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先进的嵌入式训练技术在美海军中的典型应用案例张宝珍1.背景先进的嵌入训练系统（AETS）根植于20世纪50年代发展起来的程序教学（或称自动教学、机器教学）。
程序教学为美国行为主义心理学家斯金纳首创，开始主要应用于中小学教学实践。
程序教学的特点主要有小步子（将整个学习任务分解成可一步一步操作的步骤）、自定步调（学员自己确定学习的进度和速度）、及时反馈（学习或操作的结果可以立即得知，并及时改正错误），适用于确定知识或技能的严格养成性学习。
也就是说，初期程序教学的适宜对象是没有歧义、可具体分解、结论唯一的知识或技能，否则，实施起来会很困难。
这样一来，它的教学内容和教学方式都比较僵硬，也不利于培养学生的创造性。
这与人们当时对学生角色的认识以及技术发展水平有直接的关系。
最近20年来，随着学习观以及计算机技术的发展，人们更加强调在学习和训练过程要增强环境的动态性、促使学员掌握问题解决的知识和技能（以问题为基础的学习）、学习诊断要重视学员的内部知识状态而非学员的外在行为（学员建模和认知诊断）以及教学要适应学员不断变化的知识和能力状态（适应性教学）。
近几年，柯林斯等人又提出了“认知学徒”（cognition apprentice）训练理念。
认知学徒训练系统采用了传统学徒制中的许多策略，区别在于前者强调是认知技能，而后者强调是动手能力。
传统学徒制有3个主要组成部分：示范、辅导和隐退。
首先，师傅通过身体力行向学徒演示活应该怎么做，并解释为什么要这样做。
然后，师傅辅导学徒照着演示的方式方法试做几遍。
这时，师傅一边要指出学徒做得好或不好的地方，一边继续强调动作要领。
经过一段时间的反复练习，当学徒基本能够独立操作时，师傅就逐渐隐退到幕后了，只在学徒遇到繁难问题时才再次出场。
目前，新一代的“智能助教系统”（intelligent tutoring system， ITS）都属于认知学徒制的范畴，其中包括广为人知的LISP、SHERLOCK以及“物理助教”（physics tutor）等。
第25卷 第1期2002年6月 交通部上海船舶运输科学研究所学报JOURNAL OF SSSRI Vol.25No.1J un.2002 文章编号:100024696(2002)0120034206收稿日期:2002201222船舶动力装置仿真中的仿真控制系统徐 斌(船舶自动化部)摘 要:介绍船舶动力装置仿真中的仿真控制系统,提出采用MA TLAB 仿真软件建立动力装置仿真控制系统的思路,并通过对调速系统的分析,建立了电液执行机构和控制器的仿真模型。
最后,建立了通用的仿真控制策略———船舶仿真车令库和仿真命令(仿真接口),并说明采用MA TLAB 建立动力装置仿真控制系统的可行性。
关键词:计算机仿真;船舶动力装置;控制系统中图分类号:TP391.9 文献标识码:AThe Simulation Controlling System in Simulating Marine Pow er PlantX U B i n(Naval Shipping Auto Division )Abstract :The simulation controlling system in simulating marine power plants is described.The idea of setting up simulatin control 2ling system with MA TLAB simulation software is put forth ,and the simulation model of electro 2hydraulic operator and controller is established on the basis of analysis of speed regulating system.The general simulation control strategy ,i.e.ship simulation engine or 2der database and simulation order (simulation interface )is finally set up.The availability of adopting MA TLAB to set up simulation control system of power plant is also explained.K ey w ords :Computer simulation ;marine power plant ;control system1 动力装置仿真与仿真控制系统1.1 动力装置仿真舰船动力装置推进系统是由主机、传动设备、螺旋桨(定距桨或调距桨)以及舰船本体所组成。
船舶机动控制嵌入式训练系统方案设计研究船舶是进行海上运输的主要工具，在海上航行需要进行多种机动控制操作来保证船只的安全，如转向、推进、停止等操作。
为了提高船员的机动控制技能，开发一种船舶机动控制嵌入式训练系统是十分必要的。
本文将介绍船舶机动控制嵌入式训练系统的方案设计。
该系统主要包含嵌入式系统、船舶模拟器和控制器三部分，具体如下：1.嵌入式系统：嵌入式系统是指将计算机系统嵌入到其他设备或系统中，实现多种控制和测量功能。
对于船舶机动控制训练系统，嵌入式系统的主要任务是实现船舶机动控制仿真和判断学员的控制动作是否正确。
嵌入式系统由工控机、传感器、执行器和通信模块构成。
工控机采用高性能的处理器和大容量的内存，能够实现复杂的算法运算，同时具有多种通信接口。
传感器用于测量船只的位置、速度、航向等参数，执行器控制仿真器的运动，通信模块与控制器进行数据交互。
2.船舶模拟器：船舶模拟器是通过数学模型建立船舶运动仿真，以实现船舶机动控制训练的重要设备。
采用传感器获取船舶运动的实时数据，然后经过计算得出船舶的运动状态，并将结果反馈给控制器。
在船舶模拟器中，需要建立一套完整的数学模型，包括船舶的外形、质量、运动方程等，以实现真实的运动仿真。
模拟器还需要加入风、浪、潮流等外部环境因素，以增加仿真的真实性。
3.控制器：控制器是指用于控制船舶运动的电子设备，接收嵌入式系统提供的数据，计算出运动控制指令，并通过执行器实现船舶运动的控制。
控制器的设计需要考虑稳定性、可靠性和性能等因素。
在稳定性方面，要确保控制器的反馈控制系统能够有效地控制和稳定船舶的运动。
在可靠性方面，要采用优质的元器件和设计良好的电路板，以提高控制器的可靠性。
在性能方面，要选择高性能的处理器和大容量的存储器，以保证控制器有足够的计算和存储空间。
总之，船舶机动控制嵌入式训练系统方案设计主要包括嵌入式系统、船舶模拟器和控制器三部分。
该系统可以实现船舶机动控制仿真、学员控制动作判断和优化控制器设计等功能，对船员的机动控制技能提高有很好的促进作用。
舰船动力装置实船嵌入式仿真训练系统舰船动力装置实船嵌入式仿真训练系统，是一种基于嵌入式技术的虚拟培训系统，它可以模拟舰船动力装置真实运行情况，为船员提供实时的仿真训练，以提高他们的操作技能和安全意识。
舰船动力装置实船嵌入式仿真训练系统主要由三部分组成：硬件部分、软件部分和仿真模型。
硬件部分主要包括计算机、触摸屏、船舶控制台、各种传感器和执行器等设备。
这些设备能够在仿真环境中模拟出真实的船舶控制室。
软件部分主要是运行在计算机上的程序，它能够模拟出船舶动力装置的各种运行模式和状况。
仿真模型是虚拟环境的核心，它能够模拟出船舶动力装置的各个部分，包括主机、传动系统、配电系统、舵机、泵等。
在使用舰船动力装置实船嵌入式仿真训练系统时，船员可以通过船舶控制台实时控制船舶动力装置，仿真系统会根据船员的操作实时进行数据采集和分析，并根据分析结果反馈给船员。
通过这种实时控制和反馈，船员可以掌握船舶动力装置的各种运行模式和状况，并达到熟练操作的目的。
同时，这种实时控制和反馈还能够让船员更好地了解船舶动力装置的性能和特性，从而提高他们的安全意识。
舰船动力装置实船嵌入式仿真训练系统具有以下优点：1. 可以提供安全训练环境。
在仿真环境中，船员可以进行各种训练，而不会对现实船舶造成任何损害。
2. 可以提供全面的培训内容。
在仿真环境中，船员可以模拟各种实际操作，练习船舶动力装置的各种运行模式和状况，达到全面的培训目的。
3. 可以模拟出各种现实情况。
仿真系统可以模拟出各种船舶运行情况，例如恶劣天气条件、设备故障等，让船员更好地应对各种突发情况。
综上所述，舰船动力装置实船嵌入式仿真训练系统是一种高效、安全、全面的船员培训工具，可以提高船员的操作技能和安全意识。
随着嵌入式技术的不断发展，这种仿真系统将会在航海培训中发挥越来越重要的作用。
为了更好地了解舰船动力装置实船嵌入式仿真训练系统的使用情况和效果，我们可以通过数据分析来深入探究。
船舶主动力系统实船训练系统的研究与实现
员钦升;屈崇;许峰;罗昊
【期刊名称】《机电设备》
【年(卷),期】2014(031)005
【摘要】实船训练系统是将仿真训练系统嵌入到船舶的实际系统中,船员可在平时的工作环境中训练各项操作,以便能够熟练地掌握各项操作技能,具有费用低、质量高、效率高等优点. 本文从国内外实船训练系统的研究现状出发, 提出了基于某型船主动力系统开发的实船训练系统, 阐述了该系统的组成、系统安全性的设计、系统所实现的功能以及系统的应用前景等.
【总页数】4页(P56-59)
【作者】员钦升;屈崇;许峰;罗昊
【作者单位】中国船舶重工集团公司第七一一研究所,上海201108;中国船舶重工集团公司第七一一研究所,上海201108;中国船舶重工集团公司第七一一研究所,上海201108;中国船舶重工集团公司第七一一研究所,上海201108
【正文语种】中文
【中图分类】U692.7
【相关文献】
1.STI-VC2100主动力装置实船训练系统实时性探讨 [J], 华梅堂
2.主推进系统实船训练系统的研究与实现 [J], 陆锦辉;张敏
3.面向实船训练的柴油机主动力装置机理建模 [J], 石恒;王斌
4.基于动力监控系统的船舶主动力嵌入式模拟训练系统设计 [J], 谷家军;覃海波;倪何;
5.SOLAS公约对船舶生活区通风系统要求及实船设计要点 [J], 商成亮
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第35卷第5期2013年5月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol．35，No．5May ，2013舰船动力装置实船嵌入式仿真训练系统周国平1，袁利国2，高宜朋3，陈于涛4（1．海军南海舰队司令部军训处，广东湛江524001；2．海军北海舰队装备部，山东青岛266071；3．海军驻431厂军事代表室，辽宁葫芦岛125004；4．海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033）摘要：针对舰船动力装置实船嵌入式仿真训练系统的设计与实现问题，分析实船训练系统的研究发展现状，研究关键技术和实现方法，提出实船训练系统的3种技术设计方案。
以某型动力装置岸基模拟训练系统为基础，实现一种基于以太网结构的全模拟式实船训练系统，能够兼顾岸基训练和实船训练的通用性要求，对实船训练系统的仿真模型和训练内容进行讨论。
关键词：嵌入式仿真；动力装置；实船训练中图分类号：U664．121文献标识码：A文章编号：1672－7649（2013）05－0074－05doi ：10.3404/j.issn.1672－7649.2013.05.017Researth on embedded On-Board Simulated Training System of marine power plantZHOU Guo-ping 1，YUAN Li-guo 2，GAO Yi-peng 3，CHEN Yu-tao 4（1．Training Office of Naval South China Sea Fleet Headquarters ，Zhanjiang 524001，China ；2．Equipment Department of Naval North Sea Fleet ，Qingdao 266071，China ；3．431Military Commissary Office of Naval Equipment Department ，Huludao 125004，China ；4．Naval University of Engineering ，College of Naval Power Engineering ，Wuhan 430033，China ）Abstract ：Aimed at the design and development of marine embedded on-board training system ，thestate of the art of on-board training system is analyzed ，the key technology and implementation method is studied ，three design scheme of on-board training system is presented in this paper．Based on a land based training system ，a full scope simulated on-board training system which can satisfied the requirement of land based training and onboard training is implemented．The simulation model and train content of On-Board Training System is discussed．Key words ：embedded simulation ；marine power plant ；on-board training收稿日期：2012－12－31；修回日期：2013－02－04作者简介：周国平（1977－），男，机电业务长。
0引言随着基于实际装备的训练受到越来越多的重视，嵌入式仿真训练系统获得越来越多的应用。
美国海军将嵌入式训练系统定义为在作战系统，子系统，或设备上装入或增加的能够使全体舰队人员更加熟练地掌握各项技能能力的训练系统［1］。
嵌入式训练系统在本质上是利用仿真技术使实际装备同时具备训练功能。
美国海军舰船嵌入式训练系统主要集中在作战系统和舰船平台系统，已经实现的项目包括：和平时期舰队主力战术训练系统、“宙斯盾”作战训练系统、和平时期舰队主力电子战训练系统、舰船平台实船训练系统（on board training system ，OBTS ）。
英国海军也有类似的皇家海军水面舰艇指挥小组训练系统等嵌入式训练系统［2］。
实船训练系统（OBTS ）属于嵌入式仿真系统在舰船上的一种实现形式。
Young 和Shoben ＆Kasturi 等人最早对实船训练嵌入到舰船平台监控系统中的研究进行了讨论［3－4］。
实船训练系统实际上是将第5期周国平，等：舰船动力装置实船嵌入式仿真训练系统仿真系统与实船平台监控系统相融合，一方面，利用仿真系统进行装置操作培训；另一方面，利用实船平台监控系统的人机界面环境增强操作培训的真实感。
1实船训练系统研究概况实船训练系统能够综合出在岸基教室中设定的复杂战术场景，并提供像海上训练中那样的实装训练条件，此外该系统能够全天候使用，不管在港内还是海上，可以随时提供训练机会，组织训练。
它通常与舰船集成平台管理系统（integratedplatform management system，IPMS）集成，是综合平台管理系统中的重要组成部分。
美、英、德等国海军新造舰艇均已装备实船嵌入式仿真训练系统，其中德国海军规定，其后续的水面舰艇和潜艇必须安装实船训练系统。
实船训练系统特点的分析见表1。
表1实船训练系统特性分析Tab.1Characteristic analysis of OBTS优点缺点船舶系统的优化使用，促进对实际系统更加熟悉操纵/训练模式切换引起误操作的风险，可能导致信号冲突可直接在实船环境下进行训练不完善的教学环境舰员可自行组织训练舰员自身可能缺乏组织训练的能力改善训练的连续性训练设备可能会占用有限的舱室空间舰员的训练过程更加透明训练任务和装备维护之间可能存在冲突训练设计与支持装备可以与本舰的需求更为吻合增加了工作负担，如教学、维护、对训练器使用的培训可以在实船环境下分析控制系统设计改变对系统的影响所能承担的训练人数直接依赖于舰船的数目可以最小化对训练的后勤支持，如差旅问题；潜在地减少了岸基训练的花费初建费用的提高国际上领先的OBTS制造商主要有加拿大L-3 MAPPS、德国SIEMENS和英国ROLLS-ROYCE等公司［5－7］。
从技术上看，OBTS的成功实现需要满足工作可靠性、系统通用性、仿真精确度等方面的要求，即仿真系统的运行不能影响到实际监控系统的正常工作；实船仿真系统要能与岸基模拟器具有一定的通用性，这样可以综合二者的优势，同时便于开发；另外仿真系统运行结果与实船航行结果要达到足够的精确度，这是实船仿真训练置信度的关键。
比较典型的实船训练系统实现方案有L-3 MAPPS-OBTS和SIEMENS-OBTS/LBTS。
前者的设计思路是让舰员和工作小组能在日常使用的控制台上，进入实时仿真环境中，根据培训目的执行各项行动指令，而不会对控制的功能构成影响。
在具体实现上，采用独立于IPMS网络的数据总线，与监控系统的信道完全分离，不会相互干扰，这样提高了系统的可靠性，且OBTS与监控系统可以同时工作。
SIEMENS公司的OBTS/LBTS中，根据动力装置及监控系统的实际结构，采用仿真软件模拟动力装置的实际过程和控制器的控制策略，人机界面采用实船监控系统原有的监控软件。
该系统主要功能是设置训练程序，模拟系统故障，监视和记录训练过程。
系统实现了OBTS与LBTS的统一，同时满足在舰上安装和岸基训练教室安装的通用性要求。
综上所述，实船训练系统实现中的关键问题是仿真系统与实船系统的连接方式，以及仿真模型的模拟范围。
独立的训练数据总线是保证系统使用可靠性的关键，这样可以使仿真系统与实际系统同时运行而不会相互影响；另外，将控制系统纳入仿真模型的范围可以使岸基模拟器的模型与实船训练系统的模型实现通用性，同时也降低了岸基模拟器的开发成本，但在功能上并没有降低，只是控制算法从在控制器中运行转移到在仿真支撑环境中运行。
2实船训练系统方案设计2.1设计思路实船训练系统（OBTS）的设计应根据实船监控系统的具体框架，解决好训练系统的嵌入方式问题，还应合理规划好仿真系统中模型的模拟范围问题。
训练系统的嵌入方式应保证系统具有较好的可靠性。
要考虑仿真信号与实船控制台操作显示信号各自所遵循的通信协议。
要保证仿真信号不干扰监·57·舰船科学技术第35卷控层信号，即与实船控制台连接的仿真回路与下层监控回路应尽量保证是并联关系。
训练数据总线独立于监控层数据总线。
另外，按照仿真模型所包括的内容，可以将动力装置OBTS的模拟范围分为3个层次：人机界面层（实船控制台）、监控层，以及动力装置对象层。
不同的模拟范围，也同时影响着仿真系统与实船系统的连接方式。
综合以上设计思路，相应的OBTS可以有3种实现方案。
2.2全激励式OBTS方案设计全激励式OBTS方案中，人机界面和监控层采用实际设备，推进装置对象采用软件模拟。
仿真系统直接与监控层传感器网络、控制器网络连接，屏蔽传感器数据采集信号和控制器送给执行机构执行的指令。
这种方案可以实现实船嵌入式仿真训练，也可以在监控系统的设计和开发阶段，用于监控系统产品的校核与功能调试。
该方案用于实船训练可以充分利用实船已有的监控系统，但对于岸基训练来说，因为需要实际控制器，初建费用会较高。
该方案的特点是：仿真系统通过独立的训练网络与实船监控层连接，在监控层与仿真服务器之间要添加额外的数据转换模块；训练系统需要在监控层设备通电工作状态下才能工作；由于网关只能接收实际信号与仿真信号的其中之一，在监控系统正常工作时不能进行航行/训练模式切换；由于监控层设备参与训练系统工作，增大了故障和误操作的概率，降低了系统的可靠性。
2.3部分激励式OBTS方案设计部分激励式OBTS方案中，人机界面采用实际设备，推进装置对象和监控层采用软件模拟。
仿真服务器直接与人机界面层连接。
这种方案可以实现实船嵌入式仿真训练，也可在监控系统的设计阶段，用于监控系统算法和控制策略的设计开发。
该方案用于实船训练主要利用了实船监控系统控制台的操作真实感，对于岸基训练来说也比较适用。
该方案中，仿真训练系统通过训练网络直接与人机界面连接，与实船监控系统没有直接联系。
仿真系统与人机界面之间需要添加通信网关和相关软件，但对现有的监控系统不需要修改，可作为第三方系统独立进行开发。
