CN111191348B - 一种智能船舶的船岸交互通讯模块的仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能船舶的船岸交互通讯模块的仿真测试方法，方法包括：S1、借助于CoSim软件、pTRI软件、OPNET软件以及代码编译软件搭建用于对船岸交互通讯模块的仿真测试系统，仿真测试系统中包括至少两个对船岸交互通讯模块的测试场景；S2、选择仿真测试系统中的一个测试场景，构建仿真测试系统中各个通讯节点在待测试海域内的初始状态；S3、采用OPNET软件的通讯模型库中通讯模型建立该测试场景下的通讯方式参数，依据通讯方式参数产生用于在各个通讯节点进行测试的数据包；S4、采集当前测试场景下在各个通讯节点进行测试交互后的数据包，对采集的数据包进行测评。上述方法可以降低现有技术中进行实船测试的成本和危险系数。

Description

一种智能船舶的船岸交互通讯模块的仿真测试方法

技术领域

本发明涉及船舶测试领域，尤其涉及一种智能船舶的船岸交互通讯模块的仿真测试方法。

背景技术

智能船舶在海上航行的过程中，信息的交互对智能船舶航行的安全至关重要，岸基指挥中心可以通过智能船舶上的船岸交互通讯模块对智能船舶航行的状态以及位置等信息做到及时掌握，实现对各船舶航行的协调；进一步可以向智能船舶传输天气及海况等信息，实现辅助智能船舶的决策。此外，在开阔水域的繁忙区或狭窄水域的航行条件下，岸基指挥中心可以通过船岸交互通讯模块实现对智能船舶的遥控操纵。

因此智能船舶的船岸交互通讯模块的稳定性和安全性是智能船舶航行安全的重要影响因素。当前，将船岸交互通讯模块直接应用于智能船舶在航行中的测试，其成本非常高且安全性不能保证。

为此，如何对应用于智能船舶的船岸交互通讯模块进行安全性和稳定性的仿真测试成为当前亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能船舶的船岸交互通讯模块的仿真测试方法，用于解决现有技术中对船岸交互通讯模块进行实船测试的成本高且可靠性低的问题。

为了达到上述的目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种智能船舶的船岸交互通讯模块的仿真测试方法，包括：

S1、借助于CoSim软件、pTRI软件、OPNET软件以及代码编译软件搭建用于对船岸交互通讯模块的仿真测试系统，所述仿真测试系统中包括至少两个对船岸交互通讯模块的测试场景；

S2、选择所述仿真测试系统中的一个测试场景，构建所述仿真测试系统中各个通讯节点在待测试海域内的初始状态；

S3、采用OPNET软件的通讯模型库中通讯模型确定该测试场景下的通讯方式参数，依据所述通讯方式参数产生用于在各个通讯节点进行测试的数据包；

S4、采集当前测试场景下在各个通讯节点进行测试交互后的数据包，对采集的数据包进行测评。

在一些实施例中，还包括：

选择所述仿真测试系统中的另一个测试场景，并重复步骤S2至S4的步骤。

在一些实施例中，待测试的数据包可包括：

视频格式的数据包、表述位置的数据包、声信号数据包、光信号数据包、电信号数据包。应说明的是，本发明实施例中待测试的数据包不限定这些数据包，还可包括其他用于进行测试的数据包。

在一些实施例中，所述仿真测试系统的测试场景包括：

船岸交互通讯模块处于3G/4G/5G/VHF/HF/MF通信方式下的船岸交互通讯模块；

其中，在每一种通信方式下测试场景的变量包括：船舶密度、船舶速度、传输数据量。在具体测试中，并不限定上述的通讯方式。

在一些实施例中，所述仿真测试系统中的岸基指挥中心和船舶以各自对应的通讯节点的方式呈现，所述岸基指挥中心对应的通讯节点是固定的，所述船舶对应的通讯节点是沿着预设海域内的路径规划航线进行移动；

在一些实施例中，S1包括：借助于CoSim软件构建仿真测试系统的仿真平台，借助于OPNET软件在所述仿真平台上构建各个船舶对应的通讯节点、岸基指挥中心对应的通讯节点；并根据实际的电子海图的测试海域的位置信息确定各个通讯节点在仿真测试系统的待测试区域的位置信息；

利用pRTI软件使各个通讯节点在仿真测试系统中以时间线为轴，进行仿真进程；

利用代码编译软件为仿真测试系统的编译项目进行编译处理。

在一些实施例中，所述仿真测试系统中所有数据包交互的接口是相同的数据接口。

第二方面，本发明还提供一种智能船舶的仿真测试系统，所述仿真测试系统用于对智能船舶的船岸交互通讯模块进行仿真测试，所述仿真测试系统包括：

借助于CoSim软件构建的仿真平台，使用OPNET软件在所述仿真平台上构建各个船舶对应的通讯节点、岸基指挥中心对应的通讯节点；并根据实际的电子海图的测试海域的位置信息确定各个通讯节点在仿真测试系统的待测试区域的位置信息；

利用pRTI软件使各个通讯节点在仿真测试系统中以时间线为轴，进行仿真进程；

利用代码编译软件为仿真测试系统的编译项目进行编译处理；

且利用OPNET软件生成每一个测试场景下的通讯方式参数，该通讯方式参数用于产生测试各个通讯节点的数据包。

本发明的有益效果是：

本发明的仿真测试方法可以实现在船岸交互通讯模块应用于智能船舶之前进行仿真测试，同时可以降低现有技术中进行实船测试的成本和危险系数。

通过搭建仿真测试环境，以模拟真实船舶航行的各种场景进而实现对船岸交互通讯模块的测试，提高了测试的可靠性，且保证了测试后船岸交互通讯模块应用于真实船舶的安全性能。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的智能船舶的船岸交互通讯模块的仿真测试方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例提供的智能船舶的船岸交互通讯模块的仿真测试方法的流程示意图。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，图1示出了一种智能船舶的船岸交互通讯模块的仿真测试方法的流程示意图，本实施例的方法包括下述步骤：

101、借助于CoSim软件、pTRI软件、OPNET软件以及代码编译软件搭建用于对船岸交互通讯模块的仿真测试系统，所述仿真测试系统中包括至少两个对船岸交互通讯模块的测试场景。

在本实施例中，仿真测试系统中的岸基指挥中心和船舶以各自对应的通讯节点的方式呈现，所述岸基指挥中心对应的通讯节点是固定的，所述船舶对应的通讯节点是沿着预设海域内的路径规划航线进行移动。

举例来说，船岸交互通讯模块处于3G/4G/5G/VHF/HF/MF通信方式下的船岸交互通讯模块；

船岸交互通讯模块处于各船舶密度下3G/4G/5G/VHF/HF/MF通信方式下的船岸交互通讯模块；

船岸交互通讯模块处于各船舶密度、多船舶运行速度下的3G/4G/5G/VHF/HF/MF通信方式下的船岸交互通讯模块；

船岸交互通讯模块处于各船舶密度、多船舶运行速度下的3G/4G/5G/VHF/HF/MF通信方式下的船岸交互通讯模块；

船岸交互通讯模块处于多个数据量传输的3G/4G/5G/VHF/HF/MF通信方式下的船岸交互通讯模块。

也就是说，仿真测试系统中的测试场景可为：智能船舶正常航行过程中可能使用的不同通讯模式与可能遇到的不同干扰强度、不同船舶密度、不同船舶移动速度和不同数据传输量的所有组合构成的多种模拟测试场景。

102、选择所述仿真测试系统中的一个测试场景，构建所述仿真测试系统中各个通讯节点在待测试海域内的初始状态。

103、采用OPNET软件的通讯模型库中通讯模型建立/确定该测试场景下的通讯方式参数，依据所述通讯方式参数产生用于在各个通讯节点进行测试的数据包。

举例来说，在实际应用中，待测试的数据包可包括：视频格式的数据包、表述位置的数据包、声信号数据包、光信号数据包和/或电信号数据包等。

104、采集当前测试场景下在各个通讯节点进行测试交互后的数据包，对采集的数据包进行测评。

在具体实现过程中，当用户触发选择所述仿真测试系统中的另一个测试场景，可重复步骤S2至S4的步骤。

在本实施例中，每一次的仿真测试无需重新搭建仿真测试系统，在现有的仿真测试系统下选择一个测试场景即可，在每一个测试场景中，针对每一个选择的通信方式，此时，可调整的变量都包括：船舶密度、船舶速度、传输数据量等。

本实施例的仿真测试方法可以实现在船岸交互通讯模块应用于智能船舶之前进行仿真测试，同时可以降低现有技术中进行实船测试的成本和危险系数。

通过搭建仿真测试环境，以模拟真实船舶航行的各种场景进而实现对船岸交互通讯模块的测试，提高了测试的可靠性，且保证了测试后船岸交互通讯模块应用于真实船舶的安全性能。

特别说明的是，本实施例的方法是对现有软件进行融合处理，在人为操作的触发下，自动生成的仿真测试系统，进而在仿真测试系统中实现的仿真测试，其在仿真测试系统中执行的仿真测试属于计算机程序的改进。

结合图2所示的附图，对本发明实施例的仿真测试系统进行说明如下。

第一步：计算机仿真测试系统的环境搭建

利用CoSim、pTRI、OPNET以及VC++搭建仿真测试系统，pRTI是仿真系统的框架搭建软件，具体的说是利用pRTI软件将OPNET中的各个船舶节点以及岸基节点联系起来，从而形成一个统一的整体，构成测试系统。由pRTI软件控制仿真进程的时间，使仿真系统以时间线为轴，进行仿真。CoSim软件是系统仿真平台，为整个系统提供操做平台，pRTI软件与OPNET软件都在此平台上运行。VC++是一种编程软件，为pRTI以及OPNET软件在进行仿真系统搭建过程中需要编程的项目提供支持。

也就是说，以pRTI软件为中介，将CoSim、VC++、OPNET软件联系在一起。搭建后的仿真测试系统可根据搭建的内容划分为测试场景模块、通讯节点模块以及通讯方式模块。

例如，利用OPNET Modeler构建不同船舶密度(即不同数目的船舶节点，在船岸交互过程中，岸基指挥中心连接的船舶节点数量直接影响到船岸信息交互的稳定性和连通性)、不同的船舶移动速度(船舶节点的移动速度直接影响船岸信息交互拓补结构变化，从而影响船岸信息交互的稳定性和可靠性)和不同的传输数据量(不同的数据传输量直接影响船岸信息交互的来源，从而影响船岸信息交互的稳定性与可靠性)和不同的通讯模式(VHF、HF、MF、3G、4G、5G等通讯模式下分别进行测试)。

应说明的是，OPNET是OPNET Modeler的简称，其属于一种仿真软件。

船岸交互通讯模块是指智能船舶可能使用的3G、4G等通讯方式及其对应的设备，在本申请中针对其各自的工作方式及原理，忽略设备的因素，将设备概念化为“节点”，通过仿真软件模拟其数据传输方式以实现仿真测试的目的。

另外，智能船舶在实际会使用不止一种的通讯方式，例如3G通讯、4G通讯等，各种通讯方式及其对应的设备共同组成船岸交互通讯模块，所以在本实施例中，搭建不同的通讯模式其实仍然是在搭建不同工作状态/条件下的船岸交互通讯模块的测试场景。

具体地，搭建过程如下：

①利用OPNET软件，在仿真测试系统中创建船舶节点，可以由OPNET中自带的MANNET节点改造而来。

岸基指挥中心节点与船舶节点的区别仅在于船舶节点可以按照航线进行移动，而岸基指挥中心节点是固定在某个位置的节点，二者均可实现信息的发送与接收，故岸基指挥中心节点与船舶节点一样可以由OPNET中自带的MANNET节点改造而来。

②利用OPNET软件对测试海域进行建模，OPNET中的地图支持经纬度，可以把地图(电子海图)缩放到具体的位置，确定智能船舶节点与岸基指挥中心节点在模型中的位置。即船舶初始位置以及岸基指挥中心位置的确定可以通过经纬度坐标确定。

③利用OPNET模型库中的模型，对VHF、HF、MF、3G、4G、5G等通讯模式进行建模。

④利用HLA体系搭建分布式仿真系统框架，提供统一的数据接口，协调仿真系统内各个成员的时间推进状态，降低仿真系统的复杂性并实现组件间的相互独立性。OPNET仿真系统利用OPNET Modeler(通讯网络建模仿真工具，可以支持通讯协议、网络、算法的建模仿真)与HLA的接口实现信息的传输与交互。

可理解的是，在本实施例中，利用CoSim、pTRI、OPNET以及VC++搭建仿真测试系统；进而在仿真测试系统中搭建不同的测试环境；方便后续进行相应的测试，相对于现有技术中的搭建一种测试环境，在搭建的测试环境下进行相应的测试项目，一直需要重复搭建的过程，简化很多时间和人力成本。

此搭建过程是人为输入一些参数触发软件的运行操作，生成的仿真测试环境，其是对现有软件的现有搭建方式的改造，以实现所需模型的搭建，属于仿真系统的搭建环节。例如，在OPNET软件中目前未有船舶节点的搭建方法，本实施例船舶节点的搭建方法是利用OPNET中已有的节点搭建方法结合船舶的实际特性进行改造来实现的。

第二步：计算机仿真测试系统的测试过程说明

1)计算机仿真测试初始状态确定：

采用CoSim协同仿真软件、pRTI、OPNET以及VC++进行仿真实现。在OPNET中确定航行位置以及岸基指挥中心位置，确定初始的状态。

2)利用OPNET模型中的Source进程产生不同大小的数据包、不同类型(声信号类型、光信号类型、电信号类型等)的数据包。

也就是说，产生的数据包是在被测的船舶节点和岸基指挥中心节点之间进行交互。

3)首先在船舶密度、船舶速度、通讯模式以及传输数据量单一变化时，对船岸交互通讯系统进行测试，对测试数据进行采集；其次在船舶密度、船舶速度、通讯模式以及传输数据量组合变化的情况下(两两组合、三三组合以及全部组合，组合变化排列见下一小节实船测试)，对船岸交互通讯系统进行测试，对测试数据进行采集，最终对测试结果进行分析。

在第二步中，需要说明的是，测试海域的确定由操作人员进行选择，即选择电子海图中某一区域作为测试海域，目的是通过选择实际海域作为测试海域可以得到该海域中固有的航线，作为船舶节点移动的航线。测试海域的搭建/建模是通过OPNET软件与电子海图软件的连接实现，OPNET中的地图支持经纬度，可以把电子海图缩放到具体的位置，实现模拟测试海域的搭建/建模。

在测试过程中，岸基指挥中心的通讯节点是固定的，船舶节点是可以移动的，初始状态可以是指船舶节点的初始位置及包括运行速度、航向等的运行参数。

第三步：计算机仿真测试系统的测试过程说明

船岸交互通讯测试主要技术指标：

在信号接收与发送工程中数据信号传输的误码率、误信率、丢包率、有效带宽、输出信噪比、数据传输速率、信号传输速率等。

前述的数据包可以有不同的容量大小和不同的数据类型，通过统计通讯相关的数据信息，用来测试船岸交互在不同条件下通讯时的丢包率、误码率、误信率等通讯指标。

测试过程中数据传输的方向为被测船舶节点与岸基指挥中心节点之间进行交互，并非单向交互，是两者之间进行通讯交互。发送的信息即为Source进程生成的数据包，具体的数据包内容是根据被测船舶的实际情况进行确定的。

被测船舶节点是选定不变的，不因船舶密度的变化而变化，船舶密度的变化只是测试条件的变量之一，其目的是利用船舶密度的变化观察船舶密度变化对船岸交互通讯模块稳定性的影响。

当被测船舶节点为接收数据的节点时，在船舶节点进行采集，当岸基指挥中心节点为接收数据的节点时，在岸基指挥中心节点采集数据。目的是采集其接收的数据包与发出的数据包进行数据处理，得出丢包率等参数，用来对船岸交通通信模块进行评价。

通过上述对仿真测试系统的说明，可实现如下的效果：

(1)在智能船舶船岸交互通信模块的测试中使用计算机仿真测试的方法，避免了直接进行实船测试时可能的风险，提高了测试的安全性。

(2)采用计算机仿真测试，保证了船岸通讯模块具备智能船舶要求的相关功能后进行实船测试，减少了实船测试的次数，从而降低了实船测试的成本。

(3)采用计算机仿真测试方法，打破测试安全性限制，能够按照极限条件对智能船舶的船岸交互通讯模块进行测试，能够清楚的获得测试模块的极限值，弥补了实船测试的缺陷。

(4)采用电子海图搭建智能船舶船岸交互通讯模块的测试场景，能够打破空间的限制，为测试搭建更加丰富的场景，使智能船舶经过更加全面的测试。

另外，根据本发明实施例的另一方面，本发明实施例还提供一种智能船舶的仿真测试系统，所述仿真测试系统用于对智能船舶的船岸交互通讯模块进行仿真测试，所述仿真测试系统包括：

借助于CoSim软件构建的仿真平台，使用OPNET软件在所述仿真平台上构建各个船舶对应的通讯节点、岸基指挥中心对应的通讯节点；并根据实际的电子海图的测试海域的位置信息确定各个通讯节点在仿真测试系统的待测试区域的位置信息；

利用pRTI软件使各个通讯节点在仿真测试系统中以时间线为轴，进行仿真进程；

利用代码编译软件为仿真测试系统的编译项目进行编译处理；

且利用OPNET软件生成每一个测试场景下的通讯方式参数，该通讯方式参数用于产生测试各个通讯节点的数据包。

在本实施例中，仿真测试系统中所有数据包交互的接口是相同的数据接口。应说明的是，本实施例中测试过程均可在计算机上实现，为此，计算机内划分的各个模块之间进行数据交互的接口可理解为相互之间使用的协议之类的是相同的，若在计算机内是相互独立的模块，则相互独立的模块之间的接口时相同的。

本实施例中基于各种通讯的原理，利用OPNET对其进行建模，模拟实际的通讯方式，例如利用OPNET原有通讯模型库中相似模型的频率、带宽、多信道的数量等使之符合待测通讯方式的各项基础标准，进而进行建模获得测试的通讯方式参数。

本实施例中基于搭建的仿真测试系统进行智能船舶的船岸交互通讯模块的仿真方法可包括：

A1、基于选择的所述仿真测试系统中的一个测试场景，使所述仿真测试系统中各个通讯节点处于待测试海域内的初始状态；

A2、根据OPNET软件的通讯模型库中通讯模型，产生用于在各个通讯节点进行测试的数据包；

A3、采集当前测试场景下在各个通讯节点进行测试交互后的数据包，对采集的数据包进行测评。

可理解的是，本实施例的仿真测试系统根据搭建的内容划分为测试场景模块、通讯节点模块以及通讯方式模块，由此，可以方便操作者处理并对智能船舶进行仿真测试，可以获得极限值等测试结果，降低测试成本和实船测试的危险系数。

以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种智能船舶的船岸交互通讯模块的仿真测试方法，其特征在于，包括：

S1、借助于CoSim软件、pTRI软件、OPNET软件以及代码编译软件搭建用于对船岸交互通讯模块的仿真测试系统，所述仿真测试系统中包括至少两个对船岸交互通讯模块的测试场景；

S2、选择所述仿真测试系统中的一个测试场景，构建所述仿真测试系统中各个通讯节点在待测试海域内的初始状态；

S3、采用OPNET软件的通讯模型库中通讯模型确定该测试场景下的通讯方式参数，依据所述通讯方式参数产生用于在各个通讯节点进行测试的数据包；

S4、采集当前测试场景下在各个通讯节点进行测试交互后的数据包，对采集的数据包进行测评；

借助于CoSim软件构建仿真测试系统的仿真平台，借助于OPNET软件在所述仿真平台上构建各个船舶对应的通讯节点、岸基指挥中心对应的通讯节点；并根据实际的电子海图的测试海域的位置信息确定各个通讯节点在仿真测试系统的待测试区域的位置信息；

各个船舶对应的通讯节点按照航线进行移动，岸基指挥中心对应的通讯节点固定在某个位置，两者能够实现信息的发送和接收，以及利用OPNET软件对测试海域进行建模，OPNET中的地图支持经纬度，把地图缩放到具体的位置，确定各个船舶对应的通讯节点、岸基指挥中心对应的通讯节点在模型中的位置，即通过经纬度坐标确定船舶初始位置以及岸基指挥中心位置；

利用OPNET模型库中的模型，对通讯模式进行建模；利用HLA体系搭建分布式仿真系统框架，提供统一的数据接口，协调仿真系统内各个节点的时间推进状态，OPNET仿真系统利用OPNET Modeler与HLA的接口实现信息的传输与交互；

利用pRTI软件使各个通讯节点在仿真测试系统中以时间线为轴，进行仿真进程；

利用代码编译软件为仿真测试系统的编译项目进行编译处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

选择所述仿真测试系统中的另一个测试场景，并重复步骤S2至S4的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待测试的数据包包括：

视频格式的数据包、表述位置的数据包、声信号数据包、光信号数据包、电信号数据包。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿真测试系统的测试场景包括：

船岸交互通讯模块处于3G/4G/5G/VHF/HF/MF通信方式下的船岸交互通讯模块；

其中，在每一种通信方式下测试场景的变量包括：船舶密度、船舶速度、传输数据量。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿真测试系统中的岸基指挥中心和船舶以各自对应的通讯节点的方式呈现，所述岸基指挥中心对应的通讯节点是固定的，所述船舶对应的通讯节点是沿着预设海域内的路径规划航线进行移动。

6.根据权利要求1至5任一所述的方法，其特征在于，所述仿真测试系统中所有数据包交互的接口是相同的数据接口。

7.一种智能船舶的仿真测试系统，其特征在于，所述仿真测试系统用于对智能船舶的船岸交互通讯模块进行仿真测试，所述仿真测试系统包括：

借助于CoSim软件构建的仿真平台，使用OPNET软件在所述仿真平台上构建各个船舶对应的通讯节点、岸基指挥中心对应的通讯节点；并根据实际的电子海图的测试海域的位置信息确定各个通讯节点在仿真测试系统的待测试区域的位置信息；

各个船舶对应的通讯节点按照航线进行移动，岸基指挥中心对应的通讯节点固定在某个位置，两者能够实现信息的发送和接收，以及利用OPNET软件对测试海域进行建模，OPNET中的地图支持经纬度，把地图缩放到具体的位置，确定各个船舶对应的通讯节点、岸基指挥中心对应的通讯节点在模型中的位置，即通过经纬度坐标确定船舶初始位置以及岸基指挥中心位置；

利用OPNET模型库中的模型，对通讯模式进行建模；利用HLA体系搭建分布式仿真系统框架，提供统一的数据接口，协调仿真系统内各个节点的时间推进状态，OPNET仿真系统利用OPNET Modeler与HLA的接口实现信息的传输与交互；

利用pRTI软件使各个通讯节点在仿真测试系统中以时间线为轴，进行仿真进程；

利用代码编译软件为仿真测试系统的编译项目进行编译处理；

且利用OPNET软件生成每一个测试场景下的通讯方式参数，该通讯方式参数用于产生测试各个通讯节点的数据包。

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