桌面式航行指挥模拟训练系统

2014-10-14刘喜作

计算机与现代化 2014年2期

刘喜作，宋元

(1.大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连 116024;2.大连舰艇学院训练部，辽宁大连 116018)

0 引言

目前，水面舰艇执行任务的密集度越来越高，这对培养能够独立值更的初级指挥军官提出了更高的要求。按规定，初级指挥军官应具备舰艇航行、防御和应急处置的组织指挥能力，其实践性强。但是，由于舰艇在海上航行常常会考虑其安全性和经济性，作为每一个初级指挥军官而言，海上实际锻炼的机会很少，这样导致其培养周期长，独立值更能力较弱的问题。

利用安全经济的桌面航行指挥模拟训练系统，可以把海上遇到的实际情况进行仿真模拟，使演练环境与实际环境直观地对应。同时，针对初级指挥军官训练的特点，结合水面舰艇日常部署和战斗部署，建立训练课题，模拟在各种情况下的操作与指挥，使训练人员在室内完成与海上实际部署操演训练相一致的动态交互性训练，加强其实作训练力度，提高训练水平［1-2］。

本文就桌面式航行指挥模拟训练系统的开发和相关技术进行论述。

1 系统分析与设计

如图1所示，该系统由导演监控考评台和本舰系统(导航雷达台、电子海图/操纵台和三维视景台)组成。系统为了减少台位设置，把舰艇操纵设备放在电子海图台上。系统所有设备都采用普通的笔记本或台式机，可以灵活方便布署到任何训练场地。其中舰艇导航雷达和车舵，可以通过自制硬件设备或软件面板进行操作，从而提高系统交互的灵活性及通用性。

图1 系统架构图

1.1 台位功能

(1)导演监控考评台由一台PC机或笔记本组成，其功能是配置、控制和监视模拟系统运行全过程，设置各种条件下航海环境和特殊情况创建训练环境，通过图形、对话框、菜单、工具条等简便的操作进行。训练时，完成对舰艇航迹的记录(包括本船和目标船)、口令操作的记录，根据制定的考核点，给出量化的结果和分数。

(2)电子海图/操纵台由一台PC机或笔记本组成。它是把电子海图功能和车舵等操作功能合为一个台位。功能是既可显示本舰和目标船在海图上的二维信息，又可以通过另外界面完成本船车舵操作、灯光和信号仿真控制、舰艇航行控制和相关显示等。

(3)导航雷达台由一台PC机或笔记本组成，可以配有自制的操作硬件设备。功能是完成对物标的及时发现，并提供物标的方位、距离、速度等信息，及时对危险目标做出告警，提供ARPA功能和AIS功能。

(4)舰艇驾驶视景台由一台PC机或笔记本组成，功能是可以逼真生成不同时间、不同地点和不同气象的舰艇航行特定范围的虚拟环境，提供国内主要港口地形、各种船舶模型。

1.2 训练场景数据库设计

为了满足场景仿真的需要，系统必须要有丰富的数据作支撑，这些数据分类设计，以数据库形式存储，主要有三维视景模型库、电子海图数据库、助航设施数据库和船舶特征信息数据库［3-4］。

(1)三维视景模型库采用层次型与面向对象相结合的三维数据结构，场景图形采用一种自顶向下的分层的树状数据结构来组织空间数据集［5-6］。三维视景模型库包含以下主要模型:地形地貌模型库、岸上建筑物模型库、助航标志模型库和船舶模型库等。

(2)电子海图数据库是以图幅为单元存储管理的数字海图库。电子海图数据库除包含为了安全航行所必须的海图信息外，还包括航路指南、港口概况等其他有用的信息。其数据格式采用矢量方式和栅格方式两种。矢量数据格式标准为S57/3.1，栅格数据格式标准为ARCS。

(3)助航设施数据库是以S57格式电子海图数据提取生成的灯浮、灯船、陆标等助航设施参数数据库。

(4)船舶特征信息数据库以每个船型为单元存储管理船舶的特征信息，包括船舶的设备信息、几何物理信息、动力信息和运动参数等。船舶类别包括杂货船、集装箱船、油轮、散货船、客船、拖轮、引水船、渔船等。

2 训练场景建模

系统重点突出初级指挥军官薄弱环节的训练，如狭水道航行、雾中航行和夜间航行等。因此，下面主要针对狭水道、雾中和夜间3个场景建模与显示分别论述。

2.1 基于电子海图源数据可视化

三维视景、电子海图与导航雷达场景绘制的实时性、逼真性和目标显示位置的连贯性是系统可视化建模的关键，其按照系统电子海图数据源进行场景数据构建，优化绘制算法，保证场景绘制高效真实准确。

基于电子海图源数据，采用Global Mapper软件提取海图高程信息，高程信息主要包括岸线、等高线、等深线、水深点等。提取过程中，可根据需要选择等高线和等深线的提取范围和间隔距离。在数据处理过程中，可利用GDEM(Global Digital Elevation Model)高程数据对海图高程数据缺失部分，例如桥梁、码头和山丘等进行补充，但要保证生成的数据与原海图数据一致。对于特殊精细要求地域的高层数据，可以采用人工测量、手工输入的方法，由此得到基于电子海图的统一地理高程数据源。

视景仿真利用提取的高程数据源对山体、岸线、码头、桥梁、城市建筑和重要导航物标进行三维建模;在导航雷达仿真应用中，根据所生成的陆岸地形高程数据，进行地物回波的绘制;在电子海图相关应用中，利用该数据源生成全航道水深数据。这样，按统一的电子海图数据源和坐标转换算法实现了不同场景间的数据精确匹配，使三维视景、雷达地形回波与电子海图显示误差精度控制在1米以内，大大提高了系统仿真中对陆标定位的精度和航道地形判断的准确性。

2.2 基于GPU的实时雾效模拟

雾效对增强三维绘制场景的真实感起着很重要的作用，也是进行雾中航行训练的主要模拟对象。绘制雾效的方法一般分为两种:基于OpenGL的方法和粒子系统模拟雾方法［7-8］。

图2 雾效方程曲线

为了实时性，本文采用基于OpenGL的方法，运用GLSL进行实时雾效绘制。OpenGL的雾效模拟是根据下面3个雾方程之一进行计算的，方程曲线如图2所示。

上述公式中:c为视点坐标系内视点到物体的距离，d为雾的浓度，start、end分别为雾开始和结束的位置。f的值会被裁剪到［0，1］，并按式(4)和已有片元颜色Cr和雾的颜色Cf混合而得到片元的最终颜色C。

为了使雾的效果更加逼真，采用公式(3)进行雾效计算，计算流程如下:

上述就是公式(3)和公式(4)的GLSL语言表达，最终产生的fogFactor分量与场景颜色混合产生雾的效果。

2.3 船舶航行灯的模拟

在视景系统中本船根据所见到的船舶航行灯判断它船的态势，这在夜间或低能见度情况下进行避让操作是十分重要的，是进行航行指挥训练的重要内容［9］。

根据《国际海上避碰规则》，船舶航行灯区别于其它发光体，它的可见范围、可见距离和颜色都有相应的规定。可见范围是指桅灯、舷灯和尾灯的水平光弧范围，其中桅灯为白灯，船首向水平光弧范围为225度;左舷灯为红灯，船首左侧向水平光弧范围为112.5度;右舷灯为绿灯，船首右侧向水平光弧范围为112.5度;尾灯为白灯，船尾向水平光弧范围为135度。各类船舶航行灯的可见距离如表1所示。