一种虚实结合的潜艇动力系统模拟训练装置

摘要

一种虚实结合的潜艇动力系统模拟训练装置，属于系统仿真培训技术领域。包括实物模拟硬件系统、数字仿真模拟软件系统、数据通信接口系统、训练管理及考评软件系统四部分，其特征是：将依次连接的教练员站计算机、数字仿真模型服务器计算机和网络交换机设在服务器机柜中，将依次连接的工控机主机模块、工控机IO模块和工控机模块插槽设在工控机柜中，将依次连接的显示仪表、指示灯、开关、按钮、控制台操作计算机设在控制台中，另设机旁显示计算机，机旁控制箱、管道、阀门、虚拟训练艇员操作计算机。本装置可用于对艇员进行正常开停车操作及故障处理的训练及考评，以低成本、在安全的环境下提高艇员的操作水平。

权利要求

1.一种虚实结合的潜艇动力系统模拟训练装置，包括实物模拟硬件系统、数字仿真模拟软件系统、数据通信接口系统、训练管理及考评软件系统四部分，其特征在于：

硬件组成为：依次将教练员站计算机(1)、数字仿真模型服务器计算机(2)和网络交换机(3)设在服务器机柜(4)中，依次将工控机主机模块(5)、多个工控机IO模块(6)和工控机模块插槽(7)设在工控机柜(8)中，依次将多个显示仪表(9)、多个指示灯(10)、多个开关(11)、多个按钮(12)、控制台操作计算机(13)设在控制台(14)中，另设多台机旁显示计算机(15)，多个机旁控制箱(16)、多个管道(17)、多个阀门(18)、多台虚拟训练艇员操作计算机(19)；教练员站计算机(1)、数字仿真模型服务器计算机(2)、工控机主机模块(5)、控制台操作计算机(13)、机旁显示计算机(15)、虚拟训练艇员操作计算机(19)均通过网线与网络交换机(3)连接，工控机主机模块(5)和工控机IO模块(6)与工控机模块插槽(7)通过数据总线连接，显示仪表(9)、指示灯(10)、开关(11)、按钮(12)、机旁控制箱(16)、管道(17)、阀门(18)均通过导线与工控机IO模块(6)连接；

数据流向为：数据采集及输出软件模块(204)采集的输入数据传输到IO数据通信软件模块(203)，再由IO数据通信软件模块(203)传输到仿真支撑软件模块(201)的数据库中，仿真支撑软件模块(201)的数据库中的输出数据传输到IO数据通信软件模块(203)，再由IO数据通信软件模块(203)传输到数据采集及输出软件模块(204)；仿真计算模型软件模块(202)与仿真支撑软件模块(201)之间进行仿真计算数据的双向通信；人机界面软件模块(205)与仿真支撑软件模块(201)之间进行界面显示数据与界面操作指令数据的双向通信；

训练管理软件模块(206)与仿真支撑软件模块(201)之间进行训练管理数据的双向通信；考评软件模块(207)与仿真支撑软件模块201之间进行仿真计算数据与操作数据的双向通信；

仿真支撑软件模块(201)、仿真计算模型软件模块(202)、IO数据通信软件模块(203)在数字仿真模型服务器计算机(2)中运行；数据采集及输出软件模块(204)在工控机主机模块(5)中运行；人机界面软件模块(205)分别在控制台操作计算机(13)、机旁显示计算机(15)、虚拟训练艇员操作计算机(19)中运行；训练管理软件模块(206)在教练员站计算机(1)中运行；考评软件模块分别在教练员站计算机(1)、虚拟训练艇员操作计算机(19)中运行。

2.根据权利要求1所述的潜艇动力系统模拟训练装置，其特征在于：所述的多个工控机IO模块(6)包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块；所述的多个开关(11)、多个按钮(12)，以及多个阀门(18)中的一部分，通过导线与所述的开关量输入模块连接，将开关的状态、按钮的按下/抬起状态及阀门的开闭状态传输给开关量输入模块；所述的开关量输出模块通过导线与指示灯(10)连接，将一些状态信号传输到指示灯，指示灯根据状态值点亮或熄灭；所述的多个阀门(18)中的另一部分通过导线与模拟量输入模块连接，将阀门的开度值传输给模拟量输入模块；所述的模拟量输出模块通过导线与显示仪表(9)连接，将一些数值传输到显示仪表，显示仪表显示接收到的数值；所述的多个机旁控制箱(16)中包含开关、按钮、指示灯及显示仪表，分别通过导线与开关量输入模块、开关量输出模块及模拟量输出模块连接，进行数据信号传输。

3.根据权利要求1所述的潜艇动力系统模拟训练装置，其特征在于：所述的仿真计算模型软件模块(202)包含了潜艇动力系统的所有分系统及控制逻辑的数字仿真模型，在仿真支撑软件模块(201)的支撑下运行。

4.根据权利要求3所述的潜艇动力系统模拟训练装置，其特征在于：所述的仿真计算模型软件模块(202)既包含半实装的模拟系统，也包含全虚拟的模拟系统；通过所述的训练管理软件模块(206)，实现半实装系统和全虚拟系统同时运行。

5.根据权利要求4所述的潜艇动力系统模拟训练装置，其特征在于：所述的全虚拟系统分为多组，组与组之间的数据互不干扰，各自独立运行；通过所述的训练管理软件模块(206)和考评软件模块(207)，实现多组同时运行、训练和考评。

说明书

一种虚实结合的潜艇动力系统模拟训练装置

技术领域

[0001] 本发明属于系统仿真培训技术领域，涉及一种潜艇模拟训练装置，尤其涉及一种虚实结合的潜艇动力系统模拟训练装置。

背景技术

[0002] 动力系统是潜艇的关键系统，其操作在潜艇操作中最复杂，需要经常对负责动力舱操作的士兵进行训练。采用模拟训练装置进行训练，是保证训练安全和节约训练成本的有效途径。模拟训练装置一般有两种形式，一种叫做半实装模拟装置，另一种叫做全虚拟模拟装置。半实装模拟装置采用一部分硬件实物，这些实物与实际潜艇系统中的对应实物相同或相似，而用计算机软件来模拟实际潜艇系统中的其他部分；全虚拟模拟装置则全部用计算机软件来模拟实际系统。

[0003] 半实装模拟装置的优点是训练环境更接近于真实情况，可以进行实际动手操作，有真实体验感，可以达到很好的实战训练效果。缺点是：a)制造成本及维护成本高；b)仍然无法模拟全部的实际设备，与在真实潜艇上的实战训练还是有差距；c)训练不够灵活，如果直接从任意特定状态开始培训，则需要先将一部分硬件设备手动调整到相应的状态。

[0004] 全虚拟模拟装置的优点是制造成本及维护成本低，训练灵活，可以方便地从任意一个初始状态开始培训，而且可以在几乎不增加硬件成本的前提下实现多分组同时训练，缺点是真实体验感较差，不能实际动手操作。

[0005] 公开号为CN207764741U的中国实用新型专利，公开了一种舰艇装备训练动作捕捉装置，所述舰艇装备包括控制台，所述控制台设置有按键、旋钮、手轮，其包括与所述控制台固定连接的至少一个摄像头，与所述摄像头通过线缆连接的主机，设置在所述按键上的定位垫，粘贴在所述旋钮侧壁的第一定位贴，粘贴在所述手轮上的第二定位贴，与所述主机通过线缆或者无线连接的AR头盔，所述定位垫为透明树脂材料制成，其顶部设置有网格线，所述第一定位贴为条状粘性带，所述第一定位贴上设置有顺序连接的不同颜色的色块，所述第二定位贴为具有单一颜色的粘性带。

[0006] 公开号为CN107248024A的中国发明申请，公开了一种基于SVM算法的评估潜艇学员模拟训练结果的方法，包括：搜集每个潜艇学员的ID和所述ID对应的各科目历史考核成绩；将每个潜艇学员的各科目的历史考核成绩进行数据的预处理和规范化，得到每个潜艇学员的各科目评价指标值；建立SVM评估算法；对所述SVM评估算法进行训练，得到SVM评估模型；根据所述SVM评估模型对每个潜艇学员需评价的各科目的模拟训练成绩进行评估，得到每个潜艇学员的评估结果。

[0007] 公开号为CN107908850A的中国发明申请，公开了一种潜艇数字化训练导调管理系统，包括：训练管理端和系统管理端；所述训练管理端包括：学员管理模块；计划管理模块，用于教练员管理所有学员的训练情况，其中包括理论学习管理子模块、考试试题管理子模块、训练科目管理子模块、训练流程管理子模块；任务下达模块；状态监控模块；所述系统管理端包括：用户管理模块和配置管理模块。

[0008] 模拟训练装置与实际潜艇装备的相似程度越高，训练效果越理想。目前已经开发的模拟训练装置，距离真正实际应用到训练中并达到较好效果的目标还有不小的差距。

发明内容

[0009] 本发明的目的就是提供一种用于训练的潜艇动力系统模拟装置，该模拟装置能够达到模拟准确度高、成本低、安全性高的要求，可用来进行潜艇动力系统正常开停车操作及故障处理的训练及考评。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。

[0010] 一种虚实结合的潜艇动力系统模拟训练装置，包括实物模拟硬件系统、数字仿真模拟软件系统、数据通信接口系统、训练管理及考评软件系统四部分，其特征是：

[0011] 硬件组成为(见附图1)：依次将教练员站计算机1、数字仿真模型服务器计算机2和网络交换机3设在服务器机柜4中；依次将工控机主机模块5、工控机IO模块(多个)6和工控机模块插槽7设在工控机柜8中，依次将显示仪表(多个)9、指示灯(多个)10、开关(多个)11、按钮(多个)12、控制台操作计算机13设在控制台14中，另设机旁显示计算机(多台)15，机旁控制箱(多个)16、管道(多个)17、阀门(多个)18、虚拟训练艇员操作计算机(多台)19。教练员站计算机1、数字仿真模型服务器计算机2、工控机主机模块5、控制台操作计算机13、机旁显示计算机(多台)15、虚拟训练艇员操作计算机(多台)19均通过网线与网络交换机3连接，工控机主机模块5和工控机IO模块(多个)6与工控机模块插槽7通过数据总线连接，显示仪表(多个)9、指示灯(多个)10、开关(多个)11、按钮(多个)12、机旁控制箱(多个)16、管道(多个)17、阀门(多个)18均通过导线与工控机IO模块(多个)6连接。

[0012] 软件组成见附图2。其中仿真支撑软件模块201、IO数据通信软件模块203、数据采集及输出软件模块204、人机界面软件模块205、训练管理软件模块206及考评软件模块207均可采用成熟商用软件，仿真计算模型软件模块202根据实际型号潜艇的结构、参数等资料进行订制开发。

[0013] 数据流向为：数据采集及输出软件模块204采集的输入数据传输到IO数据通信软件模块203，再由IO数据通信软件模块203传输到仿真支撑软件模块201的数据库中，仿真支撑软件模块201的数据库中的输出数据传输到IO数据通信软件模块203，再由IO数据通信软件模块203传输到数据采集及输出软件模块204；仿真计算模型软件模块202与仿真支撑软件模块201之间进行仿真计算数据的双向通信；人机界面软件模块205与仿真支撑软件模块201之间进行界面显示数据与界面操作指令数据的双向通信；训练管理软件模块206与仿真支撑软件模块201之间进行训练管理数据的双向通信；考评软件模块207与仿真支撑软件模块201之间进行仿真计算数据与操作数据的双向通信。

[0014] 仿真支撑软件模块201、仿真计算模型软件模块202、IO数据通信软件模块203在数字仿真模型服务器计算机2中运行；数据采集及输出软件模块204在工控机主机模块5中运行；人机界面软件模块205分别在控制台操作计算机13、机旁显示计算机(多台)15、虚拟训练艇员操作计算机(多台)19中运行；训练管理软件模块206在教练员站计算机1中运行；考评软件模块分别在教练员站计算机1、虚拟训练艇员操作计算机(多台)19中运行。

[0015] 本发明提供的潜艇动力系统模拟训练装置，相对于与现有的潜艇模拟训练装置，主要存在以下区别：1)它是虚实结合的，既有半实装模拟系统，也有全虚拟的模拟系统，其中全虚拟模拟系统可以分为多个组同时进行训练及考评，而且半实装模拟系统与多组全虚拟模拟系统也可以同时运行，各个组之间相互独立，互不影响。2)它是相对完整的，集模拟训练功能、训练管理功能及考评功能于一体。

[0016] 潜艇动力系统设备复杂，要实现将半实装模拟系统、全虚拟模拟系统、训练管理及考评功能有机地结合在一起，存在一定的难度。本发明提供的技术方案在硬件、软件及软硬件接口方面，克服了由于系统复杂造成的系统联合调试方面的困难。比如采用了先进的系统仿真建模平台，利用模块化建模的手段，大大提高了仿真模型建立及调试的效率，而且仿真模型的复用性好，在潜艇型号变化后，很多模型可以重复使用，只需要改动模型中的一些参数即可。再比如采用了工业上通用的数据通信接口协议来进行硬件与软件之间的数据通信，减少了通信软件开发的工作量，并提高了系统的可靠性。

[0017] 进一步地，所述的工控机IO模块(若干)6包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块。所述的开关(多个)11、按钮(多个)12，以及阀门(多个)18中的一部分，通过导线与所述的开关量输入模块连接，将开关的状态、按钮的按下/抬起状态及阀门的开闭状态传输给开关量输入模块；所述的开关量输出模块通过导线与指示灯(多个)10连接，将一些状态信号传输到指示灯，指示灯根据状态值点亮或熄灭；所述的阀门(多个)18中的另一部分通过导线与模拟量输入模块连接，将阀门的开度值传输给模拟量输入模块；所述的模拟量输出模块通过导线与显示仪表(多个)9连接，将一些数值传输到显示仪表，显示仪表显示接收到的数值的大小。所述的机旁控制箱(多个)16中也包含开关、按钮、指示灯及显示仪表，分别通过导线与开关量输入模块、开关量输出模块及模拟量输出模块连接，进行数据信号传输。

[0018] 进一步地，所述的仿真计算模型软件模块202包含了潜艇动力系统的所有分系统及控制逻辑的数字仿真模型，在仿真支撑软件模块201的支撑下运行。该数字仿真模型由通用图形化自动建模软件通过模块化建模的方法建立，根据系统设备的科学原理建立数学方程，并设计求解方法，最终通过计算机编程语言实现其模拟算法。

[0019] 进一步地，所述的仿真计算模型软件模块202既包含半实装的模拟系统，也包含全虚拟的模拟系统；通过所述的训练管理软件模块206，实现半实装系统和全虚拟系统同时运行，进行训练和考评。

[0020] 进一步地，所述的全虚拟系统分为多组，组与组之间的数据互不干扰，各自独立运行；通过所述的训练管理软件模块206和考评软件模块207，实现多组同时运行、训练和考评。

[0021] 本发明采用虚实结合的方案，可以将半实装模拟装置与全虚拟模拟装置优点结合起来，避免单一形式带来的不足。比如，半实装模拟装置要想实现多组同时进行互不干扰的培训，则必须要复制多套硬件系统。如此，一方面硬件成本(包括施工建设的成本)会有相应倍数的增加，另一方面占用的场地也要有相应倍数的增加。而采用虚实结合的装置，半实装装置只建设一套，采用半实装一组加全虚拟多组的整体配置，学员可以先在全虚拟装置上进行初步的训练，然后轮流换到半实装装置上增加实际动手操作并体验真实感，进一步提高和巩固训练效果。再比如，由于半实装模拟装置与全虚拟模拟装置采用的是相同的仿真模型，所以二者保存的训练状态数据可以互换，进一步增加了训练的灵活性。

[0022] 本发明的有益效果是：本装置采用虚实结合的方案，结合了半实装模拟装置与全虚拟模拟装置的优点，可用于对艇员进行正常开停车操作及故障处理的训练及考评，以低成本、在安全的环境下提高艇员的操作水平。

附图说明

[0023] 图1是本发明的硬件系统组成图；

[0024] 图2是本发明的软件系统组成图。

[0025] 附图标记：

[0026] 1-教练员站计算机，2-数字仿真模型服务器计算机，3-网络交换机，4-服务器机柜，5-工控机主机模块，6-工控机IO模块(多个)，7-工控机模块插槽，8-工控机柜，9-显示仪表(多个)，10-指示灯(多个)，11-开关(多个)，12-按钮(多个)，13-控制台操作计算机，14-控制台，15-机旁显示计算机(多台)，16-机旁控制箱(多个)，17-管道(多个)，18-阀门(多个)，19-虚拟训练艇员操作计算机(多台)。

[0027] 201-仿真支撑软件模块，202-仿真计算模型软件模块，203-IO数据通信软件模块，204-数据采集及输出软件模块，205-人机界面软件模块，206-训练管理软件模块，207-考评软件模块。

具体实施方式

[0028] 下面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，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

[0029] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0030] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。

[0031] 如图1和图2所示，本发明的虚实结合的潜艇动力系统模拟训练装置实施例，包括实物模拟硬件系统、数字仿真模拟软件系统、数据通信接口系统、训练管理及考评软件系统。实物模拟硬件系统主要包括显示仪表(多个)9、指示灯(多个)10、开关(多个)11、按钮(多个)12、控制台操作计算机13、控制台14、机旁显示计算机(多台)15、机旁控制箱(多个)16、管道(多个)17、阀门(多个)18。数字仿真模拟软件系统主要包括仿真支撑软件模块201、仿真计算模型软件模块202、人机界面软件模块205。数据通信接口系统主要包括工控机主机模块5、工控机IO模块(多个)6和工控机模块插槽7、工控机柜8、IO数据通信软件模块203、数据采集及输出软件模块204。训练管理及考评软件系统主要包括训练管理软件模块206、考评软件模块207。

[0032] 具体技术方案如下：

[0033] 依次将教练员站计算机1、数字仿真模型服务器计算机2和网络交换机3设在服务器机柜4中，依次将工控机主机模块5、工控机IO模块(多个)6和工控机模块插槽7设在工控机柜8中，依次将显示仪表(多个)9、指示灯(多个)10、开关(多个)11、按钮(多个)12、控制台操作计算机13设在控制台14中，另设机旁显示计算机(多台)15，机旁控制箱(多个)16、管道(多个)17、阀门(多个)18、虚拟训练艇员操作计算机(多台)19。教练员站计算机1、数字仿真模型服务器计算机2、工控机主机模块5、控制台操作计算机13、机旁显示计算机(多台)15、虚拟训练艇员操作计算机(多台)19均通过网线与网络交换机3连接，工控机主机模块5和工控机IO模块(多个)6与工控机模块插槽7通过数据总线连接，显示仪表(多个)9、指示灯(多个)10、开关(多个)11、按钮(多个)12、机旁控制箱(多个)16、管道(多个)17、阀门(多个)18均通过导线与工控机IO模块(多个)6连接。

[0034] 所述的数字仿真模型服务器计算机2采用高运算性能的商用PC机，教练员站计算机1、控制台操作计算机13、机旁显示计算机(多台)15、虚拟训练艇员操作计算机(多台)19均采用普通的商用PC机。

[0035] 所述的工控机主机模块5采用研华科技的嵌入式工控机主机模块ADAM-5560KW，工控机IO模块(若干)6采用研华科技的开关量输入模块ADAM-5051S、开关量输出模块ADAM-5056S、模拟量输入模块ADAM-5017P及模拟量输出模块ADAM-5024。

[0036] 所述的开关(多个)11、按钮(多个)12，以及阀门(多个)18中的一部分，通过导线与所述的开关量输入模块ADAM-5051S连接，将开关的状态、按钮的按下/抬起状态及阀门的开闭状态传输给开关量输入模块；所述的开关量输出模块ADAM-5056S通过导线与指示灯(多个)10连接，将一些状态信号传输到指示灯，指示灯根据状态值点亮或熄灭；所述的阀门(多个)18中的另一部分通过导线与模拟量输入模块ADAM-5017P连接，将阀门的开度值传输给模拟量输入模块；所述的模拟量输出模块ADAM-5024通过导线与显示仪表(多个)9连接，将一些数值传输到显示仪表，显示仪表显示接收到的数值的大小。

[0037] 所述的机旁控制箱(多个)16中也包含开关、按钮、指示灯及显示仪表，分别通过导线与开关量输入模块ADAM-5051S、开关量输出模块ADAM-5056S及模拟量输出模块ADAM-5024连接，进行数据信号传输。

[0038] 数据采集及输出软件模块204采集的输入数据传输到IO数据通信软件模块203，再由IO数据通信软件模块203传输到仿真支撑软件模块201的数据库中，仿真支撑软件模块201的数据库中的输出数据传输到IO数据通信软件模块203，再由IO数据通信软件模块203传输到数据采集及输出软件模块204；仿真计算模型软件模块202与仿真支撑软件模块201之间进行仿真计算数据的双向通信；人机界面软件模块205与仿真支撑软件模块201之间进行界面显示数据与界面操作指令数据的双向通信；训练管理软件模块206与仿真支撑软件模块201之间进行训练管理数据的双向通信；考评软件模块207与仿真支撑软件模块201之间进行仿真计算数据与操作数据的双向通信。

[0039] 仿真支撑软件模块201、仿真计算模型软件模块202、IO数据通信软件模块203在数字仿真模型服务器计算机2中运行；数据采集及输出软件模块204在工控机主机模块5中运行；人机界面软件模块205分别在控制台操作计算机13、机旁显示计算机(多台)15、虚拟训练艇员操作计算机(多台)19中运行；训练管理软件模块206在教练员站计算机1中运行；考评软件模块分别在教练员站计算机1、虚拟训练艇员操作计算机(多台)19中运行。

[0040] 所述的仿真支撑软件模块201采用大型科学计算与仿真引擎软件SimuEngine。

[0041] 所述的仿真计算模型软件模块202包含了某型常规动力潜艇的动力系统的所有分系统及控制逻辑的数字仿真模型，在SimuEngine的支撑下运行。该数字仿真模型由通用图形化自动建模软件SimuBuilder通过模块化建模的方法建立，根据实际型号潜艇动力系统设备的科学原理建立数学方程，并设计求解方法，最终通过计算机编程语言实现其模拟算法。

[0042] 所述的IO数据通信软件模块203采用与大型科学计算与仿真引擎软件SimuEngine配套的OPC通信软件Simu-OPCClient。所述的数据采集及输出软件模块204采用PLC实时运行系统ProConOS及其配套的通信软件ProConOS-OPCServer。Simu-OPCClient与ProConOS-OPCServer之间利用OPC通信协议进行数据通信。

[0043] 所述的人机界面软件模块205采用SimuMMI软件，通过SimuEngine的API接口实现对与仿真支撑软件模块201中仿真数据的读写，并通过画面来实现运行数据的显示。操作人员通过人机界面软件模块205提供的操作画面进行控制操作。

[0044] 所述的训练管理软件模块206采用SimuTeacher软件，所述的考评软件模块207采用SimuScorer软件。

[0045] 本装置既包含半实装的模拟系统，也包含全虚拟的模拟系统。通过所述的训练管理软件模块206，可实现半实装系统和全虚拟系统同时运行，进行训练和考评，而且全虚拟系统可以分为多个组同时运行、训练和考评。在实施实例中，共分为5个组，其中1个组为半实装模拟系统，另外4个组全部为全虚拟的模拟系统。所有组由训练管理软件模块206统一管理，组与组之间的数据互不干扰，各自独立运行。

[0046] 尽管上面已经示出和描述了本发明的具体实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施方法进行变化、修改、替换和变型。本发明的保护范围由权利要求书及其等同技术方案限定。