虛實(shí)結(jié)合的航行實(shí)驗(yàn)仿真技術(shù)

王暉 李萬超

建立航行試驗(yàn)仿真環(huán)境，需要利用建模以及仿真技術(shù)建立航行環(huán)境的模擬輸入、任務(wù)驅(qū)動、人在環(huán)路的控制、運(yùn)動反饋、結(jié)果展示等部分。其主要有以下優(yōu)點(diǎn)，一是可以脫離實(shí)船進(jìn)行測試，滿足在無實(shí)船等條件下的測試需求，二是對于航行信息化設(shè)備，信息化程度高、功能復(fù)雜，外部輸入也較為復(fù)雜，仿真試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)高效、可重復(fù)進(jìn)行，三是實(shí)船不便進(jìn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真試驗(yàn)，安全高效。但是其也存在一些缺點(diǎn)，受限于建模技術(shù)的準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確度限制，仿真試驗(yàn)的精確度會受到一定影響，因此提出一種將實(shí)際數(shù)據(jù)引入到實(shí)驗(yàn)室仿真系統(tǒng)的方法，形成虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)室仿真技術(shù)，以提高航行試驗(yàn)仿真的精確度。

一、概述

虛實(shí)結(jié)合指的是將實(shí)船試驗(yàn)的一些歷史數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或者在岸基采集的一些實(shí)際航行環(huán)境環(huán)境引入到實(shí)驗(yàn)室的仿真環(huán)境中。通過如下圖所示的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證中的決策與控制模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并控制試驗(yàn)任務(wù)的開始和停止。通過分析與優(yōu)化模塊可以對數(shù)據(jù)分析并生成試驗(yàn)的場景。通過仿真應(yīng)例運(yùn)行模塊可以運(yùn)行試驗(yàn)任務(wù)，接收預(yù)定的場景，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。其數(shù)據(jù)交互過程如下圖所示。

二、航行信息化設(shè)備仿真測試平臺研究

（一）主要功能

為創(chuàng)建一個更加貼合實(shí)船航行的試驗(yàn)環(huán)境，對航行信息化設(shè)備進(jìn)行充分有效的測試，搭建虛實(shí)結(jié)合的航行信息化設(shè)備綜合仿真測試平臺，利用該平臺可完成航行信息化設(shè)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：

圖1 ：虛實(shí)結(jié)合的航行信息化設(shè)備試驗(yàn)過程圖片來源： 作者自繪

1.管理航行信息化設(shè)備測試用例庫

一個完整的測試用例需包含航行信息化設(shè)備待測試項(xiàng)、測試方法、充分性要求、終止條件、通過準(zhǔn)則、測試狀態(tài)等。平臺具備新建/保存、導(dǎo)入/導(dǎo)出用例庫等管理功能。

2.創(chuàng)建測試場景庫

典型的測試場景包括常規(guī)航行場景、錨泊場景、多目標(biāo)船場景、危險(xiǎn)會遇場景、開闊水域航行場景、狹水道航行場景、大風(fēng)浪航行場景、能見度不良場景、夜間航行場景、設(shè)備故障場景等。場景應(yīng)能涵蓋港口、船舶、天氣變化、目標(biāo)船。

3.測試過程的控制與監(jiān)測

可控制測試過程啟動、暫停、繼續(xù)、停止；測試中對測試場景的導(dǎo)調(diào)，包括動態(tài)導(dǎo)調(diào)目標(biāo)船、氣象環(huán)境、觸發(fā)故障等,以測試航行信息化設(shè)備設(shè)備對目標(biāo)、故障等的響應(yīng)情況。為讓測試過程可控，該平臺應(yīng)能監(jiān)測測試運(yùn)行過程，包括測試用例的測試情況、船舶運(yùn)動狀態(tài)、故障信息、航行信息化設(shè)備運(yùn)行內(nèi)存情況等。

4.測試記錄與回放

為便于測試回歸分析，該系統(tǒng)應(yīng)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(jù)操縱指令解算船舶六自由度運(yùn)動姿態(tài)，為導(dǎo)航設(shè)備提供船位、航速航向、轉(zhuǎn)向率、橫搖縱搖等信息；該操縱數(shù)據(jù)來源包括實(shí)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(shè)備提供錨位點(diǎn)與進(jìn)入航向等信息，且能模擬走錨過程。

6.雷達(dá)回波生成

包括雷達(dá)岸線回波與雷達(dá)目標(biāo)回波，其來源包含實(shí)船雷達(dá)視頻或純虛擬仿真兩種形式，以便更真實(shí)地測試與雷達(dá)相關(guān)內(nèi)容[2]。

7.傳感器設(shè)備仿真

包括GPS、AIS、風(fēng)速儀、計(jì)程儀、測速儀、測深儀、氣象儀等與航行信息化設(shè)備有信息交互的設(shè)備，其中AIS 設(shè)備的數(shù)據(jù)源可以由AIS 真機(jī)提供，以便更真實(shí)地測試與AIS目標(biāo)相關(guān)內(nèi)容。

8.視景顯示

為讓測試人員置身于逼真的航行環(huán)境中執(zhí)行航行信息化設(shè)備測試，使測試過程可視化，該平臺應(yīng)具備逼真的三維仿真視景，展示測試過程中的場景、目標(biāo)、運(yùn)動狀態(tài)。

9.提供模擬報(bào)文工具

需提供模擬報(bào)文輸入工具,以提高部分測試的效率：以正確/錯誤的報(bào)文數(shù)據(jù)測試航行信息化設(shè)備在接收異常數(shù)據(jù)時的表現(xiàn)情況；以上下邊界/上下邊界內(nèi)/上下邊界外的報(bào)文數(shù)據(jù)去驗(yàn)證航行信息化設(shè)備接收邊界值的表現(xiàn)情況；提高頻率發(fā)送航行信息化設(shè)備所能接收的所有類型報(bào)文，以測試系統(tǒng)能夠處理的最大報(bào)文信息量。

10.測試分析與報(bào)告輸出

對測試的結(jié)果進(jìn)行在線分析，輸出測試報(bào)告與打印。

為測試航行信息化設(shè)備部分性能指標(biāo)，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(tǒng)應(yīng)至少能滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行25 小時以上，以滿足軟件長時間持續(xù)運(yùn)行強(qiáng)度測試的要求。

（2）能夠生成不少于60 批雷達(dá)目標(biāo)、240 批AIS 目標(biāo)，以滿足目標(biāo)數(shù)余量測試要求。

（3）關(guān)于本船姿態(tài)、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(guān)于雷達(dá)視頻中岸線、目標(biāo)等態(tài)勢圖像更新率≥12次/分鐘，分辨率不小于1280x1024。

（5）模擬的導(dǎo)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(tǒng)組成

該系統(tǒng)由導(dǎo)控站、船舶操縱模塊、本船運(yùn)動仿真模塊、目標(biāo)船生成模塊、雷達(dá)回波生成模塊、傳感器設(shè)備仿真模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、三維視景顯示系統(tǒng)等內(nèi)容組成。系統(tǒng)采用先進(jìn)的分布式交互仿真思想及與先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將系統(tǒng)中各單元的計(jì)算機(jī)相互連接，完整地模擬船舶駕駛操作環(huán)境，提供航行所需的三維視景、船舶動態(tài)模型、雷達(dá)回波等信息，用以驗(yàn)證航行信息化設(shè)備設(shè)備功能。

該系統(tǒng)內(nèi)置運(yùn)動模型，可以通過船舶類型及大小等，及試驗(yàn)過程用戶操作的車舵指令，解算出轉(zhuǎn)速、實(shí)際舵角及船舶的運(yùn)動狀態(tài)，這些結(jié)果將作為船舶傳感器信息反饋給航行信息化設(shè)備設(shè)備，同時雷達(dá)模擬單元將本船周圍雷達(dá)回波實(shí)時送到系統(tǒng)的雷達(dá)顯控單元，目標(biāo)船舶模型解算單元模擬船舶AIS 接收設(shè)備將本船周圍它船的AIS 信息送到系統(tǒng)，多通道三維視景系統(tǒng)能夠顯示本船的周圍海洋環(huán)境和綜合航行態(tài)勢的實(shí)景圖像。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

圖2 ：航行信息化設(shè)備綜合仿真測試平臺

航行信息化設(shè)備綜合仿真測試平臺具備標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口，平臺模擬本船接受操縱模塊發(fā)送的操控指令，通過本船運(yùn)動仿真模塊解算船位、航速航向，傳遞給傳感器設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時導(dǎo)控站設(shè)置的環(huán)境與故障設(shè)置信息、目標(biāo)船仿真模塊解算的目標(biāo)船信息等通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口發(fā)送給航行信息化設(shè)備，使得整個測試過程如同實(shí)船在真實(shí)的海上環(huán)境中航行。

1.導(dǎo)控站

導(dǎo)控站用于在測試過程中的控制、監(jiān)控與分析，具備管理維護(hù)測試用例、生成測試場景、控制及監(jiān)控測試過程、查詢測試結(jié)果、回放測試過程、打印測試報(bào)告等功能。

導(dǎo)控站應(yīng)強(qiáng)化與航行信息化設(shè)備相關(guān)測試內(nèi)容的管理與維護(hù)，覆蓋航行信息化設(shè)備系統(tǒng)的完整測試用例，包括功能測試、性能測試、接口測試、人機(jī)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(guān)聯(lián)測試的航行信息化設(shè)備版本，選擇對應(yīng)的測試用例，能通過自動/手動修改測試條目的狀態(tài)，包括未測試、測試通過、測試不通過等，除必要的手工測試內(nèi)容外，盡量使用平臺進(jìn)行自動化的測試，根據(jù)判定規(guī)則進(jìn)行自動給出測試結(jié)果，提高測試效率與測試公平度。

導(dǎo)控站應(yīng)能設(shè)置用于航行信息化設(shè)備測試的多種試驗(yàn)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(shè)備在各種典型場景下的運(yùn)行狀態(tài)均能覆蓋。導(dǎo)控站可以提供場景的選擇，場景初始條件設(shè)定、本船位置、周圍環(huán)境設(shè)定等。到空戰(zhàn)可以控制仿真試驗(yàn)的過程，隨時修改其中參數(shù)，并控制航行環(huán)境，記錄測試數(shù)據(jù)、回放數(shù)據(jù)等功能。

2.船舶操縱模塊

為更貼近實(shí)船驗(yàn)證環(huán)境，基于實(shí)驗(yàn)室的航行信息化設(shè)備綜合仿真測試平臺中的船舶操縱單元應(yīng)符合實(shí)船駕駛臺的設(shè)計(jì)，包括航行操縱設(shè)備及航行等航行輔助保障設(shè)備。

3.本船運(yùn)動仿真模塊

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

4.目標(biāo)船生成模塊

目標(biāo)環(huán)境生成可以采用實(shí)船采集的數(shù)據(jù)作為輸入，主要包含雷達(dá)批目標(biāo)、AIS 目標(biāo)以及氣象、潮汐、航行告警等各類環(huán)境數(shù)據(jù)等。

5.雷達(dá)回波生成模塊

雷達(dá)回波的數(shù)據(jù)來源可以為實(shí)船采集的雷達(dá)視頻，也可以是純虛擬仿真生成的雷達(dá)回波信號。實(shí)船采集的數(shù)據(jù)效果更為精準(zhǔn)，因?yàn)槠渑c雷達(dá)批目標(biāo)的數(shù)據(jù)更為吻合。模擬仿真生成一般采用電子海圖進(jìn)行生成，其準(zhǔn)確度與實(shí)際采集數(shù)據(jù)相比肯定存在一些差距。實(shí)船采集數(shù)據(jù)最好為各種場景下積累的歷史數(shù)據(jù)，更為方便場景初始條件的設(shè)定。

6.傳感器設(shè)備仿真模塊

傳感器設(shè)備主要包括傳統(tǒng)導(dǎo)航的定位、航向、測深、氣象等設(shè)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(yàn)，其實(shí)船采集數(shù)據(jù)與模擬發(fā)送的數(shù)據(jù)并無本質(zhì)差別。最好采用實(shí)際的設(shè)備，測試的效果更好

7.三維視景顯示系統(tǒng)

三維視景顯示系統(tǒng)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)成像、虛擬現(xiàn)實(shí)、無縫拼接寬視場角環(huán)幕投影技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，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(shí)船接近的環(huán)境[5]。視景顯示系統(tǒng)為航行信息化設(shè)備測試提供豐富的視覺與聽覺內(nèi)容。

三、結(jié)束語

相對于實(shí)船試驗(yàn)方法而言，虛實(shí)結(jié)合的試驗(yàn)方法可以降低試驗(yàn)成本、縮短試驗(yàn)周期、降低試驗(yàn)執(zhí)行的復(fù)雜性和過程的危險(xiǎn)性，同時使得部分內(nèi)容可重復(fù)；相對于純虛擬仿真試驗(yàn)而言，它具有更高的可信度。三種試驗(yàn)方法的對比如下：

試驗(yàn)方法 成本 周期 可信度 可重復(fù)性 執(zhí)行復(fù)雜性 過程危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)實(shí)船試驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合試驗(yàn)低高中短長中低高高全部可重復(fù)不可重復(fù)部分可重復(fù)中高中低高低