某型聲學(xué)多普勒流速剖面儀訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田華 李保平 傅吉堯

關(guān)鍵詞：ADCP；模擬器；模擬訓(xùn)練裝置；設(shè)計(jì)

聲學(xué)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(diào)查設(shè)備，綜合運(yùn)用了多種高新技術(shù)，設(shè)備精密、價(jià)格昂貴、訓(xùn)練環(huán)境要求高，訓(xùn)練及維修成本高，實(shí)裝教學(xué)對設(shè)備損耗大，尤其是訓(xùn)練科目設(shè)置和特情處置訓(xùn)練難度很大。而模擬訓(xùn)練裝置可大大降低對實(shí)裝的損耗，并可緩解培訓(xùn)人數(shù)多與教學(xué)設(shè)備少之間的矛盾，擺脫對海洋訓(xùn)練環(huán)境的依賴，是改變教學(xué)方式、改善訓(xùn)練環(huán)境、提高教學(xué)效果和訓(xùn)練效率的有效工具[1-2]，目前廣泛運(yùn)用于裝備的教學(xué)訓(xùn)練中。然而采用虛實(shí)結(jié)合技術(shù)，針對聲學(xué)多普勒流剖面儀模擬訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)研究還不多。

1 設(shè)計(jì)思路

該訓(xùn)練裝置針對實(shí)際工作中的典型應(yīng)用場景開發(fā)，主要完成儀器投放前的檢查校準(zhǔn)操作、投放前設(shè)置、儀器投放和數(shù)據(jù)處理等訓(xùn)練。為達(dá)到逼真訓(xùn)練效果，采用半實(shí)物仿真技術(shù)，使用3D激光掃描建模技術(shù)、結(jié)合CNC加工和數(shù)字化裝配技術(shù)，對ADCP模型殼體進(jìn)行制作。ADCP模擬器的設(shè)備電路與上位機(jī)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信采用了與實(shí)裝儀器相同的RS-232串口通信方式，并使用嵌入式控制系統(tǒng)技術(shù)引入單片機(jī)中，防止模擬器在使用時(shí)出現(xiàn)不同類型的錯(cuò)誤。為實(shí)現(xiàn)調(diào)查任務(wù)的模擬訓(xùn)練，通過調(diào)用電子海圖的各類物標(biāo)信息進(jìn)行海圖顯示，在電子海圖顯示的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)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(shè)備的虛擬仿真，實(shí)現(xiàn)投放過程的模擬訓(xùn)練[3]。

2 功能指標(biāo)與體系結(jié)構(gòu)

2.1 ADCP 模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)功能

ADCP 模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)功分為ADCP 模擬器和WinSc模擬軟件，該部分可以實(shí)現(xiàn)對儀器和軟件的操作，能夠模擬ADCP軟件的投放前設(shè)置、投放前檢測、時(shí)間設(shè)置、數(shù)據(jù)回放等功能。特別是在進(jìn)行羅盤檢測時(shí)，需要轉(zhuǎn)動模擬器，而軟件能夠采集到模擬器轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的信號；在進(jìn)行投放前檢測時(shí)，需要擦拭模擬器上的聲學(xué)換能器，軟件能夠采集到擦拭換能器產(chǎn)生的信號。ADCP模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)功具有示教功能，學(xué)員在訓(xùn)練時(shí)遇到不會的地方可使用系統(tǒng)內(nèi)的示教功能，通過學(xué)習(xí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)的多媒體資料，掌握相關(guān)的操作使用技能。同時(shí)，系統(tǒng)還具有考核功能。在考核時(shí)，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)部的考核模塊將調(diào)用題庫里的預(yù)定方案，學(xué)員根據(jù)給定的方案對儀器進(jìn)行逐步操作，考核軟件根據(jù)學(xué)員操作情況進(jìn)行打分，現(xiàn)場給出評判成績[4]。

2.2 海洋調(diào)查吊放平臺模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)功能

海洋調(diào)查吊放平臺可模擬海洋調(diào)查的工作環(huán)境，真實(shí)逼真的海洋調(diào)查工作環(huán)境可以給學(xué)員更加直觀的印象，可提升學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，也使日常的教學(xué)訓(xùn)練更加貼近實(shí)際。同時(shí)，海洋調(diào)查吊放平臺模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)還可以模擬海洋調(diào)查儀器的吊放平臺，學(xué)員可結(jié)合系統(tǒng)的虛擬操作，了解到一次海洋調(diào)查儀器的完整使用過程。

2.3 海洋調(diào)查工作流程模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)功能

海洋調(diào)查工作流程模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)海洋調(diào)查計(jì)劃航線、觀測站點(diǎn)的設(shè)定，在操作時(shí)，學(xué)員輸入相關(guān)參數(shù)后，系統(tǒng)可生成一份完整海洋調(diào)查作業(yè)實(shí)施方案。該功能的實(shí)現(xiàn)，可以使學(xué)員從調(diào)查方案的制定到任務(wù)的執(zhí)行，實(shí)際參與一次完整海洋調(diào)查活動的組織和實(shí)施過程，提升了學(xué)員的學(xué)習(xí)效果。

3 關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)途徑

在海洋調(diào)查計(jì)劃航線制定與航行模擬，以及儀器操作的模擬訓(xùn)練考核中都將需要用到海區(qū)任意位置的水深數(shù)據(jù)，而電子海圖提供的水深數(shù)據(jù)為離散的水深測量點(diǎn)數(shù)據(jù)，如何將離散的水深數(shù)據(jù)生成平滑的連續(xù)數(shù)據(jù)，以及實(shí)現(xiàn)二維電子海圖與三維視景同步是訓(xùn)練裝置功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。該項(xiàng)目采用了數(shù)字高程模型（DEM） 的方法，對電子海圖中離散的水深測量點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，生成調(diào)查訓(xùn)練海區(qū)全區(qū)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(diǎn)的水深數(shù)據(jù)。

3.1 地形三維數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)數(shù)據(jù)處理的方法，地形數(shù)據(jù)應(yīng)包含高度的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：DEMPoint{X，Y，h}，其中X、Y分別表示相對海區(qū)基準(zhǔn)點(diǎn)的經(jīng)差和緯差，h表示距海面的高度。

通常按柵格方法選取點(diǎn)，柵格選取的間隔，決定了曲面生成的質(zhì)量，同時(shí)受計(jì)算機(jī)的處理速度限制。為了能產(chǎn)生較高質(zhì)量仿真，間隔通常選為0.1鏈。一平方海里的區(qū)域，應(yīng)由6000×6000=36000000個(gè)點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)組成。如果用人工的方法根據(jù)海圖去量化，其工作量是無法想象的。即使可以進(jìn)行，其精度也是難以保證的。

數(shù)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(biāo)和屬性信息、簡單無拓?fù)潢P(guān)系的地理數(shù)據(jù)模型。目前廣泛使用的是由海軍航保局研制的數(shù)字海圖，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(nèi)核是shapefile數(shù)據(jù)格式。VCF表示的要素內(nèi)容有點(diǎn)狀要素、線狀要素、面狀要素、區(qū)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(yīng)的圖形文件、索引文件、屬性文件等文件進(jìn)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(qū)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(diǎn)（Point） 、線（Line） 、面（Area） 要素層由層名加上幾何要素類型標(biāo)識符（P、L、A） 構(gòu)成；區(qū)域要素文件的名稱由層名加上“-n”構(gòu)成，其中n為區(qū)域的序號。

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

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(jié)，與圖形文件的文件頭記錄組織結(jié)構(gòu)一樣；每一個(gè)記錄為8 字節(jié)固定長度，存儲了圖形文件中記錄的偏移量與內(nèi)容長度。

屬性文件（.dbf文件）包括所描述要素的屬性，是標(biāo)準(zhǔn)的dBASE文件，可以被基于Windows和DOS的許多表格應(yīng)用程序使用。每一個(gè)圖形數(shù)據(jù)記錄都有一個(gè)相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)計(jì)算

利用DEM生成海底三維數(shù)據(jù)的原理，就是根據(jù)目前正在迅速發(fā)展的數(shù)字海圖提供的離散水深測量點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過數(shù)字高程模型DEM對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲面擬合，得到地形的區(qū)域高程曲面方程，然后按量化精度要求，計(jì)算曲面中任意水平坐標(biāo)點(diǎn)所對應(yīng)的高程數(shù)據(jù)值，即該位置的水深值[5-6]。

例如：需要計(jì)算電子海圖上某一個(gè)水平坐標(biāo)點(diǎn)P（x，y） 的水深值，可在P點(diǎn)附近提取電子海圖提供的m個(gè)已知水深測量點(diǎn)Pi（xi， yi） 的水深值zi，可通過以下公式進(jìn)行擬合計(jì)算P（x，y） 的水深值z：

m為電子海圖中調(diào)取的已知水深測量點(diǎn)的數(shù)量，m取值數(shù)的多少會影響到擬合計(jì)算精度和擬合計(jì)算速度，當(dāng)m越大，擬合計(jì)算的精度就越高，但擬合計(jì)算的速度將越慢（計(jì)算時(shí)間越長），當(dāng)m越小，擬合計(jì)算的速度將越快（計(jì)算時(shí)間越短），但擬合計(jì)算的精度就越低，通過反復(fù)試驗(yàn)，該項(xiàng)目根據(jù)電子海圖可提取已知水深測量點(diǎn)數(shù)量m取15～20之間，既可滿足計(jì)算機(jī)的瞬間計(jì)算，又可保證擬合計(jì)算精度（誤差小于5%） 。

數(shù)字高程模擬擬合海底三維曲面模型的具體程序設(shè)計(jì)流程如圖2。

3.3 二維電子海圖與三維視景同步

該項(xiàng)目的海洋調(diào)查計(jì)劃航線制定及熟悉調(diào)查海區(qū)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練軟件系統(tǒng)中采用了二維海圖數(shù)據(jù)與三維視景同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電子海圖平面坐標(biāo)圖形與虛擬現(xiàn)實(shí)三維視景坐標(biāo)圖像實(shí)時(shí)保持一致性。

該軟件系統(tǒng)采用與二維電子海圖數(shù)據(jù)同步的三維方向性視景模型的方法，根據(jù)用戶設(shè)置的出發(fā)地點(diǎn)和目的地點(diǎn)，使用二維電子海圖數(shù)據(jù)庫規(guī)劃二維導(dǎo)航路徑，同時(shí)根據(jù)三維誘導(dǎo)線及匹配關(guān)系數(shù)據(jù)庫，建立相應(yīng)的三維誘導(dǎo)路徑，根據(jù)二維導(dǎo)航路徑上的當(dāng)前位置、二維導(dǎo)航路徑與三維誘導(dǎo)路徑的匹配關(guān)系，定位計(jì)算三維誘導(dǎo)路徑上的對應(yīng)位置，從而加載三維誘導(dǎo)線的可視物體集，渲染三維場景，并在軟件系統(tǒng)中進(jìn)行二維導(dǎo)航與三維導(dǎo)航同步推進(jìn)。可以使用戶能更輕松、直觀、準(zhǔn)確地辨認(rèn)和熟悉海洋調(diào)查海區(qū)的環(huán)境，獲得更為逼真、輕松的三維視景體驗(yàn)。圖3為本系統(tǒng)港內(nèi)二維電子海圖數(shù)據(jù)，圖4為該系統(tǒng)與二維電子海圖數(shù)據(jù)同步的三維視景。

4 結(jié)束語

該型聲學(xué)多普勒流速剖面儀訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)新穎，采用了多種先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不依賴海洋訓(xùn)練環(huán)境條件下完成ADCP的投放全過程訓(xùn)練，通過虛實(shí)結(jié)合的方式，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對電子海圖提供的離散水深測量點(diǎn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與三維視景同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電子海圖平面坐標(biāo)圖形與虛擬現(xiàn)實(shí)三維視景坐標(biāo)圖像實(shí)時(shí)保持一致性。模擬了傳感器檢查、羅盤校準(zhǔn)等操作，極大提高了操作體驗(yàn)感，具備訓(xùn)練科目設(shè)置和考核，滿足教學(xué)訓(xùn)練結(jié)構(gòu)所需，對延長儀器壽命、提高操作技能具有重要的意義。