船舶主机遥控操作模拟训练系统的制作方法

本发明涉及船舶模拟训练领域，尤其涉及一种船舶主机遥控操作模拟训练系统。

背景技术：

由于船舶自动化技术、通信技术、计算机技术，以及船舶主机控制技术等发展迅速，船舶主机遥控系统产品更新换代很快。如果按照某一特定型号的实船主机遥控系统产品开发相应的模拟操作训练系统，当新一代主机遥控系统产品出现时，原来的模拟训练系统就处于过时的状态。

另外，国际上主流的主机遥控系统厂商不止一家，如挪威的kongsberg公司，日本的nabtesco公司，德国的sam公司等，如果按照某一厂商的产品进行开发，会存在通用性不足的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种通用型的主机遥控操作模拟训练系统，以解决上述技术问题。

本发明船舶主机遥控操作模拟训练系统，包括：

系统管理模块、数据管理模块、船舶主柴油机仿真模型模块、主机遥控系统逻辑功能模块以及通用交互模块；

所述系统管理模块用于控制所述数据管理模块、所述船舶柴油机数学仿真模块以及所述主机遥控系统逻辑功能模块的运行、停止、冻结、状态保存以及状态加载；

所述数据管理模块用于管理所述数据管理模块、所述船舶柴油机数学仿真模块以及所述主机遥控系统逻辑功能模块的变量和数据库；

所述主机遥控系统逻辑功能模块用于主机启动和停车、主机换向、主机位置转换、主机传令与调速、主机转速限制、主机负荷限制、主机安全保护以及主机参数修改；

所述通用交互模块包括：对应于船舶主机本体和工况监测的通用单元和对应于不同主机遥控系统的重新开发单元。

进一步地，还包括：

通用仿真硬件模块和通信管理模块；

所述通信管理模块用于所述数据管理模块和所述仿真硬件模块之间的数据通讯；

所述通用仿真硬件模块包括：仿真服务器、交换机、i/o通讯单元、机旁控制单元、模拟集控台单元以及模拟驾控台单元。

进一步地，所述船舶主柴油机仿真模型模块包括：气缸模型、进气和排气总管模型以及涡轮增压器模型；

根据公式

计算气缸模型中的气缸温度，其中，tz为气缸内气体温度；为曲轴转角；为燃油燃烧放热量；为气缸进气气体的焓值；为气缸排气气体的焓值；为冷却介质带走的热量；为气体对活塞做的功；mz为缸内工质质量；cv为缸内气体比热容；uz为缸内气体内能；为缸内工质质量变化量；

根据公式

计算所述进气和排气总管模型中的总管温度，其中，所述m为总管内气体工质质量；所述q为总管散热量；所述hin为总管进气焓值；所述hout为总管排气焓值；所述cv为总管内气体比热容；所述u为总管内气体内能；

根据公式

计算所述涡轮增压器模型中的涡轮增压器转速，其中，所述pt为涡轮发出功率；所述pc为压气机吸收功率；所述j为转子转动惯量；所述π为圆周率。

本发明系统包括的系统管理模块、数据管理模块、船舶主柴油机仿真模型模块、主机遥控系统逻辑功能模块以及通用交互模块，各个功能模块之间相互独立。其中，系统管理模块、数据管理模块、船舶主柴油机仿真模型模块、主机遥控系统逻辑功能模块以及通用交互模块为系统框架模块。系统框架模块与通用交互模块结合，实现了不同型号的船舶主机遥控系统的模拟训练，解决主机遥控操作模拟训练系统产品老旧过时，通用性不足的问题，节省了更换设备的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明船舶主机遥控操作模拟训练系统结构示意图；

图2是本发明实施例所述主机遥控操作模拟训练系统的模拟机旁控制箱布置图；

图3是本发明实施例所述主机遥控操作模拟训练系统的模拟集控台布置图；

图4是本发明实施例所述主机遥控操作模拟训练系统的模拟驾控台布置图；

图5为本发明系统管理模块界面图；

图6为本发明数据管理模块中的故障设置界面图；

图7为本发明主机气缸工况监测界面；

图8为本发明主机气动操纵系统界面；

图9为本发明ac600主机遥控系统通用交互模块仿真界面；

图10为本发明m-800-v主机遥控系统通用交互模块仿真界面；

图11为本发明通用交互模块的升级开发示意图；

图12为本发明通信管理模块配置界面；

图13为本发明仿真硬件模块结构示意图。

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作出创造性劳动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。

图1为本发明船舶主机遥控操作模拟训练系统结构示意图，如图1所示，本实施例的系统包括：

数据管理模块101、系统管理模块102、船舶主柴油机仿真模型模块103、主机遥控系统逻辑功能模块104以及通用交互模块105；

所述系统管理模块用于控制所述数据管理模块、所述船舶柴油机数学仿真模块以及所述主机遥控系统逻辑功能模块的运行、停止、状态保存和状态加载；

具体而言，本实施例系统管理模块用于实现各模块运行、停止、状态保存和状态加载功能。通过定义相应的全局变量，在系统设置界面通过鼠标点击触发事件改变变量状态，各功能函数在固定频率的时钟刷新时读取变量值，进而实现相应的控制功能。

系统管理模块控制各模块的运行是通过定义代表各模块运行的变量，如“publicboolb38001_systemstartcmd；”；再通过控件自带的事件函数将该“b38001_systemstartcmd”变量赋值为true。系统时钟运行下的启停控制函数读取到“b38001_systemstartcmd”变量为true后，将激活系统其它各功能模块。停止与运行状态做相反处理即可。状态保存功能的实现为：定义设备参数的全局状态变量，以xml格式将系统所有的状态变量保存到状态文件中。通过系统管理模块界面(如图5所示)选择相应的状态文件，将原来保存的值赋值给对应的状态变量，即可恢复到保存文件时的系统各模块的状态，从而实现状态加载功能。

所述数据管理模块用于管理所述数据管理模块、所述船舶柴油机数学仿真模块以及所述主机遥控系统逻辑功能模块的变量和数据库；用于实现系统变量和数据库管理功能。

本实施例的数据管理模块中所述数据管理模块、所述船舶柴油机数学仿真模块以及所述主机遥控系统逻辑功能模块的变量为系统中上述模块内部使用的变量，比如主机遥控逻辑中的过程变量。在各模块中建立“csystemdatagroups.cs”和“pcsdata.cs”两个变量类文件对应上述两类变量。以xml文件形式建立主机遥控系统数据库，故障设置数据库，在各模块中建立数据库管理类，用于数据库读取、查询、修改、保存等功能。图6所示为将故障设置数据库数据读取到故障设置界面中，在此界面中选择点击右侧“state”项可以完成相应的故障设置功能。

所述船舶主柴油机数学仿真模型根据母型船主柴油机设计参数和实际运行参数指标，结合船舶推进特性及螺旋桨特性曲线建立，能够仿真出主机各种工况参数实时数据，并对各种不同的船舶操作和外部条件的变化做出动态响应。将主柴油机按气体流通通道划分为气缸、排气总管、涡轮机、压气机、进气总管，分别建立气缸数学模型、进气和排气总管数学模型、涡轮增压器数学模型。

(1)气缸数学模型

根据能量守恒方程，气缸温度计算公式为：

其中，tz为气缸内气体温度；为曲轴转角；为燃油燃烧放热量；为气缸进气气体的焓值；为气缸排气气体的焓值；为冷却介质带走的热量；为气体对活塞做的功；mz为缸内工质质量；cv为缸内气体比热容；uz为缸内气体内能；为缸内工质质量变化量。

根据气体状态方程，气缸缸内压力计算公式为：

其中，pz为气缸内气体压力；vz为气缸容积；mz为缸内工质质量；rz为气体常数。

(2)进气和排气总管数学模型

进行热力计算时，将进气和排气总管模型统一为如下形式。

总管气体质量变化率计算公式为：

其中，为总管进气质量；为总管进气质量。

总管温度计算公式为：

其中，m为总管内气体工质质量；q为总管散热量；hin为总管进气焓值；hout为总管排气焓值；cv为总管内气体比热容；u为总管内气体内能。

总管压力按照气体状态方程计算。

(3)涡轮增压器数学模型

把涡轮机作为一个绝热喷嘴，涡轮机发出的功率计算公式为：

其中，pt为涡轮发出功率；为单位时间通过涡轮的气体质量；cp为气体定压比热容；te为排气温度；ηt为涡轮效率；πt为涡轮膨胀比；k为绝热指数。

压气机吸收功率计算公式：

其中，pc为压气机吸收功率；为单位时间通过压气机的气体质量；cp为气体定压比热容；te为进气温度；ηc为压气机效率；πc为压气机膨胀比；k为绝热指数。

根据加速度和能量守恒关系，得到涡轮增压器迭代计算公式：

其中，n为涡轮增压器转速；j为转子转动惯量；π为圆周率。

所述主机遥控系统逻辑功能模块根据母型船主机遥控系统逻辑功能设计和编程，用于实现主机启动、停车、换向、控制位置转换、传令、调速、转速限制、负荷限制、安全保护、参数修改等功能。采用模块化建模思想，按照功能划分分别建立各功能逻辑子模块，包括：主机启动逻辑子模块、主机停车逻辑子模块、主机换向逻辑子模块、主机控制位置转换逻辑子模块、主机车钟与调速逻辑子模块、主机转速限制逻辑子模块、主机负荷限制逻辑子模块、主机安全保护逻辑子模块、主机参数修改逻辑子模块。所有主机遥控系统逻辑功能子模块通过所述数据管理模块的变量实现与所述通用交互模块和所述船舶主柴油机仿真模型模块的交互。

所述通用交互模块包括：对应于船舶主机本体和工况监测的通用单元106和对应于不同主机遥控系统的重新开发单元107。

其中的通用交互模块按照母型船主机及主机遥控系统系统原理图和人机交互界面设计，采用wpf技术开发，具有与实船系统相同的界面显示效果和操作体验。本系统通用单元适用于不同的主机遥控系统仿真，如图5和图6所示，用于实现各模块运行、停止、冻结、状态保存、状态加载、变量设置、故障设置、通信管理等功能；如图7和图8所示，用于主机本体的相关操作和主机工况监测。所有安装到远洋船舶的主机遥控系统都必须满足相同的国际公约和法规，所实现的遥控功能几乎是一样的，但各主机遥控系统厂商的主机遥控系统产品外观都不相同，尤其是人机交互界面完全不同。为了模拟不同的主机遥控系统而对通用交互模块进行升级时，通用单元不需要重新开发，只需要对通用交互模块中的重新开发单元重新开发即可。不同的主机遥控系统人机交互界面可以兼容到一个系统中，但为了避免操作训练中的混乱，通用交互模块每次运行会根据配置文件中设置的界面编号选择启动何种主机遥控系统界面。图9为原系统的kongsberg公司的ac600主机遥控系统人机交互仿真界面，现仿真系统需要对nabtesco公司m-800-v主机遥控系统进行仿真。可以将重新开发单元进行升级，如图10所示，为nabtesco公司m-800-v主机遥控系统的人机交互仿真界面，将该界面加入到系统中即可完成更新升级。

如图11所示，为了模拟不同的主机遥控系统而对通用交互模块进行升级时，系统管理模块、通信管理模块、数据管理模块、船舶主柴油机数学仿真模型模块和主机遥控系统逻辑功能模块这五个功能模块可以通用，只需要对通用交互模块的部分界面进行二次开发即可。

本实施例中系统的五个功能模块之间相互独立，各个模块之间通过定义全局变量实现信息传递。在相同的系统框架下，针对新型的主机遥控系统产品可以对通用交互模块进行二次开发，即通过通用交互模块的升级开发，可以对最新型的主机遥控系统进行模拟仿真。

其中的船舶主柴油机数学仿真模型及其通用交互模块界面(如图7所示)提供以下参数模拟和显示功能：

主机各种工况参数实时显示：主机转速、油门刻度、扫气空气压力、扫气空气温度、排气压力、排气温度、涡轮增压器转速等；

为废气锅炉提供各种负荷下的废气量和排气温度；

为主机高温冷却水系统提供各种负荷下的柴油机散热量；

为主机滑油系统提供各种负荷下的滑油换热量；

主机燃油消耗量、主机滑油消耗量、主机气缸油消耗量、主机空冷器凝水量、主机起动空气消耗量。

作为上述方案的进一步改进，系统管理模块、数据管理模块、船舶主柴油机仿真模型模块、主机遥控系统逻辑功能模块以及通用交互模块可与仿真硬件模块联网运行，形成半实物型的主机遥控操作模拟训练系统。系统管理模块、数据管理模块、船舶主柴油机仿真模型模块、主机遥控系统逻辑功能模块以及通用交互模块也可以单机运行，形成单机版的主机遥控操作模拟训练系统。

作为上述方案的进一步改进，通用交互模块具有自适应屏幕分辨率，适于各种分辨率大小显示器都能满屏显示的要求，以满足实验室与家用等不同场合的使用，能够实现双屏或更多屏显示，并达到最佳的效果。

进一步地，还包括：

通用仿真硬件模块和通信管理模块；

所述通信管理模块用于接收数据管理模块发送的仿真数据向仿真硬件模块发送信息；

所述通用仿真硬件模块包括：仿真服务器、交换机、i/o通讯单元、机旁控制单元、模拟集控台单元以及模拟驾控台单元。

具体而言，本实施例的数据管理模块除用于管理数据管理模块、船舶主柴油机数学仿真模块以及主机遥控系统逻辑功能模块内部使用的变量之外，还用于管理通用交互模块和仿真硬件模块之间的通信数据，如用于仿真硬件模块显示和操作交互的指示灯信号、仪表值、按钮信号、车钟信号等。

其中的通信管理模块用于实现系统管理模块、数据管理模块、船舶主柴油机仿真模型模块、主机遥控系统逻辑功能模块以及通用交互模块与仿真硬件模块设备之间的通讯功能。系统采用udp通信方式。在通信管理模块中建立通信管理类文件，用于实现通信数据的压缩、解析、发送和接送等功能。为了提高通信效率，采用数据改变触发机制。系统时钟按照10ms一次的频率刷新“csystemdatagroups.cs”数据类的中变量，然后将值改变的变量进行压缩打包发送。如图12所示，通过一个通信配置文件将系统所有模块交互变量与硬件盘台的交互点按照板块ip和通道号channel进行对应，并生成xml通信配置文件放入debug文件，各模块启动时将其读入到程序中，以实现仿真硬件模块和系统管理模块、数据管理模块、船舶主柴油机仿真模型模块、主机遥控系统逻辑功能模块以及通用交互模块的准确交互响应。

如图13所示，本实施例的仿真硬件模块包括：仿真服务器、交换机、i/o通讯单元、机旁控制单元、模拟集控台单元以及模拟驾控台单元；仿真服务器通过i/o通讯单元向机旁控制单元、模拟集控台单元以及模拟驾控台单元发送或者接收信号；每部分包含若干控制按钮、指示灯、仪表、蜂鸣器、车钟、通讯板卡等元件。

机旁控制单元包括：机旁控制位置转换单元、机旁起动单元、机旁停车单元、机旁换向单元、机旁调速单元、应急停车单元、机旁参数查看单元；

用于模拟在主机机旁的操作训练，主要组成元件包括主机转速表、主机启动空气压力表、伺服油压力表、应急车钟、主机调速装置、主机控制模式转换开关、控制位置转换装置、主机安保装置、蜂鸣器、若干控制按钮和状态指示灯等。模拟机旁控制箱内部安装i/o通讯板卡，通过局域网与仿真服务器连接；

模拟集控台包括：控制位置转换单元、起/停主机单元、主机换向单元、调速单元、越控和应急停车单元、参数查看和设定单元；

主要组成元件包括组合式车钟、辅车钟、控制位置转换装置、越控按钮、应急停车按钮、触摸屏控制面板、主机安保装置、蜂鸣器、主机转速表、主机启动空气压力表、主机扫气空气压力表；模拟集控台内部安装i/o通讯板卡，通过局域网与仿真服务器连接；

模拟驾控台单元包括：模拟驾控台模拟了实船模拟驾控台上与主机遥控系统相关的装置，用于模拟在模拟驾控台上的主机遥控操作训练，主要组成元件包括组合式车钟、辅车钟、控制位置转换装置、触摸屏控制面板、主机安保装置、蜂鸣器、主机转速表、船速表等，模拟驾控台内部安装i/o通讯板卡，通过局域网与仿真服务器连接。

硬件设计着重考虑功能性和通用性，类似车钟这样的设备，不按照某一具体型号产品模拟，而采用一种具备通用功能的车钟即可。在保持硬件不变的情况下，通过通用交互模块的升级开发，可以对市场最新型的主机遥控系统进行模拟仿真。该功能主要依赖于模拟集控台和模拟驾控台上的触摸屏控制面板实现。触摸屏可以灵活配置和切换显示不同风格的主机遥控系统通用交互界面。也就是说同一个触摸屏，通过通用交互模块升级开发，可以同时模拟多款主机遥控系统产品。

其中的仿真服务器是整个系统的核心，由一台pc主机和显示器组成，pc主机上运行主机遥控操作模拟训练系统的系统管理模块、数据管理模块、船舶主柴油机仿真模型模块、主机遥控系统逻辑功能模块以及通用交互模块。仿真服务器通过i/o通讯单元与模拟机旁控制箱、模拟集控台和模拟驾控台互联互通，接收硬件盘台的交互控制指令(如控制位置转换按钮信号、车钟模拟量信号等)，负责模型和逻辑的仿真运算，并将状态和数据发送给硬件盘台上设备显示(如控制位置状态灯亮/灭信号，主机转速表信号等)。仿真数据及操作指令均通过千兆以太网结合udp通信协议传输，并采用点对点的数据传输方式保证仿真实时性。实际数据传输过程中为了避免同时触发的事件造成数据丢失，分别采用多线程扫描及并发数据自动缓存延时通讯机制。

如图2所示，本发明实施例所述的主机遥控操作模拟训练系统，其中的模拟机旁控制箱模拟了实船主机模拟机旁控制箱，用于模拟在主机机旁的操作训练，包括机旁控制位置转换、机旁起动、机旁停车、机旁换向、机旁调速、应急停车、机旁参数查看等功能。主要组成元件包括主机转速表、主机启动空气压力表、伺服油压力表、应急车钟、主机调速装置、主机控制模式转换开关、控制位置转换装置、主机安保装置、蜂鸣器、若干控制按钮和状态指示灯等。所有仪表和元器件按照功能和外形需求进行设计和市购。模拟机旁控制箱内部安装一块自主开发的通用i/o通讯板卡和一块模拟量输入板卡，都通过局域网与仿真服务器连接。通用i/o通讯板卡用于传输主机起动、停止等开关量信号以及主机转速等模拟量信号。模拟量输入板卡用于采集机旁调速信号，并通过局域网传输到仿真服务器中。

如图3所示，本发明实施例所述的主机遥控操作模拟训练系统，其中的模拟集控台模拟了实船模拟集控台上与主机遥控系统相关的装置，用于模拟在集控室内的主机遥控操作训练，包括控制位置转换、起/停主机、主机换向、调速、越控、应急停车、参数查看和设定等功能。主要组成元件包括组合式车钟、辅车钟、控制位置转换装置、越控按钮、应急停车按钮、触摸屏控制面板、主机安保装置、蜂鸣器、主机转速表、主机启动空气压力表、主机扫气空气压力表等。所有仪表和元器件按照功能和外形需求进行设计和市购。模拟集控台内部安装一块自主开发的通用i/o通讯板卡和一块模拟量输入板卡，都通过局域网与仿真服务器连接。通用i/o通讯板卡用于传输越控、应急停车、控制位置转换、副车钟等开关量信号以及主机转速等模拟量信号。模拟量输入板卡用于采集车钟信号，并通过局域网传输到仿真服务器中。

如图4所示，本发明实施例所述的主机遥控操作模拟训练系统，其中的模拟驾控台模拟了实船模拟驾控台上与主机遥控系统相关的装置，用于模拟在模拟驾控台上的主机遥控操作训练，包括控制位置转换、起/停主机、主机换向、调速、越控、应急停车、参数查看等功能。主要组成元件包括组合式车钟、辅车钟、控制位置转换装置、越控按钮、应急停车按钮、触摸屏控制面板、主机安保装置、蜂鸣器、主机转速表、船速表等。所有仪表和元器件按照功能和外形需求进行设计和市购。模拟驾控台内部安装一块自主开发的通用i/o通讯板卡和一块模拟量输入板卡，都通过局域网与仿真服务器连接。通用i/o通讯板卡用于传输越控、应急停车、控制位置转换、副车钟等开关量信号以及主机转速等模拟量信号。模拟量输入板卡用于采集车钟信号，并通过局域网传输到仿真服务器中。

其中的i/o通讯单元采用嵌入式单片机作为数据通信处理芯片，每个通用i/o通讯板卡可以对模拟训练系统的32路开关量输入/输出点以及8路模拟量输出数据进行通信，对于仿真系统中的模拟量输入则采用单独的模拟量采集模块进行a/d转换后经以太网通讯模块传至仿真服务器。i/o通讯板卡均采用统一的以太网通信接口及相同的通信协议，并可根据需要独立设置ip地址，保证了整个系统的兼容性。所有的通讯板卡分别通过网线连接到千兆以太网交换机，再通过网线连接的仿真服务器。

以机旁应急停车功能为例，结合系统仿真硬件模块和系统管理模块、数据管理模块、船舶主柴油机仿真模型模块、主机遥控系统逻辑功能模块以及通用交互模块对本发明实施例所述的主机遥控操作模拟训练系统的功能实现流程进行进一步阐述。模拟机旁控制箱上设有主机应急停车按钮，紧急情况下可按下此按钮实现模拟主机应急停车的功能。首先，模拟轮机员按下机旁控制箱上应急停车按钮，按钮按下后开关闭合使电路回路闭合，模拟机旁控制箱i/o通讯板块接收到此开关量信号并将其转换为数字量信号，然后按照内部通信协议将包含此开关量信号的相关信息(板块ip、通道号channel、开关状态state)打包，并根据仿真服务器ip地址通过以太网发送给仿真服务器。系统中的通信管理模块按照相应的通信协议将接收的信息进行解析，根据板块ip、通道号channel定位对应的机旁应急停车按钮变量，并将变量的值置为true。通用交互模块中的主机遥控系统逻辑功能模块识别到机旁应急停车按钮变量为true后，立即执行停车逻辑，将喷油量置为零。通用交互模块中的船舶主柴油机数学仿真模型在喷油量为零情况下，气缸不会发火燃烧也就是不会产生新的动力，在推进器阻力矩的作用下，主机转速会逐渐下降直至停车。

本实施例硬件功能上具有通用性，从而实现在保持硬件不变的情况下，通过系统通用交互模块的升级开发，可以对市场最新型的主机遥控系统进行模拟仿真，可以同时模拟多款主机遥控系统产品。解决主机遥控操作模拟训练系统产品老旧过时，通用性不足的问题，节省了更换设备的成本。该功能主要依赖于模拟集控台和模拟驾控台上的触摸屏控制面板，以及更新通用交互模块实现，触摸屏可以灵活配置和切换显示不同风格的主机遥控系统通用交互界面。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。