1、2H-4000 轮机仿真训练器数据通讯方案设计摘 要：针对 2H-4000 轮机仿真训练器的通讯量大、高可靠性的要求，设计了如下的数据通讯方案：软件模型采用分布式运算架构，用通讯代理实现数据在共享内存中的通讯；采用 USB2.0 技术实现盘台数据与计算机之间的通讯。实际运行效果显示，数据通讯方案实现了 2H-4000 轮机仿真训练器的可靠性、易维护性、可扩展性和数据通讯的快速性。关健词：轮机仿真训练器；数据通讯；USB2.0 技术；分布式运算；通讯代理中图分类号：TK223.5 文献标志码：AThe Data Communication of 2H-4000 Marine Simulator
2、Abstract: To satisfy the communication requirements of 2H-4000 Marine Simulator, the following data communication program has been designed: the distributed computing software model, has been on communication by delegate through the shared memory; the communication between hardware and PC has been a
3、chieved by USB2.0 communication agreement. The running results show that reliability, maintainability, scalability，data communication rapidity has been achieved by the communication program.Keywords: Marine Simulator; Data Communication；USB 2.0; Distributed Computing; Delegate0 引言在轮机管理人员适任能力培训中，轮机仿真
4、训练器以其培训的经济性、安全性、高效性得到了越来越广泛的应用。STCW 78/95 公约要求轮机仿真训练器必须具有足够的仿真环境，使受训者能够获得并表现出培训目标所要求的技能。该公约同时还规定轮机模拟器要能够模拟船上有关设备的操作，达到规定培训目标的实际水平，并包括这种设备的性能、局限性和可能产生的误差 1。目前，国内外已有多家公司和科研机构研究和开发了轮机仿真训练器，较有代表性的有：国外主要包括挪威 N0RCON 公司、英国 Transas 公司，国内主要有武汉理工大学（WMS-2000 型，充分体现 STCW 公约要求的功能，具有很强的实用性、实时性和以及较高仿真精度） 2、上海海事大学（
5、SMSC2000 型，首次应用了基于人工智能的神经网络故障诊断技术，起点高，功能强大，技术先进，可靠性和稳定性好） 3和大连海事大学（DMS-2000 型，采用 VR 技术 4，成本较高） 。作为培养符合 STCW 78/95 公约的国际型高技能轮机管理人才的高职院校，我院（南通航运职业技术学院，下同）在上世纪末同上海宏皓公司合作，以“边研发、边使用、边更新改造”的思路开展 2H-4000 轮机仿真训练器的研发工作。2H-4000 轮机仿真训练器以上海远洋公司第五代全集装箱船“鲁河”轮为母型船，在设计时突出“真”字，从盘台设备、操作过程、控制原理、模拟仿真界面等均与实船一样。硬件上采取盘台界面
6、按照船舶实际结构布置，软件模型数据通讯采用计算机软件进行分布式架构的全仿真实现，盘台设备与软件模型系统间的数据通讯采用总线型架构、USB2.0 技术。本项目经过几年持续发展，首先完成了船舶电站模拟器的研发工作，并在此基础上先后研发了主机遥控模拟器、机电控制箱仿真系统、机舱集中监视报警仿真系统以及大型示教板，并不断进行技术更新以保证技术先进性和教学功能要求。在研发过程中，主要考虑了以下两个因素：（1）轮机模拟器操作是海事局的评估项目，所以轮机模拟器研发成功后需要满足轮机专业学生教学、实操培训、评估考核等要求，使用频率很高且培训项目众多，对其运行的可靠性、易维护性、可扩展性提出很高的要求。 （2）
7、轮机仿真训练器中包括近百个数学模型、逻辑控制模型和上千个点的硬件控制/显示，计算机仿真运行数据通讯的快速性保证是另一个问题。本文将介绍本仿真训练器的各部分组成特点，并针对以上问题提出了切实可行的技术方案。实际运行效果显示，本系统所采用的技术方案完全满足所提出的要求，大大提高了轮机仿真训练器的可靠性、实时性、可维护性，也满足了数据通讯快速性要求，为轮机仿真训练器的研发提供了新的研发思路和技术方案。1 2H-4000 仿真训练器的系统组成本仿真训练系统主要由盘台设备、软件模型、数据通讯三个部分组成。其中盘台设备部分包括：电站（发电屏、配电屏、应急发电屏） ，示教板，机电控制箱（机舱设备控制箱，如主
8、海水控制箱、辅锅炉控制箱、压缩空气控制箱等） ，集控台（ AC-4 主机遥控控制面板、SSU 安全保护控制面板、DGU 电子调速系统控制面板、ETU 机舱监测报警控制面板） ，驾驶台，机旁操作台；软件部分包括五个分系统模型模块构成，即：主机模型，机电控制箱模型，辅机及管路模型，监测报警系统，电站系统。数据通讯部分主要是两种方法：计算机仿真模型采用分布式运算架构，基于 TCP/IP 协议用通讯代理实现数据在共享内存的通讯，实现软件模型数据通讯的快速性；对于硬件盘台数据采集系统，采用 485 总线结构采集数据，再通过 USB2.0 通讯接口实现盘台设备与计算机模型之间的通讯，实现轮机仿真训练器的可
9、维护性与可扩展性。其数据通讯系统组成框图如图 1 所示。图 1 数据通讯系统组成框图2 分布式运算架构下的通信代理技术2H-4000 轮机仿真训练器的计算机系统采用最新的分布式运算架构。所谓分布式计算就是在两个或多个软件互相共享信息，这些软件既可以在同一台计算机上运行，也可以在通过网络连接起来的多台计算机上运行 5。2H-4000 轮机仿真训练器中包括多个管路系统和主机遥控系统，细分为近百个数学模型和逻辑模型；同时涉及到上千个点的硬件控制/显示。所有这些工作如果集中在一起来实现，会因为大量的模型计算导致系统资源的极度消耗。因此，合理地将模型计算分布到各计算机中，将大大降低单台计算机的资源，保证
10、仿真系统的实时性。在这种架构下，系统的模型分布在各模块中，每个模块单独进行运算，并将计算结果通过网络发送给其他模块。这种架构的特点是各模块相对独立，模块之间通过网络通讯传递数据。这种松散的藕合结构使得系统调试更为方便，即在其他模块不工作的情况下，可以进行单模块调试，所有的模块集中到一个局域网内，又可以进行系统联调，这也体现了仿真系统的灵活性、可扩展性和可维护性（如进行电站培训评估时，可将其他盘台设备及软件模型隔离不用，仅用计算机 1 中的 PowerStation.exe 模块以及电站盘台设备即可） 。模块间的数据交换都是通过通信代理间接进行的。通信代理和应用程序之间通过一块共享内存区域来进行
11、数据交换。应用程序要发送数据时，将数据写入共享内存，由通信代理从共享内存中读取数据，通过 TCP/IP 协议发送出去。通信代理接收到数据后，将数据写入共享内存中，由应用程序主动从共享内存中读取接收到的数据。应用程序要发送数据时，将数据写入共享内存，由通信代理从共享内存中读取数据，通过 TCP/IP 协议发送出去。通信代理接收到数据后，将数据写入共享内存中，由应用程序主动从共享内存中读取接收到的数据。其原理图如 2 所示。图 2 通信代理工作原理图在研发了 2H-4000 轮机仿真训练器的基础上，利用分布式运算架构的特有性能又研发了单机版桌面系统。当软件系统不连接硬件盘台设备时，一台计算机的运算
12、资源可以保证软件仿真系统的快速运行。单机版桌面系统就是通过完整的软件面板模拟，使得整个系统在脱离硬件盘台设备的情况下，在一台 PC 机上对软件模型中的轮机设备进行操作，可实现全部操作培训功能并允许学员对单个系统的重点培训。单机版桌面系统的数据通讯如图 3所示。3 子系统数学模型及数据通讯2H-4000 仿真训练器系统运行的核心是数学模型，主要体现为五个模块（可执行文件） ，分别是MainEngine.exe（主机和 AC4 模型） 、ControlBox.exe（机电控制箱系统） 、Pipe.exe（管路模型系统） 、AlarmMonitor.exe（监测报警系统） 、 图 3 单机版桌面系统
13、数据流程图PowerStation.exe（电站系统） 。在每个模块中，数学模型一方面通过逻辑控制来实现对轮机仿真设备的控制、操作、保护和报警，另一方面模拟轮机设备动态运行特性，以便通过逻辑运算，实现对其运动状态的显示、监测和控制。数学模型的建立以 IEAS 为平台，对所有轮机设备的物理结构以及控制工作原理进行仿真。仿真子系统的典型控制显示流程如图4 所示（以 AC4 主机遥控系统为例） 。从图 4 可以看出，除了可以进行硬件盘台设备操作外，本系统还提供了软件模拟面板进行操作。软面板模块的主要功能是模拟硬件操作，将数据传递给模型运算模块；同时显示模型运算模块的输出参数。系统的每一个硬件盘台设备
14、都有对应的软件面板，可替代实物面板操作。并通过逻辑协调可与硬件盘台设备协同工作，既提高了系统的可靠性，又具有逼真的效果。图 5 为 AC4 模拟软面板。由于硬件操作和软面板操作可以同时进行，另外某些设备存在多硬件控制点（如高温淡水泵在机电控制箱和集控台上都可以进行操作） ，为解决多点控制的问题，我们遵循以下原则：a、对于触发型设备（包括按钮、带灯按钮等） ，采用任意一点触发的原则。即控制箱、集控台、软件控制面板上任意一点触发，就认为该设备有效。b、对于状态型设备（如多档开关、电位器等） ，采用机电控制箱集控台软件控制面板的优先级原则。图 4 AC4 子系统流程图 图 5 AC4 模拟软面板4
15、基于 USB2.0 技术的数据采集和通讯技术USB(通用串行总线)是一种应用在 PC 领域的新型接口技术，支持在主机与各种即插即用外设之间进行数据传输，它由主机预定传输数据的标准协议，在总线上的各种设备分享 USB 总线带宽，它的主要优点是：数据传输速率明显快于一般的串口，支持控制传输、中断传输、块传输和同步传输 4 种传输方式，以满足不同外设的需要，最多可连接 127 个外设 ，支持热拔插和即插即用，占用的系统资源少，无总线竞争等 6。USB 2.0 规格最终规定的速度是 480Mbps。所以 USB 的易插拔、速度快和外设容量大的特性，成为 PC 机的外围设备扩展中应用日益广泛的接口标准。
16、2H-4000 轮机仿真训练器中，为提高系统的可维护性和数据通讯的快速性，在硬件数据采集上，系统采用 485 现场总线架构，数据采集模块和分布式运算架构下的计算机1、2、3 之间采用 USB 连接，使系统维护相当简单。当数据采集模块出现故障时，只需要将外接的 USB 设备换下，换上备件即可。而且 USB 设备是即插即用的，不需要关闭系统，不影响整个系统的运行。在实现上采用： (1)下位机(数据采集卡)：采用 RS-485 通信,抗干扰能力强,传输距离长；(2)上位机（即图 1 中计算机 1、2、3，这三台计算机之间采用分布式运算架构）：采用 USB2.0 接口,通信速度快,高达 480Mbps
17、.而且 USB 接口简单,支持即插即用功能,相对于其它接口方式(PCI,ISA 等)显的更加轻便,降低了系统的复杂度，提高了其可维护性和数据通讯的快速性。其网络物理结构如图 6 所示：图 6 USB/485 网络物理结构图从图 6 上可以看到，盘台设备的 I/O 信号经过数据采集卡后，经过 485 现场总线，再经 USB/485 通信盒，实现数据采集卡和计算机数据的接收和发送，最后 USB2.0 实现 PC 计算机和通信盒的高速通信。由于现场参数数目、带宽、数据采集卡 CPU 运算速度的限制，RS-485 通信盒和各下位机通信速度较慢,为尽量提高数据通讯的实时性，在模型中采用以下的简化措施：（
18、1）建立合理的数据结构。将真实设备中的各种不同参数类型进行了统一化处理，建立了参数表和多层索引表，实现了参数显示、设置的简单化，减少通讯数据流量。 （2）采用简化的通讯协议。数据通信仅仅传递变化了的参数，从而大大降低了通讯量，实时地反映各参数的变化。另外，为提高数据采集系统的可维护性，系统的盘台设备采用完全一致的数据采集卡（除了少量设备如车钟、AC4 系统） ，当然这也保证了数据采集系统通用性强、成本低、结构简单、可互换等特点。其结构原理如下图 7：4 0 路 D I 2 4 路 D O3 2 路 P O8 路 A O8 路 A I6 4 位 键8 位 L E DC P U8 0 5 24 8
19、 5 通 信图 7 数据采集卡结构原理图数据采集系统软件模块主要包括：(1)USB-485 通信盒的 PC 驱动程序,以及提供给模型程序的接口动态链接库；(2)USB-485 通信盒内的 485,USB2.0 通信程序；(3)下位机的 485通信程序。5 结束语2H-4000 仿真训练器的数据通讯系统主要包括：仿真模型采用了分布式运算架构，基于 TCP/IP 协议通过通讯代理实现各个模块的数据通讯；硬件盘台数据采用统一的数据采集卡，通过 RS485 总线汇总数据，经 USB/485 通讯盒，再通过 USB2.0 技术实现数据采集卡与计算机的通讯。这两个技术方案的实施满足了轮机仿真训练器的可维护
20、性、可扩展性、可靠性及数据通讯快速性要求。2H-4000 仿真训练器自投入使用以来，既可以用于学院的实训教学和在职船员的培训（已完成二/三管轮电站、大管轮轮机模拟器实训操作与评估任务达 24500 余人次，适任证书考证通过率达 98） ，又可实现不同系统的独立研究或综合应用研究，具有较高的实用价值。本仿真训练器在国内外同类仿真器中首次采用了 USB2.0 数据采集系统，采集模块通用、简单和易维护，为轮机仿真训练器的研制开发提供了新的技术方案。参考文献：1中华人民共和国港务监督,译.经 1995 年缔约国大会通过修正的1978 年海员培训、发证和值班标准国际公约M.北京：中国科学技术出版社，19
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