本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種船舶靠離泊操縱仿真系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

船舶靠離泊操縱是船舶操縱中一項(xiàng)經(jīng)常性工作，由于靠離泊操縱時(shí)，船舶處于低速、大漂角、淺窄水域和舵效差的運(yùn)動狀態(tài)，而且易受外界環(huán)境影響，因此船舶靠離泊操縱比較困難。國際海事組織在《海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國際公約》中提出關(guān)于靠離泊操縱的正確程序的標(biāo)準(zhǔn)要求?，F(xiàn)階段船員靠離泊操縱的專業(yè)技能主要靠海上實(shí)船的實(shí)踐來提高，這種方式浪費(fèi)了大量的人力、資金和時(shí)間，不僅培訓(xùn)效率低而且具有額外的風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)有的航海模擬器能夠讓船員了解靠離泊操縱，但是航海模擬器只是簡單顯示系泊操縱的最終狀態(tài)，沒有系船系船纜、絞纜機(jī)及系纜裝置等設(shè)備的操縱過程，這就很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此，迫切需要一種能夠滿足學(xué)員培訓(xùn)需求、保證學(xué)員安全、高效的船舶靠離泊操縱仿真系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種既能夠滿足學(xué)員培訓(xùn)需求、保證學(xué)員安全、提高培訓(xùn)效率，又能夠模擬系船系船纜、絞纜機(jī)及系纜裝置等設(shè)備的操縱過程的船舶靠離泊操縱仿真系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種船舶靠離泊操縱仿真系統(tǒng)，包括教練站和多個(gè)本船，所述的教練站與多個(gè)本船通過局域網(wǎng)連接，本船與本船之間通過局域網(wǎng)進(jìn)行通信。所述的教練站作為指揮中心，包括設(shè)置練習(xí)模塊、發(fā)送練習(xí)模塊、設(shè)置試題模塊和發(fā)送試題模塊；所述的本船作為考試訓(xùn)練端，包括用戶交互界面模塊、設(shè)備交互界面模塊、視景顯示模塊、運(yùn)動數(shù)學(xué)模型模塊和數(shù)據(jù)庫。

所述的教練站負(fù)責(zé)訓(xùn)練任務(wù)設(shè)置、訓(xùn)練過程監(jiān)管、考試內(nèi)容設(shè)置和考試結(jié)果評估；所述的設(shè)置練習(xí)模塊用于設(shè)置訓(xùn)練的氣象條件、水文條件和港口條件，并設(shè)置訓(xùn)練科目和場景，根據(jù)訓(xùn)練內(nèi)容確定學(xué)員數(shù)量并為學(xué)員分配訓(xùn)練角色，教練站在發(fā)送練習(xí)模塊通過局域網(wǎng)將訓(xùn)練任務(wù)發(fā)送到各個(gè)本船。學(xué)員在本船上進(jìn)行協(xié)同操縱訓(xùn)練，本船主機(jī)記錄操縱數(shù)據(jù)。如果需要對學(xué)員操縱內(nèi)容進(jìn)行評估，則通過設(shè)置試題模塊設(shè)置試題，并通過發(fā)送試題模塊發(fā)送試題給學(xué)員，在學(xué)員完成操縱內(nèi)容并提交操縱結(jié)果后，教練站將對操縱內(nèi)容進(jìn)行評估打分同時(shí)將操縱數(shù)據(jù)及評估內(nèi)容傳到數(shù)據(jù)庫。

所述的用戶交互界面模塊包括全船二維和三維快速導(dǎo)航、輔助窗口觀察視角、輔助船員命令菜單、警告信息提示窗、幫助信息提示窗、聯(lián)網(wǎng)設(shè)置菜單、操縱開始及提交菜單。

所述的設(shè)備交互界面模塊包括船體、駕駛室、碼頭纜樁以及系泊設(shè)備的三維模型，所述的系泊設(shè)備包括系船纜、導(dǎo)纜裝置、挽纜裝置、絞纜機(jī)、卷纜車及屬具，學(xué)員利用鼠標(biāo)或鍵盤在虛擬船舶上漫游并與設(shè)備模型進(jìn)行交互，同時(shí)利用語音識別技術(shù)對特定的設(shè)備進(jìn)行交互操縱；本船記錄并保存每步操縱內(nèi)容，操縱結(jié)束后，將操縱記錄發(fā)送到數(shù)據(jù)庫。

所述的視景顯示模塊包括外界環(huán)境、目標(biāo)船模型和本船船體模型，外界環(huán)境包括氣象條件、水文條件和港口條件，目標(biāo)船顯示不同種類的船型，本船船體模型包括整船的固定模型和可交互模型。

所述的運(yùn)動數(shù)學(xué)模型模塊包括系船纜被撇出后的拋物線運(yùn)動模型、系船纜在各種狀態(tài)下的運(yùn)動模型和船舶在水面運(yùn)動受到外界環(huán)境因素影響下的運(yùn)動模型；

所述的系船纜在各種狀態(tài)下的運(yùn)動模型，包括系船纜在絞纜機(jī)滾筒上的圓柱螺旋線模型和系船纜伸出滾筒的懸鏈線模型。

所述的圓柱螺旋線模型為：

式中：(x(θ),y(θ),z(θ))為繞滾筒旋轉(zhuǎn)θ角度后的節(jié)點(diǎn)位置，θ為該節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度，r為滾筒半徑，r為系船纜半徑，(x0,y0,z0)為計(jì)算起始點(diǎn)；

所述的懸鏈線的模型為：

式中：a為懸鏈線參數(shù)；b＝-acoshc；

所述的船舶在水面運(yùn)動受到外界環(huán)境因素影響下的運(yùn)動模型為：

式中：m和izz分別為船舶的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量；mx、my和jzz分別為船舶在水中運(yùn)動時(shí)的縱向、橫向和艏向附加質(zhì)量；(u,v,r)為船舶的縱向、橫向和轉(zhuǎn)首速度，其上面的點(diǎn)表示對時(shí)間求導(dǎo)，即運(yùn)動加速度；fx為作用在船體縱向上的作用力；fy為橫向作用力；n為轉(zhuǎn)首力矩。

進(jìn)一步地，所述的氣象條件包括風(fēng)、雨、雷電、雪、白天、夜晚、晨昏朦影，所述的水文條件包括浪、流、潮汐，所述的港口條件包括泊位、岸線、障礙物、助航標(biāo)識。

進(jìn)一步地，所述的設(shè)備交互界面模塊在有人操縱站立位置不對時(shí)，發(fā)出危險(xiǎn)區(qū)域聲音報(bào)警。

進(jìn)一步地，所述的教練站的教練與本船學(xué)員之間、本船學(xué)員與本船學(xué)員之間通過vhf進(jìn)行通信。

本發(fā)明的多角色協(xié)同操縱訓(xùn)練方案如下：由于靠離泊操縱需要多人合作才能完成，如靠泊操縱中帶纜作業(yè)，至少需要三個(gè)人合作才能完成，本發(fā)明按照實(shí)際操縱需求，事先設(shè)置了靠離泊操縱的人數(shù)及其訓(xùn)練角色，每個(gè)角色都有其對應(yīng)的角色名稱及任務(wù)。教練員在教練站設(shè)定訓(xùn)練科目后，即可確定所需的系泊設(shè)備及訓(xùn)練角色，訓(xùn)練所需的本船數(shù)量與學(xué)員數(shù)量相同，確定訓(xùn)練角色數(shù)量與所需本船的數(shù)量后，為本船分配訓(xùn)練角色，若本船數(shù)量等于訓(xùn)練角色的數(shù)量，每個(gè)本船分配一個(gè)角色；若本船數(shù)量少于訓(xùn)練角色的數(shù)量，為每個(gè)本船分配一個(gè)角色后，剩余的角色用虛擬輔助船員代替。分配完角色后，學(xué)員根據(jù)自己的任務(wù)選擇本船進(jìn)行操縱訓(xùn)練，并可與其他學(xué)員協(xié)同訓(xùn)練。本發(fā)明有兩種協(xié)同訓(xùn)練方式：一種是“真”人間的協(xié)同，另一種是“真”人與虛擬人間的協(xié)同。所述的“真”人間的協(xié)同是本發(fā)明中的角色全部為學(xué)員，學(xué)員通過局域網(wǎng)協(xié)同工作，學(xué)員以第一人稱方式在場景中漫游、交互，并在虛擬場景中互見。所述的“真”人與虛擬人間的協(xié)同是每個(gè)學(xué)員選擇一個(gè)本船，即選擇一個(gè)角色后，剩余的角色為虛擬輔助船員，學(xué)員通過本發(fā)明提供的命令菜單來控制輔助船員對設(shè)備的操縱，虛擬輔助船員以第三人稱方式在場景中漫游、交互，學(xué)員與虛擬輔助船員“配合”完成相關(guān)訓(xùn)練任務(wù)。完成訓(xùn)練任務(wù)并提交操縱后，本船將操縱記錄數(shù)據(jù)發(fā)送給教練站單元，教練站根據(jù)每個(gè)本船的操縱記錄與角色訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)行評估、打分，并將操縱記錄數(shù)據(jù)及評估內(nèi)容保存到數(shù)據(jù)庫。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了船舶靠離泊操縱仿真訓(xùn)練與評估系統(tǒng)，學(xué)員不會因?yàn)樵O(shè)備故障、系船纜斷裂或者操縱不當(dāng)造成的嚴(yán)重后果而威脅到自身安全。另外，本發(fā)明使船舶靠離泊操縱可反復(fù)進(jìn)行，不再受時(shí)間、場地、設(shè)備等因素影響，提高了船舶靠離泊操縱的培訓(xùn)效率。

2、本發(fā)明采用三維仿真技術(shù)，根據(jù)實(shí)船中靠離泊操縱過程實(shí)現(xiàn)了纜繩與絞纜機(jī)的三維交互操縱，實(shí)現(xiàn)了駕駛臺下達(dá)操縱命令，船首工人進(jìn)行響應(yīng)的操縱，碼頭工人協(xié)作掛、解纜繩的整個(gè)過程的模擬，解決了以往靠離泊操縱只有船舶靠離泊的運(yùn)動軌跡，沒有靠離泊操縱中船舶與系船纜、系泊設(shè)備之間交互的弊端，逼真的虛擬場景大大提高了培訓(xùn)的真實(shí)感。

3、本發(fā)明提出了一種多角色協(xié)同操縱訓(xùn)練方案，能夠?qū)崿F(xiàn)多人協(xié)同訓(xùn)練，學(xué)員可以按照自身的訓(xùn)練需求，選擇訓(xùn)練角色進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練具有針對性。本發(fā)明設(shè)計(jì)了兩種協(xié)同工作方式，當(dāng)學(xué)員數(shù)量不足時(shí)可利用虛擬輔助船員代替訓(xùn)練角色保證訓(xùn)練的正常進(jìn)行，使得訓(xùn)練更具有靈活性。

4、本發(fā)明在學(xué)員訓(xùn)練過程中，記錄學(xué)員的操縱數(shù)據(jù)，并結(jié)合評估算法對其進(jìn)行自動評估，減輕了評估人員的負(fù)擔(dān)、保證船舶靠離泊操縱評估結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的操縱訓(xùn)練方案示意圖。

圖3是靠離泊操縱系纜與解纜步驟。

圖中：1、教練站，2、設(shè)置練習(xí)模塊，3、設(shè)置試題模塊，4、發(fā)送練習(xí)模塊，5、發(fā)送試題模塊，6、本船，7、用戶交互界面模塊，8、設(shè)備交互界面模塊，9、視景顯示模塊，10、運(yùn)動數(shù)學(xué)模型模塊，11、數(shù)據(jù)庫。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)地說明：

如圖1所示，本發(fā)明由教練站1和本船6組成，教練站1作為指揮中心包括：設(shè)置練習(xí)模塊2、發(fā)送練習(xí)模塊3、設(shè)置試題模塊4、發(fā)送試模塊5；本船6包括：用戶交互界面模塊7、設(shè)備交互界面模塊8、視景顯示模塊9、視運(yùn)動數(shù)學(xué)模型模塊10、數(shù)據(jù)庫11。

所述的設(shè)置練習(xí)模塊2初始化訓(xùn)練任務(wù)，所述的設(shè)置訓(xùn)練任務(wù)包括設(shè)置練習(xí)的外界環(huán)境條件及練習(xí)科目、確定學(xué)員數(shù)量并為學(xué)員分配訓(xùn)練角色，所述的外界環(huán)境條件包括設(shè)定氣象、水文及港口條件及船舶狀態(tài)參數(shù)，所述的練習(xí)科目有靠離泊操縱中的系纜作業(yè)和解纜作業(yè)，所述的分配訓(xùn)練角色是根據(jù)訓(xùn)練角色的數(shù)量和學(xué)員數(shù)量，為本船6分配訓(xùn)練角色及其訓(xùn)練任務(wù)，所述的訓(xùn)練角色，本發(fā)明事先為每個(gè)系泊設(shè)備設(shè)計(jì)相應(yīng)數(shù)量的訓(xùn)練角色及其訓(xùn)練任務(wù)，每個(gè)角色都有其對應(yīng)的名稱，將設(shè)置好的練習(xí)通過路由協(xié)議經(jīng)過發(fā)送練習(xí)模塊3發(fā)送到本船6。

所述的設(shè)置試題模塊4設(shè)置訓(xùn)練評估試題，所述的設(shè)置訓(xùn)練評估試題需要在設(shè)置練習(xí)模塊2后執(zhí)行；參與船舶靠離泊操縱的學(xué)員五人一組，每人一臺考試訓(xùn)練終端，五臺終端將組成一個(gè)小網(wǎng)絡(luò)，組內(nèi)學(xué)員分為船長、大副、甲板船員一、甲板船員二、碼頭水手，根據(jù)其分配的角色，共同完成靠泊或離泊操縱；在操縱過程中，五個(gè)學(xué)員在同一虛擬操縱場景中，每一個(gè)學(xué)員可在考試場景中看到其他學(xué)員的虛擬替身及相應(yīng)操縱，學(xué)員之間通過vhf溝通交流，根據(jù)其角色完成相應(yīng)的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)多人分角色登錄和分工操縱，操縱完成提交后教練站1對學(xué)員操縱內(nèi)容進(jìn)行評估，將設(shè)置好的試題通過路由協(xié)議經(jīng)過發(fā)送試模塊5發(fā)送到本船6。

所述的本船6接收的試題文件包括：試題基礎(chǔ)信息、環(huán)境數(shù)據(jù)、船舶數(shù)據(jù)、評價(jià)指標(biāo)。所述的試題基礎(chǔ)信息包括試題名稱、試題說明、出題日期、出題人姓名；環(huán)境數(shù)據(jù)包括：氣象、水文、港口數(shù)據(jù)；船舶數(shù)據(jù)包括：船名、呼號、排水量、船長、船寬、吃水；評價(jià)指標(biāo)有標(biāo)準(zhǔn)值、權(quán)重值、調(diào)整參數(shù)、隸屬度函數(shù)；每個(gè)本船6根據(jù)接收的練習(xí)試題文件更新本船虛擬場景。操縱結(jié)束后，本船6將操縱記錄數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫11，所述的操縱記錄數(shù)據(jù)為每一項(xiàng)操縱任務(wù)是否完成，記錄數(shù)據(jù)為“1”或“0”，根據(jù)每個(gè)本船6的操縱數(shù)據(jù)進(jìn)行評估打分，最后將操縱記錄數(shù)據(jù)及評估成績保存到數(shù)據(jù)庫11。

所述的用戶交互界面模塊7包括：全船二維和三維快速導(dǎo)航、輔助窗口觀察視角、輔助船員命令菜單、警告信息提示窗、幫助信息提示窗、聯(lián)網(wǎng)設(shè)置菜單、操縱開始及提交菜單。

所述的設(shè)備交互界面模塊8為船體、駕駛室、碼頭纜樁以及系泊設(shè)備的三維模型，系泊設(shè)備包括：系船纜、導(dǎo)纜裝置、挽纜裝置、絞纜機(jī)、卷纜車及屬具，根據(jù)學(xué)員所分配的角色及任務(wù)，利用鼠標(biāo)、鍵盤在虛擬船舶上漫游并與設(shè)備模型進(jìn)行交互，各角色的虛擬替身在場境中互見、協(xié)同訓(xùn)練，利用vhf進(jìn)行語音通信。操縱結(jié)束后，將操縱記錄數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫11。

所述的視景顯示模塊9包括外界環(huán)境、目標(biāo)船模型和本船船體模型，外界環(huán)境包括氣象、水文和港口三大類，目標(biāo)船可以顯示不同種類的船型，本船船體視景包括整船的固定模型和可交互模型，每一個(gè)學(xué)員可在考試場景中看到其他學(xué)員的虛擬替身及相應(yīng)操縱，根據(jù)每個(gè)學(xué)員的不同位置顯示相應(yīng)的視景。

所述的運(yùn)動數(shù)學(xué)模型包括撇系船纜被撇出后的拋物線型運(yùn)動模型及最終被撇到碼頭上的撇纜懸鏈線模型；系船纜在絞纜機(jī)滾筒上的螺旋線模型和伸出滾筒的松、緊等狀態(tài)下的系船纜運(yùn)動模型；船舶在水面運(yùn)動受到外界環(huán)境因素影響下的運(yùn)動模型。

本發(fā)明工作時(shí)，流程如圖2-3所示：

教練員在教練站1設(shè)定訓(xùn)練科目和訓(xùn)練場景，根據(jù)訓(xùn)練科目確定所需的訓(xùn)練角色數(shù)量及學(xué)員角色，確定訓(xùn)練角色數(shù)量與所需本船6的數(shù)量后，學(xué)員根據(jù)自身訓(xùn)練需求選擇本船6進(jìn)行訓(xùn)練，學(xué)員根據(jù)所分配的角色及任務(wù)，利用鼠標(biāo)、鍵盤在虛擬船舶上漫游并操縱絞纜機(jī)等設(shè)備，各角色在場境中互見、協(xié)同訓(xùn)練，若存在虛擬輔助船員時(shí)，利用鼠標(biāo)點(diǎn)擊命令菜單來控制虛擬輔助船員進(jìn)行交互，完成訓(xùn)練并提交后，本船6將操縱記錄數(shù)據(jù)發(fā)送回教練站1，教練站1根據(jù)每個(gè)本船6的操縱訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行評估打分，將操縱數(shù)據(jù)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)及成績保存到數(shù)據(jù)庫11，方便對評估模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

以船員靠泊操縱為例來介紹本發(fā)明工作流程，首先，教練員設(shè)定操縱場景為白天、微風(fēng)、流速1節(jié)，靠泊操縱設(shè)有五個(gè)角色：第一個(gè)角色為本船船長，第二個(gè)角色為大副，第三、四個(gè)角色為甲板船員一和甲板船員二，第五個(gè)角色為碼頭水手。船長在駕駛臺作為總指揮，負(fù)責(zé)指揮船舶進(jìn)行靠泊操縱；大副在船首主要負(fù)責(zé)與駕駛臺溝通、指揮甲板船員進(jìn)行靠泊操縱；甲板船員一負(fù)責(zé)操縱絞纜機(jī)，控制操縱桿和剎車及時(shí)調(diào)整系船纜收放速度；甲板船員二負(fù)責(zé)撇纜及拖拽系船纜。角色分配完成后，每個(gè)學(xué)員選擇一個(gè)本船6開始操縱，駕駛臺擺好船位、控制余速和靠攏角度；船首人員做好靠泊準(zhǔn)備工作，大副檢查對講機(jī)聯(lián)系通暢、將出纜順序和各纜挽樁部署高速船員；甲板船員一檢查絞纜機(jī)并試車；甲板船員二與甲板船員一協(xié)同將系船纜備妥。系船纜備妥后甲板船員二投擲撇纜，撇纜成功后大副報(bào)告駕駛臺。甲板船員二撇出撇纜后將撇系船纜與系船纜的琵琶頭連上，將系船纜送出船舷外，完成出纜。碼頭水手拉撇系船纜的同時(shí)，甲板船員一操縱絞纜機(jī)松纜，大副根據(jù)收放情況及時(shí)報(bào)告駕駛臺，以便根據(jù)船舶姿態(tài)及時(shí)調(diào)整絞纜機(jī)放纜速度，系船纜到達(dá)碼頭，碼頭水手將琵琶頭套上纜樁后甲板船員一執(zhí)行絞纜操縱，船舶靠攏碼頭后甲板船員二將系船纜從卷筒上取下，在纜樁上挽牢，執(zhí)行挽纜操縱，船靠妥后甲板船員二掛上擋鼠板清理現(xiàn)場完成靠泊操縱。操縱結(jié)束后，學(xué)員提交操縱，完成靠泊操縱訓(xùn)練。本船將對操縱記錄數(shù)據(jù)行評估打分，最后將操縱訓(xùn)練數(shù)據(jù)及成績保存到數(shù)據(jù)庫11。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、技術(shù)特征及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明不受上述示例的限制，上述示例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。