CN101000721A - 高品质航海模拟器及其开发平台系统 - Google Patents

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CN101000721A CNA2006101558951A CN200610155895A CN101000721A CN 101000721 A CN101000721 A CN 101000721A CN A2006101558951 A CNA2006101558951 A CN A2006101558951A CN 200610155895 A CN200610155895 A CN 200610155895A CN 101000721 A CN101000721 A CN 101000721A
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Abstract

高品质航海模拟器及其开发平台系统属于航海教学与培训技术领域。本发明由船舶运动数学模型、仿真驾驶台及设备、视景系统三部分组成，以微机集群为基础，采用分布式交互仿真、计算机成像、立体视觉、几何校正及边缘融合技术，主本船和副本船都配备视景系统的体系结构，具有6自由度高精度数学模型的全任务航海模拟器；系统为每一个仿真对象建立船舶运动数学模型，采用计算机集群、多通道柱幕投影生成能达到360°的大视场角视景，操船者通过视景提供的视觉信息以及驾驶台中各种仿真仪器提供的航行信息，操纵车、舵等操船设备，达到教学培训或科学试验等目的。主要应用于教学培训、科学试验、港口和航道工程论证、船舶特殊操纵方案评估等。

Description

高品质航海模拟器及其开发平台系统
技术领域
本发明属于航海教学与培训技术领域。主要应用于港口和航道工程论证、船舶特殊操纵方案评估等。
背景技术
80年代初，大连海事大学从挪威引进了我国第一台雷达/ARPA模拟器，以后上海海运学院和集美航海学院分别引进了各自的雷达/ARPA模拟器，这对我国应用航海模拟器从事航海教学与培训起到了很重要的作用，但是技术掌握在别人手里，我们无法利用这些设备做更多的工作，无法按我们的设想增加其功能，改善其教学效果。从80年代后期开始为了摆脱这种局面，我们开始了自行研制航海模拟器的历程，首先从研制雷达/ARPA模拟器(国外称其为Blind Simulator，“盲”的模拟器)着手，以后陆续研制有视景系统的船舶操纵模拟器。
高品质航海模拟器采用先进的分布交互仿真(DIS：DistributedInteractive Simulation)和高层体系结构(HLA：High Level Architecture)的设计思想、可以和互联网方便相连的先进网络技术，将系统的各计算机相互连接。该系统由1个教练员站、1条主本船、若干条副本船构成，各本船之间通过三维视景和雷达图象互见。教练员站与各本船中的计算机均采用高性能微机，微机间采用网络联结。
模拟器中的各本船功能完备，可完整地模拟船舶驾驶台操作环境，可用于包括在受限水域进行高级操纵和引航训练。可以进行STCW78/95公约所规定的模拟器培训和适任评估；高品质航海模拟器具有较高的仿真精度，模拟器的性能指标完全满足挪威船级社(DNV)有关航海模拟器的性能标准(Standard forCertification No2.14 Maritime Simulator Systems)和其他国际公认的模拟器标准以及中国海事局和STCW 78/95公约对用于培训和适任评估的模拟器的性能要求，可用于全面履行STCW 78/95公约规定的各种训练和适任评估。
高品质航海模拟器采用当今最先进的技术手段和方法，如计算机成象技术、虚拟现实技术、无缝拼接宽视场角环幕投影技术等，可将数字化的港口及相关设施动态、逼真地展现在操作人员面前。所采用的技术手段和方法具有一定的先进性和前瞻性，模拟器除了能满足各种训练和适任评估的要求之外，还能进行工程论证和海事分析。
发明内容
本发明的目的就是提供一种能满足各种训练和适任评估的要求，并能进行工程论证和海事分析的高品质航海模拟器及其开发平台系统。
本发明的技术构思是：
●提出并采用DIS(分布交互仿真)技术的多本船体系结构。考虑到多本船系统在船舶操纵模拟器中的特殊作用，以及为每个本船配备视景系统的可行性，我们于1997年在中国系统仿真学会年会上首次提出多本船体系结构，各本船可通过雷达屏幕与视景系统“互见”，提出了“主本船”与多个“副本船”的概念。目前这一概念已为航海模拟器研制者和使用者普遍认可。
●采用CGI(计算机成像)技术，用高档微机加高性能图形加速卡，柱幕投影软件几何校正及边缘融合方法生成逼真的大视场角视景，具有极高的性能价格比。
●开发了一批高品质航海模拟器开发平台的支撑软件，可以用于快速、高效的创建训练区域的视景库、电子海图、雷达视频以及船舶运动数学模型库。这些支撑软件主要包括：
1)固定螺距螺旋桨船舶水动力数学模型仿真测试软件；
2)可变螺距螺旋桨船舶水动力数学模型仿真测试软件；
3)平推螺旋桨(Voith Schneider)船舶水动力数学模型仿真测试软件；
4)高速水翼船水动力数学模型仿真测试软件；
5)GMDSS通信设备仿真软件；
6)Kelvin Hughes雷达模拟软件；
7)船舶航行安全及自动避碰算法仿真测试平台；
8)自动舵控制算法仿真测试平台；
9)集装箱装卸仿真系统的运动模型和原型机；
10)基于PC的CAVE系统及其在集装箱装卸仿真系统中的应用软件；
11)基于GPS OEM板的GPS模拟软件；
12)基于虚拟现实技术的深水航行器操纵仿真系统；
13)基于海图等高线数据生成三维视景数据库的三角优化构网软件；
14)基于海浪谱的航海模拟器实时波浪仿真软件；
15)高斯投影和墨卡托投影坐标变换软件；
16)基于PC集群的多通道沉浸式虚拟环境视景驱动软件。
●鉴于助航设施在船舶操纵模拟器中的重要作用，设计了航行灯、灯塔、浮筒、灯光可见距离的算法，该算法简单、准确。
●与浙江大学CAD & CG国家重点实验室合作，不断地将图形学研究、虚拟现实领域的最新研究成果用于航海模拟器的视景系统中，保持其先进性。
●将虚拟现实研究领域中的立体视觉视景系统引入航海模拟器中，这种视景系统符合航海人员团队工作的特点，有很好的纵深感。在航海模拟器研究领域尚未见报道。
本发明的技术解决方案是，
航海模拟器是一种典型的人在回路中的仿真系统，也是当今虚拟现实研究的重要应用领域。系统主要由船舶运动数学模型、仿真驾驶台及设备、视景系统三部分组成。
系统为每一个仿真对象一本船建立船舶运动数学模型，系统运行时，模型解算程序根据每条船的特性数据、航行环境以及操船指令计算采样时刻本船的位置、航向、速度、航向变化率、加速度等，视景系统根据上述信息，用计算机成像技术(CGI，Computer Generated Image)生成该时刻的视景(虚拟环境)，高品质航海模拟器中采用计算机集群、多通道柱幕投影生成大视场角视景(可达360°)，给人以极好的沉浸感，操船者有如驾驶一条实船在创建的虚拟环境中航行，操船者通过视景提供的视觉信息以及驾驶台中各种仿真仪器提供的航行信息，操纵车、舵等操船设备，达到教学培训或科学试验等目的。
系统的总体框图如图1，主本船的构成图如图2，图3为主本船模拟驾驶舱内、外效果图，图4为主本船投影机布局图，图5为副本船系统构成，图6为副本船平面布置图及布局图，图7为教练台的布局图，图8为采用大屏幕(折幕)正投视景系统的副本船效果图，图9为采用大屏幕(柱幕无缝拼接)正投视景系统的副本船效果图。值得注意的是系统采用模块化结构，可根据用户的场地条件、功能需要以及经费情况，灵活配置。
本发明所达到的有益效果是：
在国际海事组织(IMO)STCW78/95公约中，应用合格的航海模拟器从事相应的航海教学培训及船员适任评估占有重要的位置。近年来，高品质航海模拟器在我国重大港口建设方案评估中的应用，也已越来越引起相关专家的重视。高品质航海模拟器开发平台用于开发高品质航海模拟器，由于我们拥有完整的自主知识产权，可以用来开发系列化的航海模拟器以满足不同用户的需求。目前使用航海模拟器的主要有航海院校、各类航海培训中心，以及从事与港口航道相关的工程设计和研究单位。
高品质航海模拟器及其开发平台项目的完成，打破了少数发达国家对我国航海模拟器市场的垄断，极大地提高了我国在应用航海模拟器进行航海教学与培训、开展科学研究领域的国际地位。尤其是在我国履行STCW78/95公约实施阶段具有重要意义。STCW78/95公约(国际海员培训、发证、值班标准国际公约1995年修正案)，较大篇幅地增加了使用航海模拟器从事航海教学与培训、进行适认评估的内容，将雷达标绘，ARPA操作模拟列入强制培训，将船舶操纵、BRM(驾驶台资源管理)、BTM(驾驶台团队管理)等列入推荐的培训课程。履行STCW78/95公约，使必会促使我国航海院校、各类培训中心想方设法购置航海模拟器，尤其是高品质航海模拟器。国家为此需要支付一大笔外汇来对应。80年代初，大连海事大学从挪威引进了我国第一台雷达/ARPA模拟器，以后上海海运学院和集美航海学院分别引进了各自的雷达/ARPA模拟器，这对我国应用航海模拟器从事航海教学与培训起到了很重要的作用，但是技术掌握在别人手里，我们无法利用这些设备做更多的工作，无法按我们的设想增加其功能，改善其教学效果。为了摆脱这种局面，我们开始了自行研制航海模拟器的历程，首先从研制雷达/ARPA模拟器(国外称其为Blind Simulator，“盲”的模拟器)着手，以后陆续研制有视景系统的船舶操纵模拟器，我们走了一条先引进，后自己研制、自主创新的道路，我国应用航海模拟器从事航海教学与培训、从事科学研究的水平总体上已达到发达国家的水平。
高品质航海模拟器为驾驶人员提供了十分逼真的训练环境，符合STCW78/95公约所要求的必须使用模拟器进行的适任评估和持续熟练程度的训练，可用于满足学生培训、有着不同经验的船员、船长和高级引航员的团队配合或单人训练，能从事驾驶台团队管理(BTM，Bridge Team Work Management)、驾驶台资源管理(BRM，Bridge Resource Management)等综合训练。既可用于各种类型、吨位船舶、各种气象及不同航道条件下的船舶操纵训练，也可用于雷达、ARPA的模拟训练、ECDIS操作训练、港口和航道的开发应用及事故调查分析等。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统总体框图。
图2是本发明的主本船的系统构成图。
图3是本发明的主本船布局图。
图4是本发明的投影机布局剖面图。
图5是本发明的副本船的系统构成图。
图6是本发明的副本船平面布置图及布局图。
图7是本发明的控制台布局图。
图8是本发明的操舵单元图。
图9是本发明的主机控制单元图。
图10是本发明的仿真车钟图。
图11是本发明的侧推器控制单元图。
图12是本发明的左水翼船控制单元图。
图13是本发明的右水翼船控制单元图。
图14是本发明的缆绳操作单元图。
图15是本发明的拖轮操作单元图。
图16是本发明的锚和声号控制单元图。
图17是本发明的雷达控制单元图。
图18是本发明的计程仪和测深仪单元图。
图19是本发明的漫游及望远镜控制单元图。
图20是本发明的航行灯和甲板灯控制单元图。
图21是本发明的仿真罗经图。
图22是本发明的平推螺旋桨船舶控制单元图。
图中，111.操舵单元，211.主机控制单元，221.侧推器控制单元，231.水翼船控制单元(左)，241.水翼船控制单元(右)，311.缆绳操作单元，321.拖轮操作单元，331.锚和声号控制单元，411.雷达控制单元，431.计程仪和测深仪单元，441.漫游及望远镜控制单元，451.航行灯和甲板灯控制单元。
具体实施方式
1.系统的工作流程
整个系统被组织成一个二级网络(如图1)。教练员站和各本船海图机组成一级网络，教练员站为主控计算机，负责与各本船海图机交换信息。每个本船中的各微机构成第二级网络，采用点对点通讯。这种网络结构具有网络拓朴结构简单，便于增减仿真结点(本船)，也便于在本船中增减设备，具有很大的灵活性。整个仿真系统的软件工作流程如下：
1)本船中的海图机向教练员站发出注册申请，教练员站收到申请后将该本船加入该系统仿真实体队列，并向该海图机发出注册成功信息。
2)教练员在教练员站计算机上设计或编辑完练习后，将练习PDU发送至本船海图机。
3)本船海图机收到教练员站发送的练习PDU后，根据该本船的软、硬件配置将练习PDU转发至雷达显示PC、软仪表显示PC及多通道三维视景成象计算机，本船仿真开始。
4)仿真过程中，教练员站负责系统中目标船的模型解算，并定时向各本船海图机发送运行PDU信息，其中包含了系统中各船的位置、航向、速度、姿态等信息。教练员站还负责将故障设置PDU、环境设置PDU、系统控制PDU(包括系统暂停、恢复、退出等系统控制命令)发送至本船海图机。
5)仿真过程中，本船海图机负责本船的车、舵、拖轮、锚、缆、侧推器等助操设备以及航行灯、甲板灯等信号的采集，接收教练员站发送的故障设置PDU、环境设置PDU、系统控制PDU，解算本船模型，并向教练员站和本船雷达显示计算机、多通道三维视景成象计算机、软仪表显示计算机发送本船的运行PDU。
6)多通道三维视景成象计算机负责接收海图机发送的练习PDU、运行PDU，根据PDU中的本船和目标船船位、航向，环境状况，实时绘制三维图形。中间通道计算机还负责向其它通道发送同步PDU，以保证各通道的水天线在同一条直线上以及波浪模型的同步。
2.信息流向
从整个系统的工作流程分析，教练员站成为仿真系统事实上的主控机，教练员在教练员站设计练习，然后将设计好的练习本系统的各本船并控制各本船的运行。系统运行时，各本船还要将自身的运行信息告知教练员站，并通过教练员站发送至其它本船。
1)教练员站至各本船的PDU信息
·航行环境信息：主要包括训练海区(海图号)、风、流、白天/夜晚、能见度等。
·各本船信息：主要包括船名、装载状态、初始位置、航向、速度等。
·目标船信息：主要包括船名、初始位置、航向、速度、转向点位置及转向点之间的速度、航行灯信号等。
·控制信息：主要包括启动、退出、现场冻结/恢复、重演等。
2)本船至教练员站的PDU信息
主要包括：
·由船舶运动数学模型解算所得的本船位置、航向、速度、加速度、回转加速度。
·本船主机转速、实际舵角、雾号信息、航行灯信息、拖轮信息。
3)本船中各微机间的信息交换
本船中的海图机是本船的核心机，海图机接收由教练员站发送来的信息，同时将接收的信息转发至本船的其它微机。海图机每个周期根据操作人员的输入，解算出本船的船位，在自身的显示器上显示本船及目标船动态俯视图形，同时将本船信息发送至雷达显示PC、望远镜通道PC、多通道三维视景成象计算机及其他计算机(报警系统PC、GMDSS和仪器仿真PC)。
(1)从海图机发送至雷达机的信息
主要包括本船位置、速度、航向，目标船船名、位置、速度、航向以及航行环境信息。
(2)从海图机发送至视景系统的信息
除了与从海图机发送至雷达机的相同信息之外，还应包括白天/夜晚等环境信息以及能见度信息、目标船航行灯信息。本船信息中还需包括加速度、回转加速度、本船航行灯信息。
(3)海图机发送至仪表机的信息视选定软仪表的种类而定，目前系统中发送本船的航向、速度以及水深信息。
视景系统要生成由多通道构成的大视场角视景，但由于各通道构成的硬件存在一定的差异，各通道在某一特定时刻需要显示的景物复杂程度也不相同，需要采取一定的措施保持多通道视景的帧同步，这一点在模拟本船纵摇、横摇时尤其显得重要，所以在视景系统中，中间通道需向左、右各边通道发送帧同步信息。
3.系统各部分的功能
3.1教练员站的功能
教练员站能在整个模拟器训练中控制、监视并重放、分析学员的训练过程。教练员站可改变训练难度，设置航海环境、交通状况和特殊海域等来创建练习。教练员站通过图形、对话框、菜单、工具条等简便的操作，为教练员提供友好的界面，通过这种界面，教练员站可以方便地用来：
1制作、编辑各种练习
●教练员可选择
Figure A20061015589500101
练习类型：操纵、ARPA、人工标绘
训练模式：多船同组对抗训练、多船分组对抗训练、各船独立训练
Figure A20061015589500103
练习课目：锚泊、靠泊、离泊、系离浮筒、狭水道航行、进出港、避碰等
Figure A20061015589500104
训练海域的海图、雷达图
●选择本船的船舶类型、名称和装载状态：
系统提供包括杂货船、散货船、集装箱船、油船、客船、滚装船等各种船型、多种吨位(从7000吨到30万吨)、不同载态的船舶数据。船舶各种参数的在线显示：选中某一船舶后，可在线船舶的各种参数(船长、船宽、吃水、吨位等)。
●本船初始位置、航向、速度的设置。初始位置可采用数据输入(输入船舶的经纬度)或用鼠标在电子海图上直接拖动的方法设置。
●本船可使用的拖轮、缆绳的个数(系统可提供14个拖轮作用点、20个出缆孔位置)、拖轮马力(1800、3000、4800、7000马力可选)的设置。
●设置目标船。包括选择目标船类型、名称，设置目标船速度、转向点位置以及转向点的删除、添加和更改，设置目标船雾号、号型。目标船的转向点个数不限。
●船舶间动态参数的实时显示：动态参数包括本船和本船、本船和目标船间的距离、方位、TCPA、DCPA等。当编辑练习时(船舶位置、速度、航向变化)，这些参数可实时显示，以便于设置练习。
●设置航行环境，如风、流、潮汐、时间以及能见度等。
2练习预演
设置完练习或打开练习后，教练员可进行练习预演，以保证设置的练习满足训练的要求。预演时，教练员可调整预演速度，可“暂停”、“继续”或“停止”预演。
3控制系统的运行，对各本船进行监视
●在电子海图上实时显示各本船和目标船的动态俯视图形。
●监视各本船和目标船的船位、航向和速度。
●实时显示各本船和目标船间的动态参数(包括本船和本船、本船和目标船间的距离、方位、TCPA、DCPA等)。
●动态监视各本船操作人员的操船动作：车、舵、锚、拖轮等使用。
●控制主本船拖轮的操作。
●暂停(恢复)某一本船的运行，以便教练员根据需要进行讲解。
4设置本船故障
设置本船故障，以便进行故障时的应急操作训练。包括：
Figure A20061015589500111
主机故障
Figure A20061015589500112
锚机故障
Figure A20061015589500113
绞缆机故障
Figure A20061015589500114
操舵故障
Figure A20061015589500115
自动舵故障
Figure A20061015589500116
舵损坏
Figure A20061015589500117
罗经故障
Figure A20061015589500121
雷达故障
Figure A20061015589500122
计程仪故障
Figure A20061015589500123
GPS故障
Figure A20061015589500124
风速指示仪故障
Figure A20061015589500125
风向指示仪故障
航速表故障
Figure A20061015589500127
舵角指示表故障
Figure A20061015589500128
主机转速表故障
5航行环境的实时控制
模拟开始后，教练员可随时改变航行环境信息，包括：
Figure A20061015589500129
风向、风速(海面动态海面的海况与风速、风向相关)
Figure A200610155895001210
流向、流速(模拟器中的流的计算采用多种方式，根据港口不同，程度自动选择变速流计算方式或采用教练员设定的方式)
潮高、潮时
Figure A200610155895001212
可任意设置初始模拟时间，包括白天、夜晚、晨昏朦影等，动态设定后，太阳的位置开始连续变化，视景图象的光照自动变化，并可在白天、夜晚、晨昏朦影间自动连续切换
Figure A200610155895001213
能见度等级的控制：从能见度良好至浓雾共5级，也可根据需要连续无级变化
Figure A200610155895001214
设定雷、雨、雪等不同天气情况
6目标船号灯、号型的实时控制
教练员可根据需要打开或关闭目标船的号灯、号型。
号灯包括：
Figure A200610155895001215
航行灯：前、后桅灯，左、右舷灯，尾灯
前锚灯、后锚灯
环照灯：三个白灯、三个红灯
甲板灯：4个
各种灯光的能见距离、光弧范围严格按有关规定制作。
可控制如下特殊情况下的号型：
Figure A20061015589500131
锚泊船：前桅一个黑球
搁浅船：后桅三个黑球
Figure A20061015589500133
失控船：后桅两个黑球
Figure A20061015589500134
操纵能力受限船：大桅上两个黑球，一个棱形
Figure A20061015589500135
吃水受限船：大桅上一个圆柱体
7雷达回波的控制、雨区的设置
可设定雷达处于超折射、次折射状态，SART信号的模拟，雷达干扰的模拟等，并可设置雨区范围，雨的大小。设置结果将在雷达图象上反映出来。
8人员落水设置、海面漂浮物设置
Figure A20061015589500136
人员左舷落水
Figure A20061015589500137
人员右舷落水
没有人员落水
Figure A20061015589500139
可设置多个海面漂浮物
9数据的实时记录和各船航迹的动态显示或打印
系统运行时，教练员站计算机实时记录下如下数据：
Figure A200610155895001310
各本船的类型、载态、船舶尺度
Figure A200610155895001311
各本船的经纬度、速度、航向
Figure A200610155895001312
各本船的车、舵、拖轮等的使用信息
Figure A200610155895001313
目标船的经纬度、速度、航向
Figure A200610155895001314
各本船航行环境(风、流、能见度等)信息
利用记录的数据，系统运行过程中，教练员可随时显示或打印各船的航迹。
10各本船训练过程的事后重演和打印功能
Figure A200610155895001315
利用记录的数据，系统运行结束后，教练员可根据需要随时动态重演各本船训练过程，本船和目标船的各种动态参数实时计算并显示。可任意设定重演的位置，重演的速度可随意设置。
Figure A200610155895001316
模拟结果可以用两种方式进行打印
Figure A200610155895001317
图形方式：海图轮廓+本船航迹+目标船航迹
Figure A200610155895001318
数字方式：各本船航行环境信息、船位、速度、航向、各种操船数据
Figure A200610155895001319
记录的数据可以用文本方式提供给教练员，以便对其进行分析和引用。
11训练后的评估
系统以图形和数据两种方式实时给出各本船训练过程的相关数据，以便教练员对学员的训练进行评估。模拟结束后，系统可将记录的各种数据以图形和数据两种方式输出，以便教练员对各本船学员的训练进行综合评分。
12与各本船间的通信
GMDSS模拟子系统符合有关标准。通过VHF和GMDSS仿真软件进行船间通信、船岸通信
13船内通信
用于模拟船内各部门之间的通信
14主本船拖轮的操作
教练员利用拖轮操作面板按主本船驾驶员的指令进行主本船的拖轮操作，两者通过VHF进行联系。拖轮操作面板用来选择拖轮作用位置、拖轮与本船的相对位置以及拖轮作用力。拖轮作用位置14个，可任意选择拖轮与本船的相对位置，相对位置±90度可调；拖轮额定功率1800、3000、4800、7000马力可选，作用力顶/拖7级可选。
3.2本船的基本功能
1电子海图显示系统
电子海图显示系统应符合IMO与IHO及有关ECDIS性能标准的要求。具有无级放大和缩小、区域放大、自动漫游、分层显示，白天、黑夜显示；应具有海图要素拾取、航线设计，可进行海图编辑、改正。提供可覆盖中国沿海港口、主要水道及世界常用海域(包括马六甲海峡、新加坡水域、英吉利海峡、东京湾等)海图。为尽可能发挥设备的作用，系统提供操作手段，通过简单操作，即可将显示内容切换到雷达-ARPA图象显示，用于雷达标绘、ARPA功能训练，为用户增加一部模拟雷达。
2以ECDIS为背景的船舶动态显示
在ECDIS上可动态显示本船、目标船及拖轮的船位。其大小随船舶吨位大小变化。本船靠离码头时缆绳的受力情况。
3本船数学模型的解算
船舶运动数学模型不少于10个类型，每种类型中应包括不同吨位与载况。船舶操纵数学模型中包括影响本船运动的各种效应(风、流、车、舵、锚、缆、拖轮、岸壁效应、船间效应、浅水效应等)。附有精度说明及测试结果。根据车、舵、锚、缆、拖轮的操作，航行环境信息(风、流、潮等)，实时解算本船的运动参数(船位、航向、速度、航向变化率、加速度等)。
4舵控制
具有可进行选择的随动舵、自动舵、应急舵。命令舵角、实际舵角、船舶转头速率、三面舵角指示器、航向的动态显示。陀螺分罗经指示器动态变化。提供自动舵控制、操作单元以及应急舵控制手柄。
5车钟控制
根据船舶模型本身的推进器套数，可使用单车或双车控制；主机转速、空气启动压力动态变化。
6可变螺距调节
对采用可调螺距桨的船舶，可进行螺距调节。螺距指示动态显示。
7船舶艏、艉侧推控制
对有艏、艉侧推的船舶，可进行艏、艉侧推的控制，并实时显示螺距比。
8本船缆的控制
根据船舶的大小，可同时进行多达20根缆的带缆、解缆、绞缆操作，绞缆速度可调。在电子海图上可选择缆桩或浮筒的位置，每根缆的受力、长度可动态显示在电子海图上。
9本船锚的控制
用锚操作面板进行左、右锚的操作：抛锚、绞锚、松放、刹停操作，并动态显示锚链的长度和张力。
10本船拖轮的控制
通过VHF，由教练员操作主本船的拖轮，拖轮的图形动态地显示在电子海图和三维视景中。拖轮的用力情况实时显示。可应教练员/驾驶员的要求，将拖轮操作在教练员站与主本船驾驶台间切换。
11本船声号的控制
用号灯、号型的控制面板，可控制如下号灯：
号灯包括：
Figure A20061015589500161
航行灯：前、后桅灯，左、右舷灯，尾灯
Figure A20061015589500162
前锚灯、后锚灯
环照灯：三个白灯、三个红灯系统可控制如下特殊情况下的号型：
Figure A20061015589500164
本船锚泊：前桅一个黑球
Figure A20061015589500165
本船搁浅：后桅三个黑球
Figure A20061015589500166
本船失控：后桅两个黑球
Figure A20061015589500167
本船操纵能力受限：大桅上两个黑球，一个棱形
Figure A20061015589500168
本船吃水受限：大桅上一个圆柱体
能见度不良时，可手动或自动鸣放雾号，自动雾号包括：一长声、二长声、一长两短、一长三短、一短一长一短、一长四短、五短声
可手动鸣放船头铃声、船尾锣声
12视景漫游和望远镜功能
本船的驾驶台中设置单独的通道用于视景的左右环视、仰视、俯视和自由漫游功能。该通道同时具有望远镜功能，可用望远镜左右环视、仰视、俯视或自由漫游整个视景，望远镜的放大倍数可调，并可进行多视点显示选择。
13甲板灯控制
可控制多达4个本船的甲板灯；本船甲板灯的改变可随时反映在本船的视景系统和其他本船的视景系统中。
14其他仪器的仿真
包括GPS、劳兰C、测深仪、计程仪的仿真。可设置测深仪的富裕水深报警。
15船间、船内通信
通过VHF可进行船间通信、船岸通信，通过船内电话可与教练员站进行船内各部门间的通信模拟。
16船舶数据、环境数据的实时显示
在顶部仪表中可实时显示风向、风速、转向速率、左/右车钟主机转速、舵角指示、航速、水深、三面舵角指示和时间显示
17航行综合信息显示
1号控制台的21寸高分辩率显示器上显示如下综合信息：
真风向、真风速
Figure A20061015589500172
相对风向、相对风速
Figure A20061015589500173
水深
Figure A20061015589500174
龙骨下水深
Figure A20061015589500175
设定航向
Figure A20061015589500176
罗经航向
Figure A20061015589500177
转向速率
时间
Figure A20061015589500179
模拟训练时间
Figure A200610155895001710
船速(LOG，GPS)
Figure A200610155895001711
纵向船速
Figure A200610155895001712
横向船速
Figure A200610155895001713
离岸距离(前)
Figure A200610155895001714
离岸距离(后)
Figure A200610155895001715
GPS船位
Figure A200610155895001716
流向，流速
Figure A200610155895001717
本船基本参数：船型、排水量、船长、船宽、吃水、装载状态
Figure A200610155895001718
自动舵参数设置
Figure A200610155895001719
故障报警，主要包括：
Figure A200610155895001720
主机故障
Figure A200610155895001721
操舵故障
Figure A200610155895001722
自动舵故障
Figure A200610155895001723
舵损坏
Figure A200610155895001724
罗经故障
Figure A200610155895001725
雷达故障
Figure A200610155895001726
计程仪故障
Figure A200610155895001727
GPS故障
Figure A200610155895001728
风速指示仪故障
Figure A200610155895001729
风向指示仪故障
航速表故障
Figure A20061015589500182
舵角指示表故障
主机转速表故障
Figure A20061015589500184
船舶报警：碰撞、擦浅、搁浅、走锚
18模拟雷达/ARPA
模拟雷达/ARPA指采用高分辨率显示器显示完全由计算机产生雷达/ARPA图象的雷达模拟器，有别于采用真实雷达/ARPA设备的雷达/ARPA模拟器，其性能指标符合IMO和STCW78/95公约的有关规定。提供可覆盖中国沿海及世界常用海域(主要有马六甲海峡、新加坡水域、英吉利海峡等)的雷达图数据，其主要性能指标如下：
1)  雷达图象包括：
岸线
固定助航标志、雷达应答器、SART等
Figure A20061015589500187
目标船回波，回波的形状与目标船大小、距离、相对方位有关
Figure A20061015589500188
雨雪杂波及海杂波应符合实际情况
Figure A20061015589500189
假回波：间接回波，多次反射，旁瓣假回波，二次扫描
雷达同频干扰：同频同步干扰，同频异步干扰
目标间的遮挡
Figure A200610155895001812
接收机噪声
Figure A200610155895001813
盲区，短量程时船首对雷达图象的影响
2)雷达/ARPA功能
雷达/ARPA采用目前船上流行的型号面板，对于模拟雷达/ARPA具备标准雷达/ARPA功能，主要有：
显示方式：首向上，北向上，航向向上
Figure A200610155895001815
真运动及相对运动显示
Figure A200610155895001816
X-波段/S-波段切换
Figure A200610155895001817
长脉冲、短脉冲
Figure A200610155895001818
超折射、次折射
Figure A200610155895001819
固定距标圈、活动距标圈。雷达距离档与固定距标圈的对应关系：
  距档     0.25     0.5     0.75     1.5     3     6     12     24     48     96
  圈数     5     5     3     6     6     6     6     6     6     6
Figure A20061015589500191
偏心显示
Figure A20061015589500192
电子方位线：两条，其中一条起点可移动
试操船：在不中断目标信息更新的情况下，模拟本船机动时与所有被跟踪目标的新态势。
Figure A20061015589500194
自动录取、手动录取，跟踪目标至少20个，0.3-32海里
Figure A20061015589500195
ARPA距离档：1.5，3，6，12，24海里
Figure A20061015589500196
速度矢量：真运动矢量与相对运动矢量可切换，矢量时间长度可调，1分钟内显示出目标运动趋势，3分钟内显示出目标预测运动。
Figure A20061015589500197
目标船数据显示：目标船编号，距离，方位，CPA，TCPA，真航向，真速度(可显示相对航向、相对速度)
Figure A20061015589500198
CPA、TCPA可根据需要合理设置
报警：碰撞危险、目标丢失、目标侵入、目标航迹变化、走锚、操作错误等，报警形式有声、光、符号与文字
Figure A200610155895001910
历史航迹显示：对每个被跟踪目标最多可显示5个历史点迹，每个历史点迹所用的点间隔以1分钟为增量，最多可达12分钟。
Figure A200610155895001911
警戒圈设置：由操作员设定一个警戒圈。当目标进入警戒圈时，目标闪亮，并有音响报警，警戒圈为圆弧或整圆，由操作人员设定。闯入目标可自动录取
19 GMDSS模拟子系统
GMDSS模拟子系统性能符合STCW78/95公约的规定。
20音响模拟
模拟器应提供与模拟海况对应的环境声响(风、浪、声号等)及工作环境(主机、辅机、锚、缆操作等)声响。能模拟船舶碰撞、搁浅、触礁等海损事故的音响效果，如：
机舱噪音
Figure A20061015589500201
海浪声
Figure A20061015589500202
本船的汽笛、车钟、抛锚/起锚、绞缆、断缆等声音
Figure A20061015589500203
拖轮汽笛
Figure A20061015589500204
它船汽笛
Figure A20061015589500205
抛锚/起锚、绞缆、断缆等声音
Figure A20061015589500206
船舶碰撞、搁浅、触礁、爆炸等海损事故的音响效果
3.3视景系统的指标
V.Dragon-3000A型大型船舶操纵模拟器具有较高的仿真精度，操作人员通过仿真系统提供的各种信息，经过判断和决策，对系统进行操纵和控制，进而达到人员训练、方案论证、海事分析等目的。V.Dragon 3000A型船舶操纵模拟器配置的视景系统，采用当今先进的技术手段和方法，如计算机成象技术、虚拟现实技术、无缝拼接宽视场角环幕投影技术，选用高档微机(奔腾4-2.8G或以上)+高性能专业三维图形加速板硬件平台，在Windows 2000操作系统下用C++及专业实时视景管理软件平台开发、生成9通道宽视场角(水平视角270度，垂直视角不小于25度)大屏幕投影视景，中心视点距屏幕不少于8米。系统选用最新的专用无缝拼接、边缘融合几何校正计算机和高亮度通用投影仪，可使投影系统的故障率大大降低，真正做到视景系统的无缝拼接和高亮度显示。同时在主本船的驾驶台中系统设置单独的漫游通道用于视景的左右环视、仰视、俯视和自由漫游功能，该通道同时具有望远镜功能，可用望远镜左右环视、仰视、俯视或自由漫游整个视景，望远镜的放大倍数可调。
1视景系统基本指标
Figure A20061015589500207
数字非线性图象映射
Figure A20061015589500208
柔和的数字边缘融合
数字热斑补偿
Figure A200610155895002010
数字颜色均衡
Figure A200610155895002011
数字γ校正
高亮度：2000 ANSI Lumens或以上
Figure A200610155895002013
视景中的景物具有丰富的纹理
Figure A200610155895002014
采用光照与明暗处理、
Figure A20061015589500211
4X或8X硬件反走样
Figure A20061015589500212
MIPMAP纹理细节处理
层次细节模型(LOD模型)
Figure A20061015589500214
颜色可达16,700,000之多
图象更新速率大于25帧/秒
Figure A20061015589500216
助航用灯光、目标船航行灯的能见距离严格按有关规则确定。
2视景内容
Figure A20061015589500217
天空：晴、阴、多云
Figure A20061015589500218
天气变化：晴、雨、闪电
Figure A20061015589500219
海面：真三维运动纹理海面，波浪的波高、周期和方向与风力、风向相关，波浪的要素根据波谱计算得到。本船船头的摇摆运动与波浪运动相关。
Figure A200610155895002110
地貌：基于真实港口的地形地貌的真三维模型，加上真实的纹理，逼真度高。
Figure A200610155895002111
码头：包括码头上的建筑物、起重机、缆桩等
助航标志、灯光：能见距离、闪烁规律严格按有关规则确定
Figure A200610155895002113
岸上典型建筑物：全部采用真实的白天/夜晚纹理映射
Figure A200610155895002114
目标船首浪、尾浪，首浪、尾浪与目标船运动速度、航向相关，并随运动海面波动，随时间逐渐消失
目标船号灯、号型的实时显示：号灯、号型可根据教练员的控制实时打开或关闭。夜间航行时，所有船舶航行灯的能见距离、光弧范围严格按有关规则显示。
可根据需要显示如下号灯：
Figure A200610155895002116
航行灯：前、后桅灯，左、右舷灯，尾灯
前锚灯、后锚灯
Figure A200610155895002118
环照灯：三个白灯、三个红灯可显示如下特殊情况下的号型：
Figure A200610155895002119
锚泊船：前桅一个黑球
Figure A200610155895002120
搁浅船：后桅三个黑球
Figure A200610155895002121
失控船：后桅两个黑球
Figure A20061015589500221
操纵能力受限船：大桅上两个黑球，一个棱形
Figure A20061015589500222
吃水受限船：大桅上一个圆柱体
Figure A20061015589500223
本船船首图形：船首图形与其他景物协调运动，能体现本船的纵摇、横摇以及随运动波浪的运动
本船船首浪花：船首浪花与船舶运动速度、航向相对应，并随波浪运动
Figure A20061015589500225
白天、夜晚、晨昏朦影时的视景，可按太阳运动24小时连续自动变化
Figure A20061015589500226
雾景，按能见度不良时的能见距离等级精确设定
Figure A20061015589500227
日落、日出及太阳光晕等效果
Figure A20061015589500228
视景漫游和望远镜功能
3.4船舶操纵数学模型性能
船舶操纵数学模型中包括影响本船运动的各种效应，包括：主机、舵、侧推器、
缆、锚、拖轮等的控制；风、流等环境对本船的作用；码头与本船的相互作用。具体如下：
功能：车(包括：各挡转速的主机推力，启动与停车过程，倒车螺旋桨偏转横向力作用)。
舵(包括四象限舵效应)。
锚(包括锚、锚链引起的作用力及力矩，作用点位于锚链孔，拖锚、走锚，受风流偏转)。
缆(作用点在出缆孔)。
拖轮(包括3500马力，4800马力，7000马力三种，14个作用点，顶推与拖带方向±90度可调)。
侧推器(方向与功率可调，功率按额定功率百分比表示)。
浅水效应(船舶下沉量误差为20公分，降速误差10％，降舵效)。
岸壁效应(偏转、岸推岸吸)。
船间效应(船间作用引起的推力，吸力及转向力矩)。
每艘船舶均可离线进行操纵性预报试验。包括：
旋回试验；
Z型操舵试验；
停车冲程试验；
倒车冲程试验；
并给出相应的特征参数。
3.5性能指标
高品质航海模拟器的性能指标瞄准当今最先进的航海模拟器的性能指标来制订。根据国际著名的船级社挪威船级社(DNV)为最高等级(A级、Class A)功能完备的船舶操纵模拟器(Full Mission Ship Handling Simulator)制定的性能标准，主要用三个真实感来衡量，它们分别是行为真实感(Behavioralrealism)环境真实感(Environmental realism)的物理真实感(Physicalrealism)。其中行为真实感主要由所采用的船舶运动数学模型所确定，环境真实感主要由视景系统所确定，物理真实感主要由所采用的仿真驾驶台及仪器设备所确定。以下分别用行为真实感、环境真实感、物理真实感三个表列出。
表一：行为真实感
编号 DNV标准 是否已达到     备注
1. 本船模拟的数学模型必须基于六自由度(自2002年2月1日起) √
2. 模型必须真实地模拟本船在宽广水域的水动力学特性，包括风力作用、波浪作用、潮流与流的作用 √
3. 模型必须真实地模拟本船在受限水域的水动力学特性，包括浅水与岸壁效应、船间效应。 √
4. 模拟器至少拥有5种以上本船数学模型  √ 已达到90余种
5. 模拟雷达设备必须具备对天气、潮流、流、影阴扇区，假回波和其它传播效应的建模能力，能产生岸线、航标、搜救示位标(详见STCW-95 A-1/12.4.2.2节) √
6. ARPA模拟设备应与以下功能相适应：-手动和自动目标捕捉-历史航迹显示-运用抑止区域-矢量/图形的时间标尺、数据显示-试操船(详见STCW-95 A-1/12.5节) √
7. 模拟器必须提供与本船主机功率输出相应的声响  √
表二：环境真实感
编号     DNV标准   是否已达到     备注
1. 模拟器必须能显示至少10种不同种类的目标船，目标船均具有数学模型，模型顾及外力包括流、风、波浪对其运动、漂移、航向角的影响。 √
2. 目标船应配备航路规则要求的号灯、号形、声响信号。上述信号可以由教练员分别加以控制，声响信号须有方向性且随距离衰减。天气晴好时，每艘船的外形应在6海里距离时得以辨认。在航船应具有相应的首尾浪花。 √
3. 模拟器应能同时显示至少20艘目标船。(详见STCW-95A-1/12.4.3节)教练员可以分别为每一艘船编制航行路线 √
4. 模拟器应提供白天、黄昏、晚上真实的视景，包括可变化的天气能见度、改变时间。有可能创建从浓雾到晴朗范围内不同的视觉条件。 √
5. 视景系统和/或运动平台能充分体现本船六自由度的运动(自2002年2月1日起) √
6. 视景的更新速率至少为20Hz，具有2.5弧分的角分辨率 √
7. 视景投影的放置距离和方式应能保证从驾驶台准确测量视景中的物标方位。能使用望远镜系统作观测。     √
8. 视景系统应能显示环水平方向的外景(360°)，水平视场角可以以下述方式获得，也即至少240°的视景，其余部分通过漫游(移动“相机”) √
9. 视景系统必须显示至少25°的垂直视场角。此外，可以通过其它任何方式，在系缆作业时观察到本船侧面与码头 √
10. 视景系统应显示与所用海图相对应的导航标志     √
11. 视景显示的物标应具有足够的真实感(详细到足以象真实的物标那样得以辨认)     √
12. 模拟器应能提供与所模拟的状况相对应的环境声响(例如风) √
13. 航行水域应包括与所使用海图相对应的随时间变化的流模型，潮水应有反映 √
14. 模拟应提供方向、强度可以变化的波浪     √
表三：物理真实感
编号 DNV标准 是否已达到     备注
1. 设备与控制台安装、安放与排列应与实船一致   √
2. 模拟中至少包括以下设备：推进装置操作控制，包括车钟、螺距控制和侧推器。应该具有主机转速和螺旋桨螺距显示。至少具有一个螺旋桨和一个首侧推器控制设备 √
3. 缆作业时推进装置的控制。在作这些控制操作时，不论采用何种方法，应该能观察到本船侧面及码头 √
4. 辅机控制。至少有2种辅机的控制设备，包括供电控制   √
5. 操舵控制台，包括便于辨认的手操舵和自动舵设备，这二种操舵方式之间的转换控制。应该有舵角与转向转率显示器 √
6. 操舵罗经和方位罗经(或复示器)具有至少1°的精度 √
7. 操舵罗经     √
8. 雷达和ARPA，能够模拟一部10cm雷达和一部3cm雷达。雷达能在稳定的相对运动模式和对水对地稳定真运动模式下操作(详见STCW-95 A-1/12.4.1和3节)     √
9. 按GMDSS框架工作的通讯设备，至少覆盖相应海区的要求(计划模拟航行的区域) √
10. 船内通信系统     √
11. ECDIS(电子海图显示与信息系统)     √
12. GPS，测深仪和计程仪     √
13. 显示相对风向和风力的仪表     √
14. 符合“航行规则”的声响控制面板     √
15. 航行灯显示仪表     √
16. 火探测、火警和救生艇报警控制系统     √

Claims (1)

1.高品质航海模拟器及其开发平台系统，其特征在于，由船舶运动数学模型、仿真驾驶台及设备、视景系统三部分组成，以微机集群为基础，采用分布式交互仿真、计算机成像、立体视觉、几何校正及边缘融合技术，主本船和副本船都配备视景系统的体系结构，具有6自由度高精度数学模型的全任务航海模拟器；系统为每一个仿真对象一本船建立船舶运动数学模型，系统运行时，模型解算程序根据每条船的特性数据、航行环境以及操船指令计算采样时刻本船的位置、航向、速度、航向变化率、加速度等，视景系统根据上述信息，用计算机成像技术生成该时刻的视景，即虚拟环境，本发明中采用计算机集群、多通道柱幕投影生成能达到360°的大视场角视景，操船者通过视景提供的视觉信息以及驾驶台中各种仿真仪器提供的航行信息，操纵车、舵等操船设备，达到教学培训或科学试验等目的。
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