虚实结合的航行实验仿真技术

2024-01-20王晖李万超

中国军转民 2023年10期

王晖李万超

【摘要】科学技术的发展使得船舶航行信息化设备变得越来越复杂，同时也深刻的改变了航行信息化设备的使用样式，除高效、安全的航行保障等基本功能外，其体现出基于各类任务的航行保障模式等。为了更好的验证航行信息化装备是否更加适合特种任务的执行和适用性评估等，急需建立航行实验仿真环境。

【关键词】航行∣实验∣仿真∣虚实结合

建立航行试验仿真环境，需要利用建模以及仿真技术建立航行环境的模拟输入、任务驱动、人在环路的控制、运动反馈、结果展示等部分。其主要有以下优点，一是可以脱离实船进行测试，满足在无实船等条件下的测试需求，二是对于航行信息化设备，信息化程度高、功能复杂，外部输入也较为复杂，仿真试验经济高效、可重复进行，三是实船不便进行的故障测试和高海况、能见度不良等极端条件测试，可以在实验室进行仿真试验，安全高效。但是其也存在一些缺点，受限于建模技术的准确度、数据源的准确度限制，仿真试验的精确度会受到一定影响，因此提出一种将实际数据引入到实验室仿真系统的方法，形成虚实结合的实验室仿真技术，以提高航行试验仿真的精确度。

一、概述

虚实结合指的是将实船试验的一些历史数据、基础数据或者在岸基采集的一些实际航行环境环境引入到实验室的仿真环境中。通过如下图所示的实验室验证中的决策与控制模块，进行数据处理，并控制试验任务的开始和停止。通过分析与优化模块可以对数据分析并生成试验的场景。通过仿真应例运行模块可以运行试验任务，接收预定的场景，进行仿真试验。其数据交互过程如下图所示。

二、航行信息化设备仿真测试平台研究

（一）主要功能

为创建一个更加贴合实船航行的试验环境，对航行信息化设备进行充分有效的测试，搭建虚实结合的航行信息化设备综合仿真测试平台，利用该平台可完成航行信息化设备的功能测试、性能测试、接口测试、余量测试、边界测试等。该平台需要具备以下功能：

1.管理航行信息化设备测试用例库

一个完整的测试用例需包含航行信息化设备待测试项、测试方法、充分性要求、终止条件、通过准则、测试状态等。平台具备新建/保存、导入/导出用例库等管理功能。

2.创建测试场景库

典型的测试场景包括常规航行场景、锚泊场景、多目标船场景、危险会遇场景、开阔水域航行场景、狭水道航行场景、大风浪航行场景、能见度不良场景、夜间航行场景、设备故障场景等。场景应能涵盖港口、船舶、天气变化、目标船。

3.测试过程的控制与监测

可控制测试过程启动、暂停、继续、停止；测试中对测试场景的导调，包括动态导调目标船、气象环境、触发故障等，以测试航行信息化设备设备对目标、故障等的响应情况。为让测试过程可控，该平台应能监测测试运行过程，包括测试用例的测试情况、船舶运动状态、故障信息、航行信息化设备运行内存情况等。

4.测试记录与回放

为便于测试回归分析，该系统应能记录与回放测试过程。

5.船舶操纵控制

模拟操船过程，且能根据操纵指令解算船舶六自由度运动姿态，为导航设备提供船位、航速航向、轉向率、横摇纵摇等信息；该操纵数据来源包括实船采集和仿真平台解算两种[1]。

模拟抛锚过程，为航行信息化设备提供锚位点与进入航向等信息，且能模拟走锚过程。

6.雷达回波生成

包括雷达岸线回波与雷达目标回波，其来源包含实船雷达视频或纯虚拟仿真两种形式，以便更真实地测试与雷达相关内容[2]。

7.传感器设备仿真

包括GPS、AIS、风速仪、计程仪、测速仪、测深仪、气象仪等与航行信息化设备有信息交互的设备，其中AIS设备的数据源可以由AIS真机提供，以便更真实地测试与AIS目标相关内容。

8.视景显示

为让测试人员置身于逼真的航行环境中执行航行信息化设备测试，使测试过程可视化，该平台应具备逼真的三维仿真视景，展示测试过程中的场景、目标、运动状态。

9.提供模拟报文工具

需提供模拟报文输入工具，以提高部分测试的效率：以正确/错误的报文数据测试航行信息化设备在接收异常数据时的表现情况；以上下边界/上下边界内/上下边界外的报文数据去验证航行信息化设备接收边界值的表现情况；提高频率发送航行信息化设备所能接收的所有类型报文，以测试系统能够处理的最大报文信息量。

10.测试分析与报告输出

对测试的结果进行在线分析，输出测试报告与打印。

为测试航行信息化设备部分性能指标，对综合仿真测试平台的性能要求如下：

（1）在不重启的情况下，系统应至少能满负荷连续运行25小时以上，以满足软件长时间持续运行强度测试的要求。

（2）能够生成不少于60批雷达目标、240批AIS目标，以满足目标数余量测试要求。

（3）关于本船姿态、位置、航速航向、气象水文等信息更新频率不低于50次/分钟。

（4）关于雷达视频中岸线、目标等态势图像更新率≥12次/分钟，分辨率不小于1280x1024。

（5）模拟的导航信息精度不低于：位置0.001，速度0.1kn，航向0.1°。

（6）测试记录本地保存的时间不低于1周。

（二）系统组成

该系统由导控站、船舶操纵模块、本船运动仿真模块、目标船生成模块、雷达回波生成模块、传感器设备仿真模块、网络通信模块、三维视景显示系统等内容组成。系统采用先进的分布式交互仿真思想及与先进的网络技术，将系统中各单元的计算机相互连接，完整地模拟船舶驾驶操作环境，提供航行所需的三维视景、船舶动态模型、雷达回波等信息，用以验证航行信息化设备设备功能。

该系统内置运动模型，可以通过船舶类型及大小等，及试验过程用户操作的车舵指令，解算出转速、实际舵角及船舶的运动状态，这些结果将作为船舶传感器信息反馈给航行信息化设备设备，同时雷达模拟单元将本船周围雷达回波实时送到系统的雷达显控单元，目标船舶模型解算单元模拟船舶AIS接收设备将本船周围它船的AIS信息送到系统，多通道三维视景系统能够显示本船的周围海洋环境和综合航行态势的实景图像。系统结构设计如下：

航行信息化设备综合仿真测试平台具备标准化的数据接口，平台模拟本船接受操纵模块发送的操控指令，通过本船运动仿真模块解算船位、航速航向，传递给传感器设备进行转换，同时导控站设置的环境与故障设置信息、目标船仿真模块解算的目标船信息等通过标准数据接口发送给航行信息化设备，使得整个测试过程如同实船在真实的海上环境中航行。

1.导控站

导控站用于在测试过程中的控制、监控与分析，具备管理维护测试用例、生成测试场景、控制及监控测试过程、查询测试结果、回放测试过程、打印测试报告等功能。

导控站应强化与航行信息化设备相关测试内容的管理与维护，覆盖航行信息化设备系统的完整测试用例，包括功能测试、性能测试、接口测试、人机交互界面测试、余量测试、边界测试等方面；可新建测试工程，关联测试的航行信息化设备版本，选择对应的测试用例，能通过自动/手动修改测试条目的状态，包括未测试、测试通过、测试不通过等，除必要的手工测试内容外，尽量使用平台进行自动化的测试，根据判定规则进行自动给出测试结果，提高测试效率与测试公平度。

导控站应能设置用于航行信息化设备测试的多种试验场景，如故障场景、碰撞场景、极端天气场景等，确保将航行信息化设备在各种典型场景下的运行状态均能覆蓋。导控站可以提供场景的选择，场景初始条件设定、本船位置、周围环境设定等。到空战可以控制仿真试验的过程，随时修改其中参数，并控制航行环境，记录测试数据、回放数据等功能。

2.船舶操纵模块

为更贴近实船验证环境，基于实验室的航行信息化设备综合仿真测试平台中的船舶操纵单元应符合实船驾驶台的设计，包括航行操纵设备及航行等航行辅助保障设备。

3.本船运动仿真模块

根据不同的船舶直航、回转、摇荡等运动特性，建立包括车、舵、大风浪、锚、缆、拖船等各种条件下的船舶六自由度运动模型，通过模拟风浪流的影响，解算本船在操纵指令下的响应。[3]

4.目标船生成模块

目标环境生成可以采用实船采集的数据作为输入，主要包含雷达批目标、AIS目标以及气象、潮汐、航行告警等各类环境数据等。

5.雷达回波生成模块

雷达回波的数据来源可以为实船采集的雷达视频，也可以是纯虚拟仿真生成的雷达回波信号。实船采集的数据效果更为精准，因为其与雷达批目标的数据更为吻合。模拟仿真生成一般采用电子海图进行生成，其准确度与实际采集数据相比肯定存在一些差距。实船采集数据最好为各种场景下积累的历史数据，更为方便场景初始条件的设定。

6.传感器设备仿真模块

传感器设备主要包括传统导航的定位、航向、测深、气象等设备[4]，其仿真模块主要用来测试接口的通畅性及正确性，及传感器故障下的航行试验，其实船采集数据与模拟发送的数据并无本质差别。最好采用实际的设备，测试的效果更好

7.三维视景显示系统

三维视景显示系统采用先进的计算机成像、虚拟现实、无缝拼接宽视场角环幕投影技术等先进技术，具有较高的仿真精度，为测试人员提供最直接的视觉与听觉信息，让其置身于与实船接近的环境[5]。视景显示系统为航行信息化设备测试提供丰富的视觉与听觉内容。