单屏副本船分系统的制作方法

本发明涉及航海模拟试验技术领域，具体涉及一种单屏副本船分系统。

背景技术：

船舶模拟训练是目前国际上较为先进的船舶操作训练方式，既可以提高船舶官兵的实际操作水平和经验积累，完成实船不能进行和难以集中遇到的科目，也可以减少实船消耗，延长船舶使用寿命、节省长期的训练经费。

高品质航海模拟器采用先进的分布交互仿真(DIS：DistributedInteractive Simulation)和高层体系结构(HLA：High Level Architecture)的设计思想、可以和互联网方便相连的先进网络技术，将系统的各计算机相互连接。该系统由1个教练员站、1条主副本船、若干条副本船构成，各副本船之间通过三维视景和雷达图象互见。教练员站与各副本船中的计算机均采用高性能微机，微机间采用网络联结。

模拟器中的各副本船功能完备，可完整地模拟船舶驾驶台操作环境，可用于包括在受限水域进行高级操纵和引航训练。可以进行STCW78/95公约所规定的模拟器培训和适任评估；高品质航海模拟器具有较高的仿真精度，模拟器的性能指标完全满足挪威船级社(DNV)航海标准(Standard forCertification No2.14 Maritime Simulator Systems)和其他国际公认的模拟器标准以及中国海事局和STCW 78/95公约对用于培训和适任评估的模拟器的性能要求，可用于全面履行STCW 78/95公约规定的各种训练和适任评估。

高品质航海模拟器采用当今最先进的技术手段和方法，如计算机成象技术、虚拟现实技术、无缝拼接宽视场角环幕投影技术等，可将数字化地港口及相关设施动态、逼真地展现在操作人员面前。所采用的技术手段和方法具有一定的先进性和前瞻性，模拟器除了能满足各种训练和适任评估的要求之外，还能进行工程论证和海事分析。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种单屏副本船分系统，并能进行工程论证和海事分析的高品质航海模拟器及其开发平台系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

单屏副本船分系统，括驾驶台系统和视景系统组成，所述副本船分系统系统的设备集中设置在机柜上，所述视景系统包括液晶电视，所述液晶电视水平视场角为55°，垂直视场角为30，所述副本船分系统为船艇长及驾驶台人员实施针对性的操纵与航行训练和综合能力的培养提供平台，副本船分系统与主副本船和其它副本船之间进行互操作，形成多船艇协同训练环境平台。

本发明还存在以下特征：

所述驾驶台系统包括导航雷达台、电子海图台、自动操舵仪与车。

所述驾驶台系统设置在驾驶室内，所述驾驶室设置有导航雷达台、电子海图台、车舵控制台、无线电通信台、内通台、AIS综合导航台、监视台、号灯号型控制面板以及离靠码头起抛锚控制台。

与现有技术相比，本发明具备的技术效果为：

整个副本船系统被组织成一个二级网络。教练员站和各副本船海图机组成一级网络，教练员站为主控计算机，负责与各副本船海图机交换信息。每个副本船中的各微机构成第二级网络，采用点对点通讯。这种网络结构具有网络拓朴结构简单，便于增减仿真结点(副本船)，也便于在副本船中增减设备，具有很大的灵活性。

附图说明

图1是副本船分系统的结构图；

图2是副本船驾驶室的具体布局；

图3是副本船系统三维视图；以及

图4是本发明的系统总体框图。

具体实施方式

结合图1至图4，对本发明作进一步地说明：

该分系统主要由驾驶台系统(导航雷达台、电子海图台、自动操舵仪与车)和视景系统组成，所有设备集中到一个机柜10上。视景系统采用寸液晶电视11，水平视场角大约为55度，垂直视场角为30度。目的是构建一种场地需求小，具有单船艇操纵能力的模拟分系统，为船艇长及驾驶台人员实施针对性的操纵与航行训练和综合能力的培养提供平台。同时，可与主副本船和其它副本船之间进行互操作，形成多船艇协同训练环境平台；

驾驶室的主要设备有导航雷达台14、电子海图台14、车舵控制台12、无线电通信台15、内通台19、AIS综合导航台13、监视台18、号灯号型控制面板16和离靠码头起抛锚控制台17等。

副本船分系统的软件包括驾驶控制仿真软件、导航雷达仿真软件、电子海图仿真软件、多通道视景仿真软件和船舶运动数学模型仿真软件。上述软件的设计同副本船分系统。

整个副本船系统被组织成一个二级网络。教练员站和各副本船海图机组成一级网络，教练员站为主控计算机，负责与各副本船海图机交换信息。每个副本船中的各微机构成第二级网络，采用点对点通讯。这种网络结构具有网络拓朴结构简单，便于增减仿真结点(副本船)，也便于在副本船中增减设备，具有很大的灵活性。整个仿真系统的软件工作流程如下：

1)副本船中的海图机向教练员站发出注册申请，教练员站收到申请后将该副本船加入该系统仿真实体队列，并向该海图机发出注册成功信息。

2)教练员在教练员站计算机上设计或编辑完练习后，将练习PDU发送至副本船海图机。

3)副本船海图机收到教练员站发送的练习PDU后，根据该副本船的软、硬件配置将练习PDU转发至雷达显示PC、软仪表显示PC及多通道三维视景成象计算机，副本船仿真开始。

4)仿真过程中，教练员站负责系统中目标船的模型解算，并定时向各副本船海图机发送运行PDU信息，其中包含了系统中各船的位置、航向、速度、姿态等信息。教练员站还负责将故障设置PDU、环境设置PDU、系统控制PDU(包括系统暂停、恢复、退出等系统控制命令)发送至副本船海图机。

5)仿真过程中，副本船海图机负责副本船的车、舵、拖轮、锚、缆、侧推器等助操设备以及航行灯、甲板灯等信号的采集，接收教练员站发送的故障设置PDU、环境设置PDU、系统控制PDU，解算副本船模型，并向教练员站和副本船雷达显示计算机、多通道三维视景成象计算机、软仪表显示计算机发送副本船的运行PDU。

6)多通道三维视景成象计算机负责接收海图机发送的练习PDU、运行PDU，根据PDU中的副本船和目标船船位、航向，环境状况，实时绘制三维图形。中间通道计算机还负责向其它通道发送同步PDU，以保证各通道的水天线在同一条直线上以及波浪模型的同步。

2.信息流向

从整个系统的工作流程分析，教练员站成为仿真系统事实上的主控机，教练员在教练员站设计练习，然后将设计好的练习本系统的各副本船并控制各副本船的运行。系统运行时，各副本船还要将自身的运行信息告知教练员站，并通过教练员站发送至其它副本船。

1)教练员站至各副本船的PDU信息

航行环境信息：主要包括训练海区(海图号)、风、流、白天/夜晚、能见度等。

各副本船信息：主要包括船名、装载状态、初始位置、航向、速度等。

目标船信息：主要包括船名、初始位置、航向、速度、转向点位置及转向点之间的速度、航行灯信号等。

控制信息：主要包括启动、退出、现场冻结/恢复、重演等。

2)副本船至教练员站的PDU信息

主要包括：

由船舶运动数学模型解算所得的副本船位置、航向、速度、加速度、回转加速度。

副本船主机转速、实际舵角、雾号信息、航行灯信息、拖轮信息。

3)副本船中各微机间的信息交换

副本船中的海图机是副本船的核心机，海图机接收由教练员站发送来的信息，同时将接收的信息转发至副本船的其它微机。海图机每个周期根据操作人员的输入，解算出副本船的船位，在自身的显示器上显示副本船及目标船动态俯视图形，同时将副本船信息发送至雷达显示PC、望远镜通道PC、多通道三维视景成象计算机及其他计算机(报警系统PC、GMDSS和仪器仿真PC)。

(1)从海图机发送至雷达机的信息

主要包括副本船位置、速度、航向，目标船船名、位置、速度、航向以及航行环境信息。

(2)从海图机发送至视景系统的信息

除了与从海图机发送至雷达机的相同信息之外，还应包括白天/夜晚等环境信息以及能见度信息、目标船航行灯信息。副本船信息中还需包括加速度、回转加速度、副本船航行灯信息。

(3)海图机发送至仪表机的信息视选定软仪表的种类而定，目前系统中发送副本船的航向、速度以及水深信息。

视景系统要生成由多通道构成的大视场角视景，但由于各通道构成的硬件存在一定的差异，各通道在某一特定时刻需要显示的景物复杂程度也不相同，需要采取一定的措施保持多通道视景的帧同步，这一点在模拟副本船纵摇、横摇时尤其显得重要，所以在视景系统中，中间通道需向左、右各边通道发送帧同步信息。

3.系统各部分的功能

3.1教练员站的功能

教练员站能在整个模拟器训练中控制、监视并重放、分析学员的训练过程。教练员站可改变训练难度，设置航海环境、交通状况和特殊海域等来创建练习。教练员站通过图形、对话框、菜单、工具条等简便的操作，为教练员提供友好的界面，通过这种界面，教练员站可以方便地用来：

1)制作、编辑各种练习

教练员可选择

练习类型：操纵、ARPA、人工标绘

训练模式：多船同组对抗训练、多船分组对抗训练、各船独立训练

练习课目：锚泊、靠泊、离泊、系离浮筒、狭水道航行、进出港、避碰等

训练海域的海图、雷达图

选择副本船的船舶类型、名称和装载状态：

系统提供包括杂货船、散货船、集装箱船、油船、客船、滚装船等各种船型、多种吨位(从7000吨到30万吨)、不同载态的船舶数据。船舶各种参数的在线显示：选中某一船舶后，可在线船舶的各种参数(船长、船宽、吃水、吨位等)。

副本船初始位置、航向、速度的设置。初始位置可采用数据输入(输入船舶的经纬度)或用鼠标在电子海图上直接拖动的方法设置。

副本船可使用的拖轮、缆绳的个数(系统可提供14个拖轮作用点、20个出缆孔位置)、拖轮马力(1800、3000、4800、7000马力可选)的设置。

设置目标船。包括选择目标船类型、名称，设置目标船速度、转向点位置以及转向点的删除、添加和更改，设置目标船雾号、号型。目标船的转向点个数不限。

船舶间动态参数的实时显示：动态参数包括副本船和副本船、副本船和目标船间的距离、方位、TCPA、DCPA等。当编辑练习时(船舶位置、速度、航向变化)，这些参数可实时显示，以便于设置练习。

设置航行环境，如风、流、潮汐、时间以及能见度等。

2)练习预演

设置完练习或打开练习后，教练员可进行练习预演，以保证设置的练习满足训练的要求。预演时，教练员可调整预演速度，可“暂停”、“继续”或“停止”预演。

3)控制系统的运行，对各副本船进行监视

在电子海图上实时显示各副本船和目标船的动态俯视图形。

监视各副本船和目标船的船位、航向和速度。

实时显示各副本船和目标船间的动态参数(包括副本船和副本船、副本船和目标船间的距离、方位、TCPA、DCPA等)。

动态监视各副本船操作人员的操船动作：车、舵、锚、拖轮等使用。

控制主副本船拖轮的操作。

暂停(恢复)某一副本船的运行，以便教练员根据需要进行讲解。

4)设置副本船故障

设置副本船故障，以便进行故障时的应急操作训练。包括：

主机故障、锚机故障、绞缆机故障、操舵故障、自动舵故障、舵损坏、罗经故障、雷达故障、计程仪故障、GPS故障、风速指示仪故障、风向指示仪故障、航速表故障、舵角指示表故障、主机转速表故障。

5)航行环境的实时控制

模拟开始后，教练员可随时改变航行环境信息，包括：

风向、风速(海面动态海面的海况与风速、风向相关)

流向、流速(模拟器中的流的计算采用多种方式，根据港口不同，程度自动选择变速流计算方式或采用教练员设定的方式)

潮高、潮时

可任意设置初始模拟时间，包括白天、夜晚、晨昏朦影等，动态设定后，太阳的位置开始连续变化，视景图象的光照自动变化，并可在白天、夜晚、晨昏朦影间自动连续切换

能见度等级的控制：从能见度良好至浓雾共5级，也可根据需要连续无级变化

设定雷、雨、雪等不同天气情况

6)目标船号灯、号型的实时控制

教练员可根据需要打开或关闭目标船的号灯、号型。

号灯包括：

航行灯：前、后桅灯，左、右舷灯，尾灯

前锚灯、后锚灯

环照灯：三个白灯、三个红灯

甲板灯：4个

各种灯光的能见距离、光弧范围严格按有关规定制作。

可控制如下特殊情况下的号型：

锚泊船：前桅一个黑球

搁浅船：后桅三个黑球

失控船：后桅两个黑球

操纵能力受限船：大桅上两个黑球，一个棱形

吃水受限船：大桅上一个圆柱体

7)雷达回波的控制、雨区的设置

可设定雷达处于超折射、次折射状态，SART信号的模拟，雷达干扰的模拟等，并可设置雨区范围，雨的大小。设置结果将在雷达图象上反映出来。

8)人员落水设置、海面漂浮物设置

人员左舷落水

人员右舷落水

没有人员落水

可设置多个海面漂浮物

9)数据的实时记录和各船航迹的动态显示或打印

系统运行时，教练员站计算机实时记录下如下数据：

各副本船的类型、载态、船舶尺度

各副本船的经纬度、速度、航向

各副本船的车、舵、拖轮等的使用信息

目标船的经纬度、速度、航向

各副本船航行环境(风、流、能见度等)信息

利用记录的数据，系统运行过程中，教练员可随时显示或打印各船的航迹。

10)各副本船训练过程的事后重演和打印功能。

利用记录的数据，系统运行结束后，教练员可根据需要随时动态重演各副本船训练过程，副本船和目标船的各种动态参数实时计算并显示。可任意设定重演的位置，重演的速度可随意设置。

模拟结果可以用两种方式进行打印。

图形方式：海图轮廓+副本船航迹+目标船航迹

数字方式：各副本船航行环境信息、船位、速度、航向、各种操船数据

记录的数据可以用文本方式提供给教练员，以便对其进行分析和引用。

11)训练后的评估

系统以图形和数据两种方式实时给出各副本船训练过程的相关数据，以便教练员对学员的训练进行评估。模拟结束后，系统可将记录的各种数据以图形和数据两种方式输出，以便教练员对各副本船学员的训练进行综合评分。

3.2副本船的基本功能

1)电子海图显示系统

电子海图显示系统应符合IMO与IHO及有关ECDIS性能标准的要求。具有无级放大和缩小、区域放大、自动漫游、分层显示，白天、黑夜显示；应具有海图要素拾取、航线设计，可进行海图编辑、改正。提供可覆盖中国沿海港口、主要水道及世界常用海域(包括马六甲海峡、新加坡水域、英吉利海峡、东京湾等)海图。为尽可能发挥设备的作用，系统提供操作手段，通过简单操作，即可将显示内容切换到雷达-ARPA图象显示，用于雷达标绘、ARPA功能训练，为用户增加一部模拟雷达。

2)以ECDIS为背景的船舶动态显示

在ECDIS上可动态显示副本船、目标船及拖轮的船位。其大小随船舶吨位大小变化。副本船靠离码头时缆绳的受力情况。

3)副本船数学模型的解算

船舶运动数学模型不少于10个类型，每种类型中应包括不同吨位与载况。船舶操纵数学模型中包括影响副本船运动的各种效应(风、流、车、舵、锚、缆、拖轮、岸壁效应、船间效应、浅水效应等)。附有精度说明及测试结果。根据车、舵、锚、缆、拖轮的操作，航行环境信息(风、流、潮等)，实时解算副本船的运动参数(船位、航向、速度、航向变化率、加速度等)。

4)舵控制

具有可进行选择的随动舵、自动舵、应急舵。命令舵角、实际舵角、船舶转头速率、三面舵角指示器、航向的动态显示。陀螺分罗经指示器动态变化。提供自动舵控制、操作单元以及应急舵控制手柄。

5)车钟控制

根据船舶模型本身的推进器套数，可使用单车或双车控制；主机转速、空气启动压力动态变化。

6)可变螺距调节

对采用可调螺距桨的船舶，可进行螺距调节。螺距指示动态显示。

7)船舶艏、艉侧推控制

对有艏、艉侧推的船舶，可进行艏、艉侧推的控制，并实时显示螺距比。

8)副本船缆的控制

根据船舶的大小，可同时进行多达20根缆的带缆、解缆、绞缆操作，绞缆速度可调。在电子海图上可选择缆桩或浮筒的位置，每根缆的受力、长度可动态显示在电子海图上。

9)副本船锚的控制

用锚操作面板进行左、右锚的操作：抛锚、绞锚、松放、刹停操作，并动态显示锚链的长度和张力。

10)副本船拖轮的控制

通过VHF，由教练员操作主副本船的拖轮，拖轮的图形动态地显示在电子海图和三维视景中。拖轮的用力情况实时显示。可应教练员/驾驶员的要求，将拖轮操作在教练员站与主副本船驾驶台间切换。

11)副本船声号的控制

用号灯、号型的控制面板，可控制如下号灯：

号灯包括：

航行灯：前、后桅灯，左、右舷灯，尾灯

前锚灯、后锚灯

环照灯：三个白灯、三个红灯系统可控制如下特殊情况下的号型：

副本船锚泊：前桅一个黑球

副本船搁浅：后桅三个黑球

副本船失控：后桅两个黑球

副本船操纵能力受限：大桅上两个黑球，一个棱形

副本船吃水受限：大桅上一个圆柱体

能见度不良时，可手动或自动鸣放雾号，自动雾号包括：一长声、二长声、一长两短、一长三短、一短一长一短、一长四短、五短声、可手动鸣放船头铃声、船尾锣声

12)视景漫游和望远镜功能

副本船的驾驶台中设置单独的通道用于视景的左右环视、仰视、俯视和自由漫游功能。该通道同时具有望远镜功能，可用望远镜左右环视、仰视、俯视或自由漫游整个视景，望远镜的放大倍数可调，并可进行多视点显示选择。

13)甲板灯控制

可控制多达4个副本船的甲板灯；副本船甲板灯的改变可随时反映在副本船的视景系统和其他副本船的视景系统中。

14)其他仪器的仿真

包括GPS、劳兰C、测深仪、计程仪的仿真。可设置测深仪的富裕水深报警。

15)船间、船内通信

通过VHF可进行船间通信、船岸通信，通过船内电话可与教练员站进行船内各部门间的通信模拟。

16)船舶数据、环境数据的实时显示；

在顶部仪表中可实时显示风向、风速、转向速率、左/右车钟主机转速、舵角指示、航速、水深、三面舵角指示和时间显示；

17)航行综合信息显示

1号控制台的21寸高分辩率显示器上显示如下综合信息：

真风向、真风速、相对风向、相对风速、水深、龙骨下水深、设定航向、罗经航向、转向速率、时间、模拟训练时间、船速(LOG，GPS)、纵向船速、横向船速、离岸距离(前)、离岸距离(后)、GPS船位、流向、流速；

副本船基本参数：船型、排水量、船长、船宽、吃水、装载状态；

自动舵参数设置

故障报警，主要包括：主机故障、操舵故障、自动舵故障、舵损坏、罗经故障、雷达故障、计程仪故障、GPS故障、风速指示仪故障、风向指示仪故障、航速表故障、舵角指示表故障、主机转速表故障；

船舶报警：碰撞、擦浅、搁浅、走锚；

18模拟雷达/ARPA

模拟雷达/ARPA指采用高分辨率显示器显示完全由计算机产生雷达/ARPA图象的雷达模拟器，有别于采用真实雷达/ARPA设备的雷达/ARPA模拟器，其性能指标符合IMO和STCW78/95公约的有关规定。提供可覆盖中国沿海及世界常用海域(主要有马六甲海峡、新加坡水域、英吉利海峡等)的雷达图数据，其主要性能指标如下：

1)雷达图象包括：岸线、固定助航标志、雷达应答器、SART等；

目标船回波，回波的形状与目标船大小、距离、相对方位有关；

雨雪杂波及海杂波应符合实际情况；

假回波：间接回波，多次反射，旁瓣假回波，二次扫描；

雷达同频干扰：同频同步干扰，同频异步干扰；

目标间的遮挡；

接收机噪声；

盲区，短量程时船首对雷达图象的影响；

2)雷达/ARPA功能

雷达/ARPA采用目前船上流行的型号面板，对于模拟雷达/ARPA具备标准雷达/ARPA功能，主要有：

显示方式：首向上，北向上，航向向上；

真运动及相对运动显示；

X-波段/S-波段切换；

长脉冲、短脉冲；

超折射、次折射；

固定距标圈、活动距标圈。雷达距离档与固定距标圈的对应关系：

偏心显示

电子方位线：两条，其中一条起点可移动；

试操船：在不中断目标信息更新的情况下，模拟副本船机动时与所有被跟踪目标的新态势。

自动录取、手动录取，跟踪目标至少20个，0.3-32海里；

ARPA距离档：1.5，3，6，12，24海里；

速度矢量：真运动矢量与相对运动矢量可切换，矢量时间长度可调，1分钟内显示出目标运动趋势，3分钟内显示出目标预测运动。

目标船数据显示：目标船编号，距离，方位，CPA，TCPA，真航向，真速度(可显示相对航向、相对速度；

CPA、TCPA可根据需要合理设置；

报警：碰撞危险、目标丢失、目标侵入、目标航迹变化、走锚、操作错误等，报警形式有声、光、符号与文字；

历史航迹显示：对每个被跟踪目标最多可显示5个历史点迹，每个历史点迹所用的点间隔以1分钟为增量，最多可达12分钟。

警戒圈设置：由操作员设定一个警戒圈。当目标进入警戒圈时，目标闪亮，并有音响报警，警戒圈为圆弧或整圆，由操作人员设定。闯入目标可自动录取；

19)GMDSS模拟子系统

GMDSS模拟子系统性能符合STCW78/95公约的规定。

20)音响模拟

模拟器应提供与模拟海况对应的环境声响(风、浪、声号等)及工作环境(主机、辅机、锚、缆操作等)声响。能模拟船舶碰撞、搁浅、触礁等海损事故的音响效果，如：

机舱噪音、海浪声、副本船的汽笛、车钟、抛锚/起锚、绞缆、断缆等声音、拖轮汽笛、它船汽笛、抛锚/起锚、绞缆、断缆等声音、船舶碰撞、搁浅、触礁、爆炸等海损事故的音响效果；

实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。