虛實結合的航行實驗仿真技術

王暉 李萬超

【摘要】科學技術的發展使得船舶航行信息化設備變得越來越復雜，同時也深刻的改變了航行信息化設備的使用樣式，除高效、安全的航行保障等基本功能外，其體現出基于各類任務的航行保障模式等。為了更好的驗證航行信息化裝備是否更加適合特種任務的執行和適用性評估等，急需建立航行實驗仿真環境。

【關鍵詞】航行∣實驗∣仿真∣虛實結合

建立航行試驗仿真環境，需要利用建模以及仿真技術建立航行環境的模擬輸入、任務驅動、人在環路的控制、運動反饋、結果展示等部分。其主要有以下優點，一是可以脫離實船進行測試，滿足在無實船等條件下的測試需求，二是對于航行信息化設備，信息化程度高、功能復雜，外部輸入也較為復雜，仿真試驗經濟高效、可重復進行，三是實船不便進行的故障測試和高海況、能見度不良等極端條件測試，可以在實驗室進行仿真試驗，安全高效。但是其也存在一些缺點，受限于建模技術的準確度、數據源的準確度限制，仿真試驗的精確度會受到一定影響，因此提出一種將實際數據引入到實驗室仿真系統的方法，形成虛實結合的實驗室仿真技術，以提高航行試驗仿真的精確度。

一、概述

虛實結合指的是將實船試驗的一些歷史數據、基礎數據或者在岸基采集的一些實際航行環境環境引入到實驗室的仿真環境中。通過如下圖所示的實驗室驗證中的決策與控制模塊，進行數據處理，并控制試驗任務的開始和停止。通過分析與優化模塊可以對數據分析并生成試驗的場景。通過仿真應例運行模塊可以運行試驗任務，接收預定的場景，進行仿真試驗。其數據交互過程如下圖所示。

二、航行信息化設備仿真測試平臺研究

（一）主要功能

為創建一個更加貼合實船航行的試驗環境，對航行信息化設備進行充分有效的測試，搭建虛實結合的航行信息化設備綜合仿真測試平臺，利用該平臺可完成航行信息化設備的功能測試、性能測試、接口測試、余量測試、邊界測試等。該平臺需要具備以下功能：

1.管理航行信息化設備測試用例庫

一個完整的測試用例需包含航行信息化設備待測試項、測試方法、充分性要求、終止條件、通過準則、測試狀態等。平臺具備新建/保存、導入/導出用例庫等管理功能。

2.創建測試場景庫

典型的測試場景包括常規航行場景、錨泊場景、多目標船場景、危險會遇場景、開闊水域航行場景、狹水道航行場景、大風浪航行場景、能見度不良場景、夜間航行場景、設備故障場景等。場景應能涵蓋港口、船舶、天氣變化、目標船。

3.測試過程的控制與監測

可控制測試過程啟動、暫停、繼續、停止；測試中對測試場景的導調，包括動態導調目標船、氣象環境、觸發故障等，以測試航行信息化設備設備對目標、故障等的響應情況。為讓測試過程可控，該平臺應能監測測試運行過程，包括測試用例的測試情況、船舶運動狀態、故障信息、航行信息化設備運行內存情況等。

4.測試記錄與回放

為便于測試回歸分析，該系統應能記錄與回放測試過程。

5.船舶操縱控制

模擬操船過程，且能根據操縱指令解算船舶六自由度運動姿態，為導航設備提供船位、航速航向、轉向率、橫搖縱搖等信息；該操縱數據來源包括實船采集和仿真平臺解算兩種[1]。

模擬拋錨過程，為航行信息化設備提供錨位點與進入航向等信息，且能模擬走錨過程。

6.雷達回波生成

包括雷達岸線回波與雷達目標回波，其來源包含實船雷達視頻或純虛擬仿真兩種形式，以便更真實地測試與雷達相關內容[2]。

7.傳感器設備仿真

包括GPS、AIS、風速儀、計程儀、測速儀、測深儀、氣象儀等與航行信息化設備有信息交互的設備，其中AIS設備的數據源可以由AIS真機提供，以便更真實地測試與AIS目標相關內容。

8.視景顯示

為讓測試人員置身于逼真的航行環境中執行航行信息化設備測試，使測試過程可視化，該平臺應具備逼真的三維仿真視景，展示測試過程中的場景、目標、運動狀態。

9.提供模擬報文工具

需提供模擬報文輸入工具，以提高部分測試的效率：以正確/錯誤的報文數據測試航行信息化設備在接收異常數據時的表現情況；以上下邊界/上下邊界內/上下邊界外的報文數據去驗證航行信息化設備接收邊界值的表現情況；提高頻率發送航行信息化設備所能接收的所有類型報文，以測試系統能夠處理的最大報文信息量。

10.測試分析與報告輸出

對測試的結果進行在線分析，輸出測試報告與打印。

為測試航行信息化設備部分性能指標，對綜合仿真測試平臺的性能要求如下：

（1）在不重啟的情況下，系統應至少能滿負荷連續運行25小時以上，以滿足軟件長時間持續運行強度測試的要求。

（2）能夠生成不少于60批雷達目標、240批AIS目標，以滿足目標數余量測試要求。

（3）關于本船姿態、位置、航速航向、氣象水文等信息更新頻率不低于50次/分鐘。

（4）關于雷達視頻中岸線、目標等態勢圖像更新率≥12次/分鐘，分辨率不小于1280x1024。

（5）模擬的導航信息精度不低于：位置0.001，速度0.1kn，航向0.1°。

（6）測試記錄本地保存的時間不低于1周。

（二）系統組成

該系統由導控站、船舶操縱模塊、本船運動仿真模塊、目標船生成模塊、雷達回波生成模塊、傳感器設備仿真模塊、網絡通信模塊、三維視景顯示系統等內容組成。系統采用先進的分布式交互仿真思想及與先進的網絡技術，將系統中各單元的計算機相互連接，完整地模擬船舶駕駛操作環境，提供航行所需的三維視景、船舶動態模型、雷達回波等信息，用以驗證航行信息化設備設備功能。

該系統內置運動模型，可以通過船舶類型及大小等，及試驗過程用戶操作的車舵指令，解算出轉速、實際舵角及船舶的運動狀態，這些結果將作為船舶傳感器信息反饋給航行信息化設備設備，同時雷達模擬單元將本船周圍雷達回波實時送到系統的雷達顯控單元，目標船舶模型解算單元模擬船舶AIS接收設備將本船周圍它船的AIS信息送到系統，多通道三維視景系統能夠顯示本船的周圍海洋環境和綜合航行態勢的實景圖像。系統結構設計如下：

航行信息化設備綜合仿真測試平臺具備標準化的數據接口，平臺模擬本船接受操縱模塊發送的操控指令，通過本船運動仿真模塊解算船位、航速航向，傳遞給傳感器設備進行轉換，同時導控站設置的環境與故障設置信息、目標船仿真模塊解算的目標船信息等通過標準數據接口發送給航行信息化設備，使得整個測試過程如同實船在真實的海上環境中航行。

1.導控站

導控站用于在測試過程中的控制、監控與分析，具備管理維護測試用例、生成測試場景、控制及監控測試過程、查詢測試結果、回放測試過程、打印測試報告等功能。

導控站應強化與航行信息化設備相關測試內容的管理與維護，覆蓋航行信息化設備系統的完整測試用例，包括功能測試、性能測試、接口測試、人機交互界面測試、余量測試、邊界測試等方面；可新建測試工程，關聯測試的航行信息化設備版本，選擇對應的測試用例，能通過自動/手動修改測試條目的狀態，包括未測試、測試通過、測試不通過等，除必要的手工測試內容外，盡量使用平臺進行自動化的測試，根據判定規則進行自動給出測試結果，提高測試效率與測試公平度。

導控站應能設置用于航行信息化設備測試的多種試驗場景，如故障場景、碰撞場景、極端天氣場景等，確保將航行信息化設備在各種典型場景下的運行狀態均能覆蓋。導控站可以提供場景的選擇，場景初始條件設定、本船位置、周圍環境設定等。到空戰可以控制仿真試驗的過程，隨時修改其中參數，并控制航行環境，記錄測試數據、回放數據等功能。

2.船舶操縱模塊

為更貼近實船驗證環境，基于實驗室的航行信息化設備綜合仿真測試平臺中的船舶操縱單元應符合實船駕駛臺的設計，包括航行操縱設備及航行等航行輔助保障設備。

3.本船運動仿真模塊

根據不同的船舶直航、回轉、搖蕩等運動特性，建立包括車、舵、大風浪、錨、纜、拖船等各種條件下的船舶六自由度運動模型，通過模擬風浪流的影響，解算本船在操縱指令下的響應。[3]

4.目標船生成模塊

目標環境生成可以采用實船采集的數據作為輸入，主要包含雷達批目標、AIS目標以及氣象、潮汐、航行告警等各類環境數據等。

5.雷達回波生成模塊

雷達回波的數據來源可以為實船采集的雷達視頻，也可以是純虛擬仿真生成的雷達回波信號。實船采集的數據效果更為精準，因為其與雷達批目標的數據更為吻合。模擬仿真生成一般采用電子海圖進行生成，其準確度與實際采集數據相比肯定存在一些差距。實船采集數據最好為各種場景下積累的歷史數據，更為方便場景初始條件的設定。

6.傳感器設備仿真模塊

傳感器設備主要包括傳統導航的定位、航向、測深、氣象等設備[4]，其仿真模塊主要用來測試接口的通暢性及正確性，及傳感器故障下的航行試驗，其實船采集數據與模擬發送的數據并無本質差別。最好采用實際的設備，測試的效果更好

7.三維視景顯示系統

三維視景顯示系統采用先進的計算機成像、虛擬現實、無縫拼接寬視場角環幕投影技術等先進技術，具有較高的仿真精度，為測試人員提供最直接的視覺與聽覺信息，讓其置身于與實船接近的環境[5]。視景顯示系統為航行信息化設備測試提供豐富的視覺與聽覺內容。

三、結束語

相對于實船試驗方法而言，虛實結合的試驗方法可以降低試驗成本、縮短試驗周期、降低試驗執行的復雜性和過程的危險性，同時使得部分內容可重復；相對于純虛擬仿真試驗而言，它具有更高的可信度。三種試驗方法的對比如下：

參考文獻

[1]朱曼，文元橋，孫吳強，張家輝，Axel，HAHN；船舶運動模型參數辨識研究綜述；交通信息與安全. 2022，40（05）.

[2]張亞臣，周曉剛，ECDIS模擬器中基于SENC的島岸雷達回波生成算法，中國水運（下半月）. 2015，15（08）.

[3]周新聰，肖仲歧，張聰，歐陽武，黃健，海浪流場作用下的郵輪實船運動仿真，艦船科學技術. 2021，43（17）.

[4]沈庭鈞，基于多平臺信息融合的船舶導航技術，造船技術. 2022，50（03）.

[5]康強，滕聰杰，立體視景建模在航海技術中的應用，2002航海實用新技術論文集，中國航海學會會議論文集.

（作者單位：王暉，海裝上海局駐上海地區第一軍事代表室；李萬超，通訊作者，哈爾濱工程大學船舶裝備科技有限公司）