CC BY
8Л.А. Мальцев, Ф.И. Алабужев
Перспективы развития судовождения и обеспечения безопасности плавания: тренажерная.
PERSPECTIVES OF NAVIGATION DEVELOPMENT AND SAFETY VOYAGE PROVIDING (On Example Of Navigators' Training Simulator)
L.A. Maltsev, F.I. Alabuzhev
This article is devoted to substantiation of the application of in-depth method of cadets' and navigators' training simulator on the educational and training centre of the Perm branch of the Volga State Academy of Water Transport based on analysis of safety of navigation, the domestic ships, which shows the importance of the special additional training of navigators on vessel control by using modern navigational techniques.
УДК 681.322
К.В. Марков, начальник тренажера кафедры ЭСЭУ О.П. Шураев, канд. техн. наук, доцент ФБОУВПО «ВГАВТ»
603005, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а
ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ В ТРЕНАЖЁРАХ УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ
В статье сформулированы характерные признаки имитационной модели, используемой в математическом ядре тренажера. Показана взаимосвязь имитационной модели отдельно взятой судовой системы с остальными модулями тренажера.
Ключевые слова: компьютерный тренажер управления судовыми энергетическими установками, математическая имитационная модель, математическое ядро тренажера
Рассматривая комплекс оборудования, образующий судовую энергетическую установку (СЭУ), отметим, что одними из наиболее широко распространенных систем являются системы, которые распределены не только по машинному помещению судна, но и по всему судну. Для этих систем имеет значение протяженность пути между элементами системы. Назовем такие системы распределенными. Вместе с тем, параметры, характеризующие такие системы, в практике эксплуатации и инженерных расчетов принято рассматривать осредненными и поставленными в соответствие элементам системы. Далее в статье будут рассмотрены модели именно таких распределенных систем с сосредоточенными параметрами. Эксплуатация подобных систем отличается достаточно частым изменением направления потоков рабочих сред (переключением) и изменением параметров потока (регулированием). Вмешательство в работу таких систем происходит со стороны оператора, системы автоматического регулирования и случайных воздействий со стороны внешней среды.
В тренажере управления судовыми энергетическими системами (далее «в тренажере») имитационные модели судовых систем образуют его математическое ядро. Математическое ядро работает с различными типами интерфейса тренажера (мнемо-схемный, аппаратный), а также в различных режимах (многопользовательский режим работы, режим «оператор - инструктор», автоматический режим работы). Такая работа математического ядра организована посредством общение с другими модулями исключительно через пространство переменных системы (III 1С). Пространство переменных состоит из множества условий (параметров) однозначности, множества управляющих коэффициентов, множества параметров состояния и множества пара-
метров процессов. ППС системы представляет собой ее информационный образ, знание которого позволяет воспроизвести состояние системы и характер процессов в ней протекающих. Схема работы математического ядра в тренажере представлена на рис. 1.
Под окружением математического ядра подразумеваются программные модули тренажера, имеющие возможность изменять переменные из ППС: интерфейс обучаемого, интерфейс инструктора и др.
Сформируем характерные признаки имитационной модели, позволяющие эффективно использовать ее при построении и эксплуатации математического ядра в составе тренажера управления судовыми энергетическими системами.
Интерактивность модели. Имитационная модель должна обладать возможностью «общения» со своим окружением. Интерактивность модели достигается использованием в качестве входов и выходов переменных из ППС.
Диапазон моделирования. При построении имитационных моделей разработчики обычно стараются отобразить поведение реальной системы в каких-то разумных с их точки зрения диапазонах. В то же время, в ряде задач целесообразно не ограничивать область моделирования какими-либо рамками. То есть, модель при этом ведет себя так, как повела бы себя в этих условиях реальная система. Если по каким-либо причинам система оказалась в предаварийном или аварийном состоянии, то и ее имитационная модель должна адекватно воспроизводить эту ситуацию, а не прекращать счет с выдачей сообщения об аварийном завершении моделирования. Исключением из этого, на наш взгляд, может быть лишь полное разрушение (уничтожение) моделируемого объекта. Во всех остальных случаях имитационная модель должна продолжать правильное функционирование. Можно ввести термин «живучесть» имитационной модели как характеристику отношения количества аварийных или близких к ним ситуаций, при которых имитационная модель продолжает правильно функционировать, к общему количеству аварийных ситуаций. Действительная живучесть модели определяется на этапе тестирования имитационной модели.
Например, значительное повышение давления внутри емкости под давлением способно привести к разрыву ее оболочки и появлению сообщения с атмосферой. В этом случае манометр, показывающий давление внутри этой емкости, должен отоб-
программное обеспечение тренажера
имитационные модели судовых систем
Рис. 1. Схема работы в тренажере математического ядра, состоящего из п имитационных моделей судовых систем
К.В. Марков, О.П. Шураев
Имитационные модели в тренажёрах управления судовыми энергетическими системами
ражать численное значение атмосферного давления. То есть, при разрушении емкости не выдается какого-либо сообщения оператору о прекращении счета, моделирование продолжается, и только контроль показания приборов (внезапное падение давления) подскажет оператору, что в системе произошло внештатное событие. В этом случае живучесть математической модели обеспечивается присутствием специального математического объекта, неотображаемого на мнемосхеме оператора, который играет роль клапана, самостоятельно открывающегося при повышении давления в емкости выше предельного.
Открытый интерфейс. Для СЭУ современного судна характерно множество систем различного назначения. Некоторые системы могут быть разделены на отдельные подсистемы или, наоборот, объединены в рамках некоторой макросистемы. При построении имитационной модели отдельной системы следует учитывать это обстоятельство. То есть имитационная модель должна обладать открытым интерфейсом, позволяющим как интегрировать имитационную модель в состав математического ядра тренажерного комплекса, так и использовать необходимую часть модели для каких-либо локальных задач. Можно заключить, что математическое ядро тренажерного комплекса состоит из некоторого множества имитационных моделей, взаимодействующих между собой посредством набора правил, определяющих открытость интерфейса. Такой подход с одной стороны позволяет облегчить разработку и отладку моделей, а с другой обеспечивает гибкость при определении состава имитационных моделей в тренажерных комплексах различного назначения.
Модульный принцип построения. Имитационная модель обычно разрабатывается не под конкретную систему, а как модель некоторого класса систем. Вместе с тем, одинаковые системы судов одинакового назначения, тем не менее, могут различаться по составу и/или типу используемого оборудования. Поэтому необходимо, чтобы имитационная модель обладала модульной структурой. Она обеспечивается разделением описания структуры, состава системы и поведения отдельных элементов. Структура и состав описываются системой топологических уравнений, а элементы - компонентными уравнениями. При изменении состава или структуры рассматриваемой судовой системы изменяются только топологические уравнения. Компонентные уравнения не зависят от состава и структуры системы, а определяют взаимосвязь параметров моделируемого элемента.
Переход от имитационной модели класса систем к модели конкретной системы должен осуществляться путем инициализации условий однозначности: геометрических характеристик, физических параметров, граничных условий. Для окончательного определения состояния системы задаются начальные условия: значения управляющих коэффициентов, параметров состояния и, в ряде случаев, параметров процессов.
Процессы построения имитационной модели показаны на рис. 2.
Построение топало* ической модели _ системы Построение параметрической модели ~ системы Модель класса _ систем Инициализация условий — однозначности Инициализация начальны* ^ условии — Модель конкретной "^системы
Рис. 2. Процессы построения имитационной модели
Динамичность модели. Имитационная модель должна быть динамической, то есть работать во времени. Для моделирования переходных процессов в системе необходимо, чтобы в системе присутствовали элементы, способные аккумулировать массу и/или энергию. Тогда компонентные уравнения отображают работу элементов с учетом инерции процессов, происходящих в этих элементах. Одним из наиболее часто используемых режимов моделирования является моделирование в реальном времени. В ряде случаев, когда характерное время процесса исчисляется несколькими часами
или десятками часов, требуется возможность функционирования модели во временном режиме, отличном от реального.
Фундаментальность математического описания. Топологические и компонентные уравнения строятся на основе фундаментальных физических законов, что позволяет моделировать все режимы и все состояния судовых систем, в том числе неработающих (выключенных) и аварийных. Построенная таким образом имитационная модель способна отобразить не только изначально запрограммированные режимы, но и режимы, которые не предусматривались на этапе проектирования.
Адаптация к автоматизации построения. Для судовой системы характерна сложная структура и значительное количество органов управления, что приводит к необходимости решения системы, состоящей из большого количества топологических уравнений. Построение таких систем вручную достаточно трудоемко и чревато ошибками, выявление которых составляет значительную долю времени при создании имитационной модели. Минимизация количества типов объектов, используемых при построении модели, порождает ограниченный набор компонентных уравнений. Это создает предпосылки для автоматизации процесса построения топологических уравнений, а затем, используя библиотеку компонент, для комплексной автоматизации процесса построения имитационной модели. Автоматизация разработки имитационной модели существенно снижает затраты на производство модели и снимает ограничения на насыщенность системы оборудованием. Единственным ограничением остается только производительность средств моделирования (например, вычислительных).
Имитационные модели, обладающие признаками, перечисленными в данной статье должны существенно снизить себестоимость изготовления тренажеров данного типа, сделать их более доступными для учебных заведений. Кроме того, использование таких имитационных моделей позволяет существенно расширить возможности инструктора за счет расширения возможностей окружения математического ядра.
Список литературы:
[1] Бердников В.В. Прикладная теория гидравлических цепей. - М: Машиностроение, 1977. -192 с.
[2] Войткунский Я.И. и др. Гидромеханика: Учебник. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л: Судостроение, 1982. - 456 с., ил.
[3] Магид С.И., Ибрагимов И.М. Моделирование энергетических систем. - М.: Аппарат, 2002. -202 с.
[4] Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. - М.: Высшая школа, 1980. - 390 с.
[5] Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. - 2-е изд. - Харьков: Техшка, 1977. -768 с.
SIMULATION MODELS IN THE ENGINE ROOM SIMULATION
K. V. Markov, O.P. Shurayev
This article defines the features of a simulation model used in the mathematical core of the simulator. Shows the relationship of a single ship system simulation model with other the simulator modules.
