劉喜作，宋 元

(1.大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024;2.大連艦艇學(xué)院訓(xùn)練部，遼寧 大連 116018)

0 引言

目前，水面艦艇執(zhí)行任務(wù)的密集度越來越高，這對培養(yǎng)能夠獨(dú)立值更的初級指揮軍官提出了更高的要求。按規(guī)定，初級指揮軍官應(yīng)具備艦艇航行、防御和應(yīng)急處置的組織指揮能力，其實(shí)踐性強(qiáng)。但是，由于艦艇在海上航行常常會考慮其安全性和經(jīng)濟(jì)性，作為每一個初級指揮軍官而言，海上實(shí)際鍛煉的機(jī)會很少，這樣導(dǎo)致其培養(yǎng)周期長，獨(dú)立值更能力較弱的問題。

利用安全經(jīng)濟(jì)的桌面航行指揮模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可以把海上遇到的實(shí)際情況進(jìn)行仿真模擬，使演練環(huán)境與實(shí)際環(huán)境直觀地對應(yīng)。同時，針對初級指揮軍官訓(xùn)練的特點(diǎn)，結(jié)合水面艦艇日常部署和戰(zhàn)斗部署，建立訓(xùn)練課題，模擬在各種情況下的操作與指揮，使訓(xùn)練人員在室內(nèi)完成與海上實(shí)際部署操演訓(xùn)練相一致的動態(tài)交互性訓(xùn)練，加強(qiáng)其實(shí)作訓(xùn)練力度，提高訓(xùn)練水平［1-2］。

本文就桌面式航行指揮模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)和相關(guān)技術(shù)進(jìn)行論述。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計

如圖1所示，該系統(tǒng)由導(dǎo)演監(jiān)控考評臺和本艦系統(tǒng)(導(dǎo)航雷達(dá)臺、電子海圖/操縱臺和三維視景臺)組成。系統(tǒng)為了減少臺位設(shè)置，把艦艇操縱設(shè)備放在電子海圖臺上。系統(tǒng)所有設(shè)備都采用普通的筆記本或臺式機(jī)，可以靈活方便布署到任何訓(xùn)練場地。其中艦艇導(dǎo)航雷達(dá)和車舵，可以通過自制硬件設(shè)備或軟件面板進(jìn)行操作，從而提高系統(tǒng)交互的靈活性及通用性。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 臺位功能

(1)導(dǎo)演監(jiān)控考評臺由一臺PC機(jī)或筆記本組成，其功能是配置、控制和監(jiān)視模擬系統(tǒng)運(yùn)行全過程，設(shè)置各種條件下航海環(huán)境和特殊情況創(chuàng)建訓(xùn)練環(huán)境，通過圖形、對話框、菜單、工具條等簡便的操作進(jìn)行。訓(xùn)練時，完成對艦艇航跡的記錄(包括本船和目標(biāo)船)、口令操作的記錄，根據(jù)制定的考核點(diǎn)，給出量化的結(jié)果和分?jǐn)?shù)。

(2)電子海圖/操縱臺由一臺PC機(jī)或筆記本組成。它是把電子海圖功能和車舵等操作功能合為一個臺位。功能是既可顯示本艦和目標(biāo)船在海圖上的二維信息，又可以通過另外界面完成本船車舵操作、燈光和信號仿真控制、艦艇航行控制和相關(guān)顯示等。

(3)導(dǎo)航雷達(dá)臺由一臺PC機(jī)或筆記本組成，可以配有自制的操作硬件設(shè)備。功能是完成對物標(biāo)的及時發(fā)現(xiàn)，并提供物標(biāo)的方位、距離、速度等信息，及時對危險目標(biāo)做出告警，提供ARPA功能和AIS功能。

(4)艦艇駕駛視景臺由一臺PC機(jī)或筆記本組成，功能是可以逼真生成不同時間、不同地點(diǎn)和不同氣象的艦艇航行特定范圍的虛擬環(huán)境，提供國內(nèi)主要港口地形、各種船舶模型。

1.2 訓(xùn)練場景數(shù)據(jù)庫設(shè)計

為了滿足場景仿真的需要，系統(tǒng)必須要有豐富的數(shù)據(jù)作支撐，這些數(shù)據(jù)分類設(shè)計，以數(shù)據(jù)庫形式存儲，主要有三維視景模型庫、電子海圖數(shù)據(jù)庫、助航設(shè)施數(shù)據(jù)庫和船舶特征信息數(shù)據(jù)庫［3-4］。

(1)三維視景模型庫采用層次型與面向?qū)ο笙嘟Y(jié)合的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，場景圖形采用一種自頂向下的分層的樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織空間數(shù)據(jù)集［5-6］。三維視景模型庫包含以下主要模型:地形地貌模型庫、岸上建筑物模型庫、助航標(biāo)志模型庫和船舶模型庫等。

(2)電子海圖數(shù)據(jù)庫是以圖幅為單元存儲管理的數(shù)字海圖庫。電子海圖數(shù)據(jù)庫除包含為了安全航行所必須的海圖信息外，還包括航路指南、港口概況等其他有用的信息。其數(shù)據(jù)格式采用矢量方式和柵格方式兩種。矢量數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)為S57/3.1，柵格數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)為ARCS。

(3)助航設(shè)施數(shù)據(jù)庫是以S57格式電子海圖數(shù)據(jù)提取生成的燈浮、燈船、陸標(biāo)等助航設(shè)施參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

(4)船舶特征信息數(shù)據(jù)庫以每個船型為單元存儲管理船舶的特征信息，包括船舶的設(shè)備信息、幾何物理信息、動力信息和運(yùn)動參數(shù)等。船舶類別包括雜貨船、集裝箱船、油輪、散貨船、客船、拖輪、引水船、漁船等。

2 訓(xùn)練場景建模

系統(tǒng)重點(diǎn)突出初級指揮軍官薄弱環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，如狹水道航行、霧中航行和夜間航行等。因此，下面主要針對狹水道、霧中和夜間3個場景建模與顯示分別論述。

2.1 基于電子海圖源數(shù)據(jù)可視化

三維視景、電子海圖與導(dǎo)航雷達(dá)場景繪制的實(shí)時性、逼真性和目標(biāo)顯示位置的連貫性是系統(tǒng)可視化建模的關(guān)鍵，其按照系統(tǒng)電子海圖數(shù)據(jù)源進(jìn)行場景數(shù)據(jù)構(gòu)建，優(yōu)化繪制算法，保證場景繪制高效真實(shí)準(zhǔn)確。

基于電子海圖源數(shù)據(jù)，采用Global Mapper軟件提取海圖高程信息，高程信息主要包括岸線、等高線、等深線、水深點(diǎn)等。提取過程中，可根據(jù)需要選擇等高線和等深線的提取范圍和間隔距離。在數(shù)據(jù)處理過程中，可利用GDEM(Global Digital Elevation Model)高程數(shù)據(jù)對海圖高程數(shù)據(jù)缺失部分，例如橋梁、碼頭和山丘等進(jìn)行補(bǔ)充，但要保證生成的數(shù)據(jù)與原海圖數(shù)據(jù)一致。對于特殊精細(xì)要求地域的高層數(shù)據(jù)，可以采用人工測量、手工輸入的方法，由此得到基于電子海圖的統(tǒng)一地理高程數(shù)據(jù)源。

視景仿真利用提取的高程數(shù)據(jù)源對山體、岸線、碼頭、橋梁、城市建筑和重要導(dǎo)航物標(biāo)進(jìn)行三維建模;在導(dǎo)航雷達(dá)仿真應(yīng)用中，根據(jù)所生成的陸岸地形高程數(shù)據(jù)，進(jìn)行地物回波的繪制;在電子海圖相關(guān)應(yīng)用中，利用該數(shù)據(jù)源生成全航道水深數(shù)據(jù)。這樣，按統(tǒng)一的電子海圖數(shù)據(jù)源和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法實(shí)現(xiàn)了不同場景間的數(shù)據(jù)精確匹配，使三維視景、雷達(dá)地形回波與電子海圖顯示誤差精度控制在1米以內(nèi)，大大提高了系統(tǒng)仿真中對陸標(biāo)定位的精度和航道地形判斷的準(zhǔn)確性。

2.2 基于GPU的實(shí)時霧效模擬

霧效對增強(qiáng)三維繪制場景的真實(shí)感起著很重要的作用，也是進(jìn)行霧中航行訓(xùn)練的主要模擬對象。繪制霧效的方法一般分為兩種:基于OpenGL的方法和粒子系統(tǒng)模擬霧方法［7-8］。

圖2 霧效方程曲線

為了實(shí)時性，本文采用基于OpenGL的方法，運(yùn)用GLSL進(jìn)行實(shí)時霧效繪制。OpenGL的霧效模擬是根據(jù)下面3個霧方程之一進(jìn)行計算的，方程曲線如圖2所示。

上述公式中:c為視點(diǎn)坐標(biāo)系內(nèi)視點(diǎn)到物體的距離，d為霧的濃度，start、end分別為霧開始和結(jié)束的位置。f的值會被裁剪到［0，1］，并按式(4)和已有片元顏色Cr和霧的顏色Cf混合而得到片元的最終顏色C。

為了使霧的效果更加逼真，采用公式(3)進(jìn)行霧效計算，計算流程如下:

上述就是公式(3)和公式(4)的GLSL語言表達(dá)，最終產(chǎn)生的fogFactor分量與場景顏色混合產(chǎn)生霧的效果。

2.3 船舶航行燈的模擬

在視景系統(tǒng)中本船根據(jù)所見到的船舶航行燈判斷它船的態(tài)勢，這在夜間或低能見度情況下進(jìn)行避讓操作是十分重要的，是進(jìn)行航行指揮訓(xùn)練的重要內(nèi)容［9］。

根據(jù)《國際海上避碰規(guī)則》，船舶航行燈區(qū)別于其它發(fā)光體，它的可見范圍、可見距離和顏色都有相應(yīng)的規(guī)定?？梢姺秶侵肝?、舷燈和尾燈的水平光弧范圍，其中桅燈為白燈，船首向水平光弧范圍為225度;左舷燈為紅燈，船首左側(cè)向水平光弧范圍為112.5度;右舷燈為綠燈，船首右側(cè)向水平光弧范圍為112.5度;尾燈為白燈，船尾向水平光弧范圍為135度。各類船舶航行燈的可見距離如表1所示。

表1 船舶航行燈的可見距離

利用OSG核心庫osgSim中的LightPoint類按上述要求進(jìn)行船舶航行燈的繪制［10-11］。

LightPoint類提供虛擬環(huán)境中助航燈光的模擬，為了方便繪制，利用BillBoard方法形成一個自發(fā)光體來模擬燈光效果。該類可進(jìn)行可見范圍、可見距離和燈光顏色等參數(shù)設(shè)置;會實(shí)時計算本船與目標(biāo)船的距離以及航向的夾角，判斷當(dāng)前目標(biāo)船哪些航行燈可見，并根據(jù)距離確定發(fā)光體的大小。

例如設(shè)置一個船長大于50米的桅燈，其重要參數(shù)如下:

上述代碼中“color 1 1 1 1”表示燈光顏色為白色，“radius 5”表示可見距離為6海里，“azimuthRange-1.9635 1.9635 0”用弧度表示可見范圍為船舶左舷112.5度到右舷112.5度，即船首向水平光弧范圍為225度。

同理，可以設(shè)置其它航行燈的屬性，然后形成繪制節(jié)點(diǎn)加入到船舶三維實(shí)體的相應(yīng)顯示位置，進(jìn)行航行燈光的實(shí)時仿真。

3 仿真結(jié)果及應(yīng)用

由上述方法實(shí)現(xiàn)了訓(xùn)練環(huán)境的建立，如圖3所示，包括基于S-57標(biāo)準(zhǔn)電子海圖提取高程數(shù)據(jù)形成的狹水道效果圖、采用GLSL語言繪制的大霧效果圖和基于LightPoint繪制的船舶航行燈效果圖。

圖3 三維仿真效果圖

圖4 艦艇避碰訓(xùn)練現(xiàn)場

桌面式航行指揮模擬系統(tǒng)便于安裝使用，適合艦艇部隊訓(xùn)練需要。圖4是用此系統(tǒng)進(jìn)行艦艇避碰訓(xùn)練的場景，按上述方法用3臺筆記本搭建本艦系統(tǒng)，并通過投影加強(qiáng)本艦視景觀察，取得了很好的訓(xùn)練效果。

4 結(jié)束語

本文就桌面式航行指揮模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行較詳細(xì)的研究和論述。所研制的系統(tǒng)已成功運(yùn)用到部隊訓(xùn)練中，使艦艇初級指揮軍官在室內(nèi)完成與海上實(shí)際部署操演訓(xùn)練相一致的動態(tài)交互性訓(xùn)練，加強(qiáng)實(shí)作訓(xùn)練力度，提高訓(xùn)練水平。下一步重點(diǎn)研究在艦艇戰(zhàn)術(shù)指揮上的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。

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