摘要：基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)海警救援模擬系統(tǒng)，重點(diǎn)對艦艇模型、艦載直升機(jī)模型以及艦機(jī)協(xié)同動態(tài)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過模擬訓(xùn)練能夠?yàn)橹笓]員突發(fā)情況下的應(yīng)急決策提供支持，提高海警艦員應(yīng)對海上救援的能力。

關(guān)鍵詞：救援模擬;艦艇模型設(shè)計(jì);視景技術(shù)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）09-0087-03

據(jù)公開資料報(bào)道[1]，2019年，中國海警共出動艦艇402艘次開展海上救援，實(shí)施海上救助361起，救助遇險(xiǎn)船舶48艘，救助人員251名，為挽救遇險(xiǎn)船舶和人員發(fā)揮了重要作用。為應(yīng)對海上突發(fā)險(xiǎn)情，海警艦員需要不斷通過訓(xùn)練和演練，才能有效應(yīng)對突發(fā)狀況。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，海警海上救援模擬訓(xùn)練不僅能夠節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)，提高訓(xùn)練質(zhì)量，還能減少因采用實(shí)際裝備而發(fā)生誤報(bào)警的可能性。因此開展海警海上救援模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用價(jià)值。

1 海上救援模擬系統(tǒng)構(gòu)成

海上救援模擬主要由指揮中心下設(shè)的搜救協(xié)調(diào)中心、導(dǎo)調(diào)和視頻監(jiān)控單元組成，搜救協(xié)調(diào)和導(dǎo)調(diào)部分由參謀席位1、席位2、席位3負(fù)責(zé)指揮控制。通過網(wǎng)絡(luò)把4艘艦艇、1艘遇險(xiǎn)模擬船和直升機(jī)模擬單元鏈接起來構(gòu)成海上救援模擬系統(tǒng)[2-3]，如圖1所示。

海上救援模擬系統(tǒng)中所有單元都共享一個(gè)虛擬的海上救援環(huán)境，遇險(xiǎn)船只、救助船只以及搜救協(xié)調(diào)中心的訓(xùn)練人員通過視覺、聽覺沉浸在救援環(huán)境之中。遇險(xiǎn)船只、救助船只有采用帶有寬視場角三維視景的救援模擬器實(shí)現(xiàn)船舶的仿真;救援直升機(jī)采用艦載直升機(jī)模型實(shí)現(xiàn)搜救仿真;指揮中心實(shí)現(xiàn)搜救協(xié)調(diào)中心等作用，導(dǎo)調(diào)對救援態(tài)勢進(jìn)行動態(tài)指揮，視頻監(jiān)控負(fù)責(zé)監(jiān)控單艦艇現(xiàn)場救援或多艦艇協(xié)同救援。

海上救援模擬系統(tǒng)具有逼真的虛擬救援環(huán)境，包括各種不同海域，不同天氣條件，對學(xué)員的視覺，聽覺和觸覺等各種感官進(jìn)行刺激，使學(xué)員能沉浸在虛擬救援環(huán)境中。海上救援培訓(xùn)效果很大程度上取決于救援虛擬環(huán)境是否可靠真實(shí)。通過海上救援模擬系統(tǒng)的訓(xùn)練，學(xué)員不僅可以學(xué)習(xí)海上救援專業(yè)技能和救援的過程，也能體會海上救援過程的緊迫感，大大提高海上救援訓(xùn)練的效果。

2 視景建模技術(shù)

為給救援培訓(xùn)人員提供逼真的海上救援環(huán)境，采用計(jì)算機(jī)成像技術(shù)，高性能顯卡和普通投影機(jī)生成逼真的大視場角視景?；诤＠藢?shí)時(shí)生成、三維視景生成、助航標(biāo)志能見距離等多種算法，設(shè)計(jì)海上救援仿真軟件，可快速、高效的創(chuàng)建訓(xùn)練區(qū)域的視景庫、電子海圖、雷達(dá)視頻以及艦艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型庫。 視景為救援操縱者提供了一個(gè)實(shí)際訓(xùn)練任務(wù)中的景象。視景顯示的內(nèi)容包括海面、四周的陸地、主要實(shí)體模型（橋梁、碼頭、建筑物等）、目標(biāo)船、助航設(shè)施、燈塔等。為生成港口三維視景數(shù)據(jù)，需進(jìn)行現(xiàn)場采集素材。進(jìn)行場景主要目標(biāo)的三維視景建模，構(gòu)造高逼真度的三維視景模型。

2.1 艦艇模型設(shè)計(jì)

實(shí)體模型主要在視景建模軟件（如3DMax、MultiGen）中完成，采用現(xiàn)場拍攝的照片作為模型的紋理源。為提高視景系統(tǒng)的更新速率，對面數(shù)較多的模型，采用層次細(xì)節(jié)模型。對于實(shí)體模型中的燈塔、浮筒、船舶夜航時(shí)的燈光信號等，因?yàn)樗鼈兊哪芤娋嚯x航海上有嚴(yán)格的規(guī)定，建模時(shí)需注意生成的模型要符合燈光信號的能見距離。港口建筑的夜景模型，將通過采用圖像處理軟件處理后的夜景紋理，貼到模型上得到，以產(chǎn)生燈火闌珊的效果[4]。

船體模型的設(shè)計(jì)主要利用了CAD圖紙建模和擠出兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。點(diǎn)擊“應(yīng)用程序”圖標(biāo)，然后執(zhí)行“導(dǎo)入”菜單命令，接著在彈出的“選擇要導(dǎo)人的文件”對話框中選擇要導(dǎo)人的圖紙。選擇所有的線，然后單擊鼠標(biāo)右鍵，接著在彈出的快捷菜單中選擇“凍結(jié)當(dāng)前選擇”命令。在“主工具欄”中的“捕捉開關(guān)”按鈕上單擊鼠標(biāo)右鍵，然后在彈出的“柵格和捕捉設(shè)真置”對話框中單擊“捕捉”選項(xiàng)卡，接著勾選“頂點(diǎn)”選項(xiàng)，再單擊“選項(xiàng)”選項(xiàng)卡，最后勾選“捕捉到凍結(jié)對象”和“啟用軸約束”選項(xiàng)。快捷鍵s鍵打開“捕捉開關(guān)”，然后使用“線”工具根據(jù)CAD圖紙中的線在頂視圖中繪制出船體各個(gè)部位的樣條線。選擇所有的樣條線，然后在“修改器列表”中為其加載一個(gè)“擠出”修改器，接著在“參數(shù)”卷展欄下設(shè)置“數(shù)量”。

船體的貼圖主要用到的技術(shù)是位圖貼圖。位圖貼圖通俗講就是利用處理過的圖片貼在物體上。首先將建好的船體模型導(dǎo)入場景，選擇船體，打開材質(zhì)編輯器，選擇一個(gè)色球，然后點(diǎn)擊獲取材質(zhì)按鈕，然后搜索要用的材質(zhì)，選擇好后點(diǎn)擊漫反射顏色調(diào)節(jié)反射度、亮度等參數(shù)，整個(gè)船體變成了白色。同樣的方法，把甲板變成綠色。設(shè)計(jì)的艦艇模型如圖2、圖3所示。

2.2 艦載直升機(jī)模型設(shè)計(jì)

艦載直升機(jī)的建模主要用到的技術(shù)是編輯多邊形建模。建模分機(jī)身，螺旋槳，輪胎三部分。機(jī)身大致是柱體，所以以圓柱體作為開始模型。建模過程與艦艇模型設(shè)計(jì)類似，其結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，貼圖后的模型如圖5所示。

2.3 艦機(jī)虛擬仿真設(shè)計(jì)

為有效開展艦機(jī)協(xié)同仿真救援，有必要設(shè)計(jì)海上直升機(jī)虛擬救援操作模塊，以動態(tài)演示救援過程，能夠?yàn)橹笓]員制定救援決策提供思路。

以設(shè)立直升機(jī)起飛，營救落水人員場景為例說明直升機(jī)虛擬救援操作模塊設(shè)計(jì)過程。首先將艦艇模型導(dǎo)入場景，打開時(shí)間配置對話框設(shè)置時(shí)長。將直升機(jī)導(dǎo)入場景，放置在甲板上。調(diào)整大小和位置，將時(shí)間滑塊拖到初始幀處，開始記錄。通過放大制作出由遠(yuǎn)及近的效果，然后給攝像機(jī)做環(huán)游關(guān)鍵幀，展示效果。然后打開時(shí)間配置框設(shè)置時(shí)間。創(chuàng)建一個(gè)輔助對象，將輔助對象與艦艇對齊，將艦艇模型連接到輔助對象上，然后將直升機(jī)連接到輔助對象上，這樣艦艇和直升機(jī)就一起運(yùn)動。在Y軸上拖動艦艇模型，結(jié)束記錄。在Z軸上拖動直升機(jī)，然后在Y軸上拖動直升機(jī)。最后將直升機(jī)模型導(dǎo)入場景，在直升機(jī)下方創(chuàng)建一條線，當(dāng)作繩索。導(dǎo)入兩個(gè)救援人員.一個(gè)放在海面，一個(gè)藏在直升機(jī)后。打開時(shí)間配置框設(shè)置時(shí)間。將時(shí)間滑塊拖到某幀處，開始記錄。拖動直升機(jī)后的人物沿Z軸下至海面處。救援人員上升過程與之相似，如圖6所示。在救援過程中，救援人員通過操作直升機(jī)仿真操作面板及遙桿完成模擬救援，海面救援過程如圖7所示。

3 其他關(guān)鍵技術(shù)

3.1 救援艦艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型

在救援模擬系統(tǒng)中，各個(gè)救援艦艇需要根據(jù)救援任務(wù)迅速機(jī)動到遇險(xiǎn)海區(qū)。救援艦艇操縱臺的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集車、舵的操作，并根據(jù)航行環(huán)境信息（風(fēng)、流、潮等），實(shí)時(shí)解算本艦的運(yùn)動參數(shù)（艦位、航向、速度、航向變化率、加速度等）。

艦艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型包括多種艦型，每種艦型中包括不同噸位與載況的模型[5-6]。艦艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型中包括影響本船運(yùn)動的各種效應(yīng)（車、舵、錨、纜、風(fēng)、流、拖輪、岸壁效應(yīng)、船間效應(yīng)、淺水效應(yīng)等）。根據(jù)車、舵、錨、纜、拖輪的操作，航行環(huán)境信息（風(fēng)、浪、雨、雪、能見度、流、潮汐等），實(shí)時(shí)解算本艦的運(yùn)動參數(shù)（船位、航向、速度、航向變化率、加速度等）。

3.2 坐標(biāo)系及其相互轉(zhuǎn)換

在救援艦艇電子海圖和雷達(dá)模擬時(shí)涉及六個(gè)坐標(biāo)系，分別是地理坐標(biāo)系、地表坐標(biāo)系、圖板坐標(biāo)系、屏幕邏輯坐標(biāo)系、屏幕設(shè)備坐標(biāo)系、投影平面坐標(biāo)。整個(gè)海圖系統(tǒng)中，最基本的是圖板坐標(biāo)和投影平面坐標(biāo)，其他坐標(biāo)系之間的變換需經(jīng)這兩個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行變換。例如屏幕邏輯坐標(biāo)到地理坐標(biāo)的變換要經(jīng)過屏幕邏輯坐標(biāo)到圖板坐標(biāo)的變換，圖板坐標(biāo)到投影平面坐標(biāo)的變換，投影平面到地理坐標(biāo)的變換三個(gè)變換。

4 結(jié)束語

海警在遂行維權(quán)執(zhí)法任務(wù)時(shí)，海上救援是其職能任務(wù)之一。救援的及時(shí)和高效是完成任務(wù)的重要因素，也是保障人民生命財(cái)產(chǎn)的重要體現(xiàn)。以救援任務(wù)為牽引，不斷加強(qiáng)救援訓(xùn)練特別是模擬訓(xùn)練的方式方法是應(yīng)急情況下的重要途徑。設(shè)計(jì)艦艇模型、艦載機(jī)模型以及艦機(jī)協(xié)同救援模型，構(gòu)建海警救援模型系統(tǒng)是訓(xùn)練海警應(yīng)急救援處置能力的重要平臺，是實(shí)現(xiàn)救援實(shí)戰(zhàn)化能力的重要途徑。

參考文獻(xiàn)：

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[6]袁萍.船舶運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建與驗(yàn)證研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2019，41（6）： 31-33.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2020-02-05

基金項(xiàng)目：武警部隊(duì)教學(xué)成果培育項(xiàng)目：海警艦艇指揮仿真系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)用;海警學(xué)院中心團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目：海警艦艇機(jī)動與戰(zhàn)術(shù)指揮仿真系統(tǒng)（項(xiàng)目編號：2018ZXTDB21）;科研基金項(xiàng)目：海警艦艇編隊(duì)維權(quán)方案風(fēng)險(xiǎn)評估（項(xiàng)目編號：2019JSLY06）

作者簡介：楊玉峰（1977-），男，山東成武人，副教授，碩士，研究方向?yàn)榕灤笓]仿真。