船舶柴油主机遥控系统虚拟仿真实验教学平台建设探索

沈智鹏，钟铭，张宁

(大连海事大学 船舶电气工程学院，辽宁 大连 116026)

一、引言

近年来，教育部出台《教育信息化“十三五”规划》《教育部高等教育司关于加强国家级虚拟仿真实验教学项目持续服务和管理有关工作的通知》等文件，要求深入推进信息技术与实验教育教学深度融合，发展“互联网+教育”，实现高等教育教学质量变轨超车。为此各高校结合相关专业教学积极进行虚拟仿真实验教学平台的建设与探索[1-3]。船舶主机遥控系统是船舶自动化系统的重要组成部分，从目前的教学情况来看，受制于系统实物具有操作环境风险大、设备价格贵、维护成本高、占地面积广等因素，船舶柴油主机遥控系统的教学仍局限于课本理论教育，培养的人才缺乏对船舶柴油主机遥控系统的总体认知，实践操作经验不足。虚拟仿真实验教学项目将自动控制基础实验资源与专业模块实验资源有效衔接，将虚拟仿真实验与原有硬件实验有效统一，实现硬件资源与信息技术的深度融合。本文基于B/S架构建立船舶柴油主机遥控系统虚拟仿真实验教学平台，利用Web技术将实船主机遥控系统和柴油机的各工况运行过程进行虚拟仿真，通过IIS互联网信息服务平台进行发布[4]，学生可以通过手机或者电脑随时随地在浏览器上登录教学平台进行学习。实践证明，采用船舶柴油主机遥控系统虚拟仿真实验教学平台能有效促进学生对知识的理解和对系统的总体把握，提高学生自主学习的热情和能力。

二、教学平台架构设计及创新点

(一)总体框架

船舶柴油主机遥控系统虚拟仿真实验教学平台包含多个实验环节，可实现系统知识学习、仿真实验操作、实验报告提交等实验教学功能，其架构如图1所示。

图1 船舶柴油主机遥控系统虚拟仿真实验教学平台框架

(二)后台管理

管理员登录进入后台管理，可实现查看学生上传的实验报告、进行后台题库的增删和修改、对评价体系中三个考核项目成绩权重的调整，以及其他管理操作。后台管理框架图如图2所示。

图2 船舶柴油主机遥控系统虚拟仿真实验教学平台后台管理框架

(三)系统知识点设计

本虚拟仿真实验内容涉及系统结构、运行原理的理解和操作方式、控制方法的掌握2大类、共 10个知识点。要求学生掌握与船舶柴油主机遥控系统有关的自动控制、系统运行等方面的专业知识；培养其基于仿真实验平台、应用计算机进行工程实验、解决复杂控制工程问题的能力；能在实验及数据分析过程中发现问题、解决问题，既能独立操作实验，又能与团队高效协作沟通，提升专业和非专业两方面的素质。

1.系统结构认知和运行原理

(1)气动操纵系统气路原理图和驾驶台、集控室、机旁3个部位切换原理；

(2)驾驶台遥控操作系统结构和运行原理；

(3)集控室遥控操作系统结构和运行原理；

(4)机旁应急操作系统结构和运行原理；

(5)数字调速器操作功能结构和运行原理。

以上5个知识点，涵盖实验所需的设备结构、特点与基本运行原理。

2.系统操作方式和控制方法

(1)驾驶台遥控操作和主机转速控制方法。主要包括车钟正/倒车换向、车钟主机转速控制、车钟发车令、副车钟操作、系统状态查看、应急停车操作等实验。

(2)集控室遥控操作和主机油门、转速控制方法。主要包括主机集控室/驾驶台操作位置切换、车钟正/倒车换向、调油手柄空气起动/油门调节操作、副车钟操作、系统状态查看、应急停车操作等实验。

(3)机旁应急操作和主机油门、转速控制方法。主要包括主机应急/遥控操作位置切换、正/倒车换向、油门手动/遥控切换手柄操作、主机空气起/停控制、油门手轮调节、应急停车操作等实验。

(4)船舶柴油主机数字调速器操作方法。主要包括起动给油量设定、调速器PID等参数设定、车令转速的加速速率限制、最大车令转速限制、临界转速区设定、最大供油量限制等操作实验。

(5)气动操纵系统阀件操作和气路控制方法。主要包括控制空气阀、盘车机脱开/合上、空气分配器、主起动阀等阀件操作，以及应急/遥控、集控室/驾驶台切换、正/倒车换向气路控制等实验。

以上5个知识点，对应主机遥控系统的3个部位控制、调速器操作和气动操纵，各仿真子实验包含3个部位的基本操作，以及柴油主机换向、油门调节、转速控制等操作，以此形成了相对系统、完整的仿真实验序列，通过仿真实验操作模块，可有效促进学生对理论知识的理解和设备操作能力的提高。

(四)创新点

(1)虚实结合、能实不虚的教学理念。船舶柴油主机遥控系统虚拟仿真实验项目基于AutoChief C20型主机遥控系统的真实操作面板，以及柴油机空气起动、调油调速工作原理构建环境体验，通过虚拟仿真实验教学，可以模拟现场情况完成各类操作，使得教学模式更加灵活、教学内容更加丰富，实现了真实情景在线、线上线下结合的实验体验。

(2)体验式教学方式，激发学生学习兴趣。通过船舶柴油主机遥控系统虚拟仿真实验项目，采用交互式、体验式教学方式，激发学生学习兴趣，培养学生对船舶柴油主机遥控系统的感性认知，提升工程实践能力。实验项目依据船舶柴油主机遥控系统实际运行流程模拟，学生通过实验操作体验，产生浓厚的兴趣，激发学生自主学习的积极性，受到了学生的欢迎。

(3)采用开放式管理模式，培养学生的自主意识。虚拟仿真实验项目学生网上注册，教师审核后，学生可以随时虚拟学习，并自行进行实验操作练习和操作考核，培养了学生的自主学习意识。

三、教学平台模块开发

(一)平台的实现

船舶柴油主机遥控系统虚拟仿真实验教学平台基于B/S架构，浏览器端采用超文本标记语言(Hyper Text Markup Language，HTML)、客户端动态页面前端脚本语言(JavaScript)等编程语言[5-6]；服务器端采用Node.js运行环境，以及动态服务器页面(Active Server Pages，ASP)等语言编写，包含操作部位切换、驾驶台遥控操作、集控室遥控操作、机旁应急操作等多个实验操作环节，可实现系统知识学习、典型实验视频演示、实验报告提交等实验教学功能。运用MySQL数据库技术建立实验评价体系，评价体系从系统知识学习、仿真实验操作、实验报告等几个方面，建立权重值。其中仿真实验操作过程将自动记录在系统的数据库内，使评价体系真实、规范、合理、有效。实验教学平台建立了完善的实验反馈机制，并定时收集、整理、各方面评价和反馈信息，进行教学效果评估。

(二)平台模块划分

本平台采用完全自主的开放模式，学生可以注册进入实验系统，自主上网浏览相关实验内容要求、系统知识学习、典型实验视频等，并进行仿真实验操作和实验报告提交等环节。学生可自主重复完成相关虚拟仿真实验，更好地掌握实验原理，提高实践操作能力。

本虚拟仿真实验教学平台主要包含6个模块，如图3所示。

图3 虚拟仿真实验教学平台模块划分

各模块的说明如下：

(1)实验项目简介：本模块主要针对船舶柴油主机遥控系统虚拟仿真实验项目进行简要的背景介绍。

(2)系统知识学习：在本模块中分别有学习结构总览、驾驶台、集控室、集控车种、机旁控制、调速器、气动操纵等内容。每进入一个系统，上半部分以动画视景方式显示系统的正常运行时的工作状态，下半部分以文字方式对该系统工作原理进行说明，结合上下两部分显示内容可以帮助学生理解相关系统知识和原理。通过系统知识学习模块，学生可以自主学习系统相关知识，提高系统认知水平，复习和掌握以上知识点基本内容，为下一步进行仿真实验打下理论基础。

(3)典型实验视频：在模块内点击典型实验视频选择项的各按钮，可分别观看6种考题的详细操作过程，左半部分为视频播放窗口，下半部分为每个考题对于的要求和操作步骤等详细信息，结合显示内容可以帮助学生熟练掌握各考题的操作方法，如图4所示。

图4 典型实验视频模块

(4)实验内容要求：进入本模式可以阅读实验目的、实验内容、实验考核要求等。

(5)仿真实验操作：该模块可进行船舶柴油主机遥控系统虚拟仿真实验的操作，主要包括驾驶台遥控操作和主机转速控制、集控室遥控操作和主机油门、转速控制、机旁应急操作和主机油门、转速控制、船舶柴油主机数字调速器操作以及气动操纵系统阀件操作和气路控制。

(6)实验报告提交：进入该模式可以下载实验报告模版，并上传实验报告word文档。

(三)船舶柴油主机遥控虚拟仿真系统

船舶柴油主机遥控虚拟仿真系统基于AutoChief C20型主机遥控系统的真实操作面板，以及柴油机空气起动、调油调速工作原理构建环境体验，以船舶柴油主机遥控系统为研究对象，基于准稳态建模方法，将大型低速二冲程柴油机分为气缸、扫气箱、空气冷却器、排气管和废气涡轮增压器等部分进行数学建模，模拟出柴油机功率、转速、油门、扫气压力等状态量的动态变化过程，然后采用模块化建模的思想，将AutoChief C20型主机遥控系统分成驾驶台、集控室、机旁、调速器、气动逻辑单元等部分，以驾驶台、集控室、机旁三个部位分别实现柴油机备车、换向、调速等操作过程作为实验基础，项目体系完整，涵盖知识点丰富。通过对实船主机遥控系统的驾驶台、集控室、机旁等操作台控制面板和柴油机的各工况运行过程进行虚拟仿真，控制面板的开关、按钮、指示灯等核心操作要素的仿真度可以达到95%以上，仿真实验核心设备在可信度和逼真度上完全满足现场实验要求。系统可开展柴油主机备车、操作部位切换、驾驶台遥控、集控室遥控、机旁应急操作、调速器参数设置、气动逻辑单元操纵等综合实验，以实现柴油主机换向、油门调节、转速控制等功能。子系统界面如图5所示。

图5 船舶柴油机主机遥控系统虚拟仿真系统子系统界面

根据《中华人民共和国海船船员适任评估大纲和规范》[7]，并结合系统实际功能，在本系统中设计了8道题，能帮助学生深刻理解系统运行原理，锻炼和提高学生实操能力。

四、实验教学平台的应用

(一)实验环境

本虚拟仿真实验教学平台运行的硬件环境要求主频≥1G，内存≥2G，显存≥512MB，可用磁盘空间≥1G。软件环境要求PC端计算机操作系统为32位或64位操作系统、Windows7或macOS10.8以上，手机端要求操作系统为Android4.0或ios5.0版本以上，网络客户端带宽≥10 Mb/s。软件需要安装网页浏览器，如Chrome、Firefox、Safari浏览器等。

由于本平台基于B/S架构，可以打破现有仿真系统时空和规模的限制，学生既可以在校内“自动化实验教学示范中心”实验室上机实验，又可以随时随地通过手机、笔记本电脑、平板电脑等终端设备登录本平台进行实验操作练习、典型视频的观看以及实验报告的提交。

(二)应用过程

船舶柴油主机遥控系统虚拟仿真实验采用系统模块化功能设计、初始多工况设置、数学模型状态数值计算、自动控制方法应用、系统运行动态视景模拟相结合的实验方法，通过实际认知与虚拟实验相结合的方式，让学生先后进行系统知识学习、典型实验视频观看、仿真实验操作等步骤来完成仿真实验。仿真实验操作模块，实验者自主选择不同初始工况，并选择机旁应急或驾驶台/集控室遥控操作模式，可自行开展柴油主机备车、操作部位切换、驾驶台遥控、集控室遥控、机旁应急操作、调速器参数设置、气动逻辑单元操纵等实验操作，使得实验过程不唯一但实验结果具有可比对性和一致性。仿真实验操作模块还给出了重要知识点的考试题目参考答案，使实验过程既具有挑战性，又具有目标的明确性，让实验者体会到探究的乐趣。通过实验，学生能对船舶柴油主机遥控系统的工作原理、操作和控制方法、柴油机油门和转速调节原理等获得全面的理解和掌握。

(三)应用效果

本平台已在学校多门课程实施应用，面向自动化、电气工程、船舶电子电气工程等专业开放，进行了虚拟仿真实验教学平台的应用，完成了实验教学任务，教学效果良好。同时本平台在网络上开放共享，受到上海海事大学、广东海洋大学等院校师生的好评，发挥了大连海事大学虚拟仿真实验教学在航运特色高等教育的示范引领作用。

五、结语

在“互联网+”时代，网络信息技术运用于各行各业中，虚拟仿真实验教学平台已逐渐成为各大高校课程资源的必要条件。今后将结合虚拟仿真实验教学平台在高校及社会的推广应用情况，结合培育计划修订，进一步总结经验，拓展实验教学内容的广度和深度，加强网络化条件下实验教学规律研究，探索提升实验教学效果的方式方法，为航海技术人才的培养提供更好的服务。