基于Transas航海模拟器开发汽渡船仿真训练系统的研究

夏剑东芮乐军谷溪

（1.南通航运职业技术学院航海模拟器中心，江苏南通 226010 2.南通航运职业技术学院航海系，江苏南通 226010）

基于Transas航海模拟器开发汽渡船仿真训练系统的研究

夏剑东1，2芮乐军1，2谷溪1，2

（1.南通航运职业技术学院航海模拟器中心，江苏南通 226010 2.南通航运职业技术学院航海系，江苏南通 226010）

为解决内河船员培训机构无法有效针对船员开展计算机仿真实践培训的问题，在现有航海模拟器的基础上，通过相关开发软件和第三方建模软件，开发出与汽渡船实际通航环境相符的训练系统，实现了汽渡船仿真效果，可供汽渡船船舶驾驶员培训使用。

汽渡船模拟器；仿真系统；电子海图制作

2011年6月，中国海事服务中心受交通运输部的委托在洛阳召开内河船员考核模式改革专家研讨会，大会一致通过了从2012年起逐步推广基于计算机仿真的多媒体考核方式，内河船员培训机构必须对船员开展计算机仿真实践培训等决议。此项决议的实施为内河船舶驾驶员培训提供了新思路，同时也指出了航海模拟器应用在内河船舶驾驶员培训的必要性和迫切性［1］。但是，汽渡船作为一种特殊的内河船舶，目前还没有针对汽渡船训练而开发的专用模拟器。因此，现阶段迫切需要在现有航海模拟器的基础上，开发出与汽渡船实际通航环境相符的训练系统，以供汽渡船船舶驾驶员培训使用，这样既对提高汽渡船船舶驾驶员的综合应用能力、应急处置能力，规范汽渡船船舶驾驶员操作习惯，确保汽渡船航行安全具有重要的意义，同时又可充分发挥院校船员培训的优势，避免重复建设带来的资源浪费。

1 仿真场景开发

汽渡船仿真训练系统场景（以下简称仿真场景）的开发是指通过计算机技术实现渡运水域的仿真，由视景、电子海图与航道、船舶模型三个部分组成，仿真场景的开发与设计内容主要包含视景建模［4－7］、电子海图数据与航道制作、汽渡船船舶模型建模和优化三个方面。

渡运水域仿真场景的开发与设计通过ModelWizard（Transas公司的建模软件包）建模软件平台实现。通过对渡运区域的现场环境、航道数据等基础信息的采集，利用第三方软件，如3DSMAX、Photoshop、AutoCad对采集的数据进行处理制作视景模型，将模型输入到ModelWizard平台、实现视景、海图、航道的整体制作。最后将制作完成的系统导入航海模拟器，以实现汽渡船仿真。

1.1 ModelWizard建模软件平台

ModelWizard建模软件平台可建立新训练水域、雷达图像、电子海图，并根据需要编辑修改本船模型；进行港口或水道方案论证和船舶操纵性实验的最有效工具；船模可适用于世界范围内的各个水域；可生成最佳的视景；ModelWizard建模软件制作流程如图1所示。该软件平台的组成部分及各部分的作用如图2所示。

（1）视景数据库编辑工具（SCENEEDITOR）

SCENEEDITOR工具利用计算机三维虚拟仿真技术产生逼真的三维立体的航道、码头等任何真实场景。该工具还可以基于3DMax与AU－TOCAD等流行的建模平台开发出准确的模型。

SCENEEDITOR可以基于原始的电子海图（兼容S57格式）生成三维地形地貌，而且能够准确地描述经纬度以及高程等空间属性。

通过SCENEEDITOR的PrototypeEditor还可以创建运动模型以及对碰撞的检测，这样可以很容易实现码头、桥墩以及其它的一些水上建筑物的设计。

（2）电子海图开发工具（CHARTCREATOR）

CHARTCREATOR新一代的电子海图开发平台。可以生成TX97或S57的标准格式电子海图，可以用于通用的ECDIS显示系统，与Scene－Editor配合使用生成三维水下地貌模型，为进一步开发提供方便。

（3）船舶建模工具（VISUALMODELEDIT）

船舶操纵数学模型航行船舶的典型船型、船种的不同种类、不同吨位的实船模型，或根据用户提供的船舶数据定制新船模，种类应包括：干货船、散货船、集装箱船、油船、汽渡船、滚装船、化学品船、内河顶推船队、高速船、渔船、拖船（队）等可供选择，甚至船舶操纵数学模型中包括影响本船运动的各种效应，其中包括：主机、舵、侧推器、缆、锚、拖轮等的控制；风、流等环境对本船的作用；码头与本船的相互作用；浅水效应、岸壁效应及船间效应；船舶碰撞时船与船／船与岸效应。

1.2 仿真场景的视景制作

三维视景数据库［10－11］包含以下主要模型：地形地貌模型、建筑物模型、助航标志模型、物标船模型、本船船首模型等。

码头、岛屿、桥墩等都是分开建模的，按区域合理组合在一起。最后安装调试则是指整个视景数据库在建模平台上的建模基本完成后，导入到ModelWizard中进行调试，然后回到建模平台进行修改。反复做这一工作，直到该数据库达到三维视景系统设计要求。

（1）原始数据获取与处理（本文以通沙汽渡为例，通沙汽渡为江苏省南通市西郊的东港与和张家港市西界港之间的汽渡线）

在开始建模前，需要进行实地调研，收集相关的资料，掌握航道及航道中可见地物的基本信息。航道信息主要包括航道的岸线、水深、地形地貌等，可以通过电子海图、纸质水道图获取，这是建模坐标定位的基本依据，也是跟船实拍前必要的准备工作。航道中可见地物主要包括岸上建筑、助航标志、目标船物景、本船船首部分，它们的基本信息包括形状尺寸、表面特征、地理位置等等。这些必须通过跟船实拍，从影像资料中提取，其中部分信息如位置关系，还可以通过Google地图比对的方法获得，也可通过GPS现场获取特殊点的位置。

（2）模型调试

图3为汽渡调度大楼进过处理后的模型图，图4为汽渡调度大楼模型在整个训练场景中的效果图。

1.3 助航标志建模

分别建立所有的航标模型，这些模型是有通用性的，它们可以一次性建库，以后新建港口视景数据库时都可以调用。建模前，需要收集各种航标的参数，包括：几何尺寸、颜色、形状、灯质、用途以及纹理照片等。这些可以通过查阅《灯标表》以及纸海图上航标信息获取。纹理照片需要到实际港口进行拍摄获取［2］。图5从左至右分别为实景图、三维图和导入视景系统后的效果图，其中还要对这样的导航浮筒添加雷达传感器，以便在雷达系统中能够正确扫描并显示。

1.4 仿真航道开发

按照航道要素，研究对象的航道仿真主要分两部分完成。一是船舶操纵模拟复杂仿真天气、航道流量、船舶航行时间、船舶进出航道动态等动态参数；二是航道的静态参数（宽度、水深、助航标志等）其中第一部分由航海模拟器设置［12－14］，第二部分通过ModelWizard建模软件制作完成。

ModelWizard建模软件制作仿真航道的生成是依据已经完成的电子海图数据包，导入软件平台，由系统生成该区域的虚拟航道。图6显示为航道预览图、图7显示为水下地形图。

2 电子海图与虚拟航道开发

电子海图的来源途径主要包括现有的纸海图、S－57格式的电子海图、MVCF（MilitaryVectorChartFor—mat）格式的电子海图、CAD（ComputerAidedDe—sign）工程设计图以及该区域的卫星遥感图像等。对于已有的电子海图数据，需要进行相应的格式转换，把标准的电子海图数据转换为系统格式数据；而对于纸海图、卫星图像和CAD设计图等则需要进行数字化处理，CHARTCREATOR（海图制作工具）是ModelWizard建模软件中的一个专门用来建立海图数据的电子海图开发工具，其数据可以用来生成用于航行的水域地形制作，并且能导入到电子海图信息系统用于船舶导航。生成的数据格式为TX－97格式。

通沙汽渡渡运区域，仿真系统［8－9］电子海图数据的制作采用2012年TX－97格式电子海图及通沙水域航道资料相结合的方式。由于航道水深每年都会变化，因此该区域的电子海图水深利用该水域最新航道水深探测数据数字化处理后导入系统。对于纸质海图或码头工程资料数字化处理方法如下：

（1）现有改正至最新TX97格式电子海图（兼容S57格式），如果海图数据未改正至最新，可以用（2）进行补充；

（2）现有改正至最新的纸质海图；

（3）该水域码头及特定航道工程设计资料。

研究对象通沙汽渡制作完成的电子海图如图8所示。

3 汽渡船船舶模型的建立与优化

对于被选定的船舶模型，为了力求与真实船舶的操纵性能一致或者接近，可以对选定的船舶模型通过VISUALMODELEDIT进行静态参数优化（如果在船舶模型库中没有与之相近的船舶模型，则需要重新进行建模，那需要Transas公司的另一款软件Shipyard建立船舶模型）。模型优化主要是对船舶的尺度、主机等进行处理，不对船模模型的整体外观进行改变。模型优化的静态参数主要包含以下几个方面：船名；船舶识别码；船舶航速±20%；主机功率［－48%；＋72%］；船舶吃水［－39%；＋52%］；船长±15%；船宽±15%；船舶首部吃水±15%；尾部吃水±15%；船舶侧风面积±30%；船舶首部受风面积：±30%；船舶螺旋桨、测推器（如果有）：±20%。

4 视景显示

整个系统软件包导入到船舶操纵模拟器平台后，经过服务器端数据的处理，在航海模拟器平台驾驶控制台和视景显示系统显示出的整体视景画面［15－16］，各主要标志建筑物、助航标志、航道要素等进行最后的整定和修改直至满足船舶正常模拟航行需要。

5 结 语

汽渡船驾驶员安全应急仿真训练系统的开发，解决目前国内没有针对汽渡船训练开发的专用航海模拟器，汽渡船船员培训中无法开展航海模拟器教学这一难题，为我院高质量的开展汽渡船船员培训创造了条件，同时也为汽渡船在职船员开展特殊条件下的应急训练培训提供了平台。通过仿真训练系统的成功运行验证了基于现有航海模拟器进行应用性开发的可行性，为后续对航海模拟器开展应用性开发研究提供方法和依据。

1 陈进涛，吴汉才.殷施科.基于计算机仿真的内河船员培训模式的创建［J］.武汉船舶职业技术学院学报，2012（3）48－51.

2 关克平.航海模拟器视景建模技术研究及应用［D］.上海：上海海运学院，2003.

3 BettKunzeBScMNI.All－roundvision（UK’sfirst360visualscen eshiphandlingsimulator）［R］SeaWays，2000.

4 施朝健，船舶操纵模拟器建设的几点建议［J］.上海海运学院学报，1997，18（3）：59－63

5 施朝健.胡甚平，陈锦标.船舶操纵模拟器技术性标准研究［J］.上海海事大学学报，2005，26（2）：4－8

6 廖河树.大型船舶操纵模拟器的系统组成及分析［J］.中国航海，2003（2）：8－11

7 何金花，叶瑰昀，王莺.基于虚拟现实技术的船舶运动仿真［J］.舰船电子工程.2007，27（1）：114－116

8 陶伟，应文烨，赵远征.虚拟现实中的船舶运动仿真［J］.2006，1（2）：20－22

9 吕庆伦.基于OSG的船舶驾驶系统视觉仿真研究［D］.江苏科技大学，2010：24－27

10 侯婷，柴国庆.3dsMax2010学习宝典［M］.北京：中国铁道出版社，2010：3－45

11 周涛.3dsMax2010完全自学教程［M］.北京：中国铁道出版社，2006：3－35

12 王伟，黄志清，邱云明.长江渡船碰撞事故分析及安全航行的研究［J］.航海技术，2010（2）25－27.

13 肖英杰.船舶操纵模拟器在码头项目航行安全论证中的应用［C］.2001年航海技术现状与发展趋势论文集.北京：中国航海学会，2001：98－101.

14 ShiChaojian.Application and Functional Requirements of Simulatorin Harbor and Waterway Design［J］.Journal of Korean Navigation and Port Research（S1598－5725），2002

15 胡甚平.视景数据库模型设计及实践［J］.上海海运学院学报，2000，21（3）：56－61.

16 景晓晗，黄安祥，等.军机仿真视景的模糊优化及建模［C］.2001年中国系统仿真学会学术年会论文集.北京：中国系统仿真学会，2001：533－538.

To Develop Ferry Simulation Training System based on Transas Navigation Simulator

XIA Jian－dong，RUI Le－jun，GU Xi
（Nantong Shipping College，Nantong 226010，China）

Computer－aided simulation training can not be effectively carried out for the crew training in inland crew training institutions.In order to solve this problem，the ferry simulation training system is developed based on the existing navigation simulator for the crew training.Based on the navigation simulator，related software the third party software can be used to develop the training system to realize the ferry simulation.

ferry simulator；simulation system；electronic charts

U674

A

1671－8100（2015）01－0010－05

（责任编辑：谭银元）

项目来源：江苏省交通科学研究计划项目（项目编号：2012x10）

2014－09－15

夏剑东，男，讲师，硕士，研究方向：航海模拟器。