Beata Borkowska, Halina Kolenda

Leonard Tomczak
Akademia Morska w Gdyni
Z
SYMULATOR SIŁOWNI OKRĘTOWEJ TYPU MED3D
ZASTOSOWANIEM WIZUALIZACJI TRÓJWYMIAROWEJ
Artykuł przedstawia przykład zastosowania nowej generacji symulatora siłowni okrętowej z zastosowaniem wizualizacji trójwymiarowej, opartego na nowoczesnej, komputerowo sterowanej siłowni
statku typu kontenerowiec z silnikiem głównym średnioobrotowym. Symulator typu MED3D, opisany
w artykule, jest przykładem nowego rozwiązania nawigacji poprzez różne elementy siłowni,
umożliwiającej łatwą i szybką realizację podstawowych czynności obsługowych (otwieranie/zamykanie zaworów, ustalanie pozycji przełączników, przycisków itp.). W symulatorze tym wykorzystano
najnowsze rozwiązania wizualizacji trójwymiarowej połączonej z techniką zbliżeniową. Symulator
typu MED3D zawiera również połączenie wizualizacji trójwymiarowej z dwuwymiarową prezentacją
schematów instalacji siłowni. Połączenie to umożliwia zrozumienie funkcjonowania poszczególnych
elementów siłowni i ich całościowej struktury. Głównym celem stosowania wizualizacji trójwymiarowej jest maksymalnie zbliżenie symulowanych urządzeń okrętowych do rzeczywistego obiektu.
1. WPROWADZENIE
Nowoczesne systemy sterowania i nadzoru siłowni okrętowych współcześnie
budowanych statków pozwalają na znaczną redukcję liczby załogi maszynowej.
Ograniczenie załogi doprowadziło jednocześnie do likwidacji wielu stanowisk, które
były etapem pośrednim w szkoleniu, umożliwiającym uzyskanie stanowisk oficerskich.
Mechanicy okrętowi zarówno na szczeblu kierowniczym, jak i operacyjnym
nie dysponują obecnie odpowiednim czasem na szkolenie przyszłych załóg maszynowych podczas eksploatacji statku. Stosowana dotychczas na statkach tradycyjna
metoda stopniowego przekazywania umiejętności obsługowych od praktykanta do
starszego mechanika, wymagająca długiego okresu szkolenia, jest coraz rzadziej
wykorzystywana. W związku z tym podstawowy obowiązek szkolenia przyszłych
mechaników okrętowych powinny w coraz większym stopniu przejmować szkoły
morskie [9].
O tym, że proces kształcenia mechaników okrętowych nie zawsze jest prawidłowy, świadczą analizy przyczyn awarii w siłowniach okrętowych, z których
wynika, że w około 80% wypadków winna była niewłaściwa obsługa. Sytuacja ta
spowodowała, że szkolnictwo morskie zostało zmuszone do poszukiwania coraz to
bardziej efektywnych i doskonalszych sposobów kształcenia, a także egzaminowania załóg maszynowych.
L. Tomczak: Symulator siłowni okrętowej typu MED3D z zastosowaniem...
15
Stosowanie symulatorów komputerowych to jedna z nowych form kształcenia
i sprawdzania nabytych umiejętności w eksploatacji maszyn i urządzeń okrętowych. Szkolenie na symulatorach siłowni okrętowych odgrywa obecnie niezmiernie ważną rolę w nabywaniu przez przyszłego operatora właściwych umiejętności
obsługowych [4, 5, 6].
2.
STOSOWANIE
SYMULATORÓW
SIŁOWNI
OKRĘTOWEJ
Podstawową wadą dotychczas stosowanych rozwiązań symulatorów siłowni
okrętowych jest ich duże uproszczenie i brak związku z czynnościami obsługowymi wykonywanymi w rzeczywistej siłowni. Dotyczy to szczególnie obsługi
wykonywanej ręcznie przez operatora w różnych pomieszczeniach siłowni, takich
jak otwieranie/zamykanie zaworów, uruchamianie/zatrzymywanie mechanizmów
itp. Czynności te są wykonywane umownie za pomocą przycisków na panelu
mimicznym lub za pomocą kliknięcia myszką na ekranie monitora komputera.
Panel mimiczny stosowany w symulatorze siłowni okrętowej wykonanej
w Uniwersytecie Morskim w Szanghaju pokazuje rysunek 1, natomiast na rysunku 2
przedstawiono przykład symulatora siłowni okrętowej z wizualizacją dwu-wymiarową schematów instalacji okrętowych.
Rys. 1. Panel mimiczny symulatora siłowni okrętowej SMSC-2007 wykonanego
w Uniwersytecie Morskim w Szanghaju
16
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009
Rys. 2. Przykład symulatora siłowni okrętowej z wizualizacją dwuwymiarową
(schemat instalacji paliwowej)
Przyszły mechanik okrętowy, właściwie przeszkolony na symulatorze, może
mieć poważne kłopoty w obsłudze rzeczywistego urządzenia, gdyż wizualizacja
symulatora jest daleka od rzeczywistego środowiska siłowni. Schematy siłowni
okrętowej prezentowanej na panelu mimicznym lub ekranie komputera umożliwiają łatwą lokalizację ważnych z punktu widzenia eksploatacji siłowni elementów, takich jak zawory, zbiorniki, panele kontrolno-sterujące. W rzeczywistej
siłowni elementy te są rozmieszczone w różnych jej pomieszczeniach, na wielu
poziomach i ich lokalizacja jest w znaczny sposób utrudniona w stosunku do
sztucznej, umownej konfiguracji przedstawionej w formie schematu w symulatorze. Problem uproszczenia czynności obsługowych wykonywanych przy użyciu
symulatorów siłowni okrętowej w stosunku do rzeczywistej siłowni był wielokrotnie podnoszony przez instruktorów prowadzących zajęcia na tego typu urządzeniach [1].
Jednym z możliwych rozwiązań zbliżających symulator do rzeczywistego
otoczenia siłowni okrętowej jest zastąpienie dwuwymiarowego panelu mimicznego
rzeczywistymi elementami siłowni okrętowej włącznie z silnikiem głównym,
zespołami prądotwórczymi oraz innymi ważnymi mechanizmami pomocniczymi.
Jedyny na świecie taki symulator siłowni okrętowej z silnikiem głównym wolnoobrotowym powstał w Akademii Morskiej w Singapurze, przy współpracy z firmą
Kongsberg Maritime AS z Norwegii [3].
L. Tomczak: Symulator siłowni okrętowej typu MED3D z zastosowaniem...
17
Elementy symulatora umieszczono na trzech poziomach, podobnie jak w rzeczywistej siłowni okrętowej. Koncepcja połączenia rzeczywistych elementów siłowni
okrętowej znacznie zwiększyła efektywność szkolenia na tym symulatorze (rys. 3).
Rys. 3. Widok ogólny symulatora siłowni okrętowej w Akademii Morskiej w Singapurze [3]
W przypadku symulatora typu SMSC-2007 opracowanego w Uniwersytecie
Morskim w Szanghaju siłownia okrętowa stanowi bierny model elementów w skali
1:2 (rys. 4). Rozwiązanie to nie umożliwia jednak wykonywania podstawowych
czynności obsługowych, takich jak otwieranie/zamykanie zaworów, zmiana nastaw
regulacyjnych itp., w pomieszczeniu siłowni.
Rys. 4. Model elementów siłowni okrętowej symulatora SMSC-2007
wykonanego w Uniwersytecie Morskim w Szanghaju
18
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009
Podstawową wadą tego typu rozwiązań symulatorów, wykorzystujących
rzeczywiste elementy siłowni okrętowej lub też ich modele, jest:
• wysoki koszt budowy związany z instalacją elementów siłowni i interfejsów,
• konieczność posiadania budynku o znacznych gabarytach,
• odniesienie tylko do jednego wybranego rozwiązania siłowni i ograniczone możliwości adaptacji do nowszych rozwiązań.
Ograniczenia te spowodowały, że jedynie kilka uczelni morskich na świecie
zdecydowało się na budowę symulatorów połączonych z rzeczywistymi elementami siłowni okrętowej czy też ich modelami.
Rozwój procesorów i kart graficznych komputerów osobistych oraz szeroka
dostępność programów do tworzenia aplikacji trójwymiarowych powoduje, że
twórcy symulatorów siłowni okrętowych coraz częściej zaczynają stosować techniki prezentacji trójwymiarowej, tak aby stworzyć dla ćwiczącego realistyczny
obraz otoczenia siłowni.
Podstawowym wyzwaniem i problemem do rozwiązania przez twórców symulatorów komputerowych jest stworzenie odpowiedniej architektury z wykorzystaniem wizualizacji trójwymiarowej, zapewniającej właściwą nawigację poprzez
elementy siłowni oraz łatwy dostęp do elementów wymagających zmian nastaw
(otwarcia/zamknięcia zaworów, przełączników, operowania panelem kontrolnym
itp.). Jest to zadanie niezmiernie trudne ze względu na złożoność i rozmieszczenie
elementów siłowni na różnych poziomach.
W przypadku obsługi siłowni okrętowej głównym celem symulatora powinno
być zapewnienie procedur obsługowych i lokalizacji różnego rodzaju komponentów, ważnych z punktu widzenia eksploatacji siłowni. Otoczenie siłowni okrętowej z różnymi elementami sterującymi i kontrolnymi powinno być łatwo dostępne dla ćwiczącego w celu jego szkolenia oraz sprawdzenia nabytych przez niego
umiejętności.
Na rysunku 5 przedstawiono prezentację trójwymiarową siłowni okrętowej
wykonaną przez firmę TRANSAS (Rosja) [10]. Poruszanie się po siłowni odbywa
się poprzez kliknięcie myszą na zestaw przycisków kierunkowych przemieszczania
(pokazany w dolnym prawy rogu – rys. 5). Nawigacja poprzez elementy pomieszczeń siłowni jest bardzo czasochłonna i ćwiczący na symulatorze może mieć
kłopoty z określeniem położenia poszukiwanego mechanizmu.
W rozwiązaniu tym podstawowe czynności obsługowe nie są realizowane
w rzeczywistym otoczeniu siłowni, lecz na wydzielonym od prezentacji trójwymiarowej panelu. Panel taki, umieszczony w dolnej części prezentacji trójwymiarowej,
przedstawia rysunek 6. Umożliwia on wybór pomieszczenia siłowni, obserwację
parametrów pracy na wskaźnikach analogowych, uruchamianie/odstawianie urządzeń za pomocą przycisków na lokalnych panelach sterujących oraz otwieranie/zamykanie wybranych zaworów. Czynności obsługowe wykonane na takim
panelu nie oddają w pełni rzeczywistego otoczenia siłowni, ponieważ nie jest on
bezpośrednio związany z urządzeniem, którego dotyczy.
L. Tomczak: Symulator siłowni okrętowej typu MED3D z zastosowaniem...
Rys. 5. Trójwymiarowy symulator siłowni okrętowej
firmy TRANSAS (Rosja) [10]
Rys. 6. Trójwymiarowy symulator siłowni okrętowej z panelem kontrolno-sterującym,
firmy TRANSAS (Rosja) [10]
19
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009
20
W innym rozwiązaniu trójwymiarowego symulatora siłowni okrętowej, przedstawionego na rysunku 7, opracowanego przez firmę Kongsberg Maritime AS (Norwegia) przy współpracy z Instytutem Morskim Villem Barentsz w Terschelling
w Holandii, nawigacja poprzez poszczególne pomieszczenia siłowni prowadzona
jest przy użyciu sprzętowego drążka wyboru kierunku przemieszczania [2]. Podobnie
jak w rozwiązaniu firmy TRANSAS nawigacja poprzez elementy siłowni jest kłootliwa i wymaga sporo czasu na dotarcie do określonego urządzenia. Panele konrolno-sterujące umieszczone są w pobliżu właściwych urządzeń.
Rys. 7. Trójwymiarowy symulator siłowni okrętowej firmy Kongsberg Maritime AS,
przy współpracy z Instytutem Morskim Villem Barentsz w Terschelling (Holandia) [2]
3.
Z
OPIS SYMULATORA
WYKORZYSTANIEM
SIŁOWNI OKRĘTOWEJ TYPU MED3D
WIZUALIZACJI TRÓJWYMIAROWEJ
W symulatorze typu MED3D uwzględniono wieloletnią obserwację zachowań
studentów odbywających ćwiczenia na różnego rodzaju symulatorach siłowni
okrętowych, zarówno pełnozadaniowych typu sprzętowego, jak i symulatorów
w formie programów komputerowych wraz z analizą uzyskiwanych przez nich
wyników [7, 8].
Założenia ogólne nowego symulatora siłowni okrętowej typu MED3D:
1) Nauczanie i doskonalenie podstawowych czynności obsługowych w nowoczesnej, wspomaganej komputerowo, siłowni okrętowej.
2) Symulator wykorzystuje prezentacje trójwymiarowe, tak aby otoczenie siłowni
było oddane w sposób maksymalnie realistyczny.
L. Tomczak: Symulator siłowni okrętowej typu MED3D z zastosowaniem...
21
3) Czynności obsługowe wykonywane są następująco:
a) w pomieszczeniu centrum manewrowo-kontrolnego, na wirtualnych panelach sterujących silnika głównego, mechanizmów pomocniczych oraz głównej
elektrycznej tablicy rozdzielczej – wybór elementu pomieszczenia w celu
zmiany nastawy lub obserwacji parametrów następuje poprzez zbliżenie (kliknięcie myszą na zaznaczone pole wizualizacji trójwymiarowej). Nastawy na
wirtualnych panelach sterujących zmienia się poprzez kliknięcie myszą
na właściwy przycisk, przełącznik, pokrętło lub dźwignię sterującą. Operacje
wykonywane za pomocą kliknięcia myszą na ekranie monitorów komputerów, podobnie jak w rzeczywistym centrum manewrowo-kontrolnym, umożliwiają zdalne uruchamianie/odstawianie wybranych urządzeń oraz zdalne
otwieranie/zamykanie niektórych zaworów;
b) w siłowni, poza pomieszczeniami centrum manewrowo-kontrolnego, są realizowane w prezentacji trójwymiarowej. Prezentacja trójwymiarowa jest połączona ze schematem instalacji wybranego pomieszczenia. Nie ma jednak
możliwości zmiany nastaw na tym schemacie (otwierania/zamykania zaworów itp.).
Wybór ważnych z punktu widzenia eksploatacji siłowni elementów następuje
poprzez zastosowanie techniki zbliżeń. Miejsce zbliżenia wybiera się poprzez
kliknięcie myszą na wybrane pole na schemacie instalacji. Istnieje możliwość
zastosowania opcji opisowej poszczególnych elementów urządzeń oraz ich statusu (np. zawór zamknięty/otwarty).
4) W symulatorze typu MED3D występują dwa rodzaje schematów instalacji:
a) schematy dotyczące poszczególnych instalacji siłowni (np. instalacji sprężonego powietrza, paliwowej, wody chłodzącej itp.) przedstawione na ekranie
monitorów centrum manewrowo-kontrolnego;
b) schematy instalacji poszczególnych pomieszczeń siłowni (np. zespołów prądotwórczych, sprężarek i butli sprężonego powietrza, wirówek paliwa i oleju
smarnego, silnika głównego itp.).
W stosunku do dotychczas stosowanych rozwiązań symulatorów z wykorzystaniem technik dwuwymiarowych w przedstawionym rozwiązaniu zrezygnowano
z nierealistycznych czynności obsługowych dotyczących szczególnie ręcznego
otwierania/zamykania zaworów i uruchamiania/odstawiania mechanizmów w pomieszczenia siłowni za pomocą kliknięcia myszą na symbol na schemacie.
Połączenie prezentacji trójwymiarowej ze schematami instalacji pomieszczeń
siłowni oraz zastosowanie technik zbliżeniowych znacznie ułatwia nawigację poprzez elementy siłowni oraz zrozumienie przez ćwiczącego procesów zachodzących w siłowni. Ogólny schemat nawigacji poprzez elementy siłowni symulatora
przedstawiono na rysunku 8. Schemat ten przedstawia jedynie wybrane pomieszczenia siłowni (zespoły prądotwórcze, sprężarki powietrza, wymienniki ciepła,
wirówki paliwa) i może być on rozszerzony o kolejne instalacje siłowni okrętowej
(silnik główny, maszyna sterowa, chłodnia prowiantowa, komory klimatyzacyjne
itp.).
22
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009
Rys. 8. Schemat ogólny nawigacji poprzez elementy siłowni symulatora typu MED3D
Symulator MED3D oparty jest na siłowni okrętowej z silnikiem głównym,
średnioobrotowym, z przekładnią redukcyjną i śrubą nastawną. To bardzo nowoczesne, obecnie stosowane rozwiązanie siłowni średniej wielkości statku handlowych do przewozu kontenerów. W symulatorze tym siłownia sterowana jest komputerowo – oznacza to, że główne układy pompowe, sprężarki, wybrane zawory
obsługuje się za pomocą kliknięcia myszą na ekranie monitora komputerowego
umieszczonego na konsolach centrum manewrowo-kontrolnego. Ze względów
bezpieczeństwa układ komputerów sterujących pracą siłowni jest zdublowany.
W przypadku siłowni sterowanej komputerowo część paneli sterujących mechanizmów pomocniczych jest umieszczona na głównej elektrycznej tablicy rozdzielczej,
a nie na konsolach. Widok ogólny konsol sterująco-kontrolnych w CMK symulatora typu UNITEST MED3D pokazano na rysunkach 9 i 10.
Na rysunku 11 przedstawiono widok ogólny pomieszczenia zespołów prądotwórczych symulatora w wizualizacji trójwymiarowej. Schemat instalacji pomieszczenia zespołów prądotwórczych symulatora typu MED3D oraz zbliżenia na
wybrane elementy zespołów prądotwórczych ukazują rysunki 12 i 13.
L. Tomczak: Symulator siłowni okrętowej typu MED3D z zastosowaniem...
Rys. 9. Widok ogólny CMK symulatora siłowni okrętowej typu MED3D
Rys. 10. Konsole sterująco-kontrolne w CMK symulatora siłowni okrętowej typu MED3D
23
24
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009
Rys. 11. Widok ogólny pomieszczenia zespołów prądotwórczych symulatora typu MED3D
Rys. 12. Schemat instalacji pomieszczenia zespołów prądotwórczych symulatora typu MED3D
L. Tomczak: Symulator siłowni okrętowej typu MED3D z zastosowaniem...
25
Rys. 13. Zbliżenie na zawory instalacji wody chłodzącej silnika zespołu prądotwórczego
Przedstawiony symulator został opracowany w formie programu komputerowego, w wersji jedno- lub wielostanowiskowej. Symulator MED3D występuje również w formie sprzętowej, pełnozadaniowej z repliką rzeczywistych konsol występujących w centrum manewrowo-kontrolnym. Taki symulator pokazano na rysunku 14. W wersji podstawowej składa się on z trzech pomieszczeń:
• centrum manewrowo-kontrolnego z konsolami sterowania, silnikiem głównym,
mechanizmami pomocniczymi, dwoma monitorami komputerowymi oraz główną
tablicą rozdzielczą,
• prezentacji trójwymiarowej z dwoma projektorami komputerowymi – prezentacja dwuekranowa ułatwia i przyspiesza nawigację poprzez elementy siłowni; na
jednym ekranie umieszczona jest prezentacja trójwymiarowa, na drugim odpowiadający jej schemat instalacji,
• instruktora prowadzącego i nadzorującego ćwiczenia.
Rys. 14. Widok ogólny pomieszczeń symulatora siłowni okrętowej typu UNITEST MED3DH w wersji sprzętowej
26
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009
4.
WNIOSKI
Stosowanie symulatorów siłowni okrętowej, wykorzystujących wizualizację
trójwymiarową, jest zjawiskiem nowym w eksploatacji maszyn okrętowych, wynikającym przede wszystkim z rozwoju komputerów osobistych.
Najpoważniejszym problemem do rozwiązania przy tworzeniu symulatorów
z wykorzystaniem wizualizacji trójwymiarowej jest zapewnienie właściwej nawigacji poprzez elementy systemu oraz stworzenie możliwości operacji identycznych
jak na obiekcie rzeczywistym (otwierania zaworów, zmiany położenia przełączników, nastaw regulacyjnych oraz odczytu parametrów pracy).
Wykorzystanie w komputerowych programach symulacyjnych wizualizacji
trójwymiarowej powoduje, że symulowany obiekt jest bardzo zbliżony do rzeczywistego urządzenia.
Zmiana technologii kształcenia kadr morskich nie oznacza jednak, że symulatory siłowni okrętowych wyprą całkowicie tradycyjne metody szkolenia stosowane przez doświadczonego wykładowcę czy instruktora. Wprowadzanie nowych
technologii w kształceniu morskim musi być postrzegane jako jego uzupełnienie
i wzbogacenie, a nie jako zastąpienie. Nowe wyzwanie dla wykładowcy lub instruktora to ocena, kiedy nowoczesna technologia może wzmocnić i usprawnić proces
kształcenia przyszłych mechaników okrętowych w sposób efektywny i przy właściwym wykorzystaniu nakładów finansowych. Samo tylko zastosowanie technologii
komputerowych w szkolnictwie morskim nie gwarantuje, że poziom kształcenia
automatycznie się poprawi. Wykorzystanie symulatorów siłowni okrętowych nie
oznacza również rezygnacji z ćwiczeń typu laboratoryjnego.
LITERATURA
1. Cross S.J., Enhancing competence based training and assessment for marine engineers through
the realism of virtual presentation, ICERS7 International Conference on Engine Room Simulators,
Portoroz (Słowenia) 2005.
2. Cross S.J., Donders F., Engine room simulation – the Dutch way, ICERS7 International
Conference on Engine Room Simulators, Portoroz (Słowenia) 2005.
3. Moganaveloo C., Development of a modern machinery simulator, ICERS5 International Conference
on Engine Room Simulators, Singapur 2001.
4. Tomczak L., Zastosowanie komputerowych programów symulacyjnych w eksploatacji maszyn,
Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, 2005, z. 3(143), t. 40,
5. Tomczak L., Application of 3D simulation in maritime engineering education, 4th Asia – Pacific
Forum on Engineering Education and Technology Education, Bangkok (Tajlandia) 2005.
6. Tomczak L., Application of 3D visualization in marine engine room simulators, ICERS7
International Conference on Engine Room Simulators, Portoroz (Słowenia) 2005.
7. Tomczak L., Praktyczne aspekty stosowania trójwymiarowych programów symulacyjnych w eksploatacji maszyn okrętowych, XXXIII Ogólnopolskie Sympozjum Diagnostyka Maszyn, Węgierska
Górka 2006.
L. Tomczak: Symulator siłowni okrętowej typu MED3D z zastosowaniem...
27
8. Tomczak L., Application of 3D simulation in exploitation of marine machinery, 17th IASTED
International Conference on Modeling and Simulation, Montreal (Kanada) 2006.
9. Wiewióra A., Rola nowoczesnego symulatora siłowni okrętowej w nauczaniu diagnostyki okrętowego silnika spalinowego, XIII Sympozjum Siłowni Okrętowych, Gdynia 2002.
10. Materiały reklamowe firmy TRANSAS.
WITH
THE ENGINE ROOM SIMULATOR MED3D
AN APPLICATION OF 3D VISUALIZATION
(Summary)
The paper describes an example of application of new generation of engine room simulators with 3D
visualization, based on modern - computer controlled engine room with medium speed main engine,
applied on a container ship. The MED3D simulator, described in the paper provides for a new
approach to navigation through the different system’s elements, allowing for an easy and quick
access to basic engine room operation (valve opening/closing, setting position of switches, pushbuttons etc.). This has been possible due the application of state-of-the art 3D visualisation with zoom
techniques. The MED3D simulator includes also a combination of 3D and 2D diagram presentation,
which enables to follow how a certain device really functions and gives a complete picture of its
structure. Their aim is to provide a 3D visualization of marine machinery simulation as close as
possible to reality.