某型聲學多普勒流速剖面儀訓練裝置的設計與實現

田華 李保平 傅吉堯

關鍵詞：ADCP；模擬器；模擬訓練裝置；設計

聲學多普勒流剖面儀（Acoustic Doppler CurrentProfiler，簡稱ADCP） 可以測量多維方向，多層剖面的流速和流向，是目前廣泛使用的海洋調查設備，綜合運用了多種高新技術，設備精密、價格昂貴、訓練環境要求高，訓練及維修成本高，實裝教學對設備損耗大，尤其是訓練科目設置和特情處置訓練難度很大。而模擬訓練裝置可大大降低對實裝的損耗，并可緩解培訓人數多與教學設備少之間的矛盾，擺脫對海洋訓練環境的依賴，是改變教學方式、改善訓練環境、提高教學效果和訓練效率的有效工具[1-2]，目前廣泛運用于裝備的教學訓練中。然而采用虛實結合技術，針對聲學多普勒流剖面儀模擬訓練裝置的設計開發研究還不多。

1 設計思路

該訓練裝置針對實際工作中的典型應用場景開發，主要完成儀器投放前的檢查校準操作、投放前設置、儀器投放和數據處理等訓練。為達到逼真訓練效果，采用半實物仿真技術，使用3D激光掃描建模技術、結合CNC加工和數字化裝配技術，對ADCP模型殼體進行制作。ADCP模擬器的設備電路與上位機軟件系統數據通信采用了與實裝儀器相同的RS-232串口通信方式，并使用嵌入式控制系統技術引入單片機中，防止模擬器在使用時出現不同類型的錯誤。為實現調查任務的模擬訓練，通過調用電子海圖的各類物標信息進行海圖顯示，在電子海圖顯示的基礎上實現電子海圖的圖層選擇、縮放、漫游等輔助功能。采用Unity3D完成對船體及甲板設備的虛擬仿真，實現投放過程的模擬訓練[3]。

2 功能指標與體系結構

2.1 ADCP 模擬訓練子系統功能

ADCP 模擬訓練子系統功分為ADCP 模擬器和WinSc模擬軟件，該部分可以實現對儀器和軟件的操作，能夠模擬ADCP軟件的投放前設置、投放前檢測、時間設置、數據回放等功能。特別是在進行羅盤檢測時，需要轉動模擬器，而軟件能夠采集到模擬器轉動產生的信號；在進行投放前檢測時，需要擦拭模擬器上的聲學換能器，軟件能夠采集到擦拭換能器產生的信號。ADCP模擬訓練子系統功具有示教功能，學員在訓練時遇到不會的地方可使用系統內的示教功能，通過學習模擬訓練系統內的多媒體資料，掌握相關的操作使用技能。同時，系統還具有考核功能。在考核時，模擬訓練系統內部的考核模塊將調用題庫里的預定方案，學員根據給定的方案對儀器進行逐步操作，考核軟件根據學員操作情況進行打分，現場給出評判成績[4]。

2.2 海洋調查吊放平臺模擬訓練子系統功能

海洋調查吊放平臺可模擬海洋調查的工作環境，真實逼真的海洋調查工作環境可以給學員更加直觀的印象，可提升學員的學習積極性，也使日常的教學訓練更加貼近實際。同時，海洋調查吊放平臺模擬訓練子系統還可以模擬海洋調查儀器的吊放平臺，學員可結合系統的虛擬操作，了解到一次海洋調查儀器的完整使用過程。

2.3 海洋調查工作流程模擬訓練子系統功能

海洋調查工作流程模擬訓練子系統可實現海洋調查計劃航線、觀測站點的設定，在操作時，學員輸入相關參數后，系統可生成一份完整海洋調查作業實施方案。該功能的實現，可以使學員從調查方案的制定到任務的執行，實際參與一次完整海洋調查活動的組織和實施過程，提升了學員的學習效果。

3 關鍵技術與實現途徑

在海洋調查計劃航線制定與航行模擬，以及儀器操作的模擬訓練考核中都將需要用到海區任意位置的水深數據，而電子海圖提供的水深數據為離散的水深測量點數據，如何將離散的水深數據生成平滑的連續數據，以及實現二維電子海圖與三維視景同步是訓練裝置功能實現的關鍵。該項目采用了數字高程模型（DEM） 的方法，對電子海圖中離散的水深測量點數據進行曲面擬合，生成調查訓練海區全區域海底三維曲面模型（如圖1） ，從而可以輕松得到任意位置點的水深數據。

3.1 地形三維數據的數據結構

根據數據處理的方法，地形數據應包含高度的三維數據點集合，其數據結構為：DEMPoint{X，Y，h}，其中X、Y分別表示相對海區基準點的經差和緯差，h表示距海面的高度。

通常按柵格方法選取點，柵格選取的間隔，決定了曲面生成的質量，同時受計算機的處理速度限制。為了能產生較高質量仿真，間隔通常選為0.1鏈。一平方海里的區域，應由6000×6000=36000000個點的三維數據組成。如果用人工的方法根據海圖去量化，其工作量是無法想象的。即使可以進行，其精度也是難以保證的。

數字海圖，也稱矢量海圖（Vector Chart Format，以下簡稱VCF） ，是一種存儲海圖地理要素位置坐標和屬性信息、簡單無拓撲關系的地理數據模型。目前廣泛使用的是由海軍航保局研制的數字海圖，其數據結構簡潔，占用磁盤空間較小，支持屬性操作，并允許用戶建立空間索引及專題索引等，其內核是shapefile數據格式。VCF表示的要素內容有點狀要素、線狀要素、面狀要素、區域要素。而在VCF中，要素管理采用物理圖層的形式，每一圖層記錄一種要素，由相應的圖形文件、索引文件、屬性文件等文件進行描述。同一圖層的三種文件名相同，即為層名，文件類型由文件后綴名來區分，其中圖形文件為.Shp格式文件，索引文件為.shx格式文件，屬性文件為.dbf格式文件。而同一圖層中的點（Point） 、線（Line） 、面（Area） 要素層由層名加上幾何要素類型標識符（P、L、A） 構成；區域要素文件的名稱由層名加上“-n”構成，其中n為區域的序號。

圖形文件（.shp文件）由文件頭記錄、記錄頭1、記錄內容1……記錄頭n、記錄內容n組成。其中文件頭記錄長度為100字節，記錄了文件長度、圖形類型、圖形坐標的實際范圍；每一個記錄頭存儲記錄號和內容長度；每一個記錄內容包括圖形幾何類型和緊隨其后的圖形幾何數據兩部分，幾何類型為點、線、多邊形，幾何數據采用平面直角坐標系，記錄要素的定位點。

索引文件（.shx文件）由文件頭記錄、記錄1……記錄n組成。其中文件頭記錄長度也為100字節，與圖形文件的文件頭記錄組織結構一樣；每一個記錄為8 字節固定長度，存儲了圖形文件中記錄的偏移量與內容長度。

屬性文件（.dbf文件）包括所描述要素的屬性，是標準的dBASE文件，可以被基于Windows和DOS的許多表格應用程序使用。每一個圖形數據記錄都有一個相應的屬性數據記錄，在屬性文件中記錄的順序與圖形文件中記錄的順序一致。

3.2 電子海圖水深數據計算

利用DEM生成海底三維數據的原理，就是根據目前正在迅速發展的數字海圖提供的離散水深測量點數據，通過數字高程模型DEM對這些數據進行二次曲面擬合，得到地形的區域高程曲面方程，然后按量化精度要求，計算曲面中任意水平坐標點所對應的高程數據值，即該位置的水深值[5-6]。

例如：需要計算電子海圖上某一個水平坐標點P（x，y） 的水深值，可在P點附近提取電子海圖提供的m個已知水深測量點Pi（xi， yi） 的水深值zi，可通過以下公式進行擬合計算P（x，y） 的水深值z：

m為電子海圖中調取的已知水深測量點的數量，m取值數的多少會影響到擬合計算精度和擬合計算速度，當m越大，擬合計算的精度就越高，但擬合計算的速度將越慢（計算時間越長），當m越小，擬合計算的速度將越快（計算時間越短），但擬合計算的精度就越低，通過反復試驗，該項目根據電子海圖可提取已知水深測量點數量m取15～20之間，既可滿足計算機的瞬間計算，又可保證擬合計算精度（誤差小于5%） 。

數字高程模擬擬合海底三維曲面模型的具體程序設計流程如圖2。

3.3 二維電子海圖與三維視景同步

該項目的海洋調查計劃航線制定及熟悉調查海區虛擬現實訓練軟件系統中采用了二維海圖數據與三維視景同步技術，實現電子海圖平面坐標圖形與虛擬現實三維視景坐標圖像實時保持一致性。

該軟件系統采用與二維電子海圖數據同步的三維方向性視景模型的方法，根據用戶設置的出發地點和目的地點，使用二維電子海圖數據庫規劃二維導航路徑，同時根據三維誘導線及匹配關系數據庫，建立相應的三維誘導路徑，根據二維導航路徑上的當前位置、二維導航路徑與三維誘導路徑的匹配關系，定位計算三維誘導路徑上的對應位置，從而加載三維誘導線的可視物體集，渲染三維場景，并在軟件系統中進行二維導航與三維導航同步推進。可以使用戶能更輕松、直觀、準確地辨認和熟悉海洋調查海區的環境，獲得更為逼真、輕松的三維視景體驗。圖3為本系統港內二維電子海圖數據，圖4為該系統與二維電子海圖數據同步的三維視景。

4 結束語

該型聲學多普勒流速剖面儀訓練裝置設計新穎，采用了多種先進技術，實現了不依賴海洋訓練環境條件下完成ADCP的投放全過程訓練，通過虛實結合的方式，重點實現了對電子海圖提供的離散水深測量點數據的二次曲面擬合，得到海底高程曲面方程，生成海底三維地形，采用了二維海圖數據與三維視景同步技術，實現電子海圖平面坐標圖形與虛擬現實三維視景坐標圖像實時保持一致性。模擬了傳感器檢查、羅盤校準等操作，極大提高了操作體驗感，具備訓練科目設置和考核，滿足教學訓練結構所需，對延長儀器壽命、提高操作技能具有重要的意義。