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上海海运学院学报
⁄
∏ ≥
√
¯ 型综合船舶操纵模拟器的研制3
≥
施朝健
蔡存强
上海海运学院商船学院
提
要
简要介绍了 ≥
上海
¯ 型船舶操纵模拟器的研制过程和设计指导思
想 阐述了总体和各子系统设计的技术方案 给出了系统研制的主要技术成果∀ 关键词
航海模拟 操纵模拟器 航海教育和培训 1
中图分类号
研制过程 上海海运学院船舶操纵模拟器的研究始于 研究以 ×
年 主要可分为
为主控微机 配以自行设计开发的 ×
°≤
≥
个阶段∀ 第一阶段的 数据处理板和
≤
图像处理板组成操作和图像系统∀ 图像系统使用一个主机带 个通道
≥
种处
理器共 个并行协同工作∀这种异处理器并行系统具有很高的效率 可以充分发挥每种处理 器的效能及其特长∀ 系统操作控制使用的是桌面系统 用旋钮和开关进行车! 舵操作和有关 控制∀第一期产品结构比较简单 其主要设备和系统均为自行研制开发 技术含量高 成本极 低∀这一阶段的研究对于后续工作意义重大 主要收获有 器的有关技术 形成了一支基本技术队伍 据处理板和
初步掌握了开发船舶操纵模拟
提高了软! 硬件开发水平 自行研制了
位数
位图像处理板 由于缺少软件开发系统的支持 自行在汇编语言级编写了全
部三维成像数据和图形处理程序 在当时软件市场滞后的情况下 我们还自行编写了 ×
汇编语言编译系统 自己完成从汇编代码到机器码的编译工作
≥
外设的开发
初具规模 设计了简易车! 舵和自动舵航向控制等接口电路∀ 第二阶段的研究以 °≤
为主控微机 我们仍采用异处理器并行模式 选用了以 ×
的数据处理板和以 ×
≥
≥
≤
为主处理器
为主处理器的图像处理板组成视景成像系统∀ 系统采用了
主控台 教练员控制台 操作模式∀ 配备了真车钟! 操舵轮和驾驶台仪表 构成了驾驶台模拟 器的雏形∀ 在视景显示上实现了夜景和雾景功能 并做了船舶摇摆处理等∀ 在船舶操纵数学 来稿日期
2
2
3 交通部通达计划项目 ∀
施朝健等 ≥ 模型方面初步完成了
¯ 型综合船舶操纵模拟器的研制
水动力模型的开发工作∀ 在主要技术性能上比前期系统有所提
高∀ 该系统于 年 月完成∀ 第三阶段的研究于 年初开始 在原有技术基础上 改 进了驾驶台模拟器的有关技术和设备 开发设计了雷达模拟系统 构成了目前的驾驶台模拟 器与雷达模拟器相结合的综合船舶操纵模拟器系统∀≈
研制指导思想 211
立足于自行开发
近几年来 随着计算机的普及和技术的发展 以及航海科研人员的不懈努力 我国在航 海仿真方面的设计水平和开发能力有了大幅度提高∀ 许多院校和科研单位相继推出了各种 形式的雷达模拟器 船舶操纵模拟器的研究和开发也取得了可喜成果∀事实证明我国完全具 备自行开发大型船舶操纵模拟器的能力∀ 自行开发船舶操纵模拟器的优越性主要有如下几 方面 价格低 维修方便 切合实际需要 有利于科研人才的培养和提高∀≈ 212
满足 ≥× ≤ • 公约要求和航海教育实际需要
根据 顾问所提交的文件 航海与操纵模拟器可分为如下 种类型 全功能模拟器! 多功能模拟器! 有限功能模拟器和单功能模拟器∀≈ 上海海运学院是交通部航海高等教育机 构 承担着繁重的教学与培训任务 同时肩负着提高我国航海教育和培训质量的使命 因此 模拟器的建设应以全功能操纵模拟器为标准∀ 根据学校的办学规模和教学需要 每年有 ∗ 班海船驾驶本科学生 并有相当数量的 培训班教学任务 因此建设规模必须合理 否则不利于教学计划的安排和教学任务的实施 影响正常的教学秩序和教学质量∀ 根据雷达模拟器的应用经验 本船数不应少于 个∀ 213
系统配置与功能设计要合理
鉴于国外大型全景 白昼Ù黑夜 船舶操纵模拟器价格十分昂贵 仿真度较高的造价在 万美元以上 可满足训练要求的产品价格低廉的也要 万美元左右 我校近几年内 培训设备要求! ≈ !≈ 具备国 不可能购买∀ 我们只能以尽可能低的造价研制出基本符合 外中等水平的系统∀ 系统软! 硬件均采用模块化结构 形成可随意组合的模拟系统∀模拟功能可以不断扩展! 逐步完善∀ 同时考虑到维修要方便 应尽量选用国内可以购买到的器件和设备 采用以 °≤ 网络加图像处理器组成高效的计算机操作平台 便于系统升级! 扩展∀ 在方案设计中要尽可 能提高系统的可靠性和应用范围 本系统除了可满足教学培训任务外 还应能够适应科研与 工程建设方面的各种需要∀
系统配置和技术方案的确定 311
总体配置
本系统共配置 个教练员控制台! 个驾驶台模拟本船和 个雷达模拟器本船∀ 个雷 达本船使用英国进口的雷达模拟器本船的现有雷达设备∀ 整个系统在主控台与本船间用计 算机网络连接 网络传输程序利用 ≥ 接口协议编写∀ 本船之间的连接采用 ≥ 通讯口∀ 系统外设采用总线插卡或 ≥ 通讯口与系统相联∀ 这种联接方式保证了本船 的相对独立性 便于系统的维护 也避免了本船数据对系统网络不必要的干扰∀
1
上海海运学院学报 系统被设计成能在 纵模拟器运行
种模式下运行
单独作为雷达模拟器运行
视景本船与雷达本船联合的
本船对抗模式
单独作为船舶操
雷达本船作为拖轮协助
驾驶台本船靠! 离泊的运行模式∀ 312
视景系统 自从
年代开始出现简易的操纵模拟器以来 视景显示也走过多种技术路线 从物理
手段逐步过渡到计算机成像∀ ≤
年代后期以来安装的操纵模拟器几乎全部是 ≤
系统的硬件可以有不同的配置∀ 根据本系统的建设规模! 性能要求和资金情况 我们
采用了以双 ≤ °
°
∏ °≤ 机为基础 并配置
≤
理映射和
缓存检测 并可直接支持三维图形标准
图形处理卡构成视景成
°
像系统∀ 该卡采用 ⁄ × × ÷ 图形处理芯片和 ≅ ≅ °≤ 高速局域总线接口 分辨率最高支持 313
系统∀
≈
× ⁄
几何发生器 使用
双缓存 硬件可直接实现纹 ∀其性能基本满足系统的要求∀
雷达模拟 一般说来 各种类型的船舶操纵模拟器均应包含雷达模拟∀目前雷达模拟的显示设备与
显示方式也多种多样 分别用于各种不同的配置与用途∀≈ 我们采用真雷达并以图像方式生 成雷达图像∀ 因为真雷达仿真度好 训练中所学的有关雷达和
°
的操作技能和有关知
识可直接应用于航海实践∀ 我院已具有雷达设备 充分利用现有设备可节约建设投资 并可 提高教学训练设备的利用率∀ 同时 ≥× ≤ • 公约也要求模拟器尽可能使用真实的航海雷达 设备∀在设计上我们采用了 °≤ 微机配以 × ≥ 图像处理卡的异处理器并行系统 自 行设计雷达信号转换电路和有关信号 罗经! 计程仪等 接口电路 构成雷达信号生成系统∀ 314
船舶操纵数学模型 船舶操纵数学模型模拟船舶对操作和环境的动态响应∀ 驾驶台本船采用
水动力
模型 雷达本船采用响应模型∀ 两者并用有利于相互比较参照和取长补短 提高仿真度∀ 模 型除尽可能准确反映车! 舵作用外 应考虑风! 流影响 浅水与岸壁效应∀ 驾驶台本船还应考 虑锚! 缆的作用∀ 船舶类型应包括超大型船舶和拖轮∀ 315
教练员控制系统 教练员控制系统用于教练员进行训练项目和局面设置 控制和监督本船操作 物标船控
制等 利用局域网与其他本船连接∀ 系统还配有驾驶台本船视景和各本船雷达的监视设备∀ 视景监视采用直接与视景通道连接的方式∀ 专门设计雷达监视系统使之能切换显示不同本 船的雷达图像∀雷达监视系统直接采用有关本船的雷达信号 利用自行设计的转换电路转换 成数据信息 并通过软件处理在计算机屏幕上显示雷达图像∀ 316
操作设备与航行信息系统 驾驶台操作与控制 用于控制船舶运动和进行其他有关操作∀ 包括车钟! 操舵台! 汽笛
等∀ 自行设计控制电路与硬件接口∀ 驾驶台本船真车钟和按钮模拟车钟并用 分别用于单! 双车船舶的操作 雷达本船作用按钮模拟车钟∀ 航行信息生成与显示 用来提供船舶航行所必须的信息∀ 驾驶台本船使用罗经复示器 转速表 舵角指示器 风向风速表 水深显示表等∀采用数模转换技术生成电信号控制有关设 备∀ 雷达本船在 ∂ ⁄
上显示这些信息∀
施朝健等 ≥
¯ 型综合船舶操纵模拟器的研制
锚缆控制 用于驾驶台本船操作和控制锚及系缆设备∀ 自行设计操作设备及信号接口∀ 声响 生成和控制驾驶台及雷达本船的有关声响 创造与实船更为接近的航行环境和氛 围∀ 采用多媒体技术实现∀ 声响包括本船主机在不同状态下的声响! 本船和他船的汽笛声! 抛锚和起锚声响! 碰撞响声等∀ 317
模拟 ∂
ƒ 系统
用于教练员对本船发布指令或消息 本船情况报告以及航行与避碰通信等∀为避免造成 对周边区域的无线电干扰 采用自行设计的有线语音系统模拟 ∂ ƒ 的功能 包括面板操 作! 通讯方式和方法∀
主要研究成果 411
总体设计
合理设计了系统的总体方案 利用计算机和有关技术的发展以及商船学院相关研究的 技术基础 用比较先进的软! 硬件技术完成了整个系统的建设∀系统具有很高的性能价格比 功能齐全实用 操作方便 便于维护∀ 软! 硬件的模块化设计使得系统易于升级和扩展∀ 412
视景成像系统
采用双 ≤ ° ° ∏ 微机! 图像处理板和 • ⁄ • ≥ × 构成一 ≤ ° 个低价高效的三维图形系统∀ 针对船舶操纵模拟器的特殊应用 开发了一套合理! 高效的软 件系统 优化了三维成像有关算法 完成了系统要求的特殊处理 实现了通常只有专用机或 高性能图形工作站才能达到的高级性能 如景物纹理! 海浪效果! 雾景和夜景效果等∀ 413
雷达信号生成系统
设计了一套灵活的计算机) 雷达的雷达信号转换电路和接口电路 可适用于配接目前 市场上各种通用的雷达型号∀ 采用异处理器并行处理的模式充分发挥了系统的效能∀ 以图 像模式生成雷达扫描信号 突破了一般模拟雷达图像的点! 线数目限制 操作水域广 图像逼 真度高∀ 同时 实现了物标遮挡! 远距离回波衰减等特殊效应∀ 414
船舶操纵水动力模型
数学模型计算充分采用了最新的船舶流体力学研究和试验结果∀ 对螺旋桨的有关四象 限动力计算的数学处理有所突破 使得端点处及其一定延拓的计算精确可靠∀ 采用 阻力计算方法使得肥大型船舶及球鼻的阻力计算更加精确∀ 完成了蓝波) 奥芬凯勒图谱的 具有一定延拓能力的数学回归工作∀模型计算还充分考虑了风! 浪! 流! 浅水! 岸壁以及锚! 缆 和拖轮的作用∀ 415
视景数据库设计
设计了一套容量大! 结构合理! 检索方便! 效率高的视景数据库∀引进了伪平面概念和方 法处理特殊图素如灯光! 线! 和球体等 完善了视景图像的性能 采用了物标面法向量预处理 和分级物标设计等方法 提高了成像处理效率∀ 416
教练员主控系统软件设计
应用 • ⁄ • ≥ 图形界面设计了一套功能齐全! 操作便捷的教练员主控系统∀ 设计了 合理的数据结构和处理方法 发挥了系统的性能∀功能设计上充分利用了模拟器实际操作的
1
上海海运学院学报 经验 做到了灵活! 高效! 简洁! 实用∀ 417
雷达监视系统 设计了一套雷达) 计算机的雷达信号转换电路! 接口电路和软件系统∀实现了雷达信号
在微机上的实时显示∀ 418
雷达本船软件设计 ⁄ • ≥ 图形界面下设计了一套美观! 实用! 功能齐全的雷达本船软件系统 完成
在•
了船舶操纵响应模型的计算和软件设计工作∀ 419
ƒ 模拟系统
∂
设计和开发了有线控制和传输的语音模拟信号多机交叉控制系统 在功能和操作上模 拟了船用 ∂ 4110
ƒ 机 同时避免了对周边区域的无线电波干扰∀
操作控制与航行信息显示设备 合理设计了较为齐全的驾驶台本船和雷达本船的操作控制与信息显示设备及其接口∀
自行研制了操舵设备 完成了车钟! 罗经复示器和其他设备的接口 设计了驾驶台仪表及其 接口控制∀ 利用人机工程学原理 完成了实用! 合理的机壳设计和面板布置∀
结
语
系统建成后 可为海船驾驶专业本! 专科学生开出全部船舶操纵模拟器训练! 雷达观察 和雷达标绘训练!
°
雷达操作训练等训练课程∀全年可完成
左右的本科生
万生
时数 实验教学任务 可承担大量对管理级船舶驾驶员的船舶操纵模拟器训练培训任务 可 承担对引水员!∂ × ≥ 操作员的培训任务 具有良好的社会效益∀ 本操船模拟器除了可满足教学培训任务外 还能够适应科研方面的各种需要 例如 港 口码头设计时的可行性研究 船舶靠! 离码头的操纵方法研究 航行拥挤水域安全保障系统 的改善方案研讨 ∂ × ≥ 系统设计方案研究 有关船舶操纵性能的研究和改进措施 超高速船 舶的操作系统等∀ 它可兼顾教学! 科研! 生产等各方面需求 提高了设备利用率∀ 整个系统投资仅为向国外进口类似规模系统价格的 Ù∗ Ù 并能大大降低以后的维 持费用∀同时 本系统可在国内航海院校和船员培训机构推广应用 为国家节约大笔外汇 加 快航海教育事业发展的步伐 经济效益明显∀ 通过这个项目的研制 形成了一个水平较高的科研班子 积累了一定的经验 打下了扎 实的技术基础 同时 提高了科研能力 对研制大型航海模拟教学设备更加充满信心∀ 同时 还能调动广大教师改善教学条件的积极性 有利于教师队伍素质的提高∀ 责任编辑
廖粤新
¯ 型综合船舶操纵模拟器的研制
施朝健等 ≥
参
考
文
献
¯ 型综合船舶操纵模拟器 上海海运学院学报 # 船舶操纵模拟器专辑
施朝健 蔡存强 石永辉 ≥
施朝健 船舶操纵模拟器建设的几点建议 上海海运学院学报 ∏ ≥× ≤ • ≥
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