基于Visual Studio的船舶舵机操作训练平台设计和开发
（泰山科技学院 泰安 271000）
摘要：液压舵机系统建模仿真技术是轮机仿真模拟器的重要基础。船舶舵机操作训练平台的设计能够为海事院校的船员考核和训练提供虚拟仿真环境。本文以拨叉式舵机系统为研究对象，采用分散式与集中式的方法进行建模，并基于Visual Studio设计船舶舵机系统的二维界面与软件系统。该设计不仅能够快速完成船舶舵机的故障检测，而且极大的提高了船员的舵机操作水平。
关键词：船舶舵机；液压系统；Visual Studio；虚拟仿真
0 引言
船舶舵机作为航向控制的关键装备对于船舶海上航行的准确性和安全性至关重要。由于海上存在海风、海浪等不确定干扰，导致舵机系统工作环境恶劣、容易出现硬件结构和软件通讯系统故障，使得船舶安全性能下降。当舵机系统发生未知故障时，船舶航向系统首先受到影响，船舶控制性能下降可能会造成海上安全事故，对于船员人身安全、船舶本身和港口的安全都会构成巨大威胁，尤其是在靠港工况下舵机系统的平稳运行十分重要。很多舵机故障产生的原因是船员操控设备不规范造成的，船员进行专业、规范的技能培训能够有效降低舵机系统出现人为故障的几率。因此，船员专业培训的收益远大于花费的时间成本和资源成本。当前国内对于轮机管理人员的技能培训正在由工作原理和海洋环境等相关知识学习向轮机模拟器应用和实物操作方向发展，帮助船员进行理论知识与实践应用相结合。因此，进一步对智能化液压舵机教学平台进行研究，将先进学习方案和智能设计方法引入到国内舵机控制训练体系中去，对船员技能水平的提高有着重要的意义[1]。
近些年来，国外很多公司对船舶舵机仿真模拟训练器的开发取得了非常显著的成绩，像英国的TRANSAS公司、德国的西门子公司以及日本的三菱公司等[2]。但是以上公司设计的仿真模拟训练器普遍存在设计模型较为简单、操作细节要求较低和操作训练流程固化的缺点，因此不利于培训人员处理舵机紧急状况和深入训练，无法满足马尼拉修正案的船员培训要求。
以PPT-2000型轮机仿真模拟器为例，作为一种功能齐全的全任务推进装置，该仿真模拟器由驾驶员室、船舱模拟器、学员训练室等部分组成[3]。系统利用二维画面生成的流程图来表示各个系统的结构，这使得人机界面繁杂不易操作。并且只有一台监控系统来对全部的系统实施监控，系统的可扩展性和可复用性较差[4]。相较而言，TERS-2000型轮机仿真模拟器具有多级别、可通用、可组合等多种优点，但在实际设计为了简化操作、增加模拟器的可视性取消了部分硬件设计，最终设计的设备存在不完整的缺点[5]。因此，为了提高我国轮机培训人员的专业基础知识和操作技能熟练性，需要设计一套设施完备、仿真程度高以及人机界面友好的智能化船舶舵机操作训练平台。
本文以舵机系统为对象展开研究，依据拨叉式液压系统工作原理，将复杂机械拆分为若干模块，进而运用相关方法和理论知识建立舵机系统的动态数学模型。舵机仿真模拟器硬件结构参照“川崎式”舵机，同时根据MSA对船员的培训要求，以及考虑舵机实际工况特点对系统做了相应的简化，以使仿真系统达到标准。最后，综合舵机系统各模块的数学模型，基于Visual Studio设计了船舶舵机操作训练平台。在Visual C#的编译环境中利用图形绘制功能和窗体应用，对系统的仿真界面进行设计，使之能够模拟舵机系统的实际工作原理和操作流程，所设计的仿真界面操作简便，并且可视性较好。
1 仿真软件界面设计
模拟界面决定了人机交互的智能化程度，它集成了允许学生执行的各种操作界面和按钮设计。在界面设计中，主要包括界面设计以及控件设计，该部分作为主要操作界面应简要易懂、可操作性强。
1.1界面底图的绘制
利用CorelDRAW矢量图形制作工具绘制系统图，界面底图根据实际的舵机液压系统绘制。舵机液压系统子界面的底图如图1所示。
图1 绘制界面底图
图1中间部分为拨叉式液压舵机，属于泵控型舵机，主要由油缸、双向变量泵、滑块、放气阀、舵柱和舵柄等组成。舵机主油路工作原理为：在电机的带动下，双向变量泵进行旋转，从低压侧抽油再经过主油路锁闭阀，将压力油供给到油缸，撞杆在油缸两侧油压差的影响下，利用滑块带动舵柄运动、驱动舵柱，从而改变舵角。在舵角达到驾驶台指令舵角时，舵机控制系统使双向变量泵的变量机构回中，双向变量泵的输出流量为零，这时油路锁闭阀工作在中位，液压系统油路产生锁闭。双向变量泵位于油箱内部，起到对闭式液压系统的冷却作用。
1.2建立Winform自定义控件库
为了更好进行相应界面设计，首先需要进行界面底图规制，然后在Windows Framwork中进行控件库设置，当控制库设置完成后便可以在工具箱里面直接调用。舵机仿真系统需要制作添加的控件包括斜盘柱塞泵、随动舵、紧急舵、拨叉操纵舵机构、舵角计、压力计和安全阀。以上所述控件与船舶实际信息相匹配，对于舵机系统应该产生相同的作用。最后将建立的控件整合到控制程序库中，便于后续调用。
本设计采用GDI+(Graphics Device interface plus)绘图技术和C#编程语言来制作程序控件，该方法简单易行，可操作性强。由于软件包含了矢量图形绘制、文字显示以及图像处理三部分，需要多种工具来进行图像处理，GDI+技术只进行简单的图形绘制渲染。其中，类Graphics封装了GDI+的制作图像的程序，窗体中所有的制图画图都必须由此类操作完成，并由System drawing进行空间命名。自定义控件库创建如图2所示。
图2 自定义控件库的创建
1.3控件的设计
由于船舶舵机系统的控件数量较多，在控件的制作处理过程中，需重复运用GDI+技术对控件进行缩放、旋转以及颜色处理。为美化界面，所制作的控件大小可以根据需要改变，为使控件在制作变换的过程中不变形，可在舵轮控件的属性里面将ResizeRedraw设置为true，同时调用控件内部的平移缩放的变换函数即可。下图为制作的随动操舵舵轮控件，如图3所示。
图3 随动操舵舵轮控件
2 仿真界面设计及说明
本文中基于Windows系统下的Visaul C#集成开发环境设计实船舵机的模拟操作界面。
（1）仿真软件加载界面
图4为仿真软件的加载主界面，是整个系统的入口界面，界面中放置了一些可以实现各种功能的选项，主要包括船舶航行方向、驾驶台推进控制系统、集控台推进控制系统和液压系统等，可以通过点击按钮来调用系统的其他的子界面。
图4 仿真软件加载界面
（2）拨叉式船舶舵机的液压系统子界面
图5为拨叉式船舶舵机液压系统子界面，由两部分组成：第一部分是液压系统原理图，包含了管路系统、油柜油箱、管路阀件、液压油泵、转舵机构以及舵角指示器。第二部分是控制面板，包括电源指示灯，自动、随动操作转换按钮，操舵舵轮等。
图5 舵机液压系统子界面
（3）故障报警指示界面
实际的船舶集控室拥有故障报警界面，当舵机系统因人为操作失误或者发生未知故障时，面板上的相应的警示灯开始点亮，与此同时，也会伴随一些报警的声音，需要船员进行故障确认。如下图6所示，舵机故障系统报警界面中的故障指示包括油泵停止、电机断电、电机超负荷和安全阀故障等功能。
图6 故障报警指示界面
（3）驾驶台操作子界面
图7为驾驶台操作界面，可以实现以下功能：启动泵组、停止泵组，舵角选择，操舵位置选择，随动操舵，应急操舵，电源指示，压力指示，航速指示以及警报指示等。
图7 驾驶台操作子界面
3 结语
中国是一个航运大国，海洋工程开发市场前景广阔，传统的船上培训方式存在着周期长、成本高、事故多发等弊端，随着海上设备研发和计算机实时仿真技术的发展，轮船舵机仿真模拟训练器已经在航海领域广泛应用,能够为船员模拟相对真实的船舶运行状态，已成为很多海运学员院校考核和发布证书的一种重要方式。本文基于Visual Studio设计了拨叉船舶舵机系统的二维界面与软件系统，该设计不仅能够快速完成船舶舵机的故障检测，而且能够为海员培训院校提供智能化的仿真模拟系统，提高学员操作能力和综合素质。
参考文献：
[1]俞文胜. 液压舵机教学新平台的设计开发[D]. 大连海事大学, 2011.
[2]马来好, 陈海泉, 乔卫亮, 王生海. 船舶转叶式液压舵机系统建模与仿真分析[J]. 机床与液压, 2019, 47(17): 151-154.
[3]徐林. 船舶液压舵机控制系统的仿真研究[J]. 中国水运(下半月), 2018, 18(09): 82-83+85.
[4]邓琦, 邓攀, 邱大宝. 一种新型船舶舵机系统建模与控制研究[J]. 船舶工程, 2013, 35(06): 80-83.
[5]庄新妍, 庄冀. 数据动态绑定技术在C#窗体控件ComboBox中的应用[J]. 信息与电脑(理论版), 2018(04): 113-115.
