算機和訓練控制計算機；

所述仿真計算機分別與所述監(jiān)控系統(tǒng)的過程控制站、訓練控制計算機相連，用于響應訓練控制計算機、監(jiān)控系統(tǒng)手操部件或自控部件發(fā)送的指令，計算動力系統(tǒng)各設備和管路系統(tǒng)的運行狀態(tài)參數(shù)，用以替換實裝的傳感器信號，為監(jiān)控系統(tǒng)的自控部件、顯示與報警部件、人機接口操作站，訓練控制計算機提供仿真運行狀態(tài)參數(shù)；

所述訓練控制計算機用于教練員建立和執(zhí)行訓練計劃、編制和執(zhí)行訓練腳本、設置訓練題目、配置運行環(huán)境參數(shù)、注入和清除裝備故障、設定裝備控制與運行參數(shù)以及當前技術(shù)性能水平與狀態(tài)、存儲和恢復初始狀態(tài)、控制訓練進程、記錄和重放訓練過程、評價訓練效果。

作為本發(fā)明的進一步改進，還包括新增或擴展過程控制站、參數(shù)輸入信號切換模塊、運行模式切換指示燈、運行模式切換開關(guān)和主機閥位顯示切換模塊；

新增或擴展過程控制站一端通過總線及板/卡與所述仿真計算機相連，另一端通過數(shù)字總線與所述監(jiān)控系統(tǒng)的過程控制站相連；

新增或擴展過程控制站通過仿真參數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與所述參數(shù)輸入信號切換模塊相連，所述參數(shù)輸入信號切換模塊所述監(jiān)控系統(tǒng)的二次儀表、聲光儀表相連；

新增或擴展過程控制站通過控制指令模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與所述監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控臺開關(guān)或按鈕相連；

新增或擴展過程控制站通過控制指令模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與所述監(jiān)控系統(tǒng)的主機專業(yè)手操器相連；

新增或擴展過程控制站與所述主機閥位顯示切換模塊相連，所述主機閥位顯示切換模塊分別與所述監(jiān)控系統(tǒng)的主機專業(yè)手操器、閥位傳感器、主機專業(yè)調(diào)節(jié)閥相連；

新增或擴展過程控制站通過切換指令模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與所述運行模式切換開關(guān)相連；

新增或擴展過程控制站通過切換指令模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊分別與所述參數(shù)輸入信號切換模塊、運行模式切換指示燈、熱主機閥位顯示切換模塊相連。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述仿真計算機上安裝有仿真模型單元、模型算法庫和模型變量庫；

所述仿真模型單元用于以動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，模擬動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)參數(shù)、保障條件參數(shù)與運行控制參數(shù)之間的相互關(guān)系，反映動力系統(tǒng)的受控運行規(guī)律、環(huán)境條件響應規(guī)律和故障響應規(guī)律；

所述模型算法庫和模型變量庫均與所述仿真模型單元相連，用于提供數(shù)據(jù)支持。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述訓練控制計算機上安裝有機旁虛擬操作終端，所述機旁虛擬操作終端用于機艙設備和系統(tǒng)的機旁模擬操作和參數(shù)顯示，與仿真模型單元及監(jiān)控系統(tǒng)原有人機交互部件和自動控制部件一道，實現(xiàn)模擬訓練功能。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述訓練控制計算機上還安裝有訓練管理和組織功能單元、故障數(shù)據(jù)庫和試題庫；

所述故障數(shù)據(jù)庫和試題庫均與所述訓練管理和組織功能單元相連，用于提供數(shù)據(jù)支持；

所述訓練管理和組織功能單元包括系統(tǒng)管理與調(diào)度功能模塊、訓練環(huán)境設置模塊、訓練流程控制模塊、故障投入與解除功能模塊、訓練評估模塊、網(wǎng)絡通訊及接口管理模塊，用于訓練過程的管理和組織。

本發(fā)明還提供一種基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的訓練方法，包括：

步驟1、受訓人員通過監(jiān)控臺面上的顯示與報警部件以及人機接口操作站，觀察動力系統(tǒng)運行狀態(tài)與控制器位置狀態(tài)信息；

步驟2、受訓人員根據(jù)所觀察到的信息判斷系統(tǒng)的當前運行狀態(tài)及發(fā)展趨勢，或根據(jù)口令的要求，確定系統(tǒng)的操縱控制要求；

步驟3、受訓人員根據(jù)需要通過手操部件發(fā)出控制指令，并通過顯示與報警部件和人機接口操作站，同步關(guān)注仿真計算機提供的動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)仿真參數(shù)的變化情況；

步驟4、受訓人員通過手操部件發(fā)出的控制指令，通過總線、網(wǎng)絡或?qū)＞€發(fā)送給仿真計算機；

步驟5、仿真計算機根據(jù)控制指令和動力系統(tǒng)當前運行狀態(tài)參數(shù)計算值，計算動力系統(tǒng)的下步運行狀態(tài)參數(shù)；

步驟6、仿真計算機計算出的動力系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)，由總線或以太網(wǎng)送往顯示與報警部件和人機接口操作站，供受訓人員觀察并做出進一步判斷；

步驟7、實裝監(jiān)控系統(tǒng)的連鎖保護功能部件和報警功能部件則依據(jù)仿真計算機提供的運行狀態(tài)參數(shù)，向仿真計算機發(fā)出模擬連鎖保護的運行控制指令或向報警器發(fā)出報警指令；

步驟8、在沒有人員參與訓練的崗位上，通過將控制方式轉(zhuǎn)為自動，便可由監(jiān)控系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)器依據(jù)仿真計算機提供的動力系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)需要向仿真計算機發(fā)出調(diào)整動力設備運行狀態(tài)的控制指令。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明公開的基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)，以各型船舶動力系統(tǒng)都具有的動力監(jiān)控系統(tǒng)為嵌入平臺，通過專用接口實現(xiàn)了模擬訓練設備與動力監(jiān)控系統(tǒng)的有效嵌入，進而構(gòu)筑起船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的整體技術(shù)框架。該技術(shù)框架是基于動力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的，有別于傳統(tǒng)基于全船綜合平臺管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，不但充分利用了動力監(jiān)控系統(tǒng)原有人機交互部件和自動控制部件，而且適用于我國船舶自動化水平整體較低，大部分船舶沒有全船綜合平臺管理系統(tǒng)的實際情況。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中作為全船綜合平臺管理系統(tǒng)子功能模塊的嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的框架圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中基于STI-VC2100型監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的框架圖；

其中：GT:網(wǎng)關(guān)；GDB:網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)交換模塊；AOP:自動操作板；SAOP:半自動操作板；RCC:遙控操作器；ESP:安全保護報警板；LBC:功率平衡控制器；LDB:LBC數(shù)據(jù)交換模塊；PCC:齒輪箱/調(diào)距槳控制器；PDB:PCC數(shù)據(jù)交換模塊；DEC:柴油機控制器；DDB:DEC數(shù)據(jù)交換模塊；ESC:安全保護控制器；EDB:ESC數(shù)據(jù)交換模塊；nD:轉(zhuǎn)速測量裝置；nDB:nD數(shù)據(jù)交換模塊；

圖3為本發(fā)明一種實施例公開的基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的總框架圖；

圖4為本發(fā)明一種實施例公開的基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明一種實施例公開的基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)及信息流程圖；

圖6為本發(fā)明一種實施例公開的基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的專用接口組成圖；

其中：實框為新增部件，虛框為已有部件。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細描述：

實施例1：本發(fā)明提供一種基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)，包括船舶的監(jiān)控系統(tǒng)，仿真計算機和訓練控制計算機；仿真計算機分別與監(jiān)控系統(tǒng)的過程控制站、訓練控制計算機相連，用于響應訓練控制計算機、監(jiān)控系統(tǒng)手操部件或自控部件發(fā)送的指令，計算動力系統(tǒng)各設備和管路系統(tǒng)的運行狀態(tài)參數(shù)，用以替換實裝的傳感器信號，為監(jiān)控系統(tǒng)的自控部件、顯示與報警部件、人機接口操作站，訓練控制計算機提供仿真運行狀態(tài)參數(shù)；訓練控制計算機用于教練員建立和執(zhí)行訓練計劃、編制和執(zhí)行訓練腳本、設置訓練題目、配置運行環(huán)境參數(shù)、注入和清除裝備故障、設定裝備控制與運行參數(shù)以及當前技術(shù)性能水平與狀態(tài)、存儲和恢復初始狀態(tài)、控制訓練進程、記錄和重放訓練過程、評價訓練效果。

本發(fā)明基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)還包括新增或擴展過程控制站、參數(shù)輸入信號切換模塊、運行模式切換指示燈、運行模式切換開關(guān)和主機閥位顯示切換模塊；新增或擴展過程控制站一端通過總線及板/卡與仿真計算機相連，另一端通過數(shù)字總線與監(jiān)控系統(tǒng)的過程控制站相連；新增或擴展過程控制站通過仿真參數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與參數(shù)輸入信號切換模塊相連，參數(shù)輸入信號切換模塊監(jiān)控系統(tǒng)的二次儀表、聲光儀表相連；新增或擴展過程控制站通過控制指令模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控臺開關(guān)或按鈕相連；新增或擴展過程控制站通過控制指令模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與監(jiān)控系統(tǒng)的主機專業(yè)手操器相連；新增或擴展過程控制站與主機閥位顯示切換模塊相連，主機閥位顯示切換模塊分別與監(jiān)控系統(tǒng)的主機專業(yè)手操器、閥位傳感器、主機專業(yè)調(diào)節(jié)閥相連；新增或擴展過程控制站通過切換指令模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與運行模式切換開關(guān)相連；新增或擴展過程控制站通過切換指令模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊分別與參數(shù)輸入信號切換模塊、運行模式切換指示燈、熱主機閥位顯示切換模塊相連。

優(yōu)選的，仿真計算機上安裝有仿真模型單元、模型算法庫和模型變量庫；仿真模型單元用于以動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，模擬動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)參數(shù)、保障條件參數(shù)與運行控制參數(shù)之間的相互關(guān)系，反映動力系統(tǒng)的受控運行規(guī)律、環(huán)境條件響應規(guī)律和故障響應規(guī)律；模型算法庫和模型變量庫均與仿真模型單元相連，用于提供數(shù)據(jù)支持。

優(yōu)選的，訓練控制計算機上安裝有機旁虛擬操作終端，機旁虛擬操作終端用于機艙設備和系統(tǒng)的機旁模擬操作和參數(shù)顯示，與仿真模型單元及監(jiān)控系統(tǒng)原有人機交互部件和自動控制部件一道，實現(xiàn)模擬訓練功能。

優(yōu)選的，訓練控制計算機上還安裝有訓練管理和組織功能單元、故障數(shù)據(jù)庫和試題庫；故障數(shù)據(jù)庫和試題庫均與訓練管理和組織功能單元相連，用于提供數(shù)據(jù)支持；訓練管理和組織功能單元包括系統(tǒng)管理與調(diào)度功能模塊、訓練環(huán)境設置模塊、訓練流程控制模塊、故障投入與解除功能模塊、訓練評估模塊、網(wǎng)絡通訊及接口管理模塊，用于訓練過程的管理和組織。

實施例2：本發(fā)明還提供一種基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的訓練方法，包括：

步驟1、受訓人員通過監(jiān)控臺面上的顯示與報警部件以及人機接口操作站，觀察動力系統(tǒng)運行狀態(tài)與控制器位置狀態(tài)信息；

步驟2、受訓人員根據(jù)所觀察到的信息判斷系統(tǒng)的當前運行狀態(tài)及發(fā)展趨勢，或根據(jù)口令的要求，確定系統(tǒng)的操縱控制要求；

步驟3、受訓人員根據(jù)需要通過手操部件發(fā)出控制指令，并通過顯示與報警部件和人機接口操作站，同步關(guān)注仿真計算機提供的動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)仿真參數(shù)的變化情況；

步驟4、受訓人員通過手操部件發(fā)出的控制指令，通過總線、網(wǎng)絡或?qū)＞€發(fā)送給仿真計算機；

步驟5、仿真計算機根據(jù)控制指令和動力系統(tǒng)當前運行狀態(tài)參數(shù)計算值，計算動力系統(tǒng)的下步運行狀態(tài)參數(shù)；

步驟6、仿真計算機計算出的動力系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)，由總線或以太網(wǎng)送往顯示與報警部件和人機接口操作站，供受訓人員觀察并做出進一步判斷；

步驟7、實裝監(jiān)控系統(tǒng)的連鎖保護功能部件和報警功能部件則依據(jù)仿真計算機提供的運行狀態(tài)參數(shù)，向仿真計算機發(fā)出模擬連鎖保護的運行控制指令或向報警器發(fā)出報警指令；

步驟8、在沒有人員參與訓練的崗位上，通過將控制方式轉(zhuǎn)為自動，便可由監(jiān)控系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)器依據(jù)仿真計算機提供的動力系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)需要向仿真計算機發(fā)出調(diào)整動力設備運行狀態(tài)的控制指令。

實施例3：本發(fā)明從國內(nèi)大部分船舶沒有全船綜合平臺管理系統(tǒng)的現(xiàn)實情況出發(fā)，以各型船舶動力系統(tǒng)都有的動力監(jiān)控系統(tǒng)為嵌入平臺，充分利用動力監(jiān)控系統(tǒng)已有人機交互部件和自動控制部件，通過增設仿真計算機和訓練控制計算機等訓練設備形成的一個屬于動力監(jiān)控系統(tǒng)的模擬訓練三級子系統(tǒng)；模擬訓練時由仿真計算機和訓練控制計算機等訓練設備替代實裝響應受訓人員的操作指令并計算產(chǎn)生設備運行狀態(tài)仿真參數(shù)，使動力監(jiān)控系統(tǒng)具有交替開展監(jiān)控動力設備運行和支持操作人員模擬訓練兩種運行模式；實現(xiàn)模擬訓練系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的有效融合，形成先進、高效和低消耗的現(xiàn)場模擬訓練平臺；使船員在不啟用動力機械、設備與管路的情況下，利用動力監(jiān)控系統(tǒng)已有的各種手操部件、各種顯示與報警部件、人機接口操作站等人機交互部件，開展逼真的日常操作和應急處置訓練；能夠以較低的訓練費用保障訓練的針對性、有效性和實時性，進一步提高船員操縱的準確性與快速反應能力，為動力系統(tǒng)的使用和維修保障決策提供支撐。

為達到上述目的，本發(fā)明首先提出了基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)總體方案和功能實現(xiàn)原理，然后在此基礎(chǔ)上設計了系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)，并給出了模擬訓練設備與動力監(jiān)控系統(tǒng)的有效嵌入方法。

(一)總體方案

1、設計原則

基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的設計原則如下。

(1)盡量不影響原有監(jiān)控系統(tǒng)原有功能和可靠性

嵌入式模擬訓練系統(tǒng)是嵌入到動力監(jiān)控系統(tǒng)的一個功能系統(tǒng)，與決定著動力系統(tǒng)安全可靠運行的監(jiān)控功能相比，模擬訓練功能永遠是次要的。因此，必須重視“嵌入”的策略與方法，既要保證訓練設備有效接入、訓練功能的有效嵌入，又要做到在各種情況下、尤其是動力系統(tǒng)實際運行期間，監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控功能和可靠性不受嵌入到系統(tǒng)中的模擬訓練設備的任何影響。

(2)盡可能使用監(jiān)控系統(tǒng)已有人機交互界面

嵌入式模擬訓練系統(tǒng)最大的優(yōu)點是模擬訓練的高度逼真性。為此，在系統(tǒng)的設計開發(fā)中，要將模擬訓練的逼真性放在非常重要的位置。為盡量提高訓與用、訓與戰(zhàn)的一致性水平，要求模擬訓練時的所有人機交互界面，特別是位于遙控室、損管中心和備用損管中心的操控手柄、按鈕、旋鈕、開關(guān)等控制輸入手段和用于觀察動力系統(tǒng)運行狀態(tài)的各類儀表和聲光報警裝置等人機交互界面，都盡可能使用監(jiān)控系統(tǒng)已有人機交互界面。

(3)不過量增加設備

嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的開發(fā)應該秉承可實現(xiàn)性原則，并在可能情況下盡量少增加設備、減少系統(tǒng)研制的工作量與工程風險。由于嵌入式模擬訓練系統(tǒng)是嵌入到動力監(jiān)控系統(tǒng)中的一個新型功能系統(tǒng)，因此會需要增設一些計算機和軟、硬切換開關(guān)等設備，實現(xiàn)現(xiàn)場模擬訓練與動力監(jiān)控的自由切換，但必須基于目標船舶動力系統(tǒng)的動力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡，使增加的設備最少化，減少訂貨經(jīng)費。

2、方案設計

基于前述設計原則，立足于當前國內(nèi)船舶動力監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，設計出基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)總體方案如圖3所示。

由圖3可見，基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)，主要由與實際監(jiān)控系統(tǒng)的共用部件(含過程控制站和人機接口操作站)、仿真計算機、訓練控制計算機(含訓練控制與管理、機旁虛擬操作)及其接口組成。仿真計算機、訓練控制計算機和機旁操作模擬軟件之間采用以太網(wǎng)相連，通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交互；而與監(jiān)控系統(tǒng)共用的部件和仿真計算機之間的數(shù)據(jù)交互方式與設備有關(guān)，過程控制站通過原動力監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線進行通訊，而人機接口操作站則通過新增加的以太網(wǎng)進行通訊。

(二)功能實現(xiàn)原理

1、工作流程

嵌入式模擬訓練系統(tǒng)投入運行后，在遙控室和損管中心的受訓人員以及配合訓練的人員，通過監(jiān)控系統(tǒng)的原有顯示臺屏，包括人機接口操作站、二次儀表、手操器閥位指示部件、聲光報警裝置等，觀察動力系統(tǒng)的運行與控制狀態(tài)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的運行異常后或根據(jù)口令，按照預定的控制規(guī)則，通過監(jiān)控系統(tǒng)的原有發(fā)令部件，包括手操器、開關(guān)、按鈕等，發(fā)出控制指令，并繼續(xù)從顯示臺屏上觀察系統(tǒng)的運行與控制狀態(tài)。

嵌入式模擬訓練系統(tǒng)訓練過程如下：

(1)受訓人員通過監(jiān)控臺面上的顯示與報警部件以及人機接口操作站，觀察動力系統(tǒng)運行狀態(tài)與控制器位置狀態(tài)等信息；

(2)受訓人員根據(jù)所觀察到的信息判斷系統(tǒng)的當前運行狀態(tài)及發(fā)展趨勢，或根據(jù)口令的要求，確定系統(tǒng)的操縱控制要求；

(3)受訓人員根據(jù)需要通過手操部件發(fā)出控制指令，并通過顯示與報警部件和人機接口操作站，同步關(guān)注仿真計算機提供的動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)仿真參數(shù)的變化情況；

(4)受訓人員通過手操部件發(fā)出的控制指令，通過總線、網(wǎng)絡或?qū)＞€發(fā)送給仿真計算機；

(5)仿真計算機根據(jù)控制指令和動力系統(tǒng)當前運行狀態(tài)參數(shù)計算值，計算動力系統(tǒng)的下步運行狀態(tài)參數(shù)；

(6)仿真計算機計算出的動力系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)，由總線或以太網(wǎng)送往顯示與報警部件和人機接口操作站，供受訓人員觀察并做出進一步判斷；

(7)實裝監(jiān)控系統(tǒng)的連鎖保護功能部件和報警功能部件則依據(jù)仿真計算機提供的運行狀態(tài)參數(shù)，向仿真計算機發(fā)出模擬連鎖保護的運行控制指令或向報警器發(fā)出報警指令；

(8)在沒有人員參與訓練的崗位上，通過將控制方式轉(zhuǎn)為自動，便可由監(jiān)控系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)器依據(jù)仿真計算機提供的動力系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)需要向仿真計算機發(fā)出調(diào)整動力設備運行狀態(tài)的控制指令。

上述8個步驟形成了“觀察狀態(tài)—發(fā)出指令—指令傳輸—狀態(tài)計算—狀態(tài)傳輸—狀態(tài)顯示”這種類似于實際操作控制的循環(huán)，從而實現(xiàn)了在設備現(xiàn)場的動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練。

2、數(shù)據(jù)交互方法

(1)操控指令的發(fā)送

a、主機手動控制操作通過新增發(fā)令元件向主機過程控制站發(fā)送操控指令、并由控制站轉(zhuǎn)變?yōu)殚y位信號后，通過總線發(fā)給仿真計算機；

b、主機自控部件動作指令由主機過程控制站直接根據(jù)運行狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換為閥位信號后，通過總線發(fā)給仿真計算機；

c、其他設備的手動控制操作和自控部件動作指令，先按照原有渠道驅(qū)動相應的調(diào)節(jié)閥動作，繼而由調(diào)節(jié)閥反饋閥位信號，最后通過總線發(fā)給仿真計算機；

d、各開關(guān)和按鈕操作由新增發(fā)令觸點通過過程控制站轉(zhuǎn)換為開關(guān)狀態(tài)信號后，再通過總線發(fā)給仿真計算機。

(2)由機艙設備控制的指示燈

由機艙設備控制的指示燈主要是反映動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，采取在相應部位的蓋板下面新增一個指示燈的辦法，該指示燈通過專線與過程控制站相連接，在訓練時，仿真計算機產(chǎn)生機艙設備的運行狀態(tài)仿真信號，再通過總線發(fā)給相應的過程控制站，最后由過程控制站驅(qū)動新增的指示燈點亮或熄滅；對于由開關(guān)或按鈕直接控制的指示燈，不做任何改動。

(3)手操器上的閥位信號

a、主機閥位信號采用轉(zhuǎn)換開關(guān)的方式進行信號源切換，即在監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時來源于調(diào)節(jié)閥的閥位傳感器，在訓練時由主機過程控制站依據(jù)各手動操作指令或自控部件動作指令計算產(chǎn)生；

b、其他設備的閥位信號由實際存在的閥位傳感器信號驅(qū)動。

(4)指針式二次儀表的狀態(tài)參數(shù)

指針式二次儀表上顯示的狀態(tài)參數(shù)采用轉(zhuǎn)換開關(guān)的方式進行信號源切換，即在監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時，信號來源于設備的傳感變送電路，在訓練時信號來源于仿真計算機。

(5)聲光報警器和人機接口操作站

聲光報警器、人機接口操作站等其它人機交互部件，在訓練時仍然按照監(jiān)控系統(tǒng)原有的信號傳遞方式工作，即由過程控制站依據(jù)仿真計算機提供的狀態(tài)參數(shù)向聲光報警器發(fā)送報警信號、向人機接口操作站發(fā)送顯示參數(shù)。

(三)系統(tǒng)硬件組成

基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)在硬件方面主要由與實際監(jiān)控系統(tǒng)的共用部件、仿真計算機、訓練控制計算機、專用接口等四個部分組成，如圖4所示。

(1)與實際監(jiān)控系統(tǒng)共用的部件

與實際監(jiān)控系統(tǒng)共用的部件即包括監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互部件，也包括監(jiān)控系統(tǒng)的自控部件。與實際監(jiān)控部分有大量的共用部件，是基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)區(qū)別于其他樣式模擬訓練系統(tǒng)的最主要特征。

與實際監(jiān)控系統(tǒng)共用的人機交互部件，包括手操器、二次儀表、人機接口操作站、報警器、按鈕、開關(guān)等，這些部件既是監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)控動力設備與管路運行狀態(tài)的人機交互部件，又是船員開展基于嵌入式模擬訓練系統(tǒng)模擬訓練的操控終端，因而保證了訓用的一致性；與實際監(jiān)控系統(tǒng)共用的自控部件，主要是參數(shù)監(jiān)測計算機、自動控制計算機、連鎖保護計算機、報警控制計算機等，這些部件在開展模擬訓練時，按照其原先的模式繼續(xù)運行。

(2)仿真計算機

仿真計算機是開展嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的關(guān)鍵。仿真計算機用于響應訓練控制計算機(含訓練控制指令和機旁虛擬操作指令)、監(jiān)控系統(tǒng)手操部件或自控部件等發(fā)送的指令，計算動力系統(tǒng)各設備和管路系統(tǒng)的運行狀態(tài)參數(shù)，用以替換實裝的傳感器信號，為監(jiān)控系統(tǒng)的自控部件、顯示與報警部件、人機接口操作站、訓練控制計算機等提供仿真運行狀態(tài)參數(shù)。

(3)訓練控制計算機

訓練控制計算機具備訓練控制和機旁虛擬操作兩項職能，是開展嵌入式模擬訓練系統(tǒng)必須具備的部件。訓練控制計算機主要用于教練員建立和執(zhí)行訓練計劃、編制和執(zhí)行訓練腳本、設置訓練題目、配置運行環(huán)境參數(shù)、注入和清除裝備故障、設定裝備控制與運行參數(shù)以及當前技術(shù)性能水平與狀態(tài)、存儲和恢復初始狀態(tài)、控制訓練進程、記錄和重放訓練過程、評價訓練效果等。

機旁虛擬操作用于機艙受訓人員在機艙設備和管路系統(tǒng)不啟用的情況下，配合遙控室和損管中心人員開展模擬訓練，一方面通過該終端觀察相應設備的運行狀態(tài)信息、聽取上級口令、報告規(guī)定情況，另一方面通過其上的虛擬手操部件發(fā)出虛擬的調(diào)整操作或機旁控制指令。

(4)接口部件

除上述部件之外，總線、網(wǎng)絡、專線、交換機、切換開關(guān)等接口設備用于將仿真計算機等訓練設備嵌入到動力監(jiān)控系統(tǒng)中，主要包括實際監(jiān)控系統(tǒng)與仿真計算機之間的數(shù)據(jù)接口、仿真計算機和訓練控制計算機之間的數(shù)據(jù)接口，其中以監(jiān)控系統(tǒng)與仿真計算機之間的數(shù)據(jù)接口技術(shù)最為復雜，是影響嵌入式模擬訓練系統(tǒng)方案的主要因素。接口部件的具體組成和設計將在下面“模擬訓練設備與動力監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入方法”中詳細闡述。

(四)系統(tǒng)軟件組成

基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)軟件從功能上可分為仿真模型軟件(仿真模型單元)、機旁虛擬操作軟件(機旁虛擬操作終端)、訓練管理和組織功能軟件(訓練管理和組織功能單元)、通訊軟件(通訊單元)和數(shù)據(jù)庫五類，軟件的體系結(jié)構(gòu)和信息流程如圖5所示，主要軟件部件包括：

(1)仿真模型軟件安裝在仿真計算機上，以動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，模擬動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)參數(shù)、保障條件參數(shù)與運行控制參數(shù)之間的相互關(guān)系，反映動力系統(tǒng)的受控運行規(guī)律、環(huán)境條件響應規(guī)律和故障響應規(guī)律等；

(2)機旁虛擬操作軟件安裝在訓練控制計算機上，構(gòu)成機旁虛擬操作終端，用于機艙設備和系統(tǒng)的機旁模擬操作和參數(shù)顯示，與仿真模型軟件及監(jiān)控系統(tǒng)原有人機交互部件和自動控制部件一道，實現(xiàn)模擬訓練功能；

(3)訓練管理和組織功能軟件同樣安裝在訓練控制計算機上，由系統(tǒng)管理與調(diào)度功能模塊、訓練環(huán)境設置模塊、訓練流程控制模塊、故障投入與解除功能模塊、訓練評估模塊、網(wǎng)絡通訊及接口管理模塊等組成，主要用于訓練過程的管理和組織；

(4)通訊軟件用于將仿真計算機、實際監(jiān)控系統(tǒng)、訓練控制計算機三者連接起來，其中仿真計算機與實際監(jiān)控系統(tǒng)通過原有的數(shù)據(jù)總線進行通訊，而仿真計算機與訓練控制計算機通過以太網(wǎng)進行通訊。

(5)數(shù)據(jù)庫包括模型算法庫、模型變量庫、故障數(shù)據(jù)庫和試題庫，模型算法庫和模型變量庫安裝在仿真計算機上，而故障數(shù)據(jù)庫和試題庫安裝在訓練控制計算機上，用途是為模擬訓練提供全過程數(shù)據(jù)支持。

(五)模擬訓練設備與動力監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入方法

1、技術(shù)要求

模擬訓練設備與動力監(jiān)控系統(tǒng)的有效嵌入是實現(xiàn)基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。一方面，為保證模擬訓練的順利實施，需要將仿真計算機和訓練控制計算機等模擬訓練設備有效嵌入到實際動力監(jiān)控系統(tǒng)中，保證訓練數(shù)據(jù)流的通行流暢，從而形成以動力監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的嵌入式模擬訓練系統(tǒng)，另一方面，為避免模擬訓練系統(tǒng)嵌入后對原動力監(jiān)控系統(tǒng)正常監(jiān)控功能的干擾，需要精心設計嵌入方法，將模擬訓練系統(tǒng)嵌入后對動力監(jiān)控系統(tǒng)正常監(jiān)控功能的影響減小到最低。

2、專用接口

為了將仿真計算機和訓練控制計算機等模擬訓練設備嵌入到實際監(jiān)控系統(tǒng)中，形成以監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的嵌入式模擬訓練系統(tǒng)，必須配置將仿真計算機和現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)連接為一體的“嵌入式模擬訓練系統(tǒng)專用接口”，簡稱“專用接口”。簡而言之，專用接口就是由多種不同類型的部件組成的一種將嵌入式模擬訓練設備嵌入到動力監(jiān)控系統(tǒng)的復雜裝置，其組成如圖6所示。

(1)專用接口的組成

專用接口主要由以下7個部分組成。

a、運行模式切換裝置，采用“多路兩位開關(guān)+切換指令采集模塊+電子開關(guān)+數(shù)字指令”的形式，實現(xiàn)兩種運行模式切換的集中控制和分級安全確認。

b、新增或拓展的過程控制站，通過專門的總線及相關(guān)板/卡與仿真計算機連接，雙向交換數(shù)據(jù)；通過監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)字總線與實裝過程控制站和人機接口操作站相連接，從而充分利用已有監(jiān)控系統(tǒng)部件的計算機參數(shù)監(jiān)測和報警功能。

c、二次儀表、主機專業(yè)閥位顯示部件、由機艙設備控制的指示燈或聲光報警等的信號源切換模塊及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，以便在上述部件上能夠觀察到或聽到仿真計算機送來的信息。

d、各種開關(guān)和按鈕等發(fā)令部件的發(fā)令元件和模數(shù)轉(zhuǎn)換部件，以便將這些部件的動作信號發(fā)送至仿真計算機。

e、位于新增或拓展過程控制站上的數(shù)據(jù)接口，以便新增或拓展過程控制站能夠通過該接口及總線與仿真計算機交換數(shù)據(jù)。

f、位于仿真計算機端的數(shù)據(jù)接口，以便仿真計算機通過該接口及總線與新增或拓展過程控制站交換數(shù)據(jù)。

g、連接過程控制站和仿真計算機數(shù)據(jù)接口的總線或網(wǎng)線，以便將新增或拓展的過程控制站的數(shù)據(jù)接口與仿真計算機端的數(shù)據(jù)接口相連接。

(2)專用接口的功能

專用接口的主要功能有3項。

a、直接或間接地將監(jiān)控系統(tǒng)的人工操作指令或自動控制指令送給仿真計算機，使仿真計算機能夠據(jù)之改變其仿真模型軟件的運行狀態(tài)，模擬出動力系統(tǒng)的受控運行規(guī)律；

b、將仿真計算機計算出的仿真狀態(tài)參數(shù)送給監(jiān)控系統(tǒng)，用以替代實際設備的傳感器信號，使監(jiān)控系統(tǒng)能夠動態(tài)顯示控制效果；

c、在實裝監(jiān)控與模擬訓練模式之間實施切換，并保證切換的可靠性。

本發(fā)明公開的基于實際監(jiān)控系統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)，以各型船舶動力系統(tǒng)都具有的動力監(jiān)控系統(tǒng)為嵌入平臺，通過專用接口實現(xiàn)了模擬訓練設備與動力監(jiān)控系統(tǒng)的有效嵌入，進而構(gòu)筑起船舶動力系統(tǒng)嵌入式模擬訓練系統(tǒng)的整體技術(shù)框架。該技術(shù)框架是基于動力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的，有別于傳統(tǒng)基于全船綜合平臺管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，不但充分利用了動力監(jiān)控系統(tǒng)原有人機交互部件和自動控制部件，該發(fā)明可直接應用于各型船舶動力系統(tǒng)的嵌入式模擬訓練系統(tǒng)研制。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。