技术领域
[0001] 本
发明属于船舶虚拟操纵仿真技术领域，尤其是一种基于AIS的船舶驾驶实时虚拟增强仿真系统及方法，主要用于复杂航渡
水域环境下船舶航行指挥演练、决策论证和特殊操纵方案评估。
背景技术
[0002] 利用
模拟器进行超大型船舶和特种用途船舶操纵训练是STCW78/95公约及其附则的强制性要求。传统的航海模拟器利用仿真技术对船舶、航道、雷达建立数学模型、动
力模型和3D模型，构建船舶驾驶、雷达
跟踪的虚拟仿真环境，主要用于航海教学与技术培训。近年来，由于仿真技术、计算机技术、
虚拟现实技术和网络技术的发展，模拟器技术发展非常迅速，出现了许多大型的综合模型器，数学模型
精度也有较大的提高，应用范围也越来越广，可对船舶的航行性能进行测试并给出试验结果。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于建立一种虚实结合的船舶航行指挥和操纵训练仿真与评估验证系统，即基于AIS的船舶驾驶实时虚拟增强仿真系统，主要为大型船舶在复杂航渡水域环境和极端天气情况下开展操纵训练和适任评估提供高精度、多维度仿真环境，为航行指挥和航渡保障任务工况设计提供演示验证与决策支持。
[0004] 所涉及的仿真模型均采用实船或船模试验结果进行确定或验证，以确保仿真精度。
[0005] 本发明的技术构思是：
[0006] 1）AIS综合处理
软件接收AIS设备数据，通过解析、关联和插值等处理形成连续实时的目标船信息，与从航渡指挥系统获取的实际气象、水文环境信息一起融合到仿真系统中。
[0007] 2）通过建立导演监控软件、船舶驾驶显控软件、船舶动力模型解算软件、
电子海图软件、船舶驾驶视景软件和导航雷达软件，能够完全模拟船舶驾驶台设备功能，与真实的AIS目标和气象、水文环境信息结合，构建船舶驾驶虚拟增强仿真环境。
[0008] 3）采用人在回路中的
半实物仿真方式，一方面在构建的船舶虚拟增强环境中，获得船舶航行的真实体验；另一方面，把真实AIS目标船作为主本船，进行跟随航行，从而为船舶操纵和航行指挥提供演示验证与决策支持。
[0009] 本发明的技术方案是：
[0010] 一种基于AIS的船舶驾驶实时虚拟增强仿真系统，主要由导演监控软件、AIS综合处理软件、船舶驾驶显控软件、船舶动力模型解算软件、电子海图软件、导航雷达软件和船舶驾驶视景软件组成；
[0011] 所述导演监控软件用于发布仿真任务信息和仿真开始、停止的指令，把仿真区域的环境条件、目标船实时运动状态和涉及主本船的航海仪器设备、操纵设备和导航辅助设备的设置状态发送到船舶驾驶显控软件、船舶动力模型解算软件、电子海图软件、导航雷达软件和船舶驾驶视景软件中，以供进行任务仿真，实时记录仿真数据，对记录的仿真数据做出航行过程回放重演，并以仿真过程中计算机自动记录的数据为依据给出仿真评估结果；
[0012] 所述AIS综合处理软件用于接收AIS设备的数据，通过解析、关联和插值处理生成连续实时的目标船信息，并将目标船信息与从航渡指挥系统获取的实际气象、水文环境信息一起发送到导演监控软件；
[0013] 所述船舶驾驶显控软件用于
人机交互完成主本船的车、
舵、锚、缆、侧推器和拖轮的控制，完成航海仪器的显示以及导航辅助设备的显示与控制，并进行状态信息发布；
[0014] 所述船舶动力模型解算软件用于根据导演监控软件提供的气象、水文环境信息和目标船信息，电子海图软件提供的港岸地理环境信息，船舶驾驶视景软件提供的波浪环境信息，以及船舶驾驶显控软件提供的车、舵、锚、缆、侧推器和拖轮的信息，实时计算主本船运动信息和主本船的锚、缆及拖轮状态信息并进行发布；
[0015] 所述电子海图软件用于将接收到的主本船运动信息，目标船运动信息，车、舵、锚、缆、侧推器和拖轮的状态信息进行二维
可视化显示，并进行航行监控，把航行区域的地理环境信息发布给船舶动力模型解算软件进行
碰撞检测计算；
[0016] 所述导航雷达软件用于接收气象、水文环境信息、波浪信息、主本船运动状态信息和目标船运动状态信息，并根据海图高程数据形成雷达回波图像，进行雷达目标识别与导航；
[0017] 所述船舶驾驶视景软件用于根据接收到的气象环境、时间以及主本船的
位置信息，在视景综合
数据库的
支撑下，进行天空、港岸地形、海浪水面的实时仿真模拟；把主本船运动信息、目标船运动信息、以及船舶的锚、缆、号灯、号型、音效信息进行三维显示和播放；并形成大视
角的
虚拟环境；为船舶动力模型解算软件提供波浪环境信息。
[0018] 优选地，所述AIS综合处理软件主要由数据接收模
块和
数据处理模块组成；所述数据接收模块用于接收航渡指挥系统真实气象信息和AIS设备的数据；所述数据处理模块用于解析AIS数据、关联AIS目标数据和插值AIS目标数据以形成目标船实时运动状态信息。
[0019] 优选地，所述导演监控软件主要由仿真任务编辑模块、仿真任务控
制模块、数据实时显示模块、文件存储单元、仿真数据记录模块、数据回放模块和评估模块组成；仿真任务编辑模块用于在任务仿真前设置仿真的科目、主本船初始运动状态、计划航线和主本船仪器设备工作状态；仿真任务
控制模块用于在仿真过程中对主本船状态进行实时控制，实时发布仿真区域的自然环境条件和目标船实时运动状态信息；所述仿真数据记录模块用于实时记录船位、航向、航速和人员的操作动作和命令；数据实时显示模块用于显示船舶在航行过程中与拟定航行路线的区别监控，进行航路监视；数据回放模块用于仿真结束后对记录的仿真数据做出航行过程回放重演；评估模块用于参照有关航海经验、建立专家评判模型、并以仿真过程中计算机自动记录的数据为依据自动评定仿真结果。
[0020] 优选地，所述船舶驾驶显控软件主要由航海仪器显控模块、操纵设备显控模块、导航辅助设备显控模块和驾驶信息综合显示模块组成；其中：所述航海仪器显控模块用于提供虚拟AIS/GPS（全称“全球
定位系统”）设备、计程仪、测深仪操作与显示；所述操纵设备显控模块用于提供主本船车、舵、锚、缆和侧推器的操作与显示；导航辅助设备显控模块提供主本船声响、号灯、号型、旗帜以及主本船视景观察视点的操作与显示，驾驶信息综合显示模块显现主本船的运动参数和操纵设备状态。
[0021] 优选地，所述船舶动力模型解算软件主要由数据处理模块和实时计算模块组成；数据处理模块用来接收和处理导演监控软件提供的气象、水文环境信息和目标船信息、电子海图软件提供的港岸地理环境信息、船舶驾驶视景软件提供的波浪环境信息、以及船舶驾驶显控软件提供的车、舵、锚、缆和侧推器的信息，然后把处理数据传送给实时计算模块；
所述实时计算模块用于根据接收的处理数据计算主本船的船体
流体动力、推进力、舵力、
风力、波浪力、流效应、浅水效应、限制水道效应、碰撞力、碰垫力，将计算结果
叠加到船舶六
自由度运动方程，给出主本船实时运动状态，并驱动主本船的缆绳、锚和拖轮与主本船进行作用，实时对外发布运动状态信息。
[0022] 优选地，所述限制水道效应包括岸吸力、船间吸力、系缆力及拖轮拉力。
[0023] 优选地，所述电子海图软件主要由电子海图数据管理模块、电子海图绘制模块、目标实时显示与监控模块和电子海图综合信息数据库组成；所述电子海图数据管理模块用于提取电子海图综合信息数据库中电子海图文件，实现海图数据及更新数据的自动导入和无缝拼接；电子海图绘制模块用于根据电子海图数据管理模块提取的岸线、等高线、等深线和水深点信息，将由空间数据和属性数据构成的矢量海图数据进行符号化，根据海图要素的表示方法和图例符号对海图数据进行可视化处理；目标实时显示与监控模块用于将动态目标信息二维可视化，显示船舶的轮廓线，自动计算船舶航行过程偏离计划航线的距离，实时反映船舶当前所处的位置是否与其他虚拟物体相撞，以及与其他虚拟物体相撞后对船舶行驶
姿态的影响。
[0024] 优选地，所述导航雷达软件主要由回波图像显示模块、目标检测录取模块、目标跟踪模块、目标自动标绘模块、目标告警模块和导航雷达综合信息数据库组成；所述回波图像显示模块用于通过接收气象、水文环境信息、波浪信息、主本船运动状态信息和目标船运动状态信息，并根据导航雷达综合信息数据库提供的海图高程数据，形成雷达回波图像；目标检测录取模块用于结合主本船实时运动状态信息和导航雷达回波信息，完成对目标船、导航标志的检测录取，提供目标船的录取点迹信息；目标跟踪模块用于根据雷达目标检测录取模块所提供的目标船观测位置的相继变化，建立目标船运动的过程；雷达自动标绘模块用于对任何被跟踪的目标计算CPA（全称“最接近距离”）、TCPA（全称“到达最接近点的时间”）、目标真方位、目标距离、真航向、真航速；目标告警模块用于当目标进入
选定的警戒区时提供视觉/听觉的告警功能。
[0025] 优选地，所述船舶驾驶视景软件主要由地形模块、水面模块、天空模块、目标模块、音效模块、特效模块、网络数据处理模块、多通道视景处理模块和视景综合信息数据库组成；所述船舶视景软件用于三维虚拟空间初始化；地形模块用于显示港岸地形地物无边际流畅漫游；天空模块用于确定日、月、星体的位置，并绘
制动态天空；水面模块用于仿真水面场景；目标模块用于把主本船运动信息、目标船运动信息以及船舶的锚、缆、号灯、号型信息进行三维显示；音效仿真模块用于生成船舶行驶过程中
驾驶室听到的声音信息；特效模块用于形成船舶驾驶视景中
云、雾、雨和
雪的动态三维显示，并实时提供显示航行灯和
信号灯的灯光视景效果，船舶航迹效果；网络数据处理模块用于实现数据通信；多通道视景处理模块用于实现大视角显示，生成视听一体化的船舶航行特定范围的虚拟环境。
[0026] 优选地，所述视景综合信息数据库包括港岸地理信息数据库、天文信息数据库、水文气象数据库、船舶目标信息数据库和音响信息数据库。
[0027] 优选地，地形模块是通过港岸地理信息数据库，采用多线程分页数据库技术显示港岸地形地物无边际流畅漫游；天空模块是根据当前视点的经纬度计算当地时间、时区、儒略日JD和
恒星时GMT确定日、月、星体的位置，根据太阳的高度角采用多重纹理和shader语言绘制动态天空；所述水面模块是采用基于Phillips谱通过FFT（全称“快速傅里叶变换”）计算获得的水面网格的高程数据仿真水面场景；所述特效模块是采用粒子系统和GLSL着色语言的方法形成云、雾、雨和雪的动态三维显示；多通道视景处理模块是提高多通道同步和多通道拼接校正实现大视角显示；网络数据处理模块是采用基于心跳机制的组播传输方式进行传输。
[0028] 优选地，所述目标模块在进行三维显示时，所有目标都建立可视体
包围盒和LOD（全称“多层次细节”）
节点。
[0029] 一种基于AIS的船舶驾驶实时虚拟增强仿真方法，包括以下步骤：
[0030] （1）导演监控软件启动，发布仿真任务信息和仿真开始指令；
[0031] （2）AIS综合处理软件接收到仿真任务和开始指令后，接收航渡指挥系统真实气象、水文信息和AIS设备数据,对AIS数据进行解析、关联和插值处理生成连续实时的目标船信息，并将目标船信息与从航渡指挥系统获取的实际气象、水文环境信息一起发送到导演监控软件；
[0032] （3）导演监控软件把仿真区域的气象、水文环境信息、目标船信息和主本船的航海仪器设备、操纵设备和导航辅助设备的设置状态发送到船舶驾驶显控软件、船舶动力模型解算软件、电子海图软件、导航雷达软件和船舶驾驶视景软件中，进行任务仿真；
[0033] （4）船舶驾驶显控软件经过人机交互操作完成车、舵、锚、缆、侧推器和拖轮的控制，完成航海仪器的显示以及导航辅助设备的显示与控制，并进行状态信息发布；
[0034] （5）船舶驾驶视景软件根据接收到的气象环境、时间以及主本船的位置信息，在视景综合数据库的支撑下，进行天空、港岸地形、波浪水面的实时模拟，同时把主本船运动信息、目标船运动信息、以及主本船和目标船的锚、缆、号灯、号型、音效信息进行三维显示和播放，并通过多通道视景处理模块形成大视角的虚拟环境；
[0035] （6）电子海图软件把接收到的主本船运动信息，目标船运动信息，车、舵、锚、缆、侧推器和拖轮的信息进行二维可视化显示，同时进行航行监控，把航行区域的地理环境信息发布给船舶动力模型解算软件，进行碰撞检测计算；
[0036] （7）船舶动力模型解算软件根据导演监控软件提供的气象、水文环境信息和目标船信息，电子海图软件提供的港岸地理环境信息，船舶驾驶视景软件提供的波浪环境信息，以及船舶驾驶显控软件提供的车、舵、锚、缆、侧推器和拖轮的信息，实时计算主本船运动信息和主本船的锚、缆及拖轮状态信息并发布；
[0037] （8）导航雷达软件根据接收到的气象、水文环境信息、波浪信息、主本船运动状态信息和目标船运动状态信息以及海图高程数据，形成雷达回波图像，进行雷达目标识别与导航；
[0038] （9）导演监控软件实时记录船舶驾驶显控软件、船舶动力模型解算软件、电子海图软件、导航雷达软件和船舶驾驶视景软件发布的数据；
[0039] （10）仿真任务结束，由导演监控软件发布仿真停止命令，船舶驾驶显控软件、船舶动力模型解算软件、电子海图软件、导航雷达软件和船舶驾驶视景软件停止仿真；
[0040] （11）导演监控软件对记录的仿真数据做出航行过程比例回放重演，并以仿真过程中记录的数据为依据，给出仿真评估结果。
[0041] 优选地，所述步骤（3）是通过文件存储单元提取以前仿真区域的环境条件、目标船实时运动状态进行发布。
[0042] 本发明所达到的有益效果是：
[0043] 本发明在虚拟增强仿真方法上通过建立港岸地理信息数据库、天文信息数据库、水文气象数据库、船舶目标信息数据库和音响信息数据库，在融入AIS的真实目标和当时航行区域真实气象、水文环境下，运用多线程平衡加载、多级LOD、GPU（着色语言）绘制、基于心跳机制的组播可靠传输、多通道同步和多通道几何校正融合等技术，开发大视景、
沉浸感强的虚拟增强仿真环境，并与船舶驾驶台仿真设备一起，构建完整的船舶操纵环境平台，为大型船舶在复杂航渡水域环境和极端天气情况下开展操纵训练和适任评估提供了高精度、多维度仿真环境，为航行指挥和航渡保障任务工况设计提供了演示验证与决策支持。本发明提供了反映船舶执行任务区域真实情况的虚拟环境，能够更真实地模拟船舶航行时的人机互动，实现船舶航行指挥决策论证和特殊操纵方案评估，开创了与实船实景实操相一致的航行显示、观测和操控半实物仿真新途径。
附图说明
[0044] 图1是本发明所述基于AIS的船舶驾驶实时虚拟增强仿真系统的总体结构
框图。
[0045] 图2是本发明所述导演监控软件处理
流程图。
[0046] 图3是本发明所述AIS综合处理软件处理流程图。
[0047] 图4是本发明所述船舶驾驶显控软件处理流程图。
[0048] 图5是本发明所述船舶动力模型解算软件处理流程图。
[0049] 图6是本发明所述电子海图软件处理流程图。
[0050] 图7是本发明所述导航雷达软件处理流程图。
[0051] 图8是本发明所述船舶驾驶视景软件处理流程图。
具体实施方式
[0052] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。以下没来得及看[0053] 图1所示为本发明所述基于AIS的船舶驾驶实时虚拟增强仿真系统的总体结构框图，所述基于AIS的船舶驾驶实时虚拟增强仿真系统主要由AIS综合处理软件、导演监控软件、船舶驾驶显控软件、船舶动力模型解算软件、电子海图软件、导航雷达软件和船舶驾驶视景软件七部分组成。
[0054] 所述导演监控软件主要由仿真任务编辑模块、仿真任务控制模块、数据实时显示模块、文件存储单元、仿真数据记录模块、数据回放模块和评估模块组成；用于在仿真任务中控制、监视并重放、评估、分析船舶驾驶的仿真全过程。
[0055] 所述AIS综合处理软件由数据接收模块和数据处理模块组成；用于接收航渡指挥系统真实气象信息和AIS设备的数据，对AIS数据进行解析、关联和插值处理生成目标船实时运动状态信息，并将目标船信息与从航渡指挥系统获取的实际气象、水文环境信息一起发送到导演监控软件。
[0056] 船舶驾驶显控软件主要由航海仪器显控模块、操纵设备显控模块、导航辅助设备显控模块和驾驶信息综合显示模块组成；用于完成船舶运动控制、视景控制、船舶状态参数显示、航海仪器设备显示与控制和导航辅助设备显示与控制。
[0057] 船舶动力模型解算软件主要由数据处理模块和实时计算模块组成；用于根据主本船的受力情况，实时计算主本船的运动方程，给出主本船实时运动状态。
[0058] 电子海图软件主要由电子海图数据管理模块、电子海图绘制模块、目标实时显示与监控模块和电子海图综合信息数据库组成；用于将船舶的运动状态以二维图形的方式标绘出来，精确显示船舶的轮廓线和运动轨迹，自动计算船舶航行过程偏离计划航线的距离，实时反映船舶当前所处的位置是否与其他虚拟物体相撞，以及相撞后对船舶行驶姿态的影响。
[0059] 导航雷达软件主要由回波图像显示模块、目标检测录取模块、目标跟踪模块、目标自动标绘模块、目标告警模块和导航雷达综合信息数据库组成；用于及时发现物标，并提供物标的方位、距离、速度等信息，及时对威胁目标做出告警。
[0060] 船舶驾驶视景软件主要由地形模块、水面模块、天空模块、目标模块、音效模块、特效模块、网络数据处理模块、多通道视景处理模块和视景综合信息数据库组成；用于生成视听一体化的船舶航行特定范围的虚拟环境，通过接收AIS目标船信息和真实气象、水文环境信息，进行虚实信息融合，形成更加逼真的航行区虚拟增强可视化环境。
[0061] 图2是本发明所述的导演监控软件处理流程图。在仿真时，首先，打开导演监控软件程序，接收其他软件的注册
申请，完成软件注册过程。
[0062] 任务仿真开始前，仿真任务编辑模块负责编辑仿真的科目、主本船初始运动状态、计划航线和主本船仪器设备工作状态，编辑完成后向其他软件发送想定，同时命令仿真开始。
[0063] 在仿真过程中，仿真任务控制模块起到对总体信息的控制作用，能够对主本船车、舵、锚、缆、航海仪器设备的状况进行重新设置，也能把真实AIS目标船作为主本船，进行跟随航行，在虚拟环境中进行船舶航行的真实体验。同时，实时发布由AIS综合处理软件提供的仿真区域的自然环境条件和目标船实时运动状态信息。另外，如果AIS综合处理软件不工作，也能通过文件存储单元提取以前仿真区域的环境条件、目标船实时运动状态进行发布。
[0064] 仿真数据记录模块根据仿真训练过程运行情况，根据设定的时间间隔，对船舶动态信息、船舶驾驶过程数据、船舶运动状态数据、航线交通状况数据、事件报告数据进行记录。所述船舶动态信息包括记录时间、经度/纬度、航向/航速、罗经航向/计程仪速度、船艏横向速度/船艉横向速度、舵角/转向率、左舷螺旋桨转速/每分钟转速、右舷螺旋桨转速/每分钟转速、左右舷侧推器响应等，所述船舶驾驶过程数据包括航向变化、速度变化、主机控制变化、操舵装置变化等，所述航线交通状况数据包括时间、目标船位置、目标船航向、目标船航速等。
[0065] 仿真数据显示模块提供窗口和表格显示所有仿真目标的属性数据、船舶信息、事件报告等驾驶仿真数据。具体地，所述所有仿真目标的属性数据包括主本船、目标船、拖轮、驳船、漂浮目标、
直升机、陆地目标、训练环境等，所述船舶信息包括名称、纬度、经度、船艏向、真航速、真航向、转向率、船艏横向速度、船艉横向速度，所述事件报告包括报告时间、目标、事件类型、事件备注。
[0066] 仿真结束后，数据回放模块对记录的仿真数据做出航行过程比例回放重演，包括驾驶人员的操作动作及命令，参照有关航海经验，建立专家评判模型，并以仿真过程中记录的数据为依据，由评估模块自动评定仿真结果，增加了评估工作的客观性。
[0067] 图3是本发明所述的AIS综合处理软件处理流程图。首先，AIS综合处理软件向导演监控软件发出申请，注册成功后，接收导演监控软件的发出的仿真任务和仿真开始指令，AIS综合处理软件仿真开始。这时，所述数据接收模块通过串口实时接收航渡指挥系统的真实气象信息和AIS设备的数据，这些数据要在所述数据处理模块进行AIS数据进行解析、关联和插值处理，具体的，处理过程分三步：
[0068] 第一步为AIS数据解析，通过AIS协议解码AIS目标数据，提取目标的船名、呼号、MMSI、长度、GPS位置、航向、航速、数据时间信息。
[0069] 第二步为AIS目标数据关联，解析以后的AIS含有每个AIS设备唯一的MMSI，通过MMSI号码能够关联已经接收到的AIS目标数据，使得AIS目标数据具有连续性。由于AIS目标有时会比较多，采用哈希散列的形式存储MMSI与目标的对应关系。
[0070] 第三步为AIS目标数据插值，采用匀速目标运动方程平滑滤波
算法，将AIS的位置的经纬度、航向、速度转换成直角坐标形式。具体地，位置经纬度使用莫卡托投影转换，获得较高精度的转换效果。位置变换时，以接收到的该目标的第一次数据的经纬度为原点进行变换，获得位置坐标。为了对AIS目标数据进行插值后，能够以更高的
采样频率输出，获得更加平滑的数据，获得逼真的虚实结合的训练效果。
[0071] 通过上述环节后，AIS综合处理软件把接收到真实气象、水文环境信息和由AIS数据形成的目标船实时运动状态信息，发送导演监控软件的仿真任务控制模块，供虚拟增强仿真环境使用。最后，当接收到导演监控软件的仿真结束命令，结束仿真。
[0072] 图4是本发明的船舶驾驶显控软件处理流程图。首先，船舶驾驶显控软件向导演监控软件发出申请，注册成功后，会接收导演监控软件的仿真任务和仿真开始指令，船舶驾驶显控软件仿真开始。
[0073] 操纵设备显控模块提供主本船车、舵、锚、缆和侧推器的操作与显示，在仿真过程中，驾驶台人员对其进行操作，来控制主本船的运动。
[0074] 车、舵和侧推器提供的显示和操作包括：船舶主机显示与控制、舵机显示与控制、侧推器显示与控制。具体地，所述船舶主机显示与控制包括根据船舶模型本身的
推进器套数，可使用单车或双车控制；主机准备状态显示、倾斜角度显示、主
机车钟显示控制、主机每分钟转速显示。所述舵机为随动舵、自动舵或应急舵。所述舵机显示与控制包括命令舵角、实际舵角、船舶转头速率、三面舵角指示器、航向的动态。对于有艏、艉侧推的船舶，所述侧推器显示与控制为艏、艉侧推的控制，并实时显示
螺距比。可分别实施左舷侧推器控制、右舷侧推器控制。
[0075] 锚泊操纵通过二维界面的形式提供锚操作面板，对左锚、右锚进行抛锚、绞锚、松放、刹停操作，并动态显示锚链的长度和
张力。
[0076] 通过二维界面形式显示船舶离靠码头时的系缆操作及其受力情况。根据船舶的大小，能同时进行多达8根缆的带缆、解缆、绞缆操作，绞缆速度可调，能显示张力、长度。在电子海图上能选择缆桩或浮筒的位置，能动态显示每根缆的长度和受力动态显示。并通过二维界面的形式提供拖轮操作面板，用来选择拖
轮作用位置、拖轮与主本船的相对位置以及拖轮用力。能任意选择拖轮与主本船的相对位置。
[0077] 导航辅助设备显控模块提供主本船声响、号灯、号型、旗帜以及主本船视景观察视点的操作与显示，在仿真过程中，驾驶台人员对其进行操作，来显示主本船的航行状况。
[0078] 船舶视景控制通过软件界面形式改变视景视点位置及视景界面显示内容等，同时能设置单独的通道，用于视景的左右环视、仰视、俯视和自由漫游功能。同时具有望远镜功能，能用望远镜左右环视、仰视、俯视或自由漫游整个视景，望远镜的放大倍数可调，并能进行多视点显示选择。具体地，能够改变视景视点位置为左舷前中后三个固定位置、右舷前中后三个固定位置、船桥中央前中后三个固定位置、自定义水平方向视景扇区中心位置或自定义垂直方向视景扇区中心位置；所述能够调整视景界面显示内容在训练时间、训练区域、海况、事件报告、全景展示之间变换。
[0079] 船舶声响通过软件界面形式提供船舶声响设备显示与操作，与船舶驾驶视景软件进行命令交互，能随时反映在主本船的视景系统中。控制如下特殊情况下的声响：锚泊、搁浅、失控、操纵能力受限、
吃水受限。能见度不良时，能手动或自动鸣放雾号。并能手动鸣放船头铃声、船尾锣声。提供与模拟海况对应的风、浪、声响等环境声响及主机、辅机、锚、缆操作等工作环境声响。能模拟船舶碰撞、搁浅、擦浅、触礁等海损事故的音响效果。
[0080] 船舶号灯通过仿实装的软件界面形式提供船舶航行灯设备和信号灯设备控制面板操作，与船舶驾驶视景软件进行命令交互，能随时反映在主本船的视景系统中。所述船舶航行灯设备包括前锚灯、前桅灯、左舷灯、右舷灯、艉灯、后桅灯、后锚灯、艏旗杆灯、拖带灯、失控灯1、上航迹灯、失控灯2、下航迹灯，所述信号灯设备包括第一层左右红色信号灯、第二层左右白色信号灯、第三层左绿右红信号灯、第四层左红右白信号灯、第五层左白右红信号灯、第六层右白信号灯、第七层左右红色信号灯、第八层左白右绿信号灯和红艉灯。
[0081] 船舶号型通过软件界面形式提供船舶号型显示与操作，与船舶驾驶视景软件进行命令交互，能随时反映在主本船的视景系统中。船舶号型包括球体号型、菱形体号型和圆柱体号型共三种形体号型。
[0082] 船舶旗帜通过软件界面形式提供SOLAS公约规定的《国际信号规则》中船舶旗帜信号显示与操作，与船舶驾驶视景软件进行命令交互，能随时反映在主本船的视景系统中。
[0083] 航海仪器显控模块提供虚拟AIS/GPS设备、计程仪、测深仪等航海仪器操作与显示，反映主本船的航向、航速、位置等信息。
[0084] 最后，接收到导演监控软件的仿真结束命令，结束仿真。
[0085] 图5是本发明的船舶动力模型解算软件处理流程图。首先船舶动力模型解算软件向导演监控软件发出申请，注册成功后，会接收导演监控软件的仿真任务和仿真开始指令，船舶动力模型解算软件仿真开始。
[0086] 在仿真过程中，数据处理模块用来接收和处理导演监控软件提供的气象、水文环境信息和目标船信息，电子海图软件提供的港岸地理环境信息，船舶驾驶视景软件提供的波浪环境信息，以及船舶驾驶显控软件提供的车、舵、锚、缆和侧推器等信息，然后把相应数据传递给实时计算模块。
[0087] 实时计算模块根据这些参数，进行主本船的船体流体动力计算，推进力计算，舵力计算，
风力计算，波浪力计算，流效应计算，浅水效应计算，限制水道效应包括岸吸力计算，船间吸力计算，系缆力及拖轮拉力计算，碰撞力计算，碰垫力计算，叠加到船舶六自由度运动方程，给出主本船实时运动状态。同时，主本船的缆绳、锚和拖轮与主本船进行作用，状态发生变化，这些状态信息也要实时对外发布。
[0088] 最后，接收到导演监控软件的仿真结束命令，结束仿真。
[0089] 图6是本发明的电子海图软件处理流程图。首先电子海图软件向导演监控软件发出申请，注册成功后，会接收导演监控软件的仿真任务和仿真开始指令，电子海图软件软件仿真开始。
[0090] 在仿真过程中，电子海图数据管理模块根据设定的电子海图数据文件夹目录，提取符合国际航道测量组织（IHO）使用的数字海道测量数据传输标准（IHO S-57）格式电子海图文件，实现海图数据及更新数据的自动导入和无缝拼接，保证信息的完整性和无损性，建立链节点数据结构模型及其相应算法从中提取出岸线、等高线、等深线和水深点等信息，从而建立用户数据格式的物标分类编码系统，支持点击和物标模糊搜索查询，支持用于电子海图绘制。
[0091] 电子海图绘制模块根据从S-57标准电子海图数据提取的岸线、等高线、等深线和水深点等信息，将由空间数据和属性数据构成的矢量海图数据进行符号化，根据海图要素的表示方法和图例符号对海图数据进行可视化处理。参照有关ECDIS性能标准的要求，具有无级放大和缩小、区域放大、自动漫游、分层显示；支持各种情景显示模式，如白昼模式、黄昏模式、夜晚模式等；支持不同的符号显示方式，包括简单符号和传统符号；支持海图内容分级显示，如基本显示、标准显示、全部显示，还能自定义要显示的物标类型；具有大容量动态目标的显示跟踪能力，屏幕无闪烁；具有海图要素拾取、航线设计，能进行海图编辑、改正；使用刺激性强的
颜色、高
亮度闪烁等手段强调危险物的存在。
[0092] 目标实时显示与监控模块负责动态目标信息的二维可视化，精确显示船舶的轮廓线，自动计算船舶航行过程偏离计划航线的距离。显示主本船的锚、缆和与主本船交互的拖轮的位置和状态信息。实时反映船舶当前所处的位置是否与其他虚拟物体相撞，以及相撞后对船舶行驶姿态的影响，例如，当船舶离靠码头时，船舶搁浅时都会产生碰撞，都会影响船舶行驶的状态。这样需要实时计算船舶与各种虚拟物体的碰撞，计算相应的碰撞反应，更新绘制结果，并将碰撞情况进行发布。
[0093] 最后，接收到导演监控软件的仿真结束命令，结束仿真。
[0094] 图7是本发明的导航雷达软件处理流程图。首先导航雷达软件向导演监控软件发出申请，注册成功后，会接收导演监控软件的仿真任务和仿真开始指令，导航雷达软件仿真开始。
[0095] 仿真过程中，海图高程数据保持在导航雷达综合信息数据库中，是参考IHO数字海道测量数据传输标准IHO S-57，建立专用转换模型和算法，生成特定格式的数字海图头文件。结合30米精度数字高程模型数据，提取等间隔的地形高程数字表示文件，使用一块方形网格地形表示，且网格交叉点对应地面某点的高程值，用于雷达地物回波图像模拟。
[0096] 回波图像显示模块通过接收气象、水文环境信息、波浪信息、主本船运动状态信息和目标船运动状态信息，并根据导航雷达综合信息数据库提供的海图高程数据，采用的矢量线段定义计算回波反射属性、平均高度和发现距离等。采用圆周扫描方式，求出每一瞬时扫描线与目标线段的交点，由交点向目标内侧沿扫描线方向延伸，延伸线段的长度随机，并与回波的反射属性相关，延伸线段采用以Bresenham算法为
基础的回波生成算法，能够获得回波强度随距离衰减、小扇形扩散的效果。根据地形数据中包含的平均高度数据，实现地物遮挡、隐藏显示。根据雷达图像的生成算法，对雷达假回波、雷达同频干扰、异常大气条件对雷达的影响所产生的杂波进行仿真。
[0097] 目标检测录取模块结合主本船实时运动状态信息和导航雷达回波信息，完成对目标船、导航标志的检测录取，提供目标船的录取点迹信息。
[0098] 目标跟踪模块根据雷达目标检测录取模块所提供的目标船观测位置的相继变化，建立目标船运动的过程。雷达自动标绘模块对任何被跟踪的目标计算CPA、TCPA、目标真方位、目标距离、真航向、真航速等。
[0099] 目标告警模块在当目标进入选定的警戒区时，提供视觉/听觉的告警功能，对引起告警的物标在显示器上明显标示出来。对目标在跟踪过程中丢失进行警报，并能把该目标最后的被跟踪位置在显示器上显示出来。
[0100] 最后，接收到导演监控软件的仿真结束命令，结束仿真。
[0101] 图8是本发明的船舶驾驶视景软件处理流程图。首先船舶驾驶视景软件向导演监控软件发出申请，注册成功后，会接收导演监控软件的仿真任务和仿真开始指令，船舶驾驶视景软件仿真开始。
[0102] 在仿真过程中，船舶视景软件在由港岸地理信息数据库、天文信息数据库、水文气象数据库、船舶目标信息数据库和音响信息数据库组成的视景综合信息数据库的支持下，在接收到的气象环境、时间以及主本船的位置信息时，进行三维虚拟空间初始化。
[0103] 地形模块通过港岸地理信息数据库，采用多线程分页数据库技术，根据当前视点的地理位置动态加载或删除三维场景中地形和地物数据，实现港岸地形地物无边际流畅漫游显示。为了三维场景能够与电子海图准确匹配，视景中的地形数据来自S-57海图形成DEM数据，地物和助航物的三维和位置点数据来自实际拍摄和S-57海图数据。另外，地形视景模块提供通过配置文件添加、
修改和删除三维地理实
体模型。地形视景模块能够满足黄山码头和长江航道部分重点三维场景显示和数据调度。
[0104] 天空模块根据当前视点的经纬度计算当地时间、时区、儒略日JD和恒星时GMT，进而确定日、月、星体等天体的位置，然后根据太阳的不同高度角用多重纹理和着色语言绘制逼真的动态天空。天空视景模块能够显示太阳、月亮和星星显示以及形成早、中、晚全天的天色效果，这其中太阳、月亮和一些星体在虚拟天空的位置与实际星空基本是吻合的。
[0105] 水面模块能够提供真实的水面场景，水面网格的高程数据是基于Phillips谱通过FFT计算获得的，能够根据风向和风速形成不同的浪级。此海浪绘制模型采用了不同浪级数据预先计算和与视点相关LOD技术及裁减技术，使海浪的绘制速度有很明显的提高，能够满足实时仿真的要求。基于GPU绘制技术，利用GLSL着色语言形成海面光照、浪花和舰艇尾迹效果。特别地，在实时绘制水面场景时不再进行海浪网格各点高度计算。
[0106] 在形成自然地理环境虚拟空间后，目标模块负责把主本船运动信息、目标船运动信息、以及相应船舶的锚、缆、号灯、号型等信息进行三维显示，航行灯的可见范围、能见距离、助航设施中的灯质、能见距离严格按有关规则显示，确保灯光提供的信息准确无误。为了增加视景绘制速度，所有目标都建立可视体包围盒和LOD节点，以便进行可见性裁减。
[0107] 音效仿真是生成舰船行驶过程中驾驶室听到的声音信息，包括舰船在行驶状态中
发动机轰鸣声、汽笛声的声音信息、舰船与环境相互作用的声音信息，例如离靠码头的碰撞声，以及自然环境中的声音信息。其中发动机轰鸣声由舰船行驶状态决定，汽笛声由驾驶室中的汽笛
开关控制。音效仿真模块的实现方法是根据驾驶室中操纵的状态、模型控制模块计算出的舰船行驶状态和视景仿真模块中产生的自然环境，利用OpenAL声音引擎，对
硬盘中保存的样本声音进行调用，生成当前情况下的各种声音数据并通过声卡播放。声音模块产生的声音效果是具有三维信息的，并能模拟出自然环境下的各种声音现象，如多普勒现象、遮挡现象等。
[0108] 特效仿真采用粒子系统和GLSL着色语言的方法形成船舶驾驶视景中云、雾、雨和雪等的动态三维显示，并能实时根据天气效果等级调整视景显示，提供显示航行灯和信号灯的灯光视景效果。
[0109] 仿真过程中，网络数据处理模块采用基于心跳机制的组播可靠传输方式实现数据通信，即通过在通信协议的应用层添加可靠时序协议层模型来实现的，从而保证数据传输可靠的同时，使网络数据通信快捷，使动态目标运动轨迹能够平滑的显示。通信中，采用多线程技术，让数据传输、计算和场景绘制各自分开，避免因其中某个环节耗时，而影响到其他环节。
[0110] 多通道视景处理模块包括两个部分，分别为多通道同步和多通道拼接校正，拼接校正是通过纯软件拼接融合技术，实现曲面校正和边界融合，达到五通道无缝拼接的要求。多通道的同步过程由控制主机和显示从机之间的通信来完成，系统将控制主机也作为中间显示通道，称为Master通道，其它显示从机均为Slave通道。为了使网络数据通信快捷，主机与从机采用组播的通信模式，这样使主机计算好的仿真数据能够快速传到客户机，较大程度上提高了系统的实时性。经过上述处理实现大视角显示，生成逼真的视听一体化的船舶航行特定范围的虚拟环境。
[0111] 最后，接收到导演监控软件的仿真结束命令，结束仿真。
[0112] 以上
实施例仅为本发明的较佳实施例，并非本发明所有实施方式的穷举，本领域技术人员在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均属于本发明的保护范围。
