CN107153365B - 一种船舶靠离泊操纵仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶靠离泊操纵仿真系统，包括教练站和本船，所述的教练站与本船通过局域网连接。本发明利用虚拟现实技术开发了船舶靠离泊操纵仿真系统，学员不会因为设备故障、系船缆断裂或者操纵不当造成的严重后果而威胁到自身安全。另外，本发明使船舶靠离泊操纵可反复进行，不再受时间、场地、设备等因素影响，提高了船舶靠离泊操纵的培训效率。本发明采用三维仿真技术，解决了以往靠离泊操纵只有船舶靠离泊的运动轨迹，没有靠离泊操纵中船舶与缆绳、系泊设备之间交互的弊端，提高了培训的真实感。本发明能够实现多人协同培训，培训具有针对性、灵活性。保证学员的安全，大大减少了人力和资金投入，提高船舶靠离泊操纵培训效率。

Description

一种船舶靠离泊操纵仿真系统

技术领域

本发明属于虚拟现实与仿真技术领域，特别是一种船舶靠离泊操纵仿真系统。

背景技术

船舶靠离泊操纵是船舶操纵中一项经常性工作，由于靠离泊操纵时，船舶处于低速、大漂角、浅窄水域和舵效差的运动状态，而且易受外界环境影响，因此船舶靠离泊操纵比较困难。国际海事组织在《海员培训、发证和值班标准国际公约》中提出关于靠离泊操纵的正确程序的标准要求。现阶段船员靠离泊操纵的专业技能主要靠海上实船的实践来提高，这种方式浪费了大量的人力、资金和时间，不仅培训效率低而且具有额外的风险。现有的航海模拟器能够让船员了解靠离泊操纵，但是航海模拟器只是简单显示系泊操纵的最终状态，没有系船系船缆、绞缆机及系缆装置等设备的操纵过程，这就很难达到预期的效果。因此，迫切需要一种能够满足学员培训需求、保证学员安全、高效的船舶靠离泊操纵仿真系统。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既能够满足学员培训需求、保证学员安全、提高培训效率，又能够模拟系船系船缆、绞缆机及系缆装置等设备的操纵过程的船舶靠离泊操纵仿真系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种船舶靠离泊操纵仿真系统，包括教练站和多个本船，所述的教练站与多个本船通过局域网连接，本船与本船之间通过局域网进行通信。所述的教练站作为指挥中心，包括设置练习模块、发送练习模块、设置试题模块和发送试题模块；所述的本船作为考试训练端，包括用户交互界面模块、设备交互界面模块、视景显示模块、运动数学模型模块和数据库。

所述的教练站负责训练任务设置、训练过程监管、考试内容设置和考试结果评估；所述的设置练习模块用于设置训练的气象条件、水文条件和港口条件，并设置训练科目和场景，根据训练内容确定学员数量并为学员分配训练角色，教练站在发送练习模块通过局域网将训练任务发送到各个本船。学员在本船上进行协同操纵训练，本船主机记录操纵数据。如果需要对学员操纵内容进行评估，则通过设置试题模块设置试题，并通过发送试题模块发送试题给学员，在学员完成操纵内容并提交操纵结果后，教练站将对操纵内容进行评估打分同时将操纵数据及评估内容传到数据库。

所述的用户交互界面模块包括全船二维和三维快速导航、辅助窗口观察视角、辅助船员命令菜单、警告信息提示窗、帮助信息提示窗、联网设置菜单、操纵开始及提交菜单。

所述的设备交互界面模块包括船体、驾驶室、码头缆桩以及系泊设备的三维模型，所述的系泊设备包括系船缆、导缆装置、挽缆装置、绞缆机、卷缆车及属具，学员利用鼠标或键盘在虚拟船舶上漫游并与设备模型进行交互，同时利用语音识别技术对特定的设备进行交互操纵；本船记录并保存每步操纵内容，操纵结束后，将操纵记录发送到数据库。

所述的视景显示模块包括外界环境、目标船模型和本船船体模型，外界环境包括气象条件、水文条件和港口条件，目标船显示不同种类的船型，本船船体模型包括整船的固定模型和可交互模型。

所述的运动数学模型模块包括系船缆被撇出后的抛物线运动模型、系船缆在各种状态下的运动模型和船舶在水面运动受到外界环境因素影响下的运动模型；

所述的系船缆在各种状态下的运动模型，包括系船缆在绞缆机滚筒上的圆柱螺旋线模型和系船缆伸出滚筒的悬链线模型。以出缆孔处为原点建立悬链线模型的直角坐标系O-xy；x为系船缆横向坐标，指向码头缆桩；y为系船缆纵向坐标，指向水面；

所述的圆柱螺旋线模型为：

式中：(X(θ),Y(θ),Z(θ))为绕滚筒旋转θ角度后的节点位置，θ为该节点的旋转角度，R_roll为滚筒半径，R_rope为系船缆半径，(X₀,Y₀,Z₀)为计算起始点；

所述的悬链线的模型为：

式中：a为悬链线参数；b＝-acoshc；

所述的船舶在水面运动受到外界环境因素影响下的运动模型为：

式中：m和I_zz分别为船舶的质量和转动惯量；m_x、m_y和J_zz分别为船舶在水中运动时的纵向、横向和艏向附加质量；(u,v,r)为船舶的纵向、横向和转首速度，其上面的点表示对时间求导，即运动加速度；F_X为作用在船体纵向上的作用力；F_Y为横向作用力；N为转首力矩。

进一步地，所述的气象条件包括风、雨、雷电、雪、白天、夜晚、晨昏朦影，所述的水文条件包括浪、流、潮汐，所述的港口条件包括泊位、岸线、障碍物、助航标识。

进一步地，所述的设备交互界面模块在有人操纵站立位置不对时，发出危险区域声音报警。

进一步地，所述的教练站的教练与本船学员之间、本船学员与本船学员之间通过VHF进行通信。

本发明的多角色协同操纵训练方案如下：由于靠离泊操纵需要多人合作才能完成，如靠泊操纵中带缆作业，至少需要三个人合作才能完成，本发明按照实际操纵需求，事先设置了靠离泊操纵的人数及其训练角色，每个角色都有其对应的角色名称及任务。教练员在教练站设定训练科目后，即可确定所需的系泊设备及训练角色，训练所需的本船数量与学员数量相同，确定训练角色数量与所需本船的数量后，为本船分配训练角色，若本船数量等于训练角色的数量，每个本船分配一个角色；若本船数量少于训练角色的数量，为每个本船分配一个角色后，剩余的角色用虚拟辅助船员代替。分配完角色后，学员根据自己的任务选择本船进行操纵训练，并可与其他学员协同训练。本发明有两种协同训练方式：一种是“真”人间的协同，另一种是“真”人与虚拟人间的协同。所述的“真”人间的协同是本发明中的角色全部为学员，学员通过局域网协同工作，学员以第一人称方式在场景中漫游、交互，并在虚拟场景中互见。所述的“真”人与虚拟人间的协同是每个学员选择一个本船，即选择一个角色后，剩余的角色为虚拟辅助船员，学员通过本发明提供的命令菜单来控制辅助船员对设备的操纵，虚拟辅助船员以第三人称方式在场景中漫游、交互，学员与虚拟辅助船员“配合”完成相关训练任务。完成训练任务并提交操纵后，本船将操纵记录数据发送给教练站单元，教练站根据每个本船的操纵记录与角色训练任务进行评估、打分，并将操纵记录数据及评估内容保存到数据库。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用虚拟现实技术开发了船舶靠离泊操纵仿真训练与评估系统，学员不会因为设备故障、系船缆断裂或者操纵不当造成的严重后果而威胁到自身安全。另外，本发明使船舶靠离泊操纵可反复进行，不再受时间、场地、设备等因素影响，提高了船舶靠离泊操纵的培训效率。

2、本发明采用三维仿真技术，根据实船中靠离泊操纵过程实现了缆绳与绞缆机的三维交互操纵，实现了驾驶台下达操纵命令，船首工人进行响应的操纵，码头工人协作挂、解缆绳的整个过程的模拟，解决了以往靠离泊操纵只有船舶靠离泊的运动轨迹，没有靠离泊操纵中船舶与系船缆、系泊设备之间交互的弊端，逼真的虚拟场景大大提高了培训的真实感。

3、本发明提出了一种多角色协同操纵训练方案，能够实现多人协同训练，学员可以按照自身的训练需求，选择训练角色进行训练，训练具有针对性。本发明设计了两种协同工作方式，当学员数量不足时可利用虚拟辅助船员代替训练角色保证训练的正常进行，使得训练更具有灵活性。

4、本发明在学员训练过程中，记录学员的操纵数据，并结合评估算法对其进行自动评估，减轻了评估人员的负担、保证船舶靠离泊操纵评估结果的客观性和准确性。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明的操纵训练方案示意图。

图3是靠离泊操纵系缆与解缆步骤。

图中：1、教练站，2、设置练习模块，3、设置试题模块，4、发送练习模块，5、发送试题模块，6、本船，7、用户交互界面模块，8、设备交互界面模块，9、视景显示模块，10、运动数学模型模块，11、数据库。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细地说明：

如图1所示，本发明由教练站1和本船6组成，教练站1作为指挥中心包括：设置练习模块2、发送练习模块3、设置试题模块4、发送试模块5；本船6包括：用户交互界面模块7、设备交互界面模块8、视景显示模块9、视运动数学模型模块10、数据库11。

所述的设置练习模块2初始化训练任务，所述的设置训练任务包括设置练习的外界环境条件及练习科目、确定学员数量并为学员分配训练角色，所述的外界环境条件包括设定气象、水文及港口条件及船舶状态参数，所述的练习科目有靠离泊操纵中的系缆作业和解缆作业，所述的分配训练角色是根据训练角色的数量和学员数量，为本船6分配训练角色及其训练任务，所述的训练角色，本发明事先为每个系泊设备设计相应数量的训练角色及其训练任务，每个角色都有其对应的名称，将设置好的练习通过路由协议经过发送练习模块3发送到本船6。

所述的设置试题模块4设置训练评估试题，所述的设置训练评估试题需要在设置练习模块2后执行；参与船舶靠离泊操纵的学员五人一组，每人一台考试训练终端，五台终端将组成一个小网络，组内学员分为船长、大副、甲板船员一、甲板船员二、码头水手，根据其分配的角色，共同完成靠泊或离泊操纵；在操纵过程中，五个学员在同一虚拟操纵场景中，每一个学员可在考试场景中看到其他学员的虚拟替身及相应操纵，学员之间通过VHF沟通交流，根据其角色完成相应的任务，从而实现多人分角色登录和分工操纵，操纵完成提交后教练站1对学员操纵内容进行评估，将设置好的试题通过路由协议经过发送试模块5发送到本船6。

所述的本船6接收的试题文件包括：试题基础信息、环境数据、船舶数据、评价指标。所述的试题基础信息包括试题名称、试题说明、出题日期、出题人姓名；环境数据包括：气象、水文、港口数据；船舶数据包括：船名、呼号、排水量、船长、船宽、吃水；评价指标有标准值、权重值、调整参数、隶属度函数；每个本船6根据接收的练习试题文件更新本船虚拟场景。操纵结束后，本船6将操纵记录数据保存到数据库11，所述的操纵记录数据为每一项操纵任务是否完成，记录数据为“1”或“0”，根据每个本船6的操纵数据进行评估打分，最后将操纵记录数据及评估成绩保存到数据库11。

所述的用户交互界面模块7包括：全船二维和三维快速导航、辅助窗口观察视角、辅助船员命令菜单、警告信息提示窗、帮助信息提示窗、联网设置菜单、操纵开始及提交菜单。

所述的设备交互界面模块8为船体、驾驶室、码头缆桩以及系泊设备的三维模型，系泊设备包括：系船缆、导缆装置、挽缆装置、绞缆机、卷缆车及属具，根据学员所分配的角色及任务，利用鼠标、键盘在虚拟船舶上漫游并与设备模型进行交互，各角色的虚拟替身在场境中互见、协同训练，利用VHF进行语音通信。操纵结束后，将操纵记录数据发送数据管理数据库11。

所述的视景显示模块9包括外界环境、目标船模型和本船船体模型，外界环境包括气象、水文和港口三大类，目标船可以显示不同种类的船型，本船船体视景包括整船的固定模型和可交互模型，每一个学员可在考试场景中看到其他学员的虚拟替身及相应操纵，根据每个学员的不同位置显示相应的视景。

所述的运动数学模型包括撇系船缆被撇出后的抛物线型运动模型及最终被撇到码头上的撇缆悬链线模型；系船缆在绞缆机滚筒上的螺旋线模型和伸出滚筒的松、紧等状态下的系船缆运动模型；船舶在水面运动受到外界环境因素影响下的运动模型。

本发明工作时，流程如图2-3所示：

教练员在教练站1设定训练科目和训练场景，根据训练科目确定所需的训练角色数量及学员角色，确定训练角色数量与所需本船6的数量后，学员根据自身训练需求选择本船6进行训练，学员根据所分配的角色及任务，利用鼠标、键盘在虚拟船舶上漫游并操纵绞缆机等设备，各角色在场境中互见、协同训练，若存在虚拟辅助船员时，利用鼠标点击命令菜单来控制虚拟辅助船员进行交互，完成训练并提交后，本船6将操纵记录数据发送回教练站1，教练站1根据每个本船6的操纵训练数据进行评估打分，将操纵数据、训练数据及成绩保存到数据库11，方便对评估模型进行统计。

以船员靠泊操纵为例来介绍本发明工作流程，首先，教练员设定操纵场景为白天、微风、流速1节，靠泊操纵设有五个角色：第一个角色为本船船长，第二个角色为大副，第三、四个角色为甲板船员一和甲板船员二，第五个角色为码头水手。船长在驾驶台作为总指挥，负责指挥船舶进行靠泊操纵；大副在船首主要负责与驾驶台沟通、指挥甲板船员进行靠泊操纵；甲板船员一负责操纵绞缆机，控制操纵杆和刹车及时调整系船缆收放速度；甲板船员二负责撇缆及拖拽系船缆。角色分配完成后，每个学员选择一个本船6开始操纵，驾驶台摆好船位、控制余速和靠拢角度；船首人员做好靠泊准备工作，大副检查对讲机联系通畅、将出缆顺序和各缆挽桩部署高速船员；甲板船员一检查绞缆机并试车；甲板船员二与甲板船员一协同将系船缆备妥。系船缆备妥后甲板船员二投掷撇缆，撇缆成功后大副报告驾驶台。甲板船员二撇出撇缆后将撇系船缆与系船缆的琵琶头连上，将系船缆送出船舷外，完成出缆。码头水手拉撇系船缆的同时，甲板船员一操纵绞缆机松缆，大副根据收放情况及时报告驾驶台，以便根据船舶姿态及时调整绞缆机放缆速度，系船缆到达码头，码头水手将琵琶头套上缆桩后甲板船员一执行绞缆操纵，船舶靠拢码头后甲板船员二将系船缆从卷筒上取下，在缆桩上挽牢，执行挽缆操纵，船靠妥后甲板船员二挂上挡鼠板清理现场完成靠泊操纵。操纵结束后，学员提交操纵，完成靠泊操纵训练。本船将对操纵记录数据行评估打分，最后将操纵训练数据及成绩保存到数据库11。

以上显示和描述了本发明的基本原理、技术特征及本发明的优点。本发明不受上述示例的限制，上述示例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种船舶靠离泊操纵仿真系统，其特征在于：包括教练站(1)和多个本船(6)，所述的教练站(1)与多个本船(6)通过局域网连接，本船(6)与本船(6)之间通过局域网进行通信；所述的教练站(1)作为指挥中心，包括设置练习模块(2)、发送练习模块(4)、设置试题模块(3)和发送试题模块(5)；所述的本船(6)作为考试训练端，包括用户交互界面模块(7)、设备交互界面模块(8)、视景显示模块(9)、运动数学模型模块(10)和数据库(11)；

所述的教练站(1)负责训练任务设置、训练过程监管、考试内容设置和考试结果评估；所述的设置练习模块(2)用于设置训练的气象条件、水文条件和港口条件，并设置训练科目和场景，根据训练内容确定学员数量并为学员分配训练角色，教练站(1)在发送练习模块(4)通过局域网将训练任务发送到各个本船(6)；学员在本船(6)上进行协同操纵训练，本船(6)主机记录操纵数据；如果需要对学员操纵内容进行评估，则通过设置试题模块(3)设置试题，并通过发送试题模块(5)发送试题给学员，在学员完成操纵内容并提交操纵结果后，教练站(1)将对操纵内容进行评估打分同时将操纵数据及评估内容传到数据库(11)；

所述的用户交互界面模块(7)包括全船二维和三维快速导航、辅助窗口观察视角、辅助船员命令菜单、警告信息提示窗、帮助信息提示窗、联网设置菜单、操纵开始及提交菜单；

所述的设备交互界面模块(8)包括船体、驾驶室、码头缆桩以及系泊设备的三维模型，所述的系泊设备包括系船缆、导缆装置、挽缆装置、绞缆机械、卷缆车及属具，学员利用鼠标或键盘在虚拟船舶上漫游并与设备模型进行交互，同时利用语音识别技术对特定的设备进行交互操纵；本船(6)记录并保存每步操纵内容，操纵结束后，将操纵记录发送到数据库(11)；

所述的视景显示模块(9)包括外界环境、目标船模型和本船船体模型，外界环境包括气象条件、水文条件和港口条件，目标船显示不同种类的船型，本船(6)船体模型包括整船的固定模型和可交互模型；

所述的运动数学模型模块(10)包括系船缆被撇出后的抛物线运动模型、系船缆在各种状态下的运动模型和船舶在水面运动受到外界环境因素影响下的运动模型；

所述的系船缆在各种状态下的运动模型，包括系船缆在绞缆机滚筒上的圆柱螺旋线模型和系船缆伸出滚筒的悬链线模型；以出缆孔处为原点建立悬链线模型的直角坐标系O-xy；x为系船缆横向坐标，指向码头缆桩；y为系船缆纵向坐标，指向水面；

所述的圆柱螺旋线模型为：

式中：(X(θ),Y(θ),Z(θ))为绕滚筒旋转θ角度后的节点位置，θ为该节点的旋转角度，R_roll为滚筒半径，R_rope为系船缆半径，(X₀,Y₀,Z₀)为计算起始点；

所述的悬链线的模型为：

式中：a为悬链线参数；b＝-acoshc；

所述的船舶在水面运动受到外界环境因素影响下的运动模型为：

式中：m和I_zz分别为船舶的质量和转动惯量；m_x、m_y和J_zz分别为船舶在水中运动时的纵向、横向和艏向附加质量；(u,v,r)为船舶的纵向、横向和转首速度，其上面的点表示对时间求导，即运动加速度；F_X为作用在船体纵向上的作用力；F_Y为横向作用力；N为转首力矩。

2.根据权利要求1所述的一种船舶靠离泊操纵仿真系统，其特征在于：所述的气象条件包括风、雨、雷电、雪、白天、夜晚、晨昏朦影，所述的水文条件包括浪、流、潮汐，所述的港口条件包括泊位、岸线、障碍物、助航标识。

3.根据权利要求1所述的一种船舶靠离泊操纵仿真系统，其特征在于：所述的设备交互界面模块(8)在有人操纵站立位置不对时，发出危险区域声音报警。

4.根据权利要求1所述的一种船舶靠离泊操纵仿真系统，其特征在于：所述的教练站(1)的教练与本船(6)学员之间、本船(6)学员与本船(6)学员之间通过VHF进行通信。

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