船舶动力定位模拟操作训练系统设计与应用

许安静

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

0　引　言

随着人类对深水海洋资源开发的不断深入和船舶动力定位技术的不断推进，动力定位系统己被广泛地应用在海上钻井平台、多用途工作船、海洋调查船、铺管船及港作船。由于高技术、高附加值的动力定位船舶大多从事危险性较高的海洋工程作业，船舶动力定位系统安全作业能力和操作能力与船舶的作业安全密切相关，它的安全性将直接影响工程的进展、质量、费用及工程人员的生命安全。因此，各国际海事组织和船级社对动力定位系统和动力定位操作员的要求制定了相关的公约和规则及规范[1-3]，这些公约、规则及规范对实现动力定位船舶安全作业有着极为重要的作用。

1　系统总体设计

1.1　系统组成

图1　船舶动力定位模拟操作训练系统组成

船舶动力定位模拟操作训练系统由动力定位操控系统、教员站控制系统及可视化视景系统组成。其中，动力定位操控系统由动力定位控制系统、独立的联合操纵杆系统、推进器遥控系统、单手柄操纵系统、综合信息显示系统、电子海图显示与信息系统组成；教员站控制系统由教员站、模拟控制系统服务器组成，船舶动力定位模拟操作训练系统组成见图1。

1.2　系统网络结构

船舶动力定位模拟操作训练系统采用以太网络通信技术，星型拓扑结构形式构建集中型局域网络，通过中心处理机使船舶操控系统、教站控制系统及可视化视景系统的信息流汇集起来，实现三者间的信息共享，可大幅加快数据的传输速率和信息处理效率。船舶动力定位模拟操作训练系统设备基于以太网络平台，使系统易于扩展。动力定位操控系统的各子系统内部采用控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)，船舶动力定位模拟操作训练系统网络结构见图2。

图2　船舶动力定位模拟操作训练系统网络结构

1.3　系统设计

为保证动力定位船舶作业安全，提高动力定位操作员的技术专业知识和实际操作技能，依据《海员培训、发证和值班标准国际公约》(STCW公约)马尼拉修正案第B-V/d节规定，和DNV《CERTIFICATION No. 2.14 MARITIME SIMULATORSYSTEMS JANUARY 2011》规范，动力定位模拟操作训练系统采用计算机成象技术、虚拟现实技术及无缝拼接宽视场角视频对摄等先进的技术手段和方法，结合实际的动力定位操控系统设备，可将数字化的港口及相关设施动态逼真地展现给操作人员。动力定位模拟操作训练系统除能满足各种训练的要求外，还可进行工程论证、控制策略验证和海事分析。船舶动力定位模拟操作训练系统构架见图3。

图3　船舶动力定位模拟操作训练系统构架

1.3.1系统操作模式设计

经对当前大多数海洋工程船舶推进设备类型配置调研，为使系统适应多种海洋工程船动力定位控制系统的操作训练，动力定位模拟操作训练系统推进系统配置2套艏侧推控制单元、1套艉侧推控制单元、2套全回转推力器控制单元(全回转推力器控制单元通过选择也可作为主推进器控制单元)、1套车钟控制单元及1套迷你手轮舵机控制单元。

船舶动力定位模拟操作训练系统有5个操作模式，分别为手动模式、动力定位模式、独立联合操纵模式、单手柄操纵模式及航行模式。侧推器、全回转推力器、舵机装置在上述操作模式下的控制状态如表1所示。

表1　推进系统控制配置

1.3.2动力定位操作系统

船舶动力定位模拟操作训练系统配置2套SRI-VC2110DP动力定位控制系统[4]构成双冗余的动力定位系统(DP-2),1套SRI-VC2110DP-JS独立的联合操纵杆系统、1套推进器系统手动遥控系统和1套SRI-VC2110DP-JH单手柄操纵系统。

动力定位控制系统功能包括：

(1)动力定位控制系统基本功能,可进行自动定位及自动定艏向。

(2)动力定位系统基本功能扩展,可进行自动导航(驾驶)及自动航迹跟踪。

(3)动力定位控制系统常规功能,可采用手动操纵(JOYSTICK)及混合操纵(手动操纵+部分自动控制)。

(4)独立的联合操纵杆系统功能联合手动操纵(JOYSTICK)实现自动艏向,自动航向。

1.3.3推进器手动遥控系统

推进器手动遥控系统由全回转舵桨推力器、侧推器和舵机的手动遥控，与动力定位系统功能相结合成为一个具有全方位船舶控制功能的操控系统。具体控制功能包括：

(1)推进控制系统操作模式切换。

(2)主推进器、全回转舵桨及侧推器手柄操控。

(3)舵机工作模式切换(包括自动舵模式、随动舵模式及应急舵模式)。

(4)舵机随动舵及应急舵手动操控。

1.3.4单手柄操纵系统

动力定位模拟操作训练系统配置的单手柄操纵系统其控制功能包括：

(1)手柄操控功能,可进行手动操作,实现艏向保持及保持位置。

(2)自动舵功能,可实现自动航向及航迹跟踪。

1.3.5教员站控制系统

教员站控制系统由内配置训练海域数据库、本船模型数据库(包括DP模型船)、目标船模型数据库及飞机模型数据库等。控制系统根据推进器、舵的操作和航行环境信息(风、流及潮汐等)，实时解算模拟船的运动参数(船位、航向、速度、航向变化率及加速度等)。

教员站控制系统能进行训练海(江河)域区及训练环境的设定，本船和目标船初始位置、航向及速度的设置，在线控制和设置模拟船部分设备的故障及错误信息，数据的实时记录和各船航迹的动态显示、打印及操控船操作过程的事后重演和打印功能，编辑操控训练科目、航行训练科目及特殊条件下的操控训练科目等。

1.3.6可视化视景系统

船舶动力定位模拟操作训练系统的船视景系统为5通道、120度水平视场角且垂直视场角为30°，每个视景通道的分辨率为1920×1080，三维视景图象更新速率为30 帧/s，采用几何校正和边缘融合软件校正技术，做到视景真正无缝拼接和高清的显示屏视景系统。本船视景系统提供操作员视域范围的所有静态及动态景物三维视景，通过三维环境中对模型对象的操作显示船舶在海上或港内航行及作业情景,且能显示狂风、暴雨雷电、大雪等各种气象情景、白天和夜间及水面的反射效果等。

此外，系统还配置1套单独的采用大地坐标系的第三视觉系统，系统配置15个虚拟摄像头，每个摄像头均可实现360°全景环视。用于从第三视觉角度观察本船的靠离泊作业及动力定位作业的状态，了解本船四周环境，如附近的目标船、浮标及海况等信息。

音响系统产生模拟海况对应的环境声响(风、浪及声号等)及工作环境(主机、辅机、锚及缆操作等)等声响，能模拟船舶碰撞、搁浅及触礁等海损事故的音响效果。

1.3.7动力定位操控系统接口

动力定位操控系统对外接口形式有以太网接口、现场总线CAN接口和串行数据通信接口等3种模式。

基于TCP IP的以太网的系统接口与NTPRO 5 000服务器系统相连，接口信息一方面来自动力定位操控系统的命令，如动力定位操控系统操作模式选择，推进器辅助系统启、停，推进器驱动系统启、停，及推进器应急停控制，推力器螺距、方位、侧推器螺距、舵机的舵角命令；另一方面是NTPRO 5 000模拟器系统发送动力定位操控系统命令的反馈信息、船舶航行状态信息(位置、航向、航速)、主机系统运行参数、动力定位传感器系统测量信息及动力系统运行信息等。

基于NMEA—0183协议的标准规范的数据串口通讯用于接收NTPRO 5 000服务器系统的传感器模型信息驱动仪表指示(风速风向仪、GPS复示器、电罗经复示器及计程仪等)。

基于CAN2.0B协议规范现场总线CAN接口采用架构在控制局域网路CANopen通信协议,为此后科研项目的应用提供端口。

1.3.8动力定位控制系统技术研究

动力定位模拟操作训练系统搭建动力定位控制系统关键技术研究科研平台，通过这一平台可进一步开展对动力定位控制系统方法研究，船舶动力定位控制系统在某一海况环境下定位能力测试、动力定位系统的故障模式与影响分析及船舶动力定位关键技术的研究和验证。

2　硬件设计

动力定位模拟操作训练系统的硬件主要由动力定位操控台、教练站工作台、三维视景设备、船用航行通信仪表设备、音响设备和监视设备等组成。系统配置的仪表设备设备为船用实际设备，操控台上的操作部件为自主研发的船用产品，可较完整地模拟驾驶室船舶动力定位作业操作环境。

2.1　动力定位操控台

动力定位操控台由2套动力定位操作站、推进器遥控操作站、综合信息显示站及电子海图信息显示站组成，动力定位操控台示意见图4。

a) 动力定位操控台(俯视图)

b) 动力定位操控台(侧视图)

2.1.1动力定位操作站

a) 动力定位工作站操作板(俯视图)b) 动力定位工作站操作板(侧视图)

图5动力定位工作站操作板布置

动力定位操作站配置有动力定位工作站和嵌入式控制计算机及网络交换机，通过网络交换机以太网网络将2套SRI-VC2110DP动力定位操作站[4]物理连接，构成双冗余的DP-2动力定位控制系统。

动力定位工作站由23.1寸显示器、操作板及计算机组成。操作板作为人机交互接口提供人机交互服务，操作板布局设计便于人工操作，为动力定位工作站操作板布置见图5。

2.1.2推进器遥控操作站及航行仪表

推进器遥控操作站由2套全回转推力器控制板、3套侧推器控制板、1个随动舵手轮、非随动舵手柄转换开关、推力系统工作模式切换板、辅车钟、5个推进器仪表、2个舵角指示仪、1个GPS复示器、1个电罗经复示器及2个风速风向仪组成，各部件布局设计注重人性化，操作板部件便于操作，仪表布置便于监视，推进器控制操作站操作板部件布置见图6，推进器控制操作站仪表布置见图7。

a) 推进器遥控操作站操作板部件(俯视图)b)推进器遥控操作站操作板部件(侧视图)

图6推进器遥控操作站操作板部件布置

图7　推进器遥控操作站操作站仪表布置

2.1.3综合信息显示站

综合信息显示站分别由23.1寸显示器及HP计算机组成。综合信息显示站台面及内部嵌入SRI-VC2110DP-JH单手柄操纵系统。

单手柄操纵系统由手柄操作板和嵌入式控制计算机组成。手柄操作板作为人机交互接口提供人机交互服务，操作板布局设计便于操作，单手柄操作板布置见图8。

2.1.4电子海图显示与信息系统显示站

电子海图显示与信息系统显示站由23.1寸显示器及HP计算机组成。

电子海图显示与信息系统显示站台面及内部嵌入SRI-VC2110DP-JS独立联合操纵杆系统。

独立联合操纵杆系统由独立联合操作板和嵌入式控制计算机组成。独立的联合操作板作为人机交互接口提供人机交互服务，操作板布局设计便于操作，独立联合操作板布置见图9。

图9　独立联合操作板布置

2.2　教员站教练站工作台

教员站由1台HP计算机和2台21寸宽屏LCD的HP显示器组成，模拟控制系统服务器由1台HP计算机和1台21寸宽屏LCD的HP显示器组成，网络设备为24口千兆交换机及交换机柜。

2.3　三维可视化视景系统

系统的三维可视化视景系统由本船视景系统和第三视觉视景系统组成，其中本船视景系统由5台HP图形工作站和5台55寸液晶电视机组成；第三视觉视景系统由1台HP台图形工作站、1台55寸液晶电视机和1台19寸HP显示器组成，二套视景系统配置一套2.1音响系统。

3　软件设计

3.1　系统软件结构

图10　动力定位模拟操纵系统软件结构

软件设计是系统可靠稳定工作的重点，合理的软件设计是系统的实时性及可靠稳定的保障。动力定位模拟操纵系统软件结构见图10。

动力定位模拟操纵系统软件结构主要包括核心层、基础层、业务层和应用层。核心层构建在硬件设施上，包括操作系统、数据库系统等。在动力定位模拟操纵训练系统中，提供三维建模、视景仿真及数据库等多种工具应用支持。基础层为动力定位模拟操纵训练系统提供专用构件，主要包括数据处理传输、电子海图数据库、视景三维模型库、船舶数学模型数据库、环境声音媒体库及图形处理等专业软件，各分系统接口数据信息汇集，依据通信协议进行转换处理，建立统一的通用的数据传输务。业务层提供各种组件以适应用户船舶驾驶模拟训练业务需求，包括动力定位船模型系统、航行操纵船模型系统、船舶推进系统、舵机系统、电站管理系统、船舶控制模拟器系统、船舶驾驶综合显控服务、电子海图服务、船舶驾驶视景服务及航行仪器仪表驱动系统等。应用层包括有动力定位模拟操纵系统的应用模块，实现动力定位控制系统(DP-2)海工作业操作训练模块，单手柄操纵训练模块、狭道航行的操作训练模块和进出港的操作训练模块。

3.2　系统软件设计

船舶动力定位模拟操作训练系统软件分为动力定位操控系统、推进器遥控操作站、单手柄操纵单元、综合信息显示站、教员站、模拟控制系统服务器、三维视景系统和电子海图信息显示等8个部分，各部分软件间通过网络进行相关数据通信构成一个模拟操作训练平台。其中，动力定位操控系统软件基于已研发的SRI-VC2110DP动力定位控制系统和SRI-VC2110DP-JS独立的联合杆操纵系统软件。单手柄操纵系统软件基于已研发的SRI-VC2110DP-JH单手柄操纵系统。

推进器控制操作软件由全回转推力器手柄操作模块、侧推器手柄操作模块、舵机驱动模块、推进器控制模块及系统工作模式切换报警模块组成。

全回转推力器手柄控制模块功能包括全回转推力器辅助系统启停控制状态指示，驱动系统启停控制状态指示，应急停操作、全回转推力器手柄位置处理、全回转推力器报警和接口信息通讯。侧推器手柄控制模块功能包括侧推器辅助系统启停控制状态指示，驱动系统启停控制状态指示，应急停操作、侧推器手柄位置处理、侧推器报警和接口信息通讯。

图11　推进器控制操作软件体系结构

推进器控制模块功能包括辅助系统控制、驱动系统控制、推进器螺距控制和接口信息通讯。系统工作模式切换报警模块功能包括工作模式切换操作、系统工作模式状态指示、推进器遥控系统报警、操作板指示等调光和接口信息通讯。

舵机驱动控制模块功能包括舵机控制模式切换、随动舵手轮位置处理、应急舵转换开关操作处理和接口信息通讯。推进器控制操作软件体系结构见图11。

教员站控制系统、可视化视景系统的软件采用Navi-Trainer Professional 5000软件系统[5]，该软件系统包含DP系统模块和DP模型船数据库。

教员站软件可设置训练的水域环境、交通状况和特殊海域、编辑训练场景练习，控制、监视并重放、分析操作员的训练过程；软件采用Windows NT的新技术，可让教员同时打开多个数据显示和设置窗口，通过“DP system control panel”，可对动力定位传感器系统、推力系统及动力系统进行故障设置。

模拟控制系统服务器具有数据传输和训练文件保存和管理功能，且模拟控制系统服务器配置丰富的船舶运动数学模型库和三维视景库，覆盖全球大部分重要的航运海区、海峡、港口及内河水域，配备的电子海图系统可提供5 000余幅电子海图，包括世界许多重要港口和航道。

视景系统软件采用先进的OPEN-GL图形技术，动态实时生成视景图像，包括本船、目标船、周围的物标、海面、大风浪、岸线和环境的影响、能见度及光照等的影响。

电子海图显示与信息系统软件为Navi-Sailor 400软件。

4　船舶动力定位模拟操作训练系统的应用

4.1　动力定位模拟操作训练实验室建设

基于船舶动力定位模拟操作训练系统的研制，开展动力定位模拟操作训练实验室的筹建。目前，动力定位模拟操作训练实验室设计与建设已完成，实验室布置效果见图12，船舶动力定位模拟操作训练系统实景见图13。

图12　实验室布置效果

4.2　动力定位系统操作训练实例

通过教员站建立海洋工程作业练习(建立海域、海况环境)，加载动力定位模型船，运行船舶模拟器控制系统。依据动力定位船定位作业流程,操作员进行一系列动力定位模拟操作训练。动力定位控制系统上电，依次启动推进系统辅助系统、驱动系统，观察操作台仪器仪表指示状态，进行动力定位系统实际作业操作。动力定位系统操作训练系统也提供在动力定位系统出现报警及警告的情况下的故障排查和应急处理训练(包括在实现实船中不允许或在极端条件下才发生的报警)[6]。

5　结　语

开发的动力定位模拟操作训练系统模拟器软件满足STCW2010公约，SOLAS国际公约，基于把国内新技术与国外先进技术相结合设计理念，在国内首次将具有自主知识产权的动力定位操控系统与NTPRO 5 000航海模拟器相结合组建成船舶动力定位模拟操作训练系统，为普及船舶动力定位理论知识，熟悉了解船舶动力定位系统的功能和原理,熟练掌握动力定位船的定位作业操作[7]及开展动力定位系统科研工作提供良好的平台。由于船用动力定位操控系统硬件及为其开发应用的软件均属于自主研发，因此有利船舶动力定位模拟操作训练系统今后的性能扩展和灵活应用。

参考文献：

[1]DNV．Standard for Certification No 2．14 Maritime Simulator Systems January[S]．Norway：DNV Press，2011．

[2]International Maritime Organization．STW 41/7/2 Comprehensive Renewofthe STEW Convention and the STCW Code：Chapter I of the STCⅣConvention and Code submitted by the Seeretari[S] London: International Maritime Organization，2009．

[3]Nautical Institute. Dynamic Positioning Operator’s Training and Certification Scheme[M]. London: Nautical Institute, 2016．

[4]侯馨光，张敏，许安静，等. SRI-VC2110DP系列动力定位控制系统[C]//上海市造船工程学会2011年学术年会论文集，2011：1-6．

[5]杨晓.航海模拟器视景系统中阴影技术的研究[D].大连：大连海事大学，2011．

[6]聂垒鑫.基于控制中心的船舶驾驶模拟系统开发[D].镇江：江苏科技大学，2013．

[7]陈丽宁，何淋，王新辉，等.动力定位操作员适任研究综述[J].航海教育研究，2016，33(4):65-71．