本发明属于信息科学与系统科学领域，尤其是一种水上交通事故应急仿真系统及方法。
背景技术：
水上交通事故应急仿真技术是以相似理论、模型理论、系统论、信息技术和图形理论为基础，以计算机系统和仿真器为工具，根据被仿真对象的结构、原理、流程和特点，对真实的环境或过程进行模拟和再现的一门综合性技术。可以实现对目标系统进行分析、评估和决策支持等功能，尤其是对运行环境具有偶然性、危险性、破坏性的水上交通事故系统，仿真技术能以较小的成本获取目标系统在不利条件下的运行状况。作为仿真技术在水上交通事故应急领域的具体应用，近年来在理论研究方面取得了重要进展，对水上交通事故应急仿真发展发挥了重要的推动作用。
相比而言，水上交通事故应急仿真在面向实践的系统设计方面发展滞后。这种现状和水上交通事故应急仿真系统的复杂性有很大关系。因为船舶航行过程中与外部通航环境的耦合作用非常突出。随着仿真技术在水上交通事故应急领域的深入和广泛应用，水上交通事故应急仿真作为一个新的研究领域已逐渐成形，它的进一步发展迫切需要面向生产实践的水上交通事故应急系统设计体系。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：提供一种水上交通事故应急仿真系统及方法，通过水上交通事故应急仿真，提高相关人员的应急救援能力，达到保障船舶通航安全、降低船舶事故损失、提升船舶运输效率的目的。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种水上交通事故应急仿真系统，其特征在于：它包括通过千兆以太网连接的：
监控人员客户端，用于多视景现场展示，供指挥中心的监控人员发现事故和输入指挥命令；
救援人员客户端，用于根据各自的角色进行场景展示，供各救援人员发现事故和模拟救援措施；
运行期监控端，用于仿真系统运行时实时救援数据展示和服务器管理；
服务器，用于为监控人员客户端和救援人员客户端提供场景展示，接收监控人员客户端和救援人员客户端输入的内容进行数据处理，并存储新的仿真数据，读取、回放历史仿真数据，为运行期监控端提供实时救援数据，接收运行期监控端的管理任务从而对服务器进行管理。
按上述系统，所述的救援人员客户端包括为各自角色设定的船舶模拟器、以及船舶模拟器前用于各自角色的场景展示的显示器；船舶模拟器上设有指令输入设备及用于采集指令的传感器、指令分析解析单元和用于将解析的指令传输给服务器的数据传输单元。
按上述系统，所述的船舶模拟器分为海巡艇模拟器和消防艇模拟器。
按上述系统，所述的服务器包括：
数据库，包括案例库、预案库、基础数据库和回放数据库，案例库用于存放水上交通事故案例，预案库用于存放发生水上交通事故时对应的预案，基础数据库用于存放航道、船舶的参数信息，回放数据库用于存放历史仿真数据；
案例执行逻辑模块，用于调用数据库，以动态仿真的形式将案例数据表现出来，提供各种仿真演变和交互逻辑，包括事故发生与演变模块、救援任务管理模块、预案执行模块和统计评价模块；其中事故发生与演变模块用于仿真水上交通事故以及事故发生后衍生的次生灾害；救援任务管理模块用于在发生水上交通事故时根据事故类型创建一系列救援任务，并通过数据交换模块发送给各救援人员客户端，同时通过数据交换模块获取救援人员客户端的操作并作出判定和验证；预案执行模块用于获取和分析当前的事故情况、救援情况的动态数据，根据预案库的设置给各角色提供决策指导；统计评价模块用于统计各角色的数据、在仿真结束后根据统计的数据对演练做出评价；
服务器管理模块，受运行期监控端的调用，包括预案数据管理模块、案例数据管理模块和案例启停模块；预案数据管理模块用于完成预案的创建和编辑，包括在应急救援过程中需要部署和执行的一系列指令；案例数据管理模块用于提供仿真案例的创建和编辑，通过配置各种参数来形成完整的事故场景；案例启停模块用于已有案例查询、启动和停止的控制；
数据交换模块，用于处理从服务器发出和接收到的所有数据，根据数据的类型，转发给相应的模块。
按上述系统，所述的数据的类型包括同步数据、管理命令和回放数据；同步数据为案例执行逻辑模块在运行过程中产生的逻辑数据和客户端发送来的操作数据，数据交换模块负责接收和广播；运行期监控端发送的管理命令转发至对应的管理模块；回放数据包括历史仿真数据和播放回放请求，历史仿真数据存储至回放数据库，播放回放请求则调用回放数据库进行播放。
利用上述水上交通事故应急仿真系统实现的应急仿真方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、运行期监控端调用服务器进行启动案例，同时在仿真系统运行时展示实时救援数据；
S2、服务器按照案例的内容向监控人员客户端和救援人员客户端进行场景展示，供监控人员和救援人员发现事故；
S3、监控人员发现事故时发出指挥命令，救援人员发现事故时发送报警信号，服务器根据事故类型创建一系列救援任务，并通过数据交换模块发送给各救援人员客户端；
S4、救援人员客户端模拟一系列的救援措施，同时服务器获取救援人员客户端的操作并作出判定和验证；
S5、仿真过程中，实时获取和分析当前的事故情况、救援情况的动态数据，根据预案库的设置给各角色提供决策指导；
S6、仿真过程中统计各角色的数据，在仿真结束后根据统计的数据对演练做出评价。
本发明的有益效果为：通过给不同的角色分配不同的客户端，通过水上交通事故应急仿真，提高相关人员的应急救援能力，达到保障船舶通航安全、降低船舶事故损失、提升船舶运输效率的目的。
附图说明
图1为本发明一实施例的服务器原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种水上交通事故应急仿真系统，它包括通过千兆以太网连接的：监控人员客户端，用于多视景现场展示，供指挥中心的监控人员发现事故和输入指挥命令；救援人员客户端，用于根据各自的角色进行场景展示，供各救援人员发现事故和模拟救援措施；运行期监控端，用于仿真系统运行时实时救援数据展示和服务器管理；服务器，用于为监控人员客户端和救援人员客户端提供场景展示，接收监控人员客户端和救援人员客户端输入的内容进行数据处理，并存储新的仿真数据，读取、回放历史仿真数据，为运行期监控端提供实时救援数据，接收运行期监控端的管理任务从而对服务器进行管理。
优选的，所述的救援人员客户端包括为各自角色设定的船舶模拟器、以及船舶模拟器前用于各自角色的场景展示的显示器；船舶模拟器上设有指令输入设备及用于采集指令的传感器、指令分析解析单元和用于将解析的指令传输给服务器的数据传输单元。
进一步的，所述的船舶模拟器分为海巡艇模拟器和消防艇模拟器。
优选的，所述的服务器如图1所示，包括：
数据库，包括案例库、预案库、基础数据库和回放数据库，案例库用于存放水上交通事故案例，预案库用于存放发生水上交通事故时对应的预案，基础数据库用于存放航道、船舶的参数信息，回放数据库用于存放历史仿真数据；
案例执行逻辑模块，用于调用数据库，以动态仿真的形式将案例数据表现出来，提供各种仿真演变和交互逻辑，包括事故发生与演变模块、救援任务管理模块、预案执行模块和统计评价模块；其中事故发生与演变模块用于仿真水上交通事故以及事故发生后衍生的次生灾害；救援任务管理模块用于在发生水上交通事故时根据事故类型创建一系列救援任务，并通过数据交换模块发送给各救援人员客户端，同时通过数据交换模块获取救援人员客户端的操作并作出判定和验证；预案执行模块用于获取和分析当前的事故情况、救援情况的动态数据，根据预案库的设置给各角色提供决策指导；统计评价模块用于统计各角色的数据、在仿真结束后根据统计的数据对演练做出评价；
服务器管理模块，受运行期监控端的调用，包括预案数据管理模块、案例数据管理模块和案例启停模块；预案数据管理模块用于完成预案的创建和编辑，包括在应急救援过程中需要部署和执行的一系列指令；案例数据管理模块用于提供仿真案例的创建和编辑，通过配置各种参数来形成完整的事故场景；案例启停模块用于已有案例查询、启动和停止的控制；
数据交换模块，用于处理从服务器发出和接收到的所有数据，根据数据的类型，转发给相应的模块，
进一步的，所述的数据的类型包括同步数据、管理命令和回放数据；同步数据为案例执行逻辑模块在运行过程中产生的逻辑数据和客户端发送来的操作数据，数据交换模块负责接收和广播；运行期监控端发送的管理命令转发至对应的管理模块；回放数据包括历史仿真数据和播放回放请求，历史仿真数据存储至回放数据库，播放回放请求则调用回放数据库进行播放。
利用上述水上交通事故应急仿真系统实现的应急仿真方法，包括以下步骤：
S1、运行期监控端调用服务器进行启动案例，同时在仿真系统运行时展示实时救援数据；
S2、服务器按照案例的内容向监控人员客户端和救援人员客户端进行场景展示，供监控人员和救援人员发现事故；
S3、监控人员发现事故时发出指挥命令，救援人员发现事故时发送报警信号，服务器根据事故类型创建一系列救援任务，并通过数据交换模块发送给各救援人员客户端；
S4、救援人员客户端模拟一系列的救援措施，同时服务器获取救援人员客户端的操作并作出判定和验证；
S5、仿真过程中，实时获取和分析当前的事故情况、救援情况的动态数据，根据预案库的设置给各角色提供决策指导；
S6、仿真过程中统计各角色的数据，在仿真结束后根据统计的数据对演练做出评价。
本实施例利用游戏平台开发，搭建一个事故应急处置的硬件和软件相结合的仿真场景，一方面该设计搭建了目前海事应急搜救指挥中心类似的硬件平台，包括其通信系统；另一方面该设计还能够模拟VTS、AIS等二维系统及船舶交通流形态。在此基础上，利用三维视景仿真技术搭建了三维通航环境场景、事故上下文场景以及海巡艇、消防艇救援场景等，为参与人员提供逼真的事故情景。该系统通过模拟水上交通安全事件及应急互动处置和演练过程，提高相关人员在复杂现场确定救援策略的能力，强化整体救援的技能，提升在搜救过程中的指挥水平和心理适应能力。
在水上交通事故应急仿真中，定义有多重人员角色，包括事故场景设定的管理人员角色、事故发现人员的报警角色、巡航支队的海巡艇施救角色、消防支队的消防艇救援角色和位于指挥中心的指挥角色。各演练人员在事故的发现、报警、接警、确认、处置和终止等过程中根据事故的发展完成应急演练。
本实施例中，服务器是无界面的应用，所以管理功能由运行期监控端通过调用网络管理接口来完成。
1、服务器
（1）服务器管理
本服务器包含的管理功能如下：
Ø预案数据管理
预案是针对特定水上交通事故预先设定的应急救援方案，方案中包含在应急救援过程中需要部署和执行的一系列指令。预案管理提供预案的创建和编辑功能。
Ø案例数据管理
事故案例数据是仿真的数据核心，通过配置各种参数来形成一个完整的事故场景。案例管理提供仿真案例的创建和编辑功能。
Ø案例启动和停止
系统提供已有案例查询、启动和停止的控制功能。
（2）案例执行逻辑
案例执行逻辑是服务器的核心功能，案例执行就是以动态仿真的形式将案例数据表现出来，提供各种仿真演变和交互逻辑。
Ø事故发生与演变
事故发生是在仿真系统中模拟船舶发生碰撞、搁浅等事件过程。事故演变是在事故发生后模拟衍生的失火、物品落水、人员落水、桥梁垮塌和船舶沉没的次生灾害效果。
Ø救援任务管理
当事故发生后，系统根据事故的类型创建一系列救援任务。客户端用户需要通过各种操作来完成每一项救援任务，服务器同时对用户的操作做出判定和验证。
Ø预案执行
在案例执行过程中，预案执行单元将负责获取和分析当前的事故情况、救援情况等各种动态数据，同时根据预案库的设置给角色提供决策指导。
Ø统计与评价
在执行救援任务的过程中，用户的所有操作都会记录在服务器上，当仿真结束以后服务器将根据统计的数据对演练做出评价。
（3）数据交换
数据交换是服务器端的基础功能，所有从服务器发出和收到的数据都通过该模块处理，该模块根据数据的不同类型，自动将数据转发给相应模块。
Ø同步数据交换
案例执行逻辑在运行过程中会产生各种逻辑数据，同时也接受各个客户端发送来的操作数据，这些数据都由同步数据交换模块来负责接收和广播。
Ø管理命令
由于服务器的管理端是运行期监控端，所以交换模块收到管理命令后将把数据转发给对应的管理模块处理。
Ø回放数据管理
由于所有的仿真数据都会从数据交换模块进出，所以交换模块会对数据进行过滤，如果该数据属于回放需要的数据，则负责将该部分数据存储到回放数据库中。同时如果客户端发出播放回放数据的请求，也由这个模块负责管理。
2、监控人员客户端
监控人员客户端的界面将投影到大屏幕上，用来仿真实际指挥中心主控终端的大屏幕视频监控功能。
该客户端的用户为指挥中心的监控人员，在系统中主要的职责为临江监控、多视景现场展示和事故发现。
Ø临江监控
利用临江固定观测点观察江面船舶的运行情况，在事故发生时可以通过观测点列表选择就近的临江闭路电视系统查看现场事故的情况，为指挥中心提供决策支持。
Ø多视景现场展示
作为虚拟仿真系统，可以为用户提供更加丰富的临场体验，所以监控人员客户端还提供了另外的两个视角：空中视角和跟随视角。通过这两种视角让监控中心的管理人员更直观地了解决策质量。
Ø事故发现
用户在使用临江监控系统的时候可能在第一时间发现事故船舶，这个时候用户将承担事故报警的角色，第一时间将事故信息反馈给监控中心的管理人员。
3、救援人员客户端
救援人员客户端用户为巡航艇和消防艇的救助人员。在本系统中的主要职责为事故发现、事故现场信息获取、事故现场处置和救援。
Ø事故发现
用户驾驶船舶巡航时可能在第一时间发现事故船舶，这个时候用户将承担事故报警的角色，第一时间将事故信息反馈给监控中心管理人员。
Ø事故现场信息获取
其他监控终端会对事故信息有不同角度的获取，但很难准确把握事故现场的实时动态信息，则救援人员客户端此时担任事故现场信息获取的角色。
Ø事故现场处置和救援
该终端用户利用巡航艇的救生设施完成施救落水人员的任务，也可以利用消防船的相关设施完成灭火等救援任务。
4、运行期监控端
运行期监控端是仿真系统运行时信息动态呈现的窗口，也是系统的控制终端。所以主要功能分为实时救援数据展示和服务器管理两个部分。
（1）实时救援数据展示
运行期数据展示的界面将投影到大屏幕上，用来构成指挥中心主控终端大屏幕的一部分。运行期数据展示在界面上显示当前应急救援的动态数据，包括当前事故详情、环境信息提示、搜救动态数据展示和当前资源配置情况展示。
（2）服务器管理
服务器管理是一组工具的集合，用来配置服务器的数据和控制服务器的功能。主要提供服务器配置管理和运行控制的功能。
Ø服务器配置管理
本系统的服务器是没有界面的系统，运行期监控端利用服务器的管理端口与其建立联系，并通过管理协议管理服务器功能。
Ø服务器运行控制
用来控制服务器当前的运行模式，可以按回放模式和仿真模式来启动服务器。
5、角色互动
根据上文叙述，系统中用户主要有三类用户：前端救援人员、中心监控人员和中心管理人员。
（1）待命
当仿真开始后，事故发生前均处于待命状态。前端救援人员按照预定的航线巡航；中心监控人员根据需要浏览各个固定监控点的数据，观测水上交通状况；中心管理人员综合查看二维的AIS/VTS数据和三维监控数据，监控水上交通状况。
（2）事故发现
当仿真开始后，系统中的三种角色均可能首先发现事故。
Ø巡航艇
如果由前端救援人员发现事故，则需要通过虚拟电话将事故情况报告给监控中心管理人员，管理人员将指挥中心监控人员切换观测点，查看事故场景的详细信息。
Ø固定监控观测点
如果由中心监控人员利用固定监控观测点发现事故，则需要迅速告知中心管理人员。中心管理人员查看AIS/VTS数据，确认事故发生的大概位置，并利用虚拟电话与前端搜救人员取得联系，安排其迅速赶往事故现场，同时指挥中心监控人员切换观测点，查看事故场景的详细信息。
Ø二维AIS/VTS系统报警
如果由中心管理人员从二维AIS/VTS系统中获得事故警报，则利用虚拟电话与前端搜救人员取得联系，安排其迅速赶往事故现场，同时指挥中心监控人员切换观测点，查看事故场景的详细信息。
（3）事故救援
事故救援过程中，中心管理人员利用二维AIS/VTS系统、三维监控、搜救进展信息和预案执行信息等各种数据完成调度和指挥工作。在此过程中前端搜救人员根据中心管理人员的指令完成救援、灭火等工作，中心监控人员根据管理人员的指令调整监控视角，满足管理人员的需要。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。