基于B/S 架構(gòu)的航海雷達(dá)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李 業(yè)，任鴻翔，鄭 君

（1.大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.長江引航中心江陰引航站，江蘇 江陰 214400）

0 引言

航海雷達(dá)，是船舶航行時必不可少的導(dǎo)航設(shè)備，在船舶避碰中的地位不可替代。國際海事組織（international maritime organization，IMO）對船舶導(dǎo)航雷達(dá)的裝備和規(guī)范使用作了具體規(guī)定。因此，對海員的雷達(dá)培訓(xùn)顯得尤為重要。培訓(xùn)實(shí)踐中，真實(shí)雷達(dá)價格昂貴、維護(hù)成本高，且受設(shè)備型號、航區(qū)和天氣環(huán)境等條件限制。因此，價格低廉、靈活多變的雷達(dá)模擬器，被廣泛運(yùn)用于雷達(dá)實(shí)操訓(xùn)練。自20 世紀(jì)60 年代以來，世界各國先后開發(fā)出多種不同性能的雷達(dá)模擬器，如挪威Kongsberg 公司研制的功能完備的Polaris 型模擬器及國內(nèi)大連海事大學(xué)研制的V.Dragon 型模擬器等。目前，已有雷達(dá)模擬器以C/S（Client/Server，客戶機(jī)/服務(wù)器）架構(gòu)為主，運(yùn)行于局域網(wǎng)中PC 硬件上，系統(tǒng)兼容性差、維護(hù)成本高，限制了用戶使用時間與空間。

瀏覽器/ 服務(wù)器（browser/server，B/S）架構(gòu)作為WEB 興起后的一種功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，可以進(jìn)行信息分布式處理，有效降低資源成本，提高系統(tǒng)性能。該模式統(tǒng)一了客戶端，用戶只需安裝瀏覽器即可，而將應(yīng)用邏輯集中在服務(wù)器和中間件上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用，提高了數(shù)據(jù)處理性能。鑒于B/S 架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和傳統(tǒng)系統(tǒng)仿真依賴于真機(jī)受時間、空間和硬件成本限制較大的缺點(diǎn)，基于B/S 架構(gòu)的系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，且日漸成熟。

2020 年新冠肺炎疫情爆發(fā)，對航海教育沖擊巨大。雖然理論課程教學(xué)可通過遠(yuǎn)程教學(xué)軟件開展，但對于雷達(dá)實(shí)操培訓(xùn)這類實(shí)踐性較強(qiáng)的航海類實(shí)操培訓(xùn)而言，迫切需要一款能進(jìn)行線上實(shí)操訓(xùn)練的模擬軟件。鑒此，本文以JRC-JMA-9100 系列雷達(dá)為仿真對象，設(shè)計(jì)了一種基于B/S 架構(gòu)的航海雷達(dá)仿真系統(tǒng)。面向未來，教學(xué)單位和學(xué)員可通過PC、平板或手機(jī)，線上訪問并使用該系統(tǒng)，免受時間和空間限制，大大提升教學(xué)和學(xué)習(xí)效率，真正做到“停課不停教、不停學(xué)”。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

航海雷達(dá)仿真系統(tǒng)基于B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為表示層、邏輯層和數(shù)據(jù)層。表示層用于接受用戶的輸入和向用戶輸出，為用戶提供一種交互式操作界面。邏輯層是表示層和數(shù)據(jù)層之間的橋梁，提供所有的業(yè)務(wù)邏輯處理功能，整個系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)庫的操作都將在這一層中完成。數(shù)據(jù)層主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的增、刪、改、查，將存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)提交給邏輯層，同時將邏輯層處理的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫。3 層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有“高內(nèi)聚，低耦合”的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)前后端分離，前端主要負(fù)責(zé)展示與交互，后端主要負(fù)責(zé)邏輯處理和復(fù)雜數(shù)據(jù)計(jì)算。前端采用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器形式，界面由HTML5（超文本標(biāo)記語言）、CSS（層疊樣式表）、JavaScript 語言實(shí)現(xiàn)，其中，HTML 決定仿真界面的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容、CSS 決定仿真界面的表現(xiàn)樣式、JavaScript 控制仿真界面的行為。后端運(yùn)行系統(tǒng)為WindowsServer 2012，采用Tomcat作為WEB 應(yīng)用服務(wù)器，選擇MySQL 數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲倉庫。系統(tǒng)總體框架如圖1 所示。

圖1 仿真雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

本文提出的航海雷達(dá)仿真系統(tǒng)的功能主要包括3 個部分，即雷達(dá)操作界面模擬、雷達(dá)回波模擬和符號模擬。

1）操作界面模擬。本文通過走訪調(diào)研，選取了市場占有率較高的JRC-JMA-9100 型船舶導(dǎo)航雷達(dá)作為仿真對象。使用HTML5、CSS、JavaScript 語言實(shí)現(xiàn)了對真機(jī)操作界面的模擬。模擬界面使用HTML5 和CSS 中路徑裁剪與分層的技術(shù)方法，將雜波、岸線回波、符號、操作界面分層疊加顯示。這種模式可較好地實(shí)現(xiàn)回波圖像和各符號的分層顯示及相關(guān)功能的模擬。

2）雷達(dá)回波模擬?；夭ǖ纳膳c顯示是仿真系統(tǒng)的最關(guān)鍵技術(shù)，主要包括岸線、雜波、目標(biāo)船、雷康、尾跡等回波的生成與顯示。本文從S-57 數(shù)據(jù)中提取原始岸線數(shù)據(jù)，為提高繪制效率，使用數(shù)據(jù)抽稀、集中繪制等手段處理回波數(shù)據(jù)，并使用HTML5中Canvas 畫布呈現(xiàn)回波；使用CSS 中路徑裁剪方法扇形裁剪雙層透明雜波圖像模擬雷達(dá)雜波的徑向圓周掃描；通過對歷史回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、記錄、提取、轉(zhuǎn)換等操作，實(shí)現(xiàn)對尾跡的模擬。最后將雷達(dá)回波、雜波與尾跡疊加顯示，從而最終實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波的模擬。

3）符號模擬。符號模擬主要包括刻度符號和目標(biāo)符號的模擬。雷達(dá)刻度符號主要包括刻度圈、活動/固定距標(biāo)圈、電子方位線、平行索引線、船首線等，目標(biāo)符號主要包括AIS 目標(biāo)與跟蹤目標(biāo)標(biāo)識。鑒于刻度符號與目標(biāo)符號可交互的特點(diǎn)，將刻度、目標(biāo)符號與回波分層顯示，其中符號層至于回波層之上。符號層中使用Canvas 畫布完成刻度符號的實(shí)時繪制，使用自定義控件完成目標(biāo)符號的模擬。

2 相關(guān)算法

2.1 回波數(shù)據(jù)提取與簡化

2.1.1 回波數(shù)據(jù)的提取

本文利用GDAL/OGR 庫（一個在X/MIT 許可協(xié)議下的開源矢量和柵格空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換庫，其利用抽象數(shù)據(jù)模型來表達(dá)所支持的各種文件格式，以下簡稱為GDAL）從S-57 海圖文件中提取生成雷達(dá)仿真回波數(shù)據(jù)，并將提取數(shù)據(jù)存入后端MySQL 數(shù)據(jù)庫以供仿真程序使用。

GDAL 處理S-57 文件，將讀取的所有要素根據(jù)其所屬物標(biāo)類型分配給對應(yīng)的圖層，圖層下有要素，要素下面有字段和幾何對象，要素屬性從字段中獲取，要素的幾何形狀從幾何對象中獲取。典型的S-57 數(shù)據(jù)圖層超過100 層，但并非所有圖層均是仿真回波所需的，從中選取LNDARE、LIGHT、BRIDGE、M_NSYS、M_COVR 等圖層，導(dǎo)出其幾何要素，作為原始仿真數(shù)據(jù)。原始仿真數(shù)據(jù)中存在海圖邊界線，而邊界線是無用的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，會影響后續(xù)仿真回波顯示，需對其進(jìn)行裁剪。海上浮標(biāo)制度（M_NSYS）圖層含有海圖邊界數(shù)據(jù)，從中提取邊界數(shù)據(jù)將其構(gòu)成幾何多邊形，然后對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，只對落在多邊形以內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保留，進(jìn)而刪除海圖邊界線。

本文采用射線法判斷點(diǎn)是否在多邊形內(nèi)部，即從一點(diǎn)做一條射線，計(jì)算它跟多邊形邊界的交點(diǎn)個數(shù)，如果交點(diǎn)個數(shù)為奇數(shù)，那么該點(diǎn)在多邊形內(nèi)部，否則點(diǎn)在多邊形外部。如圖2 所示P為內(nèi)部點(diǎn)，Q為外部點(diǎn)，n 為通過邊界次數(shù)。

圖2 射線法判斷點(diǎn)在多邊形內(nèi)部

為了便于計(jì)算，通過求水平射線與多邊形邊的交點(diǎn)個數(shù)，判斷點(diǎn)是否在多邊形內(nèi)部。當(dāng)采用水平射線時，多邊形某水平邊不參與測試，且當(dāng)測試點(diǎn)縱坐標(biāo)比多邊形某邊的縱坐標(biāo)都小或都大，那么它們的交點(diǎn)一定在邊的延長線。綜上所述，具體計(jì)算過程如算法1 所示。篩選好的數(shù)據(jù)依據(jù)其圖層分為點(diǎn)數(shù)據(jù)（包括浮標(biāo)、雷康數(shù)據(jù)）和非點(diǎn)數(shù)據(jù)（岸線、橋梁等）。點(diǎn)數(shù)據(jù)以“經(jīng)度、緯度、浮筒類型或雷康莫爾斯碼”格式存儲，非點(diǎn)數(shù)據(jù)以“經(jīng)度最大、經(jīng)度最小、緯度最大、緯度最小、點(diǎn)1、點(diǎn)2….”格式存儲。

2.2.2 回波數(shù)據(jù)的簡化

從海圖中提取的岸線數(shù)據(jù)如果不作簡化直接使用，會存在嚴(yán)重的效率問題，回波的計(jì)算與繪制會因數(shù)據(jù)量過大而效率下降，因此，需要對原始岸線數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理。本文采用道格拉斯-普克算法（ramer-douglas-peucker，RDP）簡化岸線數(shù)據(jù)，算法的具體過程如下：

將一段岸線數(shù)據(jù)的首尾點(diǎn)虛連一條直線，求中間各點(diǎn)與直線的距離，并找出距離最大值，用最大值與閾值比較：若最大值小于閾值，這條折線上的中間點(diǎn)全部舍去；若最大值大于閾值，保留最大值對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，并以該點(diǎn)為界，把折線分為兩部分，對這兩部分重復(fù)使用該方法。具體流程如圖3所示。

圖3 RDP 算法圖解

算法中閾值的取值十分重要：閾值過大，大量點(diǎn)被剔除，易造成形狀失真；閾值過小，只有少量點(diǎn)被簡化，抽稀不明顯。然而所有數(shù)據(jù)共用一個閾值或者人工給每一段數(shù)據(jù)單獨(dú)設(shè)定一個閾值都是不合適的。為此本文提出使用岸線距離均值作為閾值，改進(jìn)原有算法，具體流程為：將每段岸線原始數(shù)據(jù)的第1 個、第3 個點(diǎn)虛連一條直線，求第2 個點(diǎn)與直線的距離，存入數(shù)組。然后，第2 個、第4 個點(diǎn)虛連一條直線，求第3 個點(diǎn)與直線的距離，存入數(shù)組。以此類推，分別求取每段數(shù)據(jù)中相關(guān)點(diǎn)與虛連直線的距離，并存入數(shù)組。最后，求取數(shù)組的平均值，即岸線距離均值作為閾值。

2.2 回波生成

2.2.1 岸線回波的模擬

雷達(dá)仿真圖象包括岸線回波、運(yùn)動目標(biāo)回波、固定物標(biāo)回波、假回波、雜波、盲區(qū)、SART、雷康、尾跡等的模擬。除雜波外，本文采用圓周掃描方式生成回波數(shù)據(jù)，并存儲回波數(shù)據(jù)，最后使用HTML5 的Canvas 畫布集中繪制回波，具體步驟如下所示。

首先采用圓周掃描方式，求出某一角度掃描線與目標(biāo)線段的交點(diǎn)，由交點(diǎn)向目標(biāo)內(nèi)側(cè)沿掃描線方向延伸，延伸線段的長度隨機(jī)，從而得到相應(yīng)回波數(shù)據(jù)。掃描線與目標(biāo)線段求交算法原理如圖4 所示。

圖4 掃描線與岸線求交算法

設(shè)l 為岸線數(shù)據(jù)中任一線段，r 為某一時刻的徑向掃描線段。將掃描線段與岸線線段的端點(diǎn)分別看成4 個向量r、r、l、l，根據(jù)向量運(yùn)算可知

線段l、r 參數(shù)方程為

其中，參數(shù)t、u 取值［0，1］。

兩條線段相交具有如下關(guān)系：

將上式兩邊同時叉乘r，得到

由于r×r=0，可得

解出參數(shù)

同理，解出參數(shù)

當(dāng)0≤t≤1，且0≤u≤1 時，兩線段有交點(diǎn)，交點(diǎn)l坐標(biāo)為l+tl。

當(dāng)掃描線間隔為0.1°，掃描一周將產(chǎn)生3 600條掃描線，為提高繪制效率和方便后續(xù)回波處理，通過掃描求交產(chǎn)生的回波，并不立即進(jìn)行繪制，每10 條掃描線為一個集合M 進(jìn)行存儲。重繪掃描區(qū)域后，使用Canvas 繪制回波集合M。

2.2.2 雜波的模擬

雷達(dá)雜波一般回波較小且成點(diǎn)狀，分布隨機(jī)。很難使用掃描線求交算法進(jìn)行模擬，如果缺乏掃描過程直接生成雜波，逼真度將大為降低。為此本文使用層疊樣式表CSS 中clip-path 屬性扇形裁剪雙層透明雜波圖像來模擬雷達(dá)雜波的徑向圓周掃描。

先依據(jù)各雜波特性分別采用瑞利分布、韋伯分布、正態(tài)分布、均勻分布等模型建立雜波分布模型，依據(jù)模型產(chǎn)生雜波粒子。然后通過Canvas 創(chuàng)建一空白透明位圖，將每個雜波粒子對應(yīng)于位圖上相應(yīng)像素點(diǎn)并設(shè)置顏色，從而形成雜波圖像。最后，依據(jù)雜波裁剪原則進(jìn)行裁剪，具體過程為：將雜波圖像分為a、b 兩層，初始狀態(tài)a 生成回波。然后構(gòu)建以本船位置為中心，掃描線長度為半徑，0°為起始角度、掃描線角度為終止角度的扇形Fa 和以掃描線角度為起始角度、360°為終止角度的扇形Fb。以Fa和Fb 為裁剪圖形分別對a 和b 層圖像進(jìn)行路徑裁剪。隨著掃描線角度的不斷變化，裁剪不斷進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)雜波徑向圓周掃描的效果。當(dāng)掃描線角度達(dá)到360°時，b 層回波生成，然后a 與b 互換裁剪圖形，重復(fù)以上步驟。具體流程如圖5 所示。

圖5 雜波的生成與顯示流程圖

2.2.3 尾跡的模擬

尾跡是船舶雷達(dá)回波圖像的重要組成部分，在船舶運(yùn)動態(tài)勢判斷和船舶避碰中發(fā)揮著重要作用。因此，尾跡的模擬一直是雷達(dá)仿真中的重點(diǎn)，同時也是難點(diǎn)。本文通過對雷達(dá)歷史回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、記錄、提取、轉(zhuǎn)換等操作，較好地實(shí)現(xiàn)對尾跡的模擬。具體模擬流程如下所示。

Step 1 將圓周掃描（掃描周期3 s）所得回波數(shù)據(jù)按照靜止回波（包括岸線、固定物標(biāo)、雷康等）、運(yùn)動回波（包括運(yùn)動目標(biāo)回波、假回波）分類，每周期一次分別存入記錄集S、T 中，并每周期一次記錄本船坐標(biāo)于集合O 中。最大記錄數(shù)1 200 次，如超過最大長度，按照“先入先出”原則移除最先存入部分；

Step 2 根據(jù)設(shè)置的尾跡時間長度確定待顯示尾跡記錄數(shù)N。根據(jù)雷達(dá)運(yùn)動模式和尾跡顯示模式，確定是否需要顯示靜止回波尾跡，從記錄集S（如需要）和T 中由后向前依次讀取N 個記錄，記錄集中記錄數(shù)不足N 時全部讀取；

Step 3 判斷尾跡模式是否為真運(yùn)動模式，是則步驟2 所獲取尾跡數(shù)據(jù)直接繪制，否則根據(jù)尾跡數(shù)據(jù)的索引查找O 中本船當(dāng)時位置，計(jì)算本船當(dāng)前位置與當(dāng)時位置位移差，將步驟2 所獲取尾跡數(shù)據(jù)與位移差相加進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，繪制轉(zhuǎn)換后尾跡數(shù)據(jù)；

Step 4 重復(fù)以上步驟，實(shí)現(xiàn)尾跡更新繪制。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

參照IMO 關(guān)于雷達(dá)模擬器的性能標(biāo)準(zhǔn)和JRC-JMA-9100 系列雷達(dá)的特性，設(shè)計(jì)并完成了基于B/S 架構(gòu)的仿真雷達(dá)的開發(fā)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前后端分離，前端界面由HTML5、CSS、JavaScript 語言實(shí)現(xiàn)，后端由WEB 應(yīng)用服務(wù)器（Tomcat）、MySQL 數(shù)據(jù)庫組成。值得一提的是，由于系統(tǒng)前端基于HTML5+JS+CSS 開發(fā)，已實(shí)現(xiàn)跨iOS、Android 平臺的移動應(yīng)用開發(fā)。下頁圖6（a）為雷達(dá)設(shè)備真機(jī)界面，圖6（b）為本文所實(shí)現(xiàn)的瀏覽器下的仿真雷達(dá)界面。

圖6 JRC-JMA-9100 型雷達(dá)真機(jī)與仿真

雷達(dá)仿真系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)主要功能包括回波圖像（岸線回波、運(yùn)動目標(biāo)回波、固定物標(biāo)回波、雜波、假回波、雷康、尾跡等）顯示、刻度與航行信息顯示、目標(biāo)跟蹤與AIS 目標(biāo)報告、偏心顯示、量程切換、顯示模式、運(yùn)動模式、顏色模式切換等。

本文實(shí)現(xiàn)了不同海區(qū)的雷達(dá)回波圖像仿真，以上海寶山水域?yàn)槔Ｈ鐖D7（c）所示，通過與圖7（a）電子海圖圖像、圖7（b）真實(shí)雷達(dá)回波圖像比對可知，本文的回波提取與生成算法可較好地模擬岸線與固定物標(biāo)雷達(dá)回波；圖8（d）為本文模擬雨雪雜波圖像，通過與圖8（a）雨雪雜波真機(jī)圖像比對可知，本文所采取的扇形裁剪雜波圖像方法可以較好地模擬雷達(dá)雜波徑向圓周掃描；圖8（e）為本文模擬假回波與尾跡圖像，通過與圖8（b）真機(jī)圖像比對可知，本文模擬的假回波與尾跡具有一定逼真度；圖8（f）為本文模擬雷康回波，圖8（c）為雷康真機(jī)回波圖像，比對結(jié)果表明仿真效果較好；圖9 為本文對雷達(dá)刻度、航行、目標(biāo)等信息的模擬。

圖7 岸線回波的仿真

圖8 雷康、假回波、尾跡、雜波的仿真

圖9 刻度、航行、目標(biāo)信息模擬

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)雷達(dá)模擬器使用受時間與空間限制、不能開展線上實(shí)操培訓(xùn)等問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于B/S 架構(gòu)的航海雷達(dá)仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)采用基于B/S 的3 層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；提出了一種從S-57 海圖中提取、抽稀和生成雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)的方法；運(yùn)用圓周掃描求交與雜波圖像扇形裁剪的方法模擬雷達(dá)回波；通過對歷史回波數(shù)據(jù)操作處理，實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)尾跡的模擬。

通過與真實(shí)雷達(dá)回波圖像比較，本文提出的方法可準(zhǔn)確提取雷達(dá)回波仿真數(shù)據(jù)，所模擬回波與尾跡具有相當(dāng)逼真度。實(shí)現(xiàn)了包括回波圖像顯示、刻度與航行信息顯示、目標(biāo)跟蹤與AIS 目標(biāo)報告、偏心顯示、量程切換、顯示模式、運(yùn)動模式、顏色模式切換等功能。線上測試（測試環(huán)境：云服務(wù)器機(jī)型配置為2 核4 GB、操作系統(tǒng)為WindowsServer 2012、公網(wǎng)帶寬5 Mb/s，應(yīng)用服務(wù)器為Tomcat 8.5，數(shù)據(jù)庫為MySQL 8.0）結(jié)果表明系統(tǒng)功能完備，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，最大可支持40 人同時在線使用（系統(tǒng)無明顯卡頓，滿足仿真雷達(dá)顯示、響應(yīng)的實(shí)時性要求）。綜上，本文所設(shè)計(jì)的雷達(dá)仿真系統(tǒng)基本滿足STCW 公約A-I/12 節(jié)“用于培訓(xùn)的模擬器的一般性能標(biāo)準(zhǔn)”和“附加性能標(biāo)準(zhǔn)”中關(guān)于雷達(dá)模擬的要求，可用于航海雷達(dá)的在線教學(xué)與培訓(xùn)。未來要進(jìn)一步完善雷達(dá)仿真系統(tǒng)的功能，提高程序的響應(yīng)速度和安全穩(wěn)定性。