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轮机模拟器 漫漫研发路

作者:吴恒 来源:校友回忆录 编辑:杨文薇 摄影: 添加时间:2017-06-05 10:10 阅读次数:

 


  1979年郑克钊系主任正在筹划从挪威Norcontrol引进轮机模拟器一事。2月我任副系主任后给予全力支持和配合。从制定轮机模拟器的技术要求,进行技术谈判和商务谈判,组织接机人员等,都是郑老师亲自安排的。

  国际海协(IMCO)于1978年9月成立了国际船舶模拟器组织(IMSF)来研究制造和运用船舶模拟器对船员进行培训与考核。我院引进的轮机模拟器,当时是世界上为数不多的模拟器,是我国引进的第一套轮机模拟器。它以一艘16万吨油轮机舱动力装置为母型,主机为B&W K90GF,是电子计算机和数学模型相结合的产物。电子计算机为NORD-42型,数学模型用软磁盘输入。

  庞大的接机组

  1979年秋,学校组织了赴挪威接收轮机模拟器的教师队伍,有浦宝康老师、陈宫甫老师、于佑宗老师、张国树老师和杨美媚老师(翻译)。在Norcontrol公司历时100天进行接机工作,实际上也是一种培训。

  轮机模拟器实验室隶属于轮机自动化教研室,实验室主任马毛茂领导实验室的规划、布局和安装。Norcontrol公司派人随机前来安装和调试。

  设备安装完毕后,安装工程师回国了,除于佑宗还留在实验室,其他接机组老师都回到了原来的教研室。轮机模拟器处于长期停机状态,无法安排学生进行试验和培训。

  接机组的老师都是轮机自动化和船舶电气方面很有造诣的学者、某个专业领域的专家,但都没有轮机长的适任资质,正如造船专家、造机专家不能开动轮船一样,他们也难以将整套机舱模拟器按照实船的各种航行工况运转起来。特别是各种机舱设备大量的故障设置与分析,更是涉及轮机管理科学的深层次内容,对接机组老师来说也是比较陌生的。正如海事部门明文规定,没有轮机长的船舶是不适航船舶,禁止航行作业一样。

  实操轮机模拟器全部功能的第一人

  我作为副系主任,主管实验室建设工作,对轮机模拟器不能发挥教学作用,心中十分着急。特别是一年的保修期限快要到了,提不出保修意见,也让郑克钊主任着急。

  当时我不懂软件技术,对纸带打孔的软件编程感到神秘,但我仅以轮机长的眼光,视模拟器为一套油轮机舱的动力装置系统。征得系主任同意,我毛遂自荐前往实际操作,体验轮机模拟器的“神奇”功能。

  在于佑宗的密切配合下,首先进行操作试验,其备车操作程序和实船完全一致。如在瘫船状态下,按实船程序操作各有关设备,启动并正常运转,最终达到主机运转状态;如出港后定速航行时的操作:废气锅炉供气,使冷凝器工作,启动蒸汽透平发电机,并电操作;燃油舱加热;启动燃油和滑油分油机;轻油转换为重油等。如启动蒸汽透平发电机也有复杂的操作程序和模拟实船的10多项具体操作步骤等。我们不仅验证操作程序是否符合实船要求,还要检查各种物理参数,如压力、温度、功率、转速、阀门开度、粘度等是否与工况变化相一致。


  该模拟器设置有456项故障,以训练学生的判断分析能力。逐项检查故障设置的软件程序是否合理,必须事先对其故障现象心中有数,才能在不同仪表上观察其参数变化,进行判断分析。如船体脏污,就要检测和对比船速、主机转速、主机轴功率、平均指示压力、主机效率、排气温度、主机油门(负荷指示器)、气缸冷却出口温度、燃油流量等各种参数的变化。完成456项试验历时约2个月,也培训了实验员胡秀琴、杨建社、张惠泽等。

  其中有5项故障设置,我反复操作都达不到预期效果,保修时Norcontrol工程师也束手无策,还是我和郑克钊老师帮他们修改了软件程序,才符合设置要求。

  根据上述实操情况和积累的测试资料,于佑宗老师等编制了学生实验大纲,对轮77和电77级学生开始进行轮流教学。后来唐克嶂、郑克钊老师还承办了几次世界海事大学远东地区国际海员模拟器培训班。使学校声名大振。

  通过对轮机模拟器的实际应用,对它产生了浓厚兴趣。根据测试记录,我撰写了一篇文章《轮机模拟器在教学上的应用》,刊登于《大连海运学院学报》(1983·第I期)。后经于佑宗译成英文,收录于1984年在荷兰鹿特丹举行的船舶模拟器第三届国际会议论文集(MARSIM 84)。

  研制开发误入歧途

  大凡从国外引进高新技术重大项目,都要进行消化吸收、再走自主研发之路。当时无人倡导和组建研发队伍。自知才疏智浅、身单力薄,虽年轻好胜,空有奇想而不便张扬。与有的接机老师商谈此事,原来也想藉接机优势,试图破译软件编程之谜,几经探索竟知难而退。由此看来科研是无捷径的!

  后来交通部将日本援华项目中的船舶模拟器计划项目转给大连海运学院,更加淡化了自主研发的意识。

  几年之内频频接待日本船舶模拟器制造商(如三井、三菱、石川岛播磨、JRC等)来校商谈有关模拟器的技术方案事宜,但迟迟未被列入援助执行计划。后经司玉琢院长努力,得到国家领导人的关注,突然提前到次年执行。日本政府对此十分敏感。可悲的是一个小小模拟器项目竟沦为中日两国间政治气候的交易筹码,该项目在援助计划中被取消了。这无疑强化了自主研发的决心。

  指导研究生、聚集研发力量


  1986年后我利用系主任和副教授的资源优势,指导研究生逐渐积累技术资料和人力资源。研究方向主要是远洋船舶柴油机故障诊断专家系统和船舶动力装置仿真系统。

  其中柴油机故障诊断专家系统,经过研究生罗恒、高强和吴宛青教授的共同努力,日臻完善,得到青岛远洋公司和学校等教学上的应用,获辽宁省教学成果一等奖,被学校认定为“九五”期间“211工程”建设的标志性成果之一。

  轮机模拟器各子系统的仿真系统已有多位硕士生、博士生分别进行研究和撰写学术论文,表明我们已经聚集了部分技术力量,走上了自主研发之路。从外部形势来看,武汉交通科技大学高孝洪教授为课题组长,与亚洲仿真控制系统工程有限公司合作,自1990年向交通部教育司报请研制轮机模拟器立项和拨款,至1995年完成了“WMS-1型远洋船舶轮机仿真训练器”的研制。1995年5月交通部教育司陈永宽司长主持专家组验收,程景琨副司长任组长,我任副组长兼测试组长;1995年12月交通部科技司张德洪司长主持部专家组进行技术成果鉴定,鉴定委员会主任林祖乙副部长、我任副主任。我为兄弟院校的成就高兴之余,唯有惭愧和无奈!有兄弟院校的榜样,有引进先进模拟器的使用经验,有轮机管理科学的优势,唯有奋起直追!

  藉“211工程”建设第一阶段工程立项之机,经我努力争取将轮机模拟器研制项目列入了“211工程”。后因年高离开轮机工程学院院长职位,专以博士生导师为业,继续指导研究生开发轮机仿真系统,一心钻研数学模型仿真建模,不闻行政凡尘之事。后继的年轻院长们频频更换需建业绩,原来院长挂帅另组建了轮机模拟器研制组,并兼组长,但历经年余毫无动作,连初步技术方案也没有。1997年司玉琢校长检查工作发现了问题,令研制组速向“211办公室”提交研制方案进行审查。研制组利用我提供的武汉资料,编写了一份研制方案,当司校长问其研制水平如何时,坦然承认不如武汉交通科技大学模拟器水平。

  司校长屈尊到我家促膝相谈,动员我组建轮机模拟器研究室并任主任,许诺解决办公地点和人力调配等难题。孙培廷教授留学回校不久,十分愿意参加研究室研制工作,给我很大鼓励。但轮机工程学院要安排孙培廷当教研室主任,不同意他参加研制工作。朱绍庐老师培养的博士郭晨教授对轮机模拟器研究也颇有兴趣,还向我推介了不少有关虚拟现实的研究成果。

  轮机模拟器研制成功

  是否担当一项重大研制项目,除了个人的条件和奉献精神外,必须具备三个外部条件作为坚强后盾。其一有领导的认可和支持;其二有经费和财权;其三有人才和梯队。我校多年来一直不齐备这三个条件。

  司校长的真诚和期待,深深地感动了我。特别是在困难的关键时刻,都是司校长出面相助。如无启动经费不能上船收集实船图文资料,就特批一个专款经费本交给我使用;如无办公地点,就与轮机、航海两个学院相商,解决了研究室立身之处,后来在科学会馆规划中给出了半层楼的轮机模拟器实验室面积;如人力不足,就协商调配。若无领导支持真是寸步难行。

  轮机模拟器“211工程”项目经费为400万元,有了充足的经费,还有校主管领导对经费的严格管理。如领导时常告诫,211经费是要买一套轮机模拟器设备,不是研究费用,更不是出差费用!使我非常谨慎地动用每一笔钱,保证项目的健康发展。如领导还提醒,采用高新技术不要高射炮打蚊子!使我运用虚拟现实技术时更要脚踏实地地不图虚名,不拿高新科技唬人,使虚拟现实机舱具有动态视景和真实感。

  有郭晨教授加盟,有史成军副教授、孙才勤副教授、张惠泽工程师等参加;还有我的几位博士生、硕士生彭水生、孙建波、温宇钦、高强等骨干力量。一个精干的轮机模拟器研究室梯队组成了。

  研究室成立后,我和郭晨立刻规划研制方案,向“211办”提供了《智能化轮机仿真器总体设计与系统结构方案》、《智能化轮机仿真器功能及系统结构》两套文件,请求审定。

  1997年12月23日“211办”主持专家组评审,专家组长为清华大学孙增圻教授,专家有贾欣乐教授、郑克钊教授、梁德群教授、浦宝康教授、大远张宏高工、海事局徐正兴、钱闵高工等。专家组对研制方案提出的以6万吨油轮机舱和MAN-B&W 6S60MC主柴油机为母型船;采用虚拟现实VR技术实现可视化机舱;开发VGA墙组合大屏幕仿真显示系统等都给予肯定和认可。

  研究室根据领导批复的“211工程”建设初设调整方案,自1998年6月正式启动研发工作,历时两年半完成了研制任务。主要研制项目和人员情况如下:(1)主柴油机仿真子系统、发电柴油机仿真子系统、燃油系统等由彭水生完成;(2)主柴油机遥控子系统、机旁控制系统、船机桨推进系统、压缩空气系统、分油机系统等由孙建波完成;(3)废气涡轮增压系统、中央冷却水系统仿真由温宇钦完成;(4)系统总体结构设计、驾驶台与教练台控制系统、滑油系统、VGA墙组合大屏幕显示系统等由史成军完成;(5)船舶电站仿真子系统由孙才勤完成;(6)模拟器盘台硬件设计制作由张惠泽、聂延生完成;(7)硬件系统安装、调试由李辉完成;(8)锅炉和蒸汽系统由汪思源的研究生完成。上述各子系统的系统结构、仿真建模、功能参数和界面设计等都少不了我的参与和反复修改调整。郭晨的研究生沈智鹏协助史成军完成了巡回检测与报警仿真系统,其它研究生还参与了同步表仿真研制和电站系统编程工作。

  虚拟现实仿真机舱是与清华大学合作完成的。但清华大学对机舱和柴油机结构太外行了,所有3D图像都是我们制作提供的。其中主柴油机的三维立体模型是孙建波的轮97本科生周宝钥完成的。他酷爱多媒体技术,在孙建波和我的指导下辛勤钻研数月,绘制出数千个柴油机零部件图,组装成非常精美、真实的柴油机立体可透视模型,共计140多万面片。可惜清华大学采用的VR技术WTK软件的数字化运算速度不够,一再简化三维模型,只保留成20多万面片。

  为制作虚拟现实机舱,我3次带领有关人员上“大庆91”、“大庆94”和“奋进海”轮录制图像资料。其中“奋进海”轮是我和郭晨带领清华大学博士生李实(原是本校任光教授的硕士生)和电教室高登立去完成的,当时数码相机刚面世不久,用数码相机拍了数千张机舱相片,采用贴图技术配合柴油机模型完成了机舱漫游的建模。

  郭晨教授执教于自动控制教研室,虽非轮机本科生,却是轮机自动化的硕士和博士,但非常谦恭,作为研究室副主任,多次向大家表示:“自己不是搞轮机的,不是搞轮机模拟器的”,也很少过问轮机模拟器的具体技术问题,但却能适时组织大家撰写论文,总结和发表阶段性研究成果。更让我称奇的是他的高瞻远瞩,在我们二人草拟的轮机模拟器研制方案被专家组审查通过后,他立即申报自然科学基金项目《基于虚拟现实技术的船舶轮机仿真系统的研究》,为下一步发展和报奖打下基础。他具有系统总体设计、组织实施、文档编写的出众能力,使我可放心退休。

  出于个人原因,我在1998年12月31日申请退休,并向领导承诺退而不休,保证完成轮机模拟器的研制工作。退后照常上班,继续指导各子系统的研制工作,直到2003年才基本退下来。

  通过大家辛勤工作,大连海事大学自主研制的第一台DMS-2000型轮机模拟器诞生了。2001年1月16日,大连海事大学“211工程”办公室,组织验收专家组进行了验收。认为“轮机模拟器分实验的建设已基本完成了‘211工程’初设调整方案中所规定的相应内容及目标。特别是,应用虚拟现实技术研制轮机模拟器方面的成果处于国内外领先水平并填补了国内外空白。”同年6月11日辽宁省科技厅对该项省科学技术基金项目的研究成果进行了技术鉴定。鉴定委员会认为“该成果在国内处于领先水平,在轮机仿真器中成功应用先进的基于虚拟现实的可视化交互仿真技术方面达到了国际先进水平”。

  后来该项目获大连市政府科学技术进步奖一等奖、辽宁省科学技术奖二等奖和清华大学申报的教育部科技成果鉴定,我也分享和荣获了上述荣誉证书。

  助推研究成果产品化

  青岛远洋船员学院王本明教授是参加该项目验收的专家,对该成果甚感兴趣。青院对实践教学非常重视也甚合吾意,2001年就开始筹款准备研制模拟器,2002年3月正式启动,成立课题组,以“研制国内外一流水平轮机模拟器”为目标,以第5代集装箱船COSCO ROTTERDAM(5446 TEU)机舱为仿真母型。2002年2月获得中远COSCO ROTTERDAM轮全套实船技术资料。课题组出于对我的信任,邀我到青院和课题组一起共同阅读消化实船资料;挑选出与轮机模拟器研制所需的资料进行复印;到青岛港参观COSCO ROTTERDAM轮,拍摄机舱图片,录制音响资料等。3月至5月我在青院工作二个多月,协助其制订了轮机模拟器软件系统14个子系统的功能技术要求。于2002年6月青院与大连海事大学郭晨签订了仿真软件的开发合同,硬件盘台部分由青院自己开发。青院设计的超大型MIMIC板经我审查,修改了一百多个不当之处。

  有趣的是退休的我竟充当了真实版的“一仆二主”角色。回大连后又按照青院提出的14个子系统仿真功能技术要求,帮助和指导大连海事大学轮机模拟器研究室去完成开发合同。青院要求很高,一切都要求按实船系统功能进行建模仿真,仿真度大为提高,大多数系统达到全功能仿真要求。如电站系统与实船功能完全一致,实现了触摸屏和计算机电站管理系统;如主柴油机MAN-B&W 10L90MC和5叶螺旋桨仿真建模,实现了AUTO-CHIEF 4主机遥控系统全功能仿真;史成军研发的仿真平台大大提高了各动力系统的仿真精度。因彭水生移居国外,主柴油机数学仿真模型中的轴系扭振、轴向振动、换向反馈信号和NK-100工况监测系统中的泵油压力曲线等由我给予完善。同时我还亲自设计了外部条件(运行环境)的各种功能设置:如海水流速/流向设定、船舶航向设定、船舶吃水设定、海浪设定、风力设定、风向设定、大气压力设定、海水温度设定、环境温度设定、大气湿度设定等。

  通过对第5代集装箱船轮机模拟器仿真软件的开发,孙建波、史成军、孙才勤的软件开发能力大有提高,日臻完善。建立的精细数学仿真模型,基本达到全功能仿真要求,仿真变量总数达到56956个,单项故障设置数为4363个,多媒体主界面337个。2005年11月交通部组织的专家技术鉴定认为“在轮机模拟器由仪表仿真到实现全功能仿真方面处于国际领先水平”。

  该型号轮机模拟器受到用户好评,在激烈竞争情况下,经郭晨教授等的努力,至今已经推出8套大型轮机模拟器和3套小型单机版轮机模拟器软件。

  遗憾的是近十年来我未曾关注过该轮机模拟器的继续发展问题,对其推广应用的成就而欣喜,也对其技术提高的举步不前而惋惜,挥之不去的是深深的自责!

  近来孙建波教授(博士生导师)正率众将轮机模拟器与智能化船员考试系统结合起来,提高培训、命题、评分的智能化管理水平,又感到十分欣慰!


  吴恒:1956年考入大连海运学院船舶动力装置专业,1960年留校于内燃机教研室任教,曾任教学实习船轮机长、轮机系主任、轮机工程学院院长。曾获交通部全国交通教育先进教师、交通部全国交通系统优秀教师荣誉。教授、博士生导师,享受国务院政府特殊津贴。



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