CN114882759B - 虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统和方法，包括：实船‑航行水域环境子系统，为实际船舶及其所处水域环境的耦合系统；水域信息采集设备，用于采集实验水域信息；多通道分布式终端子系统，用于通过分布式终端设置虚拟干扰船；局域网接入管理联邦子系统，用于构建多通道分布式终端子系统；数据中心用于仿真模拟环境内外部数据传输管理，以及构建虚拟障碍船；多自由度座舱及其驱动模块子系统用于控制任意虚拟船；一体化仿真模拟环境子系统用于构建具有实船海上航行特征的三维映射空间。本申请能够实现软件在环、硬件在环、人在环路的半实物仿真实验，可在虚实混合的平行虚拟场景中快速构建多种不同的海上会遇态势。
Description
技术领域
本申请属于智能船舶自主航行仿真模拟技术领域，具体涉及虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统和方法。
背景技术
由于实船海上实验风险较大且成本过高，因此智能船舶仿真模拟实验平台及相关技术实验系统的研发正在逐渐成为该领域所急需解决的问题。而现有的智能船仿真模拟系统存在缺乏一体化仿真实验环境、海上力学环境失真、难以还原智能化船舶-传统自动化船舶混行的人-机混合的海上交通态势、虚拟仿真实验沉浸感较差等诸多局限性，并且针对某一特定的智能船自主行为模型、算法、软件或硬件系统，现有系统无法提供其全生命周期的仿真模拟实验环境。
发明内容
为解决现有技术所存在的问题，本申请提出了虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统和方法，基于数字孪生及一体化系统仿真理论，面向智能船自主航行技术的实验研究需求，采用虚实混合及多人在环的仿真模拟技术，构建可用于软件在环、硬件在环和人在环路三种虚实混合架构的仿真模拟系统。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统，包括一体化仿真模拟环境子系统、数据中心、水域信息采集设备、实船-航行水域环境子系统、局域网接入管理联邦子系统、多通道分布式终端子系统和多自由度座舱及其驱动模块子系统；
所述实船-航行水域环境子系统为实际船舶及其所处水域环境的耦合系统，生成实船-水域耦合数据，所述实船-航行水域环境子系统还用于将所述实际船舶的航行状态发送至所述数据中心；
所述水域信息采集设备用于采集实验水域信息，所述实验水域信息包括实验水域环境中实船航行状态与会遇局面的相对真值数据以及实时环境数据；
所述多通道分布式终端子系统用于通过分布式终端设置虚拟干扰船，模拟多船海上交通场景；
所述局域网接入管理联邦子系统用于构建所述多通道分布式终端子系统；并管理所述分布式终端之间的数据连接；
所述数据中心用于所述水域信息采集设备、实船-航行水域环境子系统和所述一体化仿真模拟环境子系统之间的数据传输管理，所述数据中心还用于基于所述实船-水域耦合数据、所述实际船舶的所述航行状态和所述实验水域信息，构建用于所述一体化仿真模拟环境子系统进行仿真实验的虚拟障碍船；
所述多自由度座舱及其驱动模块子系统用于控制任意虚拟船，所述虚拟船包括所述虚拟干扰船和所述虚拟障碍船；
所述一体化仿真模拟环境子系统用于根据所述实船-水域耦合数据、所述实际船舶的所述航行状态和所述实验水域信息，构建具有实船海上航行特征的三维映射空间，所述三维映射空间作为虚拟场景，结合所述虚拟船，用于进行智能船多通道交互模拟实验。
优选的，所述实船-航行水域环境子系统中，所述实际船舶安装有平行控制终端和数据采集模块；
所述平行控制终端用于控制所述实际船舶的航向和航速；
所述数据采集模块用于采集所述实际船舶的所述航行状态，并将所述航行状态发送至所述数据中心。
优选的，所述多通道分布式终端子系统包括多通道交互数据传输模块、通道权限管理模块、虚拟干扰船管理模块、人机交互管理模块和客户端场景复现模块；
所述多通道交互数据传输模块用于所述一体化仿真模拟环境子系统与所述分布式终端之间的数据传输；
所述通道权限管理模块用于管理所述分布式终端的可操作行为权限；
所述虚拟干扰船管理模块用于创建所述虚拟干扰船，和/或控制已有的所述虚拟干扰船；
所述人机交互管理模块用于在环人类与虚拟场景之间的信息交互；
所述客户端场景复现模块用于接收模拟实验的模拟框架数据，并在客户端场景内复现。
优选的，所述局域网接入联邦管理系统采用星型松耦合布局，用于分布式通讯中的各所述分布式终端之间的负载均衡、容错容灾、断点重连。
优选的，所述数据中心基于数字孪生空间数据驱动的特性，利用虚拟感知数据，构建模拟实验中的所述虚拟障碍船。
优选的，所述多自由度座舱及其驱动模块子系统包括上位机被控请求管理模块、场景复现模块、虚拟船操控模块和虚拟船运动体感解算模块；
所述上位机被控请求管理模块用于接收与处理所述分布式终端发送的虚拟船被控请求，若同意控制该虚拟船，则所述分布式终端将控制权限移交多自由度座舱并发送场景与障碍船列表数据，所述虚拟船包括所述虚拟障碍船和所述虚拟干扰船；
所述场景复现模块用于进行模拟场景复现；
所述虚拟船控制模块用于接收所述多自由度座舱内各个输入设备的控制指令，生成所述虚拟船的操控数据；
所述虚拟船体感复现解算模块用于根据六自由度姿态数据以及三轴加速度数据进行多自由度平台运动特征解算，利用多自由度平台驱动模型，输出多自由度平台控制协议，并控制多自由度平台的运动姿态。
优选的，所述一体化仿真模拟环境子系统包括一体化仿真数据库系统、多窗口仿真模拟管理模块、数字孪生空间和多通道交互模拟数据管理模块；
所述一体化仿真数据库系统基于关系型数据库，进行数据预处理，并构建存储管理模块，包括实验框架数据管理和特定算法或模型输入输出数据的序列化及反序列化操作；
所述多窗口仿真模拟管理模块用于管理并维护模拟实验框架库，按照用户设置或已有的模拟实验框架，从预设库中调用某次模拟实验所用到的资源，生成本次模拟实验的数据结构，并发送至数字孪生空间开始本次模拟实验；
所述数字孪生空间用于按照本次模拟实验框架设定，建立所述三维映射空间；
所述多通道交互模拟数据管理模块用于进行多通道交互数据收发管理。
优选的，所述预设库包括模型库、算法库、场景库和知识库；
所述模型库用于依据系统建模理论，构建非线性系统模型；
所述算法库包括常规算法和多变算法；
所述场景库用于依靠数字孪生空间及三维模拟引擎，完成场景信息的序列化存储，以及存储信息的反序列化激活；
所述知识库为一系列规定、经验的规则集合。
优选的，所述数字孪生空间包括通讯接口、船舶-海洋系统模拟、运行管理模块、实验运行系统和智能船舶模拟实验全生命周期管理系统；
所述通讯接口用于接收来自数据中心的所述实船-水域耦合数据以及所述水域信息采集设备采集的所述相对真值数据；
所述船舶-海洋系统模拟模块用于基于三维引擎，模拟宏观物理变量，以及基于流体力学进行联合运算，求解船舶航行的影响因素，以及利用地理信息数据重构海上航行环境，以及利用三维立体扫描技术构建不同型号船舶的三维模型；
所述模拟管理模块用于接收所述多窗口仿真模拟管理模块生成的框架-模型对，并按用户要求创建模拟项目；
所述实验运行系统用于利用各个实体及其相互耦合系统的数学模型，进行模拟实验；
所述智能船模拟实验全生命周期管理模块用于全周期数据管理和干扰因素模拟的管理。
另一方面，为实现上述目的，本申请还提供了一种虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟方法，包括如下步骤：
采集实验水域中实际船舶及其所处水域环境的实船-水域耦合数据，以及所述实际船舶的航行状态；
采集实验水域信息，所述实验水域信息包括实验水域环境中实船航行状态与会遇局面的相对真值数据以及实时环境数据；
构建多通道分布式终端，基于所述多通道分布式终端，建立虚拟干扰船，所述虚拟干扰船用于模拟多船海上交通场景；
基于所述实船-水域耦合数据、所述实际船舶的所述航行状态和所述实验水域信息，构建用于一体化仿真模拟实验的虚拟障碍船；
根据所述实船-水域耦合数据、所述实际船舶的所述航行状态和所述实验水域信息，构建具有实船海上航行特征的三维映射空间，所述三维映射空间作为虚拟场景，结合虚拟船，用于进行智能船多通道交互模拟实验，模拟实验中，通过多自由度座舱控制所述虚拟船，所述虚拟船包括所述虚拟干扰船和所述虚拟障碍船。
本申请的有益效果为：
本申请公开了虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统和方法，将系统仿真理论、一体化仿真环境建构方法、多引擎联合仿真模拟技术、数字孪生技术及通讯技术引入到智能船仿真模拟领域，能够实现数字模拟实验，软件在环、硬件在环、人在换路的半实物仿真实验，基于实船航行的平行仿真实验三者自由切换，可在虚实混合的平行虚拟场景中快速构建多种不同的海上会遇态势，以达到快速实验的目的，提高了智能船仿真实验的高效性与真实性。采用多自由平台座舱提高了数字孪生空间的映射维度，将模拟结果由数据层面提升至体感层面，可为智能船一体化仿真的多通道交互模拟系统提供沉浸式的模拟体验。本申请系统内各部分均采用模块化设计，能适应不同的模拟需求，系统规模组合灵活，系统软硬件升级方便。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一的虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统结构示意图；
图2为本申请实施例一中的分布式终端子系统结构示意图；
图3为本申请实施例一中的一体化仿真模拟环境子系统结构示意图；
图4为本申请实施例一的实施流程示意图；
图5为本申请实施例二的虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
首先介绍本申请技术方案主要内容：
基于系统仿真理论的智能船自主航行一体化仿真实验环境，该环境以仿真数据库为核心，利用相应的管理系统集成模型库、算法库、实验框架库、专家知识库、评价标准库，解决了开放巨系统仿真模拟过程中海量数据难以有效、快速管理的难题，利用联合编程及可视化建模方法开发快速建模及调参接口，同时该环境能够实现基于多窗口技术的多进程处理运算模式，进而建立可以支持智能船自主行为模型-模拟实验-数据分析处理一体化的仿真环境架构。
基于数字孪生技术的实船海上交通环境三维映射空间，该空间提供了智能船自主行为模型实验的全生命周期生态环境，借助力学模拟引擎及计算机三维渲染技术，抽象出智能船海上航行力学环境及干扰因素影响机制，提供了一种数字孪生智能船海上航行实验引擎。
依靠远程通讯链路及自适应数据传输技术的数据管理系统，数据驱动数字孪生空间，一体化实验环境的输入及输出数据均直接来自于数字孪生空间。该数据管理系统基于实船数据及虚拟数据，驱动数字孪生空间生成虚实结合的海上测试环境。采用核心数据库管理实船数据并进行深度学习，利用无人机平台获取模拟实验相对真值，为仿真模拟实验提供拟合分析源数据。基于自适应数据传输优先级技术，同时实现平行控制，以支撑半实物仿真模拟体系。
在一体化仿真环境基础上的分布式多通道交互模拟策略，构建各终端对等的星型松耦合分布式多通道布局，提供了一种智能化船舶与传统自动化船舶混行的海上交通态势仿真模拟方法，同时此布局可以最大程度地保证系统容灾能力，各船属性及算法进行分布式并行运算有利于提高计算效率，降低系统硬件建设成本，增强其整体的性能价格比。
基于多自由度模拟驾驶座舱的虚实混合模拟技术，利用平行控制系统，在实船海上航行过程中构建虚拟障碍船，达到虚实混合的实验效果，既保证实验的安全性，也能保证实验的高效性与真实性。基于智能船舶航行过程中的人体工程学理论复现人类体感特点，此模块为仿真模拟系统提供沉浸式的模拟驾驶环境，提高了数字孪生映射空间维度，同时为船舶驾驶过程中的人因研究提供实验平台。
本申请技术方案涉及的重点缩略语和关键术语定义：
智能化船舶：包括远程操控无人船、智能辅助驾驶船舶、自主驾驶船舶等具有人工智能装备及相关功能的船舶。
传统自动化船舶：无上述智能化装备，必须依赖海员在船端操船的电气自动化船舶。
全生命周期数据：指的是针对某一个实验或测试项目从实验、研发、模块测试、最后维护升级的全生命周期管理数据。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
六自由度驱动平台：指的是由多自由度座舱和多自由度驱动模块构成的组合体，其中，多自由度座舱为硬件部分，多自由度驱动模块为软件部分。
实施例一
如图1所示，为本申请实施例一所示的虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统结构示意图，主要包括一体化仿真模拟环境子系统、数据中心、水域信息采集设备、实船-航行水域环境子系统、局域网接入管理联邦子系统、多通道分布式终端子系统和多自由度座舱及其驱动模块子系统。
具体的，实船-航行水域环境子系统为实际船舶及其所处水域环境的耦合系统，生成实船-水域耦合数据，实船-航行水域环境子系统还用于将实际船舶的航行状态发送至数据中心。水域信息采集设备用于采集实验水域信息，实验水域信息包括实验水域环境中实船航行状态与会遇局面的相对真值数据以及实时环境数据。多通道分布式终端子系统用于通过分布式终端设置虚拟干扰船，模拟多船海上交通场景。局域网接入管理联邦子系统用于构建多通道分布式终端子系统。并管理分布式终端之间的数据连接。数据中心用于水域信息采集设备、实船-航行水域环境子系统和一体化仿真模拟环境子系统之间的数据传输管理，数据中心还用于基于实船-水域耦合数据、实际船舶的航行状态和实验水域信息，构建用于一体化仿真模拟环境子系统进行仿真实验的虚拟障碍船。多自由度座舱及其驱动模块子系统用于控制任意虚拟船，虚拟船包括虚拟干扰船和虚拟障碍船。一体化仿真模拟环境子系统用于根据实船-水域耦合数据、实际船舶的航行状态和实验水域信息，构建具有实船海上航行特征的三维映射空间，三维映射空间作为虚拟场景，结合虚拟船，用于进行智能船多通道交互模拟实验。
下面，具体介绍在本实施例中，各个功能子系统的组成结构和功能实现。
在本实施例中的实船-航行水域环境子系统，具体为实际船舶及其所处水域环境的耦合系统，同时，在本实施例中，实船(实际船舶或小型实验船模)安装有平行控制终端以及数据采集模块，按照远程虚实平行操控指令控制实际船舶当前的航向及航速，同时通过数据采集模块收集船端航行状态并上传至数据中心。
在本实施例中，水域信息采集设备采用无人机平台，主要为获取该实验水域环境中实船航行状态与会遇局面的相对真值数据，以及实时环境数据。本实施例的无人机平台包括无人机本体及负载、无人机数据传输中继器、无人机控制计算机三部分。
具体的，在本实施例中，无人机本体选择技术成熟的商业化无人机平台，其中负载有：高分辨率光学变焦摄像头、高精度差分定位仪及标定基站、机载计算单元三部分。具备定点追踪、自动返航等功能。无人机数据传输中继器为无人机配套数据传输及控制器，通过USB串口与控制计算机相连，在计算机中使用无人机配套SDK开发远程控制程序。无人机控制计算机通过远程链路与模拟系统数据中心通讯，在一体化环境中操控无人机平台，进而完成水域环境信息采集任务。
在本实施例中，在局域网中构建分布式多通道交互终端，采用各终端对等的星型松耦合布局，将各分布式终端、一体化仿真模拟环境子系统等网络通讯进程视为联邦组织下的个体，组成局域网接入管理联邦子系统，该管理子系统用于分布式通讯中的各终端负载均衡、容错容灾、断点重连等功能，在分布式终端增加或者其他监控、管理设备介入时，凭借其存储的设备IP记录表来快速建立通讯，降低网络带宽占用，并及时发现非法设备，保证局域网内的通讯安全。
不仅如此，在本实施例中，在多个分布式终端同时在线的情况下，一体化仿真实验环境可以多窗口同时进行多组虚拟实验，利用IP管理系统及房间管理系统，分配不同的分布式终端同时参与各虚拟实验，以防止各组实验之间数据发生冲突。
基于局域网接入管理联邦子系统，在本实施例中，多通道分布式终端子系统基于多通道分布式策略，设置分布式终端，以一体化仿真环境为自主船终端，分布式终端一般作为干扰船终端，模拟多船海上交通场景。本实施中的分布式终端架构如图2所示，
分布式终端作为接入端，又称客户机终端，其包括多通道交互数据传输模块，通道权限管理模块，干扰船管理模块，人机交互管理模块，客户端场景复现模块。具体介绍如下：
1)多通道交互数据传输模块：该模块用于一体化环境以及各分布式终端之间的数据传输，是局域网内统一进行数据收发与通道请求的通用模块，模块内保存有局域网接入管理联邦系统的静态IP数据配置表，通过数据请求更新局域网内所有设备的状态、通讯协议格式、通讯IP等数据，与一体化环境内的多通道交互数据管理模块协同工作，完成数据交换过程中的协议解析。
2)通道权限管理模块：用于定制各连接终端的可操作行为权限，例如不可再次控制已被其他终端控制的虚拟船船舶，不可暂停或开始该次实验、实验场景内风、浪、流、障碍物及其他干扰因素的设定等。
3)干扰船管理模块：用于获取当前船舶列表，申请创建虚拟船舶加入虚拟场景，或请求控制已有的虚拟船舶，完成某一虚拟船的通道匹配。
4)人机交互管理模块：用于客户端当前面临的会遇状态显示与仿真模拟实验进程提示，同时处理舵轮、油门推杆等驾驶设备的输入信号，完成在环人类与虚拟场景之间的信息交互。
5)客户端场景复现模块：该模块接收之前某次仿真实验的模拟框架数据，并在客户端场景内复现，使某次实验过程中的实验进程与场景保持一致，包括场景内所有船舶状态复现、海况复现等，同时处理一体化环境中下达的模拟暂停、开始、结束等一系列指令。
在本实施例中，数据中心指的是模拟系统对外通讯的数据管理服务器，其中包含了对外通讯网关、端口等基础内容，通过4G\5G网络、自建点对点通讯基站等远程链路实现数据传输。数据中心采用磁盘冗余阵列，以提高数据存取速度及安全性。
另外，数据中心还基于数字孪生空间数据驱动的特性，利用虚拟感知数据构建平行仿真实验中的虚拟障碍船，以达到虚实混合仿真模拟实验的目的。
多自由度座舱及其驱动模块子系统，分为多自由度座舱和对应的驱动模块。本实施例中的虚拟座舱包括上位机被控请求管理模块、场景复现模块、虚拟船操控模块、虚拟船运动体感解算模块4部分，可控制仿真模拟实验内的任意虚拟船。具体介绍如下：
1)上位机被控请求管理模块：用于接收与处理各分布式终端发送的虚拟船被控请求，若同意控制该虚拟船，则各分布式终端将控制权限移交多自由度座舱并发送场景与障碍船列表数据。
2)场景复现模块：依据接收的数据进行场景复现，实现方式可参考多通道分布式终端子系统的客户端场景复现模块，但本场景复现模块不可在虚拟场景中进行创建、销毁虚拟船舶操作。
3)虚拟船控制模块：用于接收多自由度座舱内各个输入设备的控制指令，生成虚拟船操控数据，例如主推转速、舵角、号笛、灯光等。
4)虚拟船体感复现解算模块：依据接收到的六自由度姿态数据以及三轴加速度数据进行多自由度平台运动特征解算，利用多自由度平台驱动模型，输出多自由度平台控制协议，从而控制多自由度平台的运动姿态。
最后介绍本本申请技术方案的核心——一体化仿真模拟环境子系统：
在本实施例中，一体化仿真模拟环境子系统实际上为实现各个分功能模块/子系统的集合，具有较高的灵活性，基于数字孪生技术及系统仿真理论，构建具有实船海上航行特征的三维映射空间。具体的，一体化仿真模拟环境子系统由一体化仿真数据库系统、多窗口仿真模拟管理模块、数字孪生空间、多通道交互模拟数据管理模块组成，如图3所示。下面具体介绍在本实施中，上述四个功能模块的具体结构和功能实现。
1)一体化仿真数据库系统：该系统为一体化仿真模拟环境子系统的核心，整合模型、算法、软件框架等资源，基于关系型数据库，进行数据预处理，并构建存储管理模块。在本实施例中，该数据库用于存储感知数据、实验过程数据、实验框架历史数据以及操作日志等。具体的，在本实施例中，数据库管理系统主要实现以下几种功能：
实验框架数据自动化管理，包括模拟实验初始条件、模拟实验终止条件以及模拟实验边界条件等。实验框架由用户设定，在数据库系统的统一调配下，与其他资源数据相互融合，共同在数字孪生空间中进行仿真模拟实验。
多窗口异步数据管理，采用多线程处理的运行机制，数据管理系统依据时间戳来管理各类模拟中间数据，依据实验框架和用户操作进行异步数据读取及写入操作。
实船采集数据、模拟过程数据及实验结果数据的序列化存储，在序列化存储过程中，按照智能船感知数据特点对采集自实船的数据进行清洗，包括去除冗余数据、去除异常数据、补齐丢失数据、时间戳统一等。
数据安全控制，包括数据加密、备份、按照用户权限进行可视化显示及数据打印操作等。
特定算法或模型输入输出数据的自动序列化及反序列化操作，在增加新的待实验算法时，依据用户设定的配置文件修改输入及输出数据的序列化格式，在不改变源代码的前提下，使系统具备不同算法及模型的快速调用及切换功能。
2)多窗口仿真模拟管理模块：主要分为系统界面、模拟实验框架管理以及用户设置数据维护3部分。该管理模块依照用户设定，开启并初始化系统、更改系统皮肤风格、更改多窗口布局及完成多窗口调用、进行多通道交互的分布式模拟设置等。在本实施例中，该管理模块直接管理并维护模拟实验框架库，按照用户设置或已有的模拟实验框架，从模型库、算法库、场景库、知识库中调用某次模拟实验所用到的资源，生成本次模拟实验的数据结构，交给数字孪生空间开始此次模拟实验。
其中，关于模型库，在本实施例中，指的是依据系统建模理论，采用机理分析法、直接相似法、神经网络法和计算机辅助法等多种先进离散系统或复杂混合系统建模方法，构建包括船舶操控模型、海上天气事件影响模型、特殊场景水动力模型(特定港口、锚地等)、船体受力响应模型等多种非线性系统模型，上述系统均为实船-海洋复杂系统的子系统抽象。
另外，在本实施例中，模型库由模拟管理模块管理，采用模型与模拟实验分离的结构，支持模型的快速迭代及动态更新，节省了由于模型更新而引发的源代码编写、重新编译、资源连接时间。在执行过程中，从模型库中抽取模型库的静态结构(模型的外部数据，包括依赖库、配置文件等)，与任意的模拟框架结合，在模型动态结构(可执行的代码块，例如EXE文件)不变的基础上，实现模型与实验框架的直接连接与快速执行。
在本实施例中，算法库以两种形式存在：一种是动态链接库(DLL)文件，另一种是为以外部IDE或MATLAB/Simulink为载体的动态联合运算，前者适用于基础性的常规算法，后者适用于实验性的多变算法。本实施例的算法库中包含防撞避碰、循迹航行、航路规划、靠离泊、锚泊等智能船自主航行算法库。
在本实施例中，场景库依靠数字孪生空间及三维模拟引擎，实现场景信息的序列化存储以及存储信息的反序列化激活。其中，场景信息包括：海况信息、海上动静态障碍物信息、海上交通信息、港口、必要的岸上信息、模拟运行信息等。在本实施例中，场景库分为防撞避碰、循迹航行等功能实验场景以及传感器、动力系统等模块实验场景。进一步的，在一体化环境中通过自动或手动方式生成新的实验场景并存储在场景库中，以便下次直接调用。
在本实施例中，知识库为一系列规定、经验的规则集合，本实施例系统将国际海上避碰规则、航海专家经验、实验结果量化评价标准、紧急状态下应急反应程序等知识序化编码，采用决策树、神经网络技术等技术实现快速检索，在常规情况下作为智能船自主行为算法的辅助知识库，与其互为冗余，保证决策的合理性与类人性。
3)数字孪生空间，包括通讯接口、船舶-海洋系统模拟、运行管理模块、实验运行系统、智能船舶模拟实验全生命周期管理系统，具体介绍如下：
通讯接口：接收来自数据中心的实船数据以及无人机采集的相对真值数据，其中实船数据包括两种，一种是自身状态数据，包括：经纬度坐标、船艏向、航迹向、航速、机舱监测数据、船体应变数据、六轴姿态传感器数据等；另一种为外界感知数据，包括：AIS数据、摄像头视频流、导航雷达及其ARPA标绘数据、激光雷达点云数据、甚高频呼叫语音信息、声呐扫描数据等。无人机数据包括：基于机器视觉的海上多船会遇态势信息、高精度差分定位数据、海上风速风向数据。
船舶-海洋系统模拟模块，用于基于三维引擎，模拟重力、质量、速度以及加速度等宏观物理变量，同时还基于Ansys AQWA(Advanced Quantitative Wave Analysis)、Fluent等流体力学仿真软件进行联合运算，求解风载荷、流载荷以及其他环境载荷对船舶航行的影响，还利用GIS地理信息数据以及电子海图等技术重构海上航行环境，还利用三维立体扫描技术构建不同型号船舶的三维模型以及海面、岛屿、港口、海浪等计算机渲染模型。
模拟管理模块，用于接收多窗口仿真模拟管理模块生成的框架-模型对，并按用户要求创建模拟项目，完成各船舶信息显示、会遇状态警示、模拟进程管理、鼠标点击事件响应、外部舵轮及油门推杆等模拟操纵设备响应、实验过程保存及读取等功能。
实验运行系统，由功能实验项目生成模块、模块实验项目生成模块、实验数据量化评估模块和实验数据管理模块组成。在项目运行系统中，以各种临时或永久实例(智能船、海岛、干扰船、风、浪、流、航道等)为对象，利用模型库中针对各个实体及其相互耦合系统的数学模型，组织单次仿真模拟实验，进一步的，利用多线程技术同时组织多次实验。
在本实施例中，功能实验及模块实验项目生成模块用于生成对应某次模拟实验的三维仿真虚拟空间，包括：地理环境(岛屿、水文、礁石等)、静态模拟环境(航道、浮标、沉船等)、动态海上交通环境(会遇态势)，以及生成基于远程通讯技术的半实物仿真实验数据链路，完成通讯IP、通讯端口、虚实混合感知数据处理等数据及资源的调动，同时指挥无人机平台，获取仿真模拟实验过程中的相对真值。实验数据量化评估模块与对模拟实验结果进行自动化评估，并给出评估分数。实验数据管理模块用药收集与整理实验过程中产生的各种过程数据，例如航线曲率、航线长度、经过航线的事故率、天气条件变化等。
智能船模拟实验全生命周期管理模块，主要包括全周期数据管理和干扰因素模拟两个部分，全生命周期数据主要为实验项目的全生命周期数据，包括：实验任务需求数据、研发过程数据、软件设计及维护使用手册、硬件设计手册、模型船或实验船的船体维护手册、系统修改及升级记录、实验结果数据等。干扰因素模拟模块将依据实验框架，在虚拟环境中生成障碍船、风、流、水下及其他固定障碍物。
4)多通道交互数据管理模块，用于在局域网中进行多通道交互数据收发管理，具体数据包括船舶位置、船艏向、海上环境数据、六轴姿态传感器数据等。在模拟海上交通环境时，该管理模块同时开启多个交互通道，一个通道对应一个分布式终端(虚拟空间中的其他虚拟船)各通道包含了该虚拟船所对应的所有属性，以IP地址为标识，由该模块统一管理。在需要多自由度平台驱动时，该管理模块用于发送六自由度驱动数据，并同时负责局域网内的通讯异常处理以及断线重连等功能。
为了更好的解释本申请技术内容，以便于理解，下面结合附图4所示，以一个分布式客户端为例，对本申请技术方案的实施流程做详细描述。
首先开启一体化仿真模拟环境子系统，完成实验项目的选择，之后完成实验框架构建，实验框架可以描述为一个有关实验开始、运行边界、结束条件的集合S，以一次航路规划算法实验为例，该框架条件集合可表示为以下形式：
＜T,X,Ω,Q,δ,Y＞
其中：T为时间基，描述仿真时间及按其排列的时间合集，通常T为整数集I或实数级R，在这里该实验框架S集定义为基于离散时间系统的离散事件仿真实验系统。X为输入航路规划算法属性集合，包括算法输入输出协议配置及算法功能函数名称定义。Ω为实验边界条件，包括模拟水域地理界线，虚拟实验船通道数量上限，各船吨位上限，航速上限，最大风力，水动力参数限定等。Q为虚拟水域实验条件设置，包括天气状况，雨、雪、雾等天气活动的大小，风速、风向、浪高、涌浪设置、水流设置等。δ为实验水域态势设置，包括船舶会遇态势、当前水域通航密度、各船航路规划等。Y为实验结果输出设置以及实验结束条件设置，包括输出路径、需评估的项目及其评估标准等。
实验项目选择完成之后，多窗口仿真模拟管理模块便完成相关模型库、知识库、算法库、实验框架库的一体化组织。
接下来按照实验框架设定，在数字孪生空间中完成三维场景的渲染。首先启动实验运行管理模块，根据实验框架集合S生成三维虚拟场景，利用Unity3D物理引擎及流体力学仿真软件，模拟多种环境载荷作用的浮体运动，其中浮体动力方程可用下列式子表示：
其中M为浮体质量矩阵，ΔM为浮体附加质量矩阵，Ar为辐射阻尼矩阵，Av为黏性阻尼矩阵，Ks为静水刚度，Km为系泊系统刚度，F1为一阶波频载荷，F2Low为二阶低频载荷，F2High为二阶高频载荷，Fwind为风载荷，Fcurrent为流载荷，Fothers为其他载荷。
接下来数据通讯接口自动启动，该数据接口完成与数据中心以及六自由度驱动平台的双向通讯，其中，六自由度驱动平台由多自由度驱动模块和多自由度座舱两部分构成，由多自由度驱动模块解算多自由度座舱驱动协议，多自由度座舱内模拟船舶驾驶体感及控制场景；其中，数据中心与实船实验环境相连，其中主要包括无人机平台与实船，实船数据包括船舶当前位置、航向、航速、AIS感知数据、雷达感知数据等。与此同时，通过平行控制协议，基于船载的实船控制模块，可在虚拟空间中完成实船的虚实平行控制，利用无人机感知数据作为反馈，完成平行实验。无人机作为仿真实验的相对真值获取途径，其获取的数据包括无人机位置(可推算出船舶当前位置)、当前海上会遇态势数据(利用机器视觉处理实时视频)、目标船操船动作、当前环境数据等。数据接口开启完毕后，即可生成三维模拟实验场景，以数据驱动场景变化。之后开启多通道交互迷你数据管理系统，等待分布式终端的数据传输请求。
在本实施例中，进一步的，完成上述实验框架配置后，系统将判断是否修改框架配置或是否需要创建另一次实验，若当前实验框架已经创建完成，则开启局域网接入管理联邦子系统，监听局域网内的连接请求。在新终端加入之初，一体化仿真环境将进行身份确认，认证通过的通道IP才会被识别为合法地址，否则将视为非法设备，系统将拒绝其数据传输请求。
接下来开启分布式终端，首先启动的是分布式终端中的多通道交互数据管理系统，与一体化仿真环境中的多通道交互数据管理系统协同工作，完成位置同步、环境同步等同步协议的传输，同时以心跳机制判断终端状态，以房间系统实现多次实验情况下的各分布式终端分组及协议数据多路传输功能。之后开启通道权限管理模块以及干扰船管理模块，实现该分布式终端的控制权限管理，限制非法操作，并同步更新船舶列表中各个虚拟障碍船的受控状态，以防止出现虚拟障碍船操控混乱的问题。
最后开启人机交互模块及场景复现模块，按照同步协议，复现当前虚拟实验环境，包括静态海上环境、风速风向等水文数据、模拟实验框架等。利用人机交互模块实现人在环路的仿真实验，提高了分布式多通道交互模拟系统的真实性，更能反映智能化船舶与传统自动化船舶混行的实际情况。
本申请实施例，基于数字孪生及一体化系统仿真理论，面向智能船自主航行技术的实验研究需求，采用虚实混合及多人在环的仿真模拟技术，构建可用于软件在环、硬件在环和人在环路三种虚实混合架构的仿真模拟系统。该系统以一体化三维仿真模拟空间为核心，开发多种面向对象的接口程序及适配相应的硬件设备，可实现纯数字仿真实验、软、硬件在环的半实物半数字模拟实验以及基于物理模型的半实物平行仿真模拟实验三种实验模式。该系统能够快速对多源感知数据融合、海上交通态势建模及认知、航路规划、循迹航行、防撞避碰、动力巡航等多种智能船自主行为模型开展实验研究，收集并处理实验数据；对于已有的模型及算法，该系统可对其相关性能进行试验，并基于试验数据给出分析结果。除此之外，该系统允许在虚拟空间内快速构建多人在环的船舶海上航行会遇态势，利用数据中心创建虚拟障碍船进行虚实混合实验，同时利用六自由度平台搭建智能船驾驶座舱，提高了数字孪生船舶的模拟维度，增加仿真模拟实验过程的沉浸感，保证实验结果及数据的真实性。
实施例二
如图5所示，为本申请实施例二的虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟方法流程示意图，主要包括如下步骤：
S102.采集实验水域中实际船舶及其所处水域环境的实船-水域耦合数据，以及实际船舶的航行状态。
S104.采集实验水域信息，实验水域信息包括实验水域环境中实船航行状态与会遇局面的相对真值数据以及实时环境数据。
S106.构建多通道分布式终端，基于多通道分布式终端，建立虚拟干扰船，虚拟干扰船用于模拟多船海上交通场景。
S108.基于实船-水域耦合数据、实际船舶的航行状态和实验水域信息，构建用于一体化仿真模拟实验的虚拟障碍船。
S110.根据实船-水域耦合数据、实际船舶的航行状态和实验水域信息，构建具有实船海上航行特征的三维映射空间，三维映射空间作为虚拟场景，结合虚拟船，用于进行智能船多通道交互模拟实验，模拟实验中，通过多自由度座舱控制虚拟船，虚拟船包括虚拟干扰船和虚拟障碍船。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统，其特征在于，包括一体化仿真模拟环境子系统、数据中心、水域信息采集设备、实船-航行水域环境子系统、局域网接入管理联邦子系统、多通道分布式终端子系统和多自由度座舱及其驱动模块子系统；
所述实船-航行水域环境子系统为实际船舶及其所处水域环境的耦合系统，生成实船-水域耦合数据，所述实船-航行水域环境子系统还用于将所述实际船舶的航行状态发送至所述数据中心；所述实船-航行水域环境子系统中，所述实际船舶安装有平行控制终端和数据采集模块；所述平行控制终端用于控制所述实际船舶的航向和航速；所述数据采集模块用于采集所述实际船舶的所述航行状态，并将所述航行状态发送至所述数据中心；
所述水域信息采集设备用于采集实验水域信息，所述实验水域信息包括实验水域环境中实船航行状态与会遇局面的相对真值数据以及实时环境数据；
所述多通道分布式终端子系统用于通过分布式终端设置虚拟干扰船，模拟多船海上交通场景；
所述局域网接入管理联邦子系统用于构建所述多通道分布式终端子系统；并管理所述分布式终端之间的数据连接；
所述数据中心用于所述水域信息采集设备、实船-航行水域环境子系统和所述一体化仿真模拟环境子系统之间的数据传输管理，所述数据中心还用于基于所述实船-水域耦合数据、所述实际船舶的所述航行状态和所述实验水域信息，构建用于所述一体化仿真模拟环境子系统进行仿真实验的虚拟障碍船；
所述多自由度座舱及其驱动模块子系统用于控制任意虚拟船，所述虚拟船包括所述虚拟干扰船和所述虚拟障碍船；
所述一体化仿真模拟环境子系统用于根据所述实船-水域耦合数据、所述实际船舶的所述航行状态和所述实验水域信息，构建具有实船海上航行特征的三维映射空间，所述三维映射空间作为虚拟场景，结合所述虚拟船，用于进行智能船多通道交互模拟实验；所述一体化仿真模拟环境子系统包括一体化仿真数据库系统、多窗口仿真模拟管理模块、数字孪生空间和多通道交互模拟数据管理模块；所述一体化仿真数据库系统基于关系型数据库，进行数据预处理，并构建存储管理模块，包括实验框架数据管理和特定算法或模型输入输出数据的序列化及反序列化操作；所述多窗口仿真模拟管理模块用于管理并维护模拟实验框架库，按照用户设置或已有的模拟实验框架，从预设库中调用某次模拟实验所用到的资源，生成本次模拟实验的数据结构，并发送至数字孪生空间开始本次模拟实验；所述数字孪生空间用于按照本次模拟实验框架设定，建立所述三维映射空间；所述多通道交互模拟数据管理模块用于进行多通道交互数据收发管理；所述实验框架描述为一个有关实验开始、运行边界、结束条件的集合S，框架条件集合表示为以下形式：＜T,X,Ω,Q,δ,Y＞其中：T为时间基，Ω为实验边界条件，Q为虚拟水域实验条件设置，δ为实验水域态势设置，Y为实验结果输出设置以及实验结束条件设置。
2.根据权利要求1所述的虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统，其特征在于，
所述多通道分布式终端子系统包括多通道交互数据传输模块、通道权限管理模块、虚拟干扰船管理模块、人机交互管理模块和客户端场景复现模块；
所述多通道交互数据传输模块用于所述一体化仿真模拟环境子系统与所述分布式终端之间的数据传输；
所述通道权限管理模块用于管理所述分布式终端的可操作行为权限；
所述虚拟干扰船管理模块用于创建所述虚拟干扰船，和/或控制已有的所述虚拟干扰船；
所述人机交互管理模块用于在环人类与虚拟场景之间的信息交互；
所述客户端场景复现模块用于接收模拟实验的模拟框架数据，并在客户端场景内复现。
3.根据权利要求1所述的虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统，其特征在于，
所述局域网接入联邦管理系统采用星型松耦合布局，用于分布式通讯中的各所述分布式终端之间的负载均衡、容错容灾、断点重连。
4.根据权利要求1所述的虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统，其特征在于，
所述数据中心基于数字孪生空间数据驱动的特性，利用虚拟感知数据，构建模拟实验中的所述虚拟障碍船。
5.根据权利要求1所述的虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统，其特征在于，
所述多自由度座舱及其驱动模块子系统包括上位机被控请求管理模块、场景复现模块、虚拟船操控模块和虚拟船运动体感解算模块；
所述上位机被控请求管理模块用于接收与处理所述分布式终端发送的虚拟船被控请求，若同意控制该虚拟船，则所述分布式终端将控制权限移交多自由度座舱并发送场景与障碍船列表数据，所述虚拟船包括所述虚拟障碍船和所述虚拟干扰船；
所述场景复现模块用于进行模拟场景复现；
所述虚拟船控制模块用于接收所述多自由度座舱内各个输入设备的控制指令，生成所述虚拟船的操控数据；
所述虚拟船体感复现解算模块用于根据六自由度姿态数据以及三轴加速度数据进行多自由度平台运动特征解算，利用多自由度平台驱动模型，输出多自由度平台控制协议，并控制多自由度平台的运动姿态。
6.根据权利要求1所述的虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统，其特征在于，
所述预设库包括模型库、算法库、场景库和知识库；
所述模型库用于依据系统建模理论，构建非线性系统模型；
所述算法库包括常规算法和多变算法；
所述场景库用于依靠数字孪生空间及三维模拟引擎，完成场景信息的序列化存储，以及存储信息的反序列化激活；
所述知识库为一系列规定、经验的规则集合。
7.根据权利要求1所述的虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟系统，其特征在于，
所述数字孪生空间包括通讯接口、船舶-海洋系统模拟、运行管理模块、实验运行系统和智能船舶模拟实验全生命周期管理系统；
所述通讯接口用于接收来自数据中心的所述实船-水域耦合数据以及所述水域信息采集设备采集的所述相对真值数据；
所述船舶-海洋系统模拟模块用于基于三维引擎，模拟宏观物理变量，以及基于流体力学进行联合运算，求解船舶航行的影响因素，以及利用地理信息数据重构海上航行环境，以及利用三维立体扫描技术构建不同型号船舶的三维模型；
所述模拟管理模块用于接收所述多窗口仿真模拟管理模块生成的框架-模型对，并按用户要求创建模拟项目；
所述实验运行系统用于利用各个实体及其相互耦合系统的数学模型，进行模拟实验；
所述智能船模拟实验全生命周期管理系统用于全周期数据管理和干扰因素模拟的管理。
8.虚实混合一体化仿真的智能船多通道交互模拟方法，所述模拟方法用于实现权利要求1-7任一项所述的模拟系统，其特征在，包括如下步骤：
采集实验水域中实际船舶及其所处水域环境的实船-水域耦合数据，以及所述实际船舶的航行状态；
采集实验水域信息，所述实验水域信息包括实验水域环境中实船航行状态与会遇局面的相对真值数据以及实时环境数据；
构建多通道分布式终端，基于所述多通道分布式终端，建立虚拟干扰船，所述虚拟干扰船用于模拟多船海上交通场景；
基于所述实船-水域耦合数据、所述实际船舶的所述航行状态和所述实验水域信息，构建用于一体化仿真模拟实验的虚拟障碍船；
根据所述实船-水域耦合数据、所述实际船舶的所述航行状态和所述实验水域信息，构建具有实船海上航行特征的三维映射空间，所述三维映射空间作为虚拟场景，结合虚拟船，用于进行智能船多通道交互模拟实验，模拟实验中，通过多自由度座舱控制所述虚拟船，所述虚拟船包括所述虚拟干扰船和所述虚拟障碍船。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
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| CN114882759A (zh) | 2022-08-09 |
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