智能船舶的轮机工程专业仿真课程改革与实践

［摘 要］ 基于智能船舶的技术发展趋势，系统分析了船舶动力装置的技术体系和知识体系，结合轮机工程专业的培养目标，提出了轮机工程专业仿真课程的具体课程目标。在此基础上系统梳理了仿真课程的知识体系，其覆盖了仿真的基本概念与方法等基础性知识，还涵盖了船舶柴油机建模与仿真方法、船舶动力装置匹配仿真方法和船舶航行智能控制与仿真方法等专业性知识，以及船舶智能航行-控制联合仿真的综合性知识。设计了课程实践环节，通过教学实践，检验了课程改革的效果，也为进一步完善和提高课程教学效果奠定了良好基础。

［关键词］ 智能船舶；轮机工程；仿真课程；教学研究

［基金项目］ 2020年度湖北省教育厅教学研究项目“面向智能船舶的轮机工程仿真课程改革与教学方法研究”（2020081）

［作者简介］ 唐国元（1973—），男（苗族），湖北利川人，博士，华中科技大学船舶与海洋工程学院教授，主要从事智能船舶、海洋航行器智能控制研究；王建军（1987—），男，湖南永州人，博士，华中科技大学船舶与海洋工程学院副教授，主要从事智能船舶、舰船机电系统研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）15-0041-04 ［收稿日期］ 2023-01-06

引言

随着信息和通信技术的快速发展，近十年来，智能船舶已逐渐成为全球船舶工程界科技创新的前沿课题，是未来船舶发展的重点方向［1］。

2015年5月，国务院印发《中国制造2025》，智能船舶是其重点发展领域之一。2018年12月，工业和信息化部、交通运输部、国防科工局联合印发《智能船舶发展行动计划（2019—2021年）》。2022年10月，交通运输部、科学技术部联合印发《交通领域科技创新中长期发展规划纲要（2021—2035年）》，强调推动智能船舶等自主设计建造及船载智能感知与控制关键技术及设备的突破［2］。2016年10月，挪威海事局和挪威海岸管理局在特隆赫姆峡湾建立了世界上第一个自主船舶测试区，将无人驾驶船舶研究提升到国家层面。2022年4月，国际海事组织（IMO）海事安全委员会（MSC）第105次会议（MSC 105）提出研发《智能船舶法典》（MASS Code），计划于2024年下半年推出非强制性版本，在此基础上研发强制性《智能船舶法典》，预计2028年1月1日生效。

在教育部、工业和信息化部、中国工程院印发的《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》中，明确提出深入开展新工科研究与实践。智能船舶技术发展趋势所带来的知识更新，不可避免地给传统“轮机工程仿真”课程的知识体系、教学内容、教学模式带来挑战。

为此，我们提出了新形势下“轮机工程仿真”课程的课程目标、具体教学内容和教学模式，以使“轮机工程仿真”课程不断适应智能船舶发展及人才需求的新趋势。

一、智能船舶动力装置的技术与知识体系

2020年，中国船级社发布《智能船舶规范》（2020），根据其界定，智能船舶的功能按照由局部应用到全船应用、由辅助决策到完全自主的方向发展，其功能一般分为智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理、智能集成平台、远程控制和自主操作。本文主要从智能航行及远程控制和自主操作的角度讨论其技术与知识体系。

智能船舶能感知自身的状态，也能感知其周围环境的信息，通过分析形成对自身状态和其周围环境的认知，通过思考形成决策，并采取措施应对环境变化及自身状态变化，将这些决策传输给智能控制系统，并在通过运算后发出控制指令给执行系统，包括船舶的主动力装置、推进装置、舵机等。船舶动力系统在技术体系上的更新，必然使其传统机电液知识体系发生扩充、迭代和更新。

这些特点，正是船舶工程与人工智能进行深度融合，并使人工智能的相关知识、方法和技术在智能船舶上得到实际应用的具体体现。智能船舶的信息处理与控制过程是从底层到中枢（或从外部到内部）再到底层去执行的过程，其中所需要的技术形成了完整的技术体系，如图1所示，该体系涵盖了智能认知、信息传输、智能控制、智能感知及智能执行技术。对应的，这些技术所涉及的如图1所示的知识体系涵盖的内容包括船舶类知识、机械类知识、电子电气类知识、智能类知识、计算机类知识、通信类知识、自动控制与自动化类知识。可见，智能船舶从知识体系上体现出强烈的综合性与交叉性的特点。船舶工程解决基础性的运载功能，是船舶智能性功能的基础载体；人工智能解决船舶在复杂海洋及水运交通环境中的智能思维与决策问题，是智能船舶的大脑；计算机是人工智能算法实现的基础性计算设施；大数据为船舶人工智能提供了记忆和知识，是计算、判断和决策的基础；自动控制与自动化则为船舶快速而稳定地应对各种复杂工况提供了动力传递的方式和方法，是人工智能的执行系统；电子与通信则为船舶内部以及与外界的联系提供了信息通道，是船舶的感知和信息传输系统，也是数据及船舶记忆的来源；电气工程则解决船舶的电力能源及传输问题。

二、“轮机工程仿真”课程的目标与知识体系

（一）本科培养目标

为适应上述智能船舶技术体系，对轮机工程专业本科人才培养目标提出了新的要求。在智能船舶时代，结合轮机工程的专业特点，轮机工程专业的培养目标为针对智能船舶运行系统培养高级工程技术人才，本科毕业生在从事本行业工作五年后，应达到以下工程能力：（1）能够系统应用自然科学及轮机工程专业基础理论知识，具有较强的从事船舶智能动力装置设计及科学研究的能力；（2）能够应用轮机工程专业技术知识，解决船舶智能动力装置相关领域的复杂工程问题；（3）具有优良的道德品质、科学素质与人文修养，在工程实践中能够综合考虑伦理、社会与环境、可持续发展等因素。

（二）课程目标

根据上述培养目标，以及智能船舶的知识体系，对“轮机工程仿真”课程的培养体系和知识体系进行梳理。

仿真技术从应用上已基本覆盖现代社会的各个重要领域。在船舶动力装置领域，仿真是设计、试验、制造不可缺少的重要方法和手段。美国海军研究与发展中心、德国MTU公司、英国Yard公司等都有专门从事舰船动力系统仿真研究的机构。国内的哈尔滨工程大学、上海交通大学、海军论证中心、海军工程大学、武汉理工大学等高校和研究单位都相继从不同侧面和角度开展研究工作，分别在船舶柴油机、船舶燃气轮机、船舶推进装置及控制系统设计、机舱自动化等方面深入开展了计算机仿真技术的应用研究。

这些研究成果也较好促进了“轮机工程仿真”的教学。在“轮机工程仿真”的教学领域，当前的教材及教学内容大多以上述研究成果为基础，对于促进轮机工程专业学生的专业能力培养和综合素质的提高起到了重要作用。随着智能船舶技术的发展引起动力装置知识体系的更新，对“轮机工程仿真”课程的教学提出了新的要求。

为此我们提出“轮机工程仿真”课程的目标是以船舶动力装置和人工智能原理为基础，了解智能船舶发展的基本趋势及仿真技术在其动力装置设计及开发中的作用，熟悉数字仿真基本理论，掌握船舶动力装置匹配仿真的基本方法和技术，通过学习本课程，使学生具备船舶智能航行与控制的联合仿真和分析能力，形成解决船舶动力装置仿真分析复杂工程问题的专业素养。

为此，对于“轮机工程仿真”课程改革的方向，应满足如下基本要求：（1）结合智能船舶最新科技发展及最新科研成果。使学生充分了解轮机工程发展趋势和前沿技术，特别是船舶在智能航行及远程控制和自主操作方面的最新发展成果。（2）使学生具备系统、扎实的专业基础知识。系统掌握仿真的基础知识，以及智能船舶运动与控制、动力装置设计与匹配的建模及仿真的基本方法。（3）理论与实际相结合。联系实际工程问题，结合案例训练，通过多层次仿真训练，使学生具备较强仿真分析设计能力，以及突出的创新能力。（4）有利于实现培养目标。对实现理论与实际相结合的合格人才培养具有显著支撑作用。

（三）面向智能船舶的轮机工程仿真知识体系

图2是“轮机工程仿真”课程的知识体系组成图。课程的前置基础知识包括船舶动力装置原理、控制理论基础、机器学习及人工智能原理等。仿真课程本身覆盖了仿真的基本概念与方法、智能系统仿真方法、连续系统建模与仿真方法、离散系统建模与仿真方法等基础概念性和原理性知识，还涵盖了船舶柴油机建模与仿真方法、船舶动力装置匹配仿真方法以及船舶航行智能控制与仿真方法等专业性知识，以上述基本原理性知识和专业性知识为基础，课程内容还涵盖了船舶智能航行-控制联合仿真的综合性知识。

在介绍基本知识的基础上，设计了教学实践环节，让学生通过项目式案例教学模式，对上述知识进行仿真实践。具体包括船舶动力装置匹配与智能优化、无人艇运动过程智能控制联合仿真分析两个实践环节。通过知识加实践的模式，实现学生三个方面的能力培养和素质养成，并最终服务于毕业要求和培养目标的达成。

三、课程实践

基于上述知识体系和教学模式的梳理，笔者编写了《轮机工程仿真技术基础及应用》本科生教材，于2021年由华中科技大学出版社出版，其内容基本涵盖上述知识体系。所编写教材及确立的教学模式已在轮机工程本科生中展开实践，从教学过程和教学效果来看，在以下几个方面具有明显的改进和提高。

（一）智能船舶动力装置仿真及匹配设计能力

以船舶动力装置匹配仿真方法知识为基础，融合智能方法，结合船舶动力装置匹配与智能优化实践环节，通过建模、编程、调试、仿真及数据分析等环节的训练，提高了学生对动力装置匹配的相关问题理解能力、方案提出能力和问题解决能力。

（二）无人船动力装置-控制系统联合仿真分析能力

以船舶柴油机建模与仿真方法、船舶航行智能控制与仿真知识为基础，结合无人艇运动过程智能控制联合仿真分析实践环节，训练学生在已知动力配置情况下，无人艇运动智能控制参数的仿真调试，提高了学生对智能航行影响因素的认识和无人船舶工程实践中的问题解决能力。

（三）以仿真手段解决船舶动力装置复杂工程问题的能力

通过知识传授与能力的培养，提高了学生的综合工程能力，通过实践环节中采取团队协作等模式，并结合学术报告等训练，提高了学生团队协作攻关的素养及学术交流能力，为解决更复杂的工程问题奠定了良好基础。

结语

本文基于智能船舶的技术发展趋势，提出了“轮机工程仿真”课程的具体课程目标，并在此基础上系统梳理了仿真课程的知识体系，设计了课程实践环节，对课程教学内容及教学模式进行了改革，通过教学实践，检验了课程在三个方面实现了教学效果的提升，具体包括：提升了学生在智能船舶动力装置仿真及匹配设计方面的能力，提升了学生在无人船动力装置-控制系统联合仿真分析方面的能力，提升了学生以仿真手段解决船舶动力装置复杂工程问题的能力。通过上述教学改革及实践，为实现课程的进一步优化奠定了良好基础。

参考文献

［1］柯佳成，张旋武，吴刚，等.智能船舶发展未来趋势［J］.中国船检，2022（12）：60-66.

［2］交通运输部，科学技术部.关于印发《交通领域科技创新中长期发展规划纲要（2021—2035年）》的通知：交科技发〔2022〕11号［A/OL］.（2022-01-24）［2023-01-02］.https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-04/06/content_5683595.htm.