陳　卓，張曉磊，熊　偉，王志文

（大連海事大學(xué) 船舶機(jī)電裝備研究所，遼寧　大連 116026）

救助船模擬器原型機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

陳卓，張曉磊，熊偉，王志文

（大連海事大學(xué) 船舶機(jī)電裝備研究所，遼寧大連 116026）

針對(duì)大風(fēng)浪條件下救助船操縱訓(xùn)練的要求，有必要開發(fā)針對(duì)救助船的操縱模擬器。相比于傳統(tǒng)的通用船舶模擬器，救助船模擬器原型機(jī)系統(tǒng)中引入六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，基于UDP協(xié)議傳輸船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)體感模擬功能，可以模擬船舶在大風(fēng)浪條件下劇烈搖動(dòng)的操船環(huán)境，提高模擬訓(xùn)練的真實(shí)感。此外，系統(tǒng)中引入救助作業(yè)模擬模塊的思想，可以更好地評(píng)估、訓(xùn)練船員在惡劣海況下配合其他救助人員完成救助任務(wù)的能力，提高執(zhí)行海上救助任務(wù)的成功率與效率。

船舶模擬器；體感模擬；救助船；救助作業(yè)模擬

0　引　言

海上救助是一個(gè)國(guó)家應(yīng)急保障體系的重要組成部分，通過(guò)日常訓(xùn)練提高救助人員的專業(yè)素質(zhì)與經(jīng)驗(yàn)是一項(xiàng)刻不容緩的社會(huì)責(zé)任。而其中救助船駕駛員的操船技能對(duì)于提高救助效率與成功率有著重要影響，因此救助船員的日常訓(xùn)練具有不言自明的必要性。然而普通的海上實(shí)船訓(xùn)練成本高，訓(xùn)練的環(huán)境也很難復(fù)現(xiàn)海上救援的實(shí)際環(huán)境［1］，而在陸上使用模擬器進(jìn)行仿真訓(xùn)練具有效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

從 1970 年荷蘭 Wageningen 船舶模型實(shí)驗(yàn)室的第一臺(tái)操縱模擬器建成起經(jīng)過(guò)數(shù)十年，目前船舶模擬器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船員的培訓(xùn)與教學(xué)，相關(guān)技術(shù)也得到了不斷發(fā)展，挪威船級(jí)社（DNV）對(duì)船舶模擬器也制定了系統(tǒng)的分類標(biāo)準(zhǔn)。然而救助船有別于普通船舶，其出航環(huán)境、所執(zhí)行任務(wù)具有很大特殊性，因此相比于普通船舶，救助船模擬器也應(yīng)具有特殊要求，開發(fā)一套針對(duì)救助船的操縱模擬器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。大連海事大學(xué)船舶機(jī)電研究所目前開發(fā)的 THESIS 型救助船模擬器原型機(jī)，應(yīng)用分布式仿真的思想開發(fā)了船舶操縱模塊、視景軟件模塊、虛擬儀表模塊、電子海圖模塊、六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)體感模擬模塊與救助作業(yè)模擬模塊。

1　模擬器系統(tǒng)框架

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

救助船模擬器除了要滿足通用船舶模擬器的視景系統(tǒng)、操縱設(shè)備、電子海圖/儀表等基本要求外，針對(duì)救助船這一特殊對(duì)象，還必須要滿足以下特殊要求。

首先，飛行、汽車等模擬器由于模擬對(duì)象具有較為劇烈的運(yùn)動(dòng)變化，為提高真實(shí)感需要在系統(tǒng)中引入運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)體感模擬［2-3］。而船舶在通常出航環(huán)境下運(yùn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，因此傳統(tǒng)船舶模擬器大多完全依靠視景畫面的變化給操船者以船舶搖擺的錯(cuò)覺，利用體內(nèi)平衡使人能夠跟隨視景畫面產(chǎn)生一定的搖擺，并感受到一定程度的眩暈、嘔吐等生理反應(yīng)。挪威船級(jí)社在對(duì)船舶模擬器的定義與分級(jí)中，對(duì)于體感模擬也沒有明確的要求［4］。但是日本神戶大學(xué)學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)畫面運(yùn)動(dòng)對(duì)人產(chǎn)生的感覺十分有限，在船舶駕駛模擬訓(xùn)練中，通過(guò)引入六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)復(fù)現(xiàn)船舶搖擺，可以讓操船者產(chǎn)生生理與心理上無(wú)意識(shí)的反應(yīng)，提高訓(xùn)練真實(shí)感［5］。而救助船在出航執(zhí)行救助任務(wù)時(shí)，多處于惡劣天氣海況條件下，此時(shí)船舶搖擺非常劇烈。為了訓(xùn)練船員在這種環(huán)境中的操船能力，更加有必要在模擬器中引入運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，根據(jù)解算出來(lái)的搖擺角度實(shí)時(shí)復(fù)現(xiàn)船舶姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)體感模擬。

其次，救助船作為救助體系中的一員，并非獨(dú)立執(zhí)行航行任務(wù)，而是服務(wù)于救助作業(yè)的開展。因此需要模擬器系統(tǒng)不僅可以模擬船舶的駕駛操作，還需要引入救助作業(yè)模擬的思想，將兩者結(jié)合起來(lái)，評(píng)價(jià)船員的操船表現(xiàn)是否能夠配合其他環(huán)節(jié)高效率地完成救助任務(wù)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行更有針對(duì)性的訓(xùn)練，提高船員的專業(yè)技能。

1.2系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)采用分布式的仿真結(jié)構(gòu)，將 4 臺(tái)執(zhí)行不同任務(wù)的計(jì)算機(jī)通過(guò)千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)在局域網(wǎng)內(nèi)連接起來(lái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其中視景計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器，是系統(tǒng)的核心部分，船舶的運(yùn)動(dòng)模型也集成在視景軟件中。視景軟件通過(guò) RS-232 串口接收操縱設(shè)備的操船信號(hào)后，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)模型實(shí)時(shí)解算出船舶位姿，并驅(qū)動(dòng)視景畫面運(yùn)動(dòng)。同時(shí)將船舶位姿、狀態(tài)數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)內(nèi)采用 TCP/IP 協(xié)議發(fā)送給儀表計(jì)算機(jī)、海圖計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制計(jì)算機(jī)以實(shí)現(xiàn)各自的功能。系統(tǒng)框架如圖1所示。

2　救助船模擬器關(guān)鍵技術(shù)

相比于通用船舶模擬器，救助船模擬器的關(guān)鍵技術(shù)主要有基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)體感模擬與救助作業(yè)模擬。

圖1　系統(tǒng)框架圖Fig.1　Framework of system

圖2　船員模擬體驗(yàn)原理圖Fig.2　Functional diagram of crews' training

2.1運(yùn)動(dòng)平臺(tái)體感模擬

體感模擬是用計(jì)算機(jī)軟件生成特定的激勵(lì)信號(hào)去驅(qū)動(dòng)六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生救助船實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中所具有的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。它能提供船舶航行過(guò)程中船員所能感受到的動(dòng)感信息，配合視覺、操縱上模擬的感覺，使得船員能夠更加真實(shí)的體驗(yàn)船舶在惡劣海況下劇烈搖擺的操船環(huán)境。

六自由度平臺(tái)可以在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)空間 6 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，其位姿由 6 個(gè)電動(dòng)缸的伸縮量決定，而電動(dòng)缸的伸縮量又由 6 個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度決定，因此控制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)為：通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器向電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送特定的脈沖，再由伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。目前系統(tǒng)采用基于 PCI 總線的運(yùn)動(dòng)控制卡，該控制卡提供了控制卡初始化、脈沖模式設(shè)置、運(yùn)動(dòng)控制等大量基于 C++編寫的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，在編程時(shí)不需要了解控制卡硬件電路以及運(yùn)動(dòng)計(jì)算的細(xì)節(jié)，調(diào)用這些庫(kù)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)高精度的控制［6］。六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)如圖3 所示。

體感模擬的要求在于以下 2 點(diǎn)：1）能夠真實(shí)的按照某型解算結(jié)果復(fù)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)；2）是能夠盡可能的保持與視景畫面運(yùn)動(dòng)的同步，即保證平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于外部信號(hào)的實(shí)時(shí)跟隨性。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)與視景計(jì)算機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)連接，基于 TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為保證實(shí)時(shí)性，在傳輸層采用傳輸速度快的 UDP協(xié)議。

圖3　六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)Fig.3　6-DOF motion platform system

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)時(shí)復(fù)現(xiàn)對(duì)人體感官影響較大的橫搖、縱搖 2 個(gè)運(yùn)動(dòng)。模擬器原型機(jī)目前采用的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)范圍有限，無(wú)法等值復(fù)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)，因此采用等比例縮小的方式，目的在于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送方式與平臺(tái)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度能否滿足要求。實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的跟隨性曲線如圖4 所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)復(fù)現(xiàn)的實(shí)時(shí)跟隨性可以滿足要求。

圖4　運(yùn)動(dòng)平臺(tái)跟隨性曲線Fig.4　Platform's motion following external data

圖5　視景軟件圖Fig.5　Diagram of visual simulation software

2.2救助作業(yè)模擬模塊

救助作業(yè)模擬模塊集成于視景軟件中，其實(shí)質(zhì)是在系統(tǒng)中除船橋視景之外，單獨(dú)渲染出一個(gè)視點(diǎn)位置、方向可變的視景通道，在這個(gè)通道中，進(jìn)行如撇纜、拖帶、滅火等救助作業(yè)的可視化仿真。通過(guò)這種方式可以直觀地評(píng)價(jià)船員操船配合救助任務(wù)執(zhí)行的能力，以此為根據(jù)有針對(duì)性地加強(qiáng)其訓(xùn)練項(xiàng)目。

模擬器視景軟件基于 Vega Prime 進(jìn)行開發(fā)，它是Multigen 公司開發(fā)的跨平臺(tái)的三維視景仿真開發(fā)工具。它將易用的工具和高級(jí)仿真功能巧妙地結(jié)合起來(lái)，從而可使用戶簡(jiǎn)單迅速地創(chuàng)建、編輯、運(yùn)行復(fù)雜的仿真應(yīng)用［7］，而通過(guò)其內(nèi)部的海洋模塊也可以十分方便地生成救助船模擬器所需要的虛擬海洋環(huán)境［8］。對(duì)于救助作業(yè)可視化仿真所需要的特殊效果或基本圖形元素，無(wú)法直接應(yīng)用 Vega Prime 提供的模塊實(shí)現(xiàn)，因此需要基于其提供粒子系統(tǒng)或使用 OpenGL 進(jìn)行混合編程的方式進(jìn)行二次開發(fā)。視景軟件如圖5 所示。

3　結(jié)　語(yǔ)

針對(duì)救助船駕駛員訓(xùn)練的特殊要求，本文提出了2 點(diǎn)針對(duì)救助船模擬器的關(guān)鍵技術(shù)：基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的體感模擬技術(shù)與救助作業(yè)模擬模塊。通過(guò)這 2 項(xiàng)功能的引進(jìn)，可以更好地評(píng)價(jià)、訓(xùn)練船員在惡劣海況下操縱船舶配合完成救助任務(wù)的能力，以此提高海上救助的成功率與效率。

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Research on the key technique of rescue ship simulator prototype

CHEN Zhuo，ZHANG Xiao-lei，XIONG Wei，WANG Zhi-wen
（Ship Electromechanical Equipment Institute，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China）

In order to adapt the need of simulated training of marine rescue，it is necessary to develop the ship simulator that aimed at rescue ship.Compared with traditional simulator for normal ship，the function of proprioceptive is achieved by introducing a 6-DOF motion platform，and the motion data of rescue ship is transmitted to the platform system based on UDP protocol，by which means the swaying handling circumstance can be simulated to improve the reality of training.Besides the module of rescue operation simulation are introduced into the system，by which the crew of rescue ship can be evaluated and trained better to improve their ability of steering in terrible sea state and working in coordination with other personnel to complete the rescue mission.By this mean the success rate and efficiency can be improved.

ship simulator；proprioceptive；rescue ship；rescue operation simulation

U661.74

A

1672-7619（2016）06-0114-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.06.023

2015-09-29；

2015-11-05

國(guó)家科技支撐課題資助項(xiàng)目（2014BAK05B06）；交通運(yùn)輸部建設(shè)科技重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2013328225080）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（3132014303）

陳卓（1991-），男，碩士，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)、船舶模擬器。