（控制理论与控制工程专业论文）海船船员轮机智能考试系统的研究与开发.pdf

中文摘要 摘要 大型轮机模拟器已经广泛地应用于教育培训、科学研究和工程设计的领域之 中，它在仿真功能以及可视化人机交互等方面都已经达到相当逼真的效果。目前， 轮机模拟器的应用主要分为两种情况：一是教育培训，它主要用来对学员操作和 故障诊断水平的评估；二是系统分析、性能预测和工程设计等，主要用来模拟设 计环境或船舶动力装置的优化设计和性能预测，并根据在轮机模拟器上的运行结 果来进行系统分析或工程设计鉴定。而对于船员培训来说，评估仿真环境中的操 纵者的操纵水平，正是教育培训最关心的内容。 在现有的轮机模拟器训练中，对船员操作的评估，一直以来都是以人为主的， 没有一个客观、统一的评估标准。教练员往往都是根据以往积累的经验来给出评 估成绩，评估结果的人为因素的影响，其客观、合理、有效性得不到保障。 本文以大型集装箱船舶动力装置为研究对象，完成了以下工作： 1 采用系统建模技术、计算机仿真技术和v c + + 程序开发语言，设计并开发出 一套基于p c 机的船员轮机智能考试系统的仿真平台，为学员的实际操作提供一个 可视化仿真平台。 2 鉴于现有仿真系统人为评估的弊端，在此平台的基础上，提出并实现了一 种用于轮机模拟器考试和智能评估的试题结构；提出并实现了一种操作评估模型 和通用推理机算法，使得该仿真平台能够根据学员的实际操作和试题评分标准， 自动的给出学员实际操作的成绩。 3 将仿真平台与智能评估模型有机的结合，开发出基于p c 机的海船轮机智能 考试系统，该系统用于单机板的轮机模拟器操作训练系统，也可作为全国船员轮 机智能考试系统的重要部分。 关键词：轮机模拟器；仿真平台；自动评估；考生系统；考试系统；建模和仿真 英文摘要 a b s t r a c t l a r g es c a l em a r i n ep o w e rp l a n ts i m u l a t o ri sw i d e l yu s e di nt h em a r i t i m ee d u c a t i o n t r a i n i n g ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n gd e s i g n i th a sr e a c h e dq u i t ear e a l i s t i ce f f e c t i ns i m u l a t i o na n dv i s u a l i z a t i o n a tt h ep r e s e n t , t h e r ea r et w oc o m m o na p p l i c a t i o n s a b o u tt h em a r i n ep o w e rp l a n ts i m u l a t o r o n ei st h ee d u c a t i o nt r a i n i n g ，w h e ni t sm a i n l y u s e df o re v a l u a t i n gt h el e v e lo fm a n e u v e r i n ga n df a u l td i a g n o s e sf o rc r e w a n o t h e ri s s y s t e ma n a l y s i s ，p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n ，e n g i n e e r i n gd e s i g na n ds oo n i nt h i sa s p e c t ， t h es i m u l a t o r sa r em a i n l yu s e dt os i m u l a t et h ed e s i g ne n v i r o n m e n to rt h ep e r f o r m a n c e p r e d i c t i o no fm a r i n ep o w e rp l a n t ，a n dm a k ea n a l y s i sa b o u tt h es y s t e mo ri d e n t i f yt h e e n g i n e e r i n gd e s i g n b u tw h e nr e l a t e dt oc r e wt r a i n i n g ，e v a l u a t i n gt h em a n e u v e r i n gl e v e l o fm a n i p u l a t o r si nt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti st h em o s t l yc o n c e m e df o re d u c a t i o n t r a i n i n g h o w e v e r ，i nt h ep r e s e n ts i m u l a t i o nt r a i n i n gf o rc r e w ，t h ee v a l u a t i n gi s p e o p l e - o r i e n t a t e da l lt h et i m e ，a n di t d o e s n th a v ea no b j e c t i v e ，u n i f o r me v a l u a t i o n c r i t e r i o n t h ec o a c h e su s u a l l ym a k et h ee v a l u a t i o ns c o r ea c c o r d i n gt ot h e i ro w n e x p e r i e n c e s ，s ot h eh u m a nf a c t o r s a r el a r g e i nt h ee v a l u a t i o nr e s u l t sa n dt h e o b j e c t i v e n e s s ，r e a s o n a b l e n e s sa n de f f e c t i v e n e s sc a n n o tb eg u a r a n t e e d t h i sp a p e r ，b a s e do nt h el a r g ec o n t a i n e rs h i pp o w e rp l a n t ，h a sc o m p l e t e dt h e f o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k ： 1 t h i sp a p e rd e s i g n e da n dd e v e l o p e dap cb a s e ds i m u l a t i o np l a t f o r mo ft h ec r e w m a r i n ei n t e l l i g e n te x a m i n a t i o ns y s t e m ，a n dp r o v i d e dav i s u a ls i m u l a t i o np l a t f o r mf o r t h es t u d e n t s a c t u a lo p e r a t i o n 2 i nv i e wo ft h es h o r t c o m i n g so fm a n - m a d ee v a l u a t i o ni nt h ee x i s t i n gs i m u l a t i o n s y s t e m ，t h i sp a p e r , b a s e do nt h i sp l a t f o r m ，p r e s e n t e da t e s ts t r u c t u r eu s e df o rt h em a r i n e p o w e rp l a n ts i m u l a t o ra n di n t e l l i g e n te v a l u a t i o nf o rt h ef i r s tt i m e ，a n dt h e na c h i e v e da l l e v a l u a t i o nm o d e lo fo p e r a t i o n a le x a m i n a t i o na n dag e n e r a li n f e r e n c ea l g o r i t h m t h i s s i m u l a t i o np l a t f o r mc a ng i v et h es c o r ea u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ea c t u a lo p e r a t i o n s o ft h es t u d e n t sa n dt h et e s tc r i t e r i o n 3 a ne f f e c t i v ec o m b i n a t i o no ft h es i m u l a t i o np l a t f o r ma n de v a l u a t i o ns y s t e mw a s m a d e ，a n dam a r i n ei n t e l l i g e n te x a m i n a t i o ns y s t e mb a s e do np cw a sd e v e l o p e d t h e s y s t e mc a l lb eu s e di nt h es i n g l eb o a r dt r a i n i n gs y s t e mo fm a r i n ep o w e rp l a n ts i m u l a t o r a n da l s oc o u l db ea ni m p o r t a n tp a r to ft h en a t i o n a lc r e we x a m i n a t i o ns y s t e m s k e yw o r d s ：m a r i n ep o w e r p l a n ts i m u l a t o r ；s i m u l a t i o np l a t f o r m ；a u t o m a t i c a l l y e v a l u a t i n g ；e x a m i n e es y s t e m ；e x a m i n a t i o ns y s t e m ；m o d e l i n ga n d s i m u l a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = 漫墼盟员丝扭智能耋达丕统鲍硒塞生珏蕉：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：缝逡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：獭苁导师签名 日期：d 寸f 。年月刁日 海船船员轮机智能考试系统的研究与开发 第1 章绪论 轮机模拟器是现代建模和仿真技术的产物，它利用计算机仿真技术模拟船舶 动力装置及其控制系统的特性，能够在各种工况和环境下进行操作训练，具有完 善的教育和培训功能。采用轮机模拟器对学员进行实际操作技术培训，具有效率 高、费用低、安全性好等优点，同时在系统分析、性能预测、工程设计等领域， 轮机模拟器也发挥了较大的作用。轮机模拟器不仅得到了国际航海界的普遍认 可，而且受到了国际海事组织高度重视。联合困国际海事组织( i m o ) 于1 9 9 5 年对 1 9 7 8 年海员培训、发证和值班标准国际公约( 简称s t c w 公约) 进行了修改， 并于1 9 9 7 年2 月1 日生效i l 2 1 。s t c w 7 8 9 5 公约的实施，在保证船舶航行安全、 人命财产安全和防止大气和海洋污染方面，在提高海员素质方面起到了积极的作 用。在仿真模拟系统应用方面，s t c w 7 8 9 5 较s t c w 7 8 公约增加了包括模拟器训 练等项目的多项强制性和非强制性的培训项目，提出了加强对海员的实际技能培 养和评估等规定。 随着现代航海事业的不断发展、船舶亦向多样化、大型化、智能化方向发展， 尽管现代化船舶都装备了各种先进的通信设备，定位导航设备以及自动驾驶仪 等，但是触目惊心的海上事故仍然层出不穷，除了造成巨大的经济损失之外，失 事船舶所载货物给附近海域造成的污染及生态破坏也是灾难性的，甚至是不可弥 补的。i m o 的研究报告表明，水上交通事故中的8 0 与人为因素有关，因此，如 何最大程度的减少人为失误，培养出能胜任现代高新科技航海人员成为航运界和 航海院校所普遍关心的问题。让航海人员通过在航海院校接受理论教育，通过海 上航行掌握航行技能同然是培养能胜任现代航海的必不可少的途径。但是这种途 径不仅周期长，同时费用也相当的昂贵，利用轮机模拟器操作训练来培养航海人 员的操作和技术技能已经成为航海类院校的一个重要手段之一【3 j 。模拟器在各大 航海类院校以及培t j l i j l 构的普及，给船员的培训带来了很大的方便，这种途径不 仅经济、周期短，而且训练效果也相当的不错，失事也不会对环境造成破坏。基 于以上优点，航海模拟器越来越受到世界航运界的青睐、关注和重视。 绪论 目前，轮机模拟器较为普遍的两种应用情况：一是教育培训，它主要用来训 练学员的船舶操纵水平；二是系统分析、性能预测、工程设计等，主要用来模拟 设计环境或船舶动力装置的性能预测，并根据在轮机模拟器上的运行结果来进行 系统分析或工程设计鉴定。而对于船员培训来说，船员操纵水平的评估是教育培 训最关心的内容。但目前的轮机仿真训练的评估以人工为主，人为因素比较大， 没有一个客观、统一的评估标准，因此，若轮机模拟器能根据一定的推理机和原 则自动对操纵者的操纵水平进行评估，这对模拟器的使用无疑是很有意义的。 1 1 轮机模拟器以及模拟器的发展及现状 随着我国加入世界贸易组织步伐的不断加快，船舶交通运输行业也进入了必 须与国际接轨的时期。我围是世界海事组织( i m o ) 常任a 类理事国之一，并且已 加入了i m 0 的“s t c w 7 8 9 5 ”公约( 即1 9 7 8 年海员培训、发证和值班标准国际公 约( 1 9 9 5 年修正) ) 。为确保我国航运界全面地履行s t c w 7 8 9 5 公约，交通运输 部在履行公约方面做了很多的工作。国家海事局明确规定，海事院校等有关部门 的水上类专业的教学与船员培训必须按公约的要求进行。明确提出了将模拟器列 入正式的评估项目，即把航海院校及培训中心是否具有轮机模拟器作为评价院校 及培训中心办学能力的重要条件之一。 轮机模拟器是现代化航海教育的重要设备4 1 4 2 1 。通过在轮机模拟器上的实际 操作，可使学员熟悉船舶机电设备的组成、机舱自动化系统的功能，掌握机舱各 个系统的使用管理、操作、故障分析与判断等方面的知识和经验。因此，轮机模 拟器对于提高船员的管理素质，避免和减少海难事故发生，保证船舶安全、高效、 节能和环保具有重要的现实意义。 1 1 1 轮机模拟器的用途 ( 1 ) 培训船员：学员在轮机模拟器上进行操作，可是学员熟悉船舶上的各种 设备，提高船员的实际操作水平，缩短船员的培训周期； ( 2 ) 避免了对海洋的污染：学员在轮机模拟器上进行训练，即使在训练中出 现了事故，也不会对海洋造成污染。 ( 3 ) 节能：轮机模拟器一般是基于p c 的，这样就减少了不必要的能源的浪费， 真正意义上实现了环保和节能。 海船船员轮机钾能考试系统的研究与开发 ( 4 ) 性能预测和分析：轮机模拟器建有大量的船舶推进和辅助系统的仿真模 型，可以根据需要，在特殊工况下，对船舶推进及其辅助系统的性能进行预测和 分析，得出有用的结论，为轮机管理提供强有力的技术支撑。 1 1 2 国内外轮机模拟器的发展现状 国内外对轮机模拟器的研制，主要以满足s t c w7 8 9 5 公约对轮机模拟器的 一般性能标准作为目标。目前，该标准已经上升到了一个新的水平，代之以船型 求新、数据求精、功能求全、感觉求真的高层次目标。 ( 1 ) 国外轮机模拟器研究历史与现状 国外模拟器研究始于2 0 世纪6 0 年代。本世纪七十年代以来，挪威的k m s s 公司、英国船商公司( t r a n s a s ) 、德国西门子公司( s i e m e n s ) 、波兰g o l y n i a 航海 学院、日本三菱公司( m i t s u b i s h i ) 、美国a v a t o r 技术公司等著名大公司和院校 均开始研制和生产轮机模拟器【1 1 m 】。 其中比较著名的轮机模拟器研发产品有挪威的k m s s 公司最新的模拟器产品 是p p t 2 0 0 0 系列，英国的t r a n s a s 公司的产品有e r s 三个系列；德国的s t n 8 4 公司的产品是s e s 4 0 0 0 系列。 国外轮机模拟器的最大特点是可以选择不同机型、不同的推进器，软件和硬 件运行可靠，但缺点是推进控制系统、主机操纵系统、分油机系统的仿真模型过 于简化，不利于高层次的模拟器操作训练，并且模拟器价格比较昂贵。 ( 2 ) 国内轮机模拟器的发展现状 我国轮机模拟器的研制起步比较晚，但是研究起点高，发展很快。具有代表 性的轮机模拟器研制单位有大连海事大学、上海海事大学和武汉理工大学。1 9 9 4 年1 1 月，武汉理工大学研制出国产第一台全任务式轮机仿真模拟器“w m s 一型 轮机仿真模拟器”；上海海事大学也于1 9 9 8 年研制成功以大型集装箱船舶为对 象的轮机仿真模拟器；9 0 年代末大连海事大学开始启动新一代轮机模拟器研制 项目，现已完成并投入使用。此外，上海宏皓科技有限公司、上海船舶科学研究 所、上海船舶科学设计院等均在从事船舶轮机系统的建模和数字仿真工作。 大连海事大学2 0 0 0 年- - 2 0 0 4 年为青岛远洋学院研制完成的大型轮机模拟 器。它选用5 4 4 6t e u 集装箱船作为母型船，建立了包括柴油主推进装置及其控 绪论 制系统在内的1 4 个系统的仿真数学模型，该大型模拟器2 0 0 5 年通过交通部科技 成果鉴定。鉴定委员会认为本轮机模拟器总体达到国际先进水平，在实现全功能 仿真方面处于国际领先水平。 2 0 0 4 年以后又分别为山东交通学院海运学院和中远集团出口巴拿马而研发 的大型轮机模拟器。这两台模拟器于2 0 0 6 年1 0 月完成，出口轮机模拟器于2 0 0 6 年1 2 月在巴拿马举行了盛大的竣工和交付使用仪式，山东交通学院海运学院轮 机模拟器顺利通过l u 东海事局的项目验收。 上述大型集装箱船舶轮机模拟器是目前国内系统规模最大，功能完善，选用 船型、机型先进的大型集装箱船轮机模拟器。在故障设置数，轮机训练内容和三 维可视化交互仿真，应用虚拟现实高新技术等方面性能超过国外产品。对于推广 具有我国自主知识产权、采用高新技术大型船舶轮机模拟器起到了积极的促进作 用。 国内轮机模拟器与国外同类模拟器相比，主机遥控等局部系统比较全面，有 利于深层次的模拟器操作。此外，国外模拟器的价格相对昂贵。 1 。2 轮机评估研究状况与课题的提出 1 2 1 国内模拟器评估的研究与发展现状 国外对航海领域的计算机仿真研究始于2 0 世纪6 0 年代，国内则起步较晚【1 3 l 。 早在轮机模拟器之前，飞行模拟器就已经开始了发展，飞行模拟器的历史几乎和 飞机一样长【4 j 。然而，尽管模拟器的发展已经有相当长的历史了，但是国内外在 模拟器评估方面的研究却相对比较晚。在轮机模拟器评估方面的研究，目前还比 较少，而且进行的研究也仅仅是浅层次的研究【5 】。 挪威的k m s s 公司生产的p p t 2 0 0 0 系列轮机模拟器开发出了一种有效的轮机 模拟器教练员系统，该系统提供了一套实际操作练习方案，教练员可以很方便的 设置和保存机舱设备的各种工作状态，在下次操作时可以进入不同的仿真环境； 同时教练员还可以设定各种工作故障，系统能够依据教练员编辑好的考核模式进 行自动评分，从而从不同方面评估学员的知识和技能水平，减少了人为评估的主 观性6 。9 l 。但是该系统也有不足，该仿真系统的母型船船型偏旧，一些仿真系统 如主机遥控，巡航报警等部分子系统有些已经过时，不符合当今标准。同时模拟 海船船员轮机智能考试系统的研究与开发 器的评分系统需要教练员来编辑考核模式，没有通用性，而且编辑考试模式的过 程比较繁琐。 上海海事大学研制的s m s c 2 0 0 6 型轮机模拟器包括仿真机舱、仿真集控室、 仿真驾驶室、网络培训室、仿真训练舱室。它的主体部分f p p 模拟器，可分解 成主机、辅机、电站、报警监测、教练员台等独立工作站，这些独立的工作站又 能通过网络集成一体。当模拟器发生操作故障时，通过多媒体技术发出声音和 显示图像，给学员以亲临实船的感觉。该系统选用了大量与实船相似的操作台、 控制箱和半实物仿真，便于学员获得不同船型的基本知识、提高适任不同船型的 操作和管理能力；同时该系统增添了视频监视和网络实时监控，专门开发了培训 管理的在线交互、手动自动组卷、试卷分发、实操答题、自动评分及成绩查询 等多种功能的管理软件。该软件实现了对实操答题的自动评分，但还没有实现对 实际模拟操作过程的评估。 由此可以看出，当前轮机模拟器评估系统的开发还处于起步阶段，在轮机模 拟器评估方面，国内外还没有丌发出一个很好的算法和系统。因此当前的轮机模 拟器评估还是以人为主，人为冈素比较大，受现场环境，教练员状态影响比较大， 对学员的评估也不能完全做到客观、合理、有效。 1 2 2 课题的提出以及研究内容 从国内外的轮机模拟器及其评估的发展状况来看，目前的轮机模拟器和评 估存在以下的弊端： 1 仿真系统分散，并且是基于多p c 的，没有实现仿真系统的高度集成，并 且有的仿真系统出现了老化现象，不能跟上新的发展趋势。 2 操作评估都是以人为主，人为凶素较大，很难做到评估的客观、合理。 3 没有一个合理，规范的评估规则，使得评估过程无法按照一个有效的标 准进行。 因此，本课题依托于中国海事局海船船员智能考试系统( 轮机) 研发的项目， 并且实验室现有的轮机模拟器提供的实验数据，研究并开发出了轮机智能考试系 统。该系统实现了一种基于单p c 机的船舶动力装置系统的仿真平台，该平台包 括a l p h a 气缸滑油系统、污水污油系统、压缩空气系统等1 2 个子系统，该系统 绪论 为考生提供与实船一样的操作环境；并且实现了一种正确的操作考试评估模型和 通用推理机算法，能够自动，正确的为考生的实操评估，实现了评估过程的无人 化，该系统可作为全国船员考试系统的重要部分。 海船船员轮机智能考试系统的研究与开发 第2 章轮机智能考试系统的总体设计 智能考试系统足满足国际海事组织( i m o ) “海员培训、发证及值班标准国际 公约 s t c w ( 7 8 9 5 ) ”要求，满足我困海事局“海船船员适任证书考试、评估和 发证规则”、“轮机模拟器训练评估规范 要求，满足我国船舶轮机专业轮机管 理人员专业培训、知识更新及轮机技能训练等要求的综合考试系统【1 4 彤】。 智能考试系统将打破传统的难以实现实船操作考试的束缚，应试者可在各种 软件系统的三维或者二维可视化界面上进行与实船功能相同的仿真操作，并将操 作过程和结果进行自动记录和自动评分，实现真正意义上的集理论、实践为一体 的考试模式。 智能考试系统是实船和实验室设备的实物操作考试的发展和升级，可以节省 大量的设备、能源和管理等费用，具有一定的社会环保和经济意义。 智能考试系统极大地加深和丰富了实操考试内容，对船员的培训提出了更高 的要求，注重船员实际操作、分析问题和解决问题能力的培养，对船员的实操技 能会有更大提高和进步；智能考试系统的研制将在考试内容、合理评估、适时创 新等方面更好地满足i m o 和国家海事局的各项要求，同时智能考试系统将促进培 训和考试机构体制的改革，节省物力和人力，实现无纸化考试，完成出题、评分 和入档自动化。 智能考试系统轮机部分主要包括软件和硬件系统两部分。硬件系统包括服务 器终端和远程工作站终端两部分；软件系统包括远程网络通讯平台软件系统、题 库数据库和管理软件系统、仿真软件子系统。 2 1 硬件系统 2 1 1 服务器端 服务器终端智能考试硬件系统如图2 1 所示，从图中可以看出，服务器主要 通过专线网与远程工作站进行数据通讯；仿真系统计算机运行机舱动力系统的仿 真计算和显示，并通过投影机显示在大屏幕上；数据库和题库管理系统负责自动 出题和题库管理；评估系统根据远程工作站考试的数据和仿真系统的运行数据， 给出考试成绩；船员数据库管理系统完成船员资料的登录和成绩统计等工作。 轮机智能考试系统的总体设计 数据库和题库评估系统船员数据库和管 管理系统理系统 t c p i p 图2 1服务器终端海船船员智能考试系统硬件组成 f i g 2 1t h eh a r d w a r ec o m p o n e n t so fi n t e l l i g e n te x a m i n a t i o ns y s t e mf o rs e a f a r e r so n t h e t e r m i n a ls e r v e r 2 1 2 远程工作站终端 远程工作站终端智能考试硬件系统如图2 2 所示，服务器计算机负责网络通 讯和考试管理，协调每台考试计算机与远程服务器之间的数据通讯；每台考试计 算机安装一套智能考试软件系统，该系统包含动力装置仿真系统，考生可看到动 力装置系统的可视化界面，以方便操作和应急处理。 智畿者试软件1 智能考试软件2 智能考试软件3 t c p i p 图2 1 远科1 ：作站终端海船船员智能考试系统硬件组成 f i g 2 1t h eh a r d w a r ec o m p o n e n t so fi n t e l l i g e n te x a m i n a t i o ns y s t e mf o rs e a f a r e r si nt h er e m o t e w o r ks t a t i o n 海船船员轮机智能考试系统的研究与开发 2 2 软件系统 2 2 1 远程网络通信平台软件系统 在服务器和远程工作站的专线网之间，建立并实现一点对多点的专用网络通 讯平台系统，并且该系统的数据通讯量和实时性应满足智能考试系统的要求。 2 2 2 试题数据库和管理软件系统 题库数据库：考试试题库( 包括理论、操作、故障判断、应急处理) 、评估 内容和评估标准数据库( 评估规则) ； 题库管理系统：自动出题、成绩录入、打印等。 2 2 3 仿真平台子系统组成 该仿真平台主要包括中央冷却水系统，机舱污水污油系统，压缩空气系统， a l p h a 气缸润滑系统，主控台，主机，智能评估等1 2 个子系统。 2 2 4 评估软件系统 该系统主要由考试评估的规则库和推理机组成，根据试题的内容和标准进行 自动评估，并给出考试成绩，同时可以打印出考生的所有操作记录。 在该系统中，我们的主要任务是考试系统的仿真平台和智能评估的设计实 现，而通信平台等其它部分是由北京海事局等相关部门负责。因此，在下面的篇 幅中，将重点论述仿真平台和评估的设计实现。 轮机智能考试系统仿真平台子系统建模 第3 章轮机智能考试系统仿真平台子系统建模 智能考试系统是建立在船舶机舱各系统的仿真数学模型基础上，通过v c 什 完成智能考试系统的软件设计和编程，其数学模型包括以下几部分： ( 1 ) 中央冷却水系统( 海水，低温淡水，高温淡水，冷却水温度调节器，造 水机，离心泵等) 数学模型： ( 2 ) 压缩空气系统( 空气压缩机，气瓶等) 数学模型； ( 3 ) 污水污油系统( 污水处理器，污水处理控制装置，焚烧炉，污水泵，污油泵 等防污染设备) 数学模型； ( 4 ) 燃油系统( 包括齿轮泵、油舱、柜、燃油加热器等) 数学模型； ( 5 ) 润滑油系统( 主机滑油，副机滑油，气缸油，滑油温度调节器，滑油泵 等) 数学模型； ( 6 ) 蒸汽系统( 主要包括辅助锅炉，废气锅炉) 数学模型； ( 7 ) 机舱污水污油系统( 污水处理器，污水处理控制装置，焚烧炉，污水泵， 污油泵等防污染设备) 数学模型： ( 8 ) 分油机系统( 滑油、燃油分油机、e p c4 0 0 控制装置) 数学模型； ( 9 ) 报警监控系统数学模型； o o ) 电站系统的数学模型。 下面将分别对部分的数学建模进行介绍： 3 1 压缩空气系统数学模型 压缩空气系统主要由空压机，气瓶和各种阀等组成，因此压缩空气系统主要 涉及到气瓶，空压机的数学模型。压缩空气系统的数学模型涉及到热力、气体的 计算等，其模型由理想气体状态方程，质量守恒方程以及一些经验公式和数据获 得。 3 1 1 气瓶的数学建模 气瓶上的安全阀的控制方式为：安全阀有一个恒定的开启压力，当气瓶内的 空气压力小于开启压力时，则气瓶上的安全阀的状态为关闭；当气瓶内的空气压 海船船员轮机智能考试系统的研究与开发 力大于开启压力时，则气瓶的安全阀的状态为打开，同时往外排气来降低气瓶内 的压力，当气瓶内的压力降低至等于或低于开启压力时，安全阀自动关闭。 空气瓶内的空气质量由进气口的进气量和出气v i 的出气量综合决定，设气瓶 进气口的进气量为q f 玎，气瓶到主机的出气量为q ，俐，气瓶本身释放残留气体的 出气量为q 删，气瓶到控制系统的流量为9 洲，则气瓶内的空气质量的计算公 式为： m 一= m 一一1 + a t ( q 胁一q l 删一q 2 删一q 3 。，) ( 3 1 ) 式中m 栉为当前采样时刻的空气质量，m 纠为上一采样时刻空气质量，丁为 采样时间。 由克拉伯龙方程可知气瓶内的空气压力为： p = 等 ( 3 2 ) 式中，p 气瓶内的空气压力，矿为气瓶的体积， m 为空气瓶内的空气质量，r 为空气的气体常数。 气瓶内的析水流量计算公式为： g 叫j 2 一d 1i 9 丁为气瓶内气体的绝对温度， ( 3 3 ) 式中q 为气瓶内的析水流量，q 伽为进气口的空气流量，西为气瓶内原有空 气的含湿量，西为进气口空气的含湿量。 则气瓶内含水量的计算公式为： m n = m n 一1 + ( g m o u t ) 丁( 3 4 ) 式中m ，为当前采样时刻的含水量，m 加，为上一采样时刻的含水量，g 为上面 计算的析水流量，m o 埘为放残流量，r 为采样时间。 3 1 2 空压机的数学建模 本系统是以活塞式空压机为原型建立的数学模型，该空压机的工作模式为两 级作用模式，下面以第一级为例来介绍空压机的建模。 轮机智能考试系统仿真平台子系统建模 空压机的理论容积流量由气缸直径、活塞行程、缸数和转速等综合决定，因 此活塞式空压机的理论容积流量方程为： 协：桕2 s z n 2 4 0( 3 5 ) 式中，m 为理论容积流量，d 为气缸直径，s 为活塞行程，z 为缸数，丹为转 速。 但是在实际情况下，由于余隙容积、吸气阻力、吸气预热和泄露的等一些外 部因素的影响，压缩机的实际容积流量协要比理论容积流量协要小，两者的比值 由九来表示： 九= ( 3 6 ) 式中，九表示比值系数，其中九= k 木k 幸k 掌沁，k 表示溶剂系数，如表示 压力系数，k 表示温度系数，九，变化气密系数。 由上面的分析可知，压缩机的实际容积流量模型为： 协：九兀d 2 s z n 2 4 0 ( 3 7 ) 根据空气在气缸内的状态，可得出在气缸内的析水流量，该建模过程在上面 的气瓶建模过程中也得以实现。 由克拉珀龙方程，可推导出第一级气缸压缩后的出口的气体温度为： 玎一l 丁l ：to ( 旦) 了( 3 8 ) p 0 式中，丁，为第一级气缸的排气温度，丁。为第一级气缸的吸气温度，n 为多 变指数，p l 为第一级气缸的排气压力，印为第一级气缸的进气压力。 第一级气缸的出口空气流量为： 踟= w - - q ( 3 9 ) 式中，g 为气缸析水流量。 第一级气缸的排气压力由经验公式可知为： p l = - - p o * 3 0 ( 3 1 0 ) 癣船船轮机什能芎试系统的q f 究，歼拉 式t ，琊为l l 、缩机殴八牛气压力。 第一级t 缸的建模过程和第绒气缸相似，这罩小再祟述。 32 污水污油系统数学模型 船舶污水污油处理系统i - 耍山油水分离器，油浓度检测仪，焚烧炉，污水柜， 污水井等组成叫i 。 油水分离器主婴x , j 自l 舱符系统产生的油水混合物进行分离处理；油浓度检测 仪对油水分离器分离 b 米的 _ 水进行含油浓度监测，防j 1 含油浓度过高的水分排 ：焚烧炉对麒 l 的此牛活垃圾进 ，焚烧：污水柜用 对分离出米的含油浓度 过高的水进行i e jj 收年n ：次分离。 3 21 油水分离器的数学建模 本系统采川的足直流式 l l | 水分离器，如同3l 所示： 倒_ l “l 式油水分离器 i ：i g 3 t h e d c t y p e w a t e r o i ls e p a r a t o r 工作原理：有机汕脂的密度小j 水，所以油脂能够漂浮在水面卜。肖贪有存 机油脂的污水从进口进入油水分离器后由于密度差的原剧，粗大的汕滴上浮至 油水分离器的项层，含有小赖粒的油污水进入缄分离器进行二次分离。当顶层 的油秘壤到定的厚度时，油似传堪 _ j 发出控制信号，一级分离装置l l l 的排油阔 打开，将油排到污汕柜：，级分离装博一i ；装有排油阀，当油层达到一定的厚度， 可手动扣开排油阀将油层排到污油机。分离m 来的污水在排出的过程中，由油浓 轮机智能考试系统仿真平台子系统建模 度检测仪检测水中含油浓度，当含油浓度小于1 5 p p m 时，排除机舱，当大于 1 5 p p m 时，将污水返网污水柜进行二次分离。 有机油脂和水的分离，是有机油脂的重力、浮力和摩擦力三者作用的结果。 设在污水中有一颗颗粒比较大的油滴，则油滴的重力凡由油滴的直径和密度决 定： fc s = 4 册3 p og 3 ( 3 11 ) 油滴的浮力而由油滴在污水中排开的同等体积的水决定： f a = 4 n r3 plg 3 ( 3 1 2 ) 由于油脂的密度小于污水的密度，所以油滴的浮力大于重力，在水中油滴会 上浮。 同时在上升的过程中，油滴会受到摩擦力，摩擦力n 由油滴的上浮速度和 直径以及水的黏度决定。 fr = 6 硼n ， ( 3 1 3 ) 由上面的公式可求得油滴的上浮速度v ： v = g ( p l - p o ) d2 1 8 r i ( 3 1 4 ) 上面公式中，v 为颗粒在垂直方向上的上浮速度，g 为重力加速度，p - 为常 温下水的密度，夕。为常温下油脂的密度，d 为油脂颗粒的直径，刁为常温下水 的绝对黏度。 3 2 2 油浓度检测仪模型 油浓度检测仪的工作原理：测量时，检测仪上的三通电磁阀启动，电磁阀发 射的红外光线通过污水，红外光线被污水中的油微粒折射，同时触发电磁三通阀 和报警器。当排放水样超过排放标准时，1 5 p p m 报警器报警，同时自动打开三通 阀旁通回流管路，切断污水外排的排放管路，将超标污水排放至污水柜进行二次 分离；当排放水样低于排放标准时，打丌污水外排的排放管路，将水排出机舱。 海船船员轮机钾能考试系统的研究与开发 3 2 3 污水柜和污水井的数学建模 污水井将机舱中产生的污水集中起来进行预处理，污水中大量的杂质在污水 井中沉淀除去，预处理过的污水通过污水泵驳运到油水分离器中进行油水分离。 污水柜用于对不符合排放标准的水回收，从而进行二次分离【1 8 棚】。 污水井和污水柜的模型可统一为水箱模型。 本文采用瞬时法来计算水箱中液体的体积，即： = “一l + a t q r ( 3 1 5 ) 其中，儿为当前时刻的液体体积，阮一i 为上一时刻的液体体积，丁为采样 时间，g f 为流进( 出) 水箱的流量，流进为j 下，流出为负。 当知道液体的体积后，就可也由液体的体积和水箱的横截面积求出液位的高 度，如果水箱为规则形状，可有下面的公式求出高度： h = v 。s( 3 1 6 ) 式中s 为规则水箱横截而积。 如果水箱的形状不规则，可以把液体的体积和高度分段线性化，然后根据液 体的实际体积在不同的线性段内根据式( 3 1 6 ) 求出液体的高度。 水箱的进出e 1 压力可根据进出口的相对液体高度来计算得出： p=pg h ( 3 1 7 ) 式中，p 为液体密度，g 为重力加速度，h 为相对高度。 水箱内的液体的温度的模型为： 。+ 紫 式中，r 为水箱出口液体的温度，t o 为水箱内液体的初始温度，q ，为第i 路 流入水箱的液体流量，t t 为第，路流入水箱的液体温度。 轮机钾能考试系统仿真平台子系统建模 3 3 中央冷却水系统数学模型 主机中央冷却水系统的基本特点是使用不同工作温度的两个单独的淡水冷 却水系统：高温的热淡水( 约8 0 。c - - 8 5 。c ) 和低温的温淡水( 约3 0 一4 0 ) 闭式系统。前者用于冷却丰机，后者用于冷却热淡水和各种冷却器。受热后的温 淡水在一个中央冷却器中由开式的海水系统进行冷却。本系统中为了建模的方 便，对该系统进行了适当的简化，我们近似的认为循环系统中的流体的总流量不 变，管道的散热和水力作用忽略不计，只保留了一些主要的换热设备的作用【4 4 5 3 】。 3 3 1 三通阀混流的数学建模 三通阀的主要作用足用于流体的混合，其数学模型可通过以下部分进行描 述。 假设m 为混合后出口的流量，为出口流体的温度，m l 为进口1 的液体流量， t t 为进口1 液体的温度，m 2 为进口2 的液体流量，t 2 为进口2 液体温度，x 为三 通阀的开度。 则 m 。= x m( 3 1 9 ) m 2 = ( 1 一x ) m ( 3 2 0 ) 聊f - m 1 1 t + 脚2 r 2 ( 3 2 1 ) 3 3 2 换热器的数学建模 在换热器的建模过程中，采用的是传热单元数法f 3 4 。35 1 。传热单元数n t u 是 小热容量流体的温度和温度变化与平均温差的比值，其模型可由经验公式得到： 丁u ：l ( 3 2 2 ) ( 聊o ) r a i n 式( 3 2 2 ) 中，k 表示平均传热系数，彳为换热器的总传热面积，g 为流体 的定压比热，m 表示冷流体的流量。 在实际中，换热器的传热效率由传热单元数、冷热流体热容量之比和流体的 流动方共同决定的。传热效率的定义为实际传热速率与理论上可能最大的传热速 率之比，然而在实际中，只有热容量较小的流体，其温度才可能发生最大的变化， 海船船员轮机智能考试系统的研究与开发 因此最大可能的传热速率应为冷热流体之间的最大极限传热温差乘以热容量较 小的流体的热容量1 6 7 1 。由经验公式可知传热效率占的模型为： 1 一e x p k l c 肋) 丁明 1 一c e x p h l c r h ) n t u 式中，占为传热效率，c 胎为冷热流体的热容量的比值。 实际中换热器的传热量为： ( 3 2 3 ) q = 似c m i n ( t h 一纠 ( 3 2 4 ) 式中，q 为传热量，t h 为热流体的温度，f 为冷流体的温度，占为传热效率。 热流体的出口温度为： t h2 = t hi q m | i ，cp h ( 3 2 5 ) 冷流体的出口温度为： t c2 = f c i + q mc c ( 3 2 6 ) 式( 3 2 5 ) ，( 3 2 6 ) 中，“2 ，如2 分别为热冷流体的出口温度，t m ，如1 分别为 热冷流体的进口温度，m c p h 为热流体的热容量，聊。c k 为冷流体的热容量。 3 4 其他系统数学模型 本仿真平台还包括滑油系统数学模型、蒸汽系统数学模型、分油机系统数学 模型、电站数学模型等模型，这些模型的建模方法与上述基本相同，由于篇幅原 因，这里不再累述。 基丁p c 机的仿真平台的设计实现 第4 章基于p c 机的仿真平台的设计实现 为了满足轮机高级管理人员培训和研究的需要【4 l 】，并解决目前轮机模拟器的 分散、老化现象，本课题的一个重要工作就是开发出基于单p c 机的轮机模拟器仿 真平台，并且该平台能够为考生提供和实船上相同的操作环境。 本文利用模块化思想，将整个仿真平台分解成不同功能的子系统，建立了中 央冷却水系统，压缩空气系统，a l p h a 气缸滑油系统，污水污油系统，主控台， 智能评估等子系统，并且为每个子系统建立了准确的数学模型。图4 1 是仿真平 台的组成框架。 卞框架 弋夕 o n ti m e r 函数 d j r 亨 央 爪 燃水 冷 纤占油