朱鐵櫻，駱 爽，潘光永

（1.金華市現(xiàn)代制造與材料高新技術(shù)研發(fā)中心，浙江 東陽(yáng) 322100；2.浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，浙江 東陽(yáng) 322100）

0 引言

航海過程中，安全問題最受關(guān)注，隨著智能導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，可為船舶的安全航行提供更好的保障。為了建立完善、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)，需要對(duì)導(dǎo)航方案、系統(tǒng)性能等各方面進(jìn)行大量、重復(fù)性的測(cè)試并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化。

為了節(jié)省時(shí)間、減少成本，需要對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。程章等[1]設(shè)計(jì)了一種模塊化的船舶慣性導(dǎo)航仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)仿真研究。昌攀[2]開發(fā)了基于多源導(dǎo)航信息的三維輔助導(dǎo)航仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模擬仿真的基本功能。祝中磊等[3]設(shè)計(jì)了一種新型導(dǎo)航系統(tǒng)模擬仿真平臺(tái)，可用于艦船信息算法的設(shè)計(jì)、分析等。

本文基于人機(jī)交互技術(shù)，設(shè)計(jì)一種智能導(dǎo)航仿真模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)航行過程中的狀況進(jìn)行仿真分析，本文對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行研究。

1 人機(jī)交互技術(shù)

人機(jī)交互（Human-Computer Interaction，HCI）是指關(guān)于設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)供人們使用的交互式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及相關(guān)研究的科學(xué)技術(shù)。人機(jī)交互是計(jì)算機(jī)科學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)相結(jié)合的技術(shù)，同時(shí)還涉及到生物學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)等。

人機(jī)交互系統(tǒng)是一個(gè)具有特定功能的整體，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由人、機(jī)、環(huán)境3 個(gè)部分組成，是一個(gè)閉環(huán)人機(jī)系統(tǒng)。顯示器用來顯示整個(gè)人機(jī)交互過程中的操作過程情況，操作者首先通過視覺、聽覺等獲取顯示器上的各種信息變化，經(jīng)過分析和解釋作出相應(yīng)的人工決策，再通過控制方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互過程的調(diào)整。

圖1 人機(jī)交互系統(tǒng)Fig.1 Human-computer interaction system

以上人和機(jī)器之間的信息交流都發(fā)生在人機(jī)界面上，其功能主要包括顯示和控制，因此人機(jī)界面的合理性設(shè)計(jì)直接關(guān)系到人機(jī)交互的效果。隨著人工智能、計(jì)算機(jī)視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展和成熟應(yīng)用，人機(jī)界面在自然化、人性化、高科技化等方面都得到了很好的發(fā)展。

2 基于人機(jī)交互技術(shù)的船舶智能導(dǎo)航仿真模擬系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

本文基于人機(jī)交互技術(shù)，建立船舶智能導(dǎo)航仿真模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 基于人機(jī)交互技術(shù)的智能導(dǎo)航仿真模擬系統(tǒng)Fig.2 Intelligent navigation simulation system based on human-computer interaction technology

根據(jù)電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（Electronic Chart Display and Information System，ECDIS），建立航線數(shù)據(jù)庫(kù)，航線表包括航路點(diǎn)經(jīng)度、緯度，航線序號(hào)等。在仿真模擬時(shí)，可以隨機(jī)選擇其中一條航線，自動(dòng)讀取相關(guān)航路信息。

在仿真模擬時(shí)，要調(diào)取船舶模型數(shù)據(jù)、航向航速、海況信息等多類數(shù)據(jù)，以便得到最全面、可靠的模擬仿真效果。

人機(jī)交互界面中，除了基礎(chǔ)的時(shí)間、日期等數(shù)據(jù)外，要實(shí)時(shí)顯示航線序號(hào)、航速航向、導(dǎo)航信息、海況信息等。同時(shí)，還可以根據(jù)仿真模擬的需要，實(shí)現(xiàn)對(duì)航線、航速等數(shù)據(jù)的在線修改。船舶航行的航跡信息能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)保存，可用于仿真模擬時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比及分析。

2.2 總體設(shè)計(jì)方案

2.2.1 硬件模塊

根據(jù)系統(tǒng)組成，整個(gè)仿真模擬系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息顯示、船舶狀態(tài)設(shè)置、通信等多種功能，同時(shí)還需要有實(shí)時(shí)的人機(jī)交互界面，整體可以分為以下幾個(gè)模塊[4]：

1）人機(jī)交互模塊。人機(jī)交互界面需要具有良好的實(shí)時(shí)性、可操作性，要符合人性化、自然化的特點(diǎn)。操作者在仿真模擬過程中對(duì)參數(shù)的設(shè)定、修改主要在人機(jī)交互界面上完成。在人機(jī)交互界面上，要實(shí)時(shí)顯示船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、導(dǎo)航信息、海況信息等。

2）船舶運(yùn)動(dòng)軌跡仿真模塊。根據(jù)利用對(duì)象化的設(shè)計(jì)思想，船舶運(yùn)動(dòng)軌跡仿真模塊還可以再細(xì)分為多個(gè)模塊，這些模塊之間并沒有直接聯(lián)系，只是通過各個(gè)函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)通信。操作者在輸入目標(biāo)航向、速度等初始參數(shù)后[5]，選取細(xì)分之后的各個(gè)模塊進(jìn)行組合，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)軌跡。

3）仿真驗(yàn)證模塊。主要是對(duì)仿真模擬系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并生成相關(guān)的導(dǎo)航信息，再反饋至仿真模塊，得到數(shù)據(jù)間的誤差。信息顯示模塊主要顯示仿真模擬中各方面的數(shù)據(jù)。

4）通信模塊。需要實(shí)現(xiàn)仿真模擬系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的傳輸、共享，由于船舶仿真模擬系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)傳輸大量的數(shù)據(jù)，選用UDP（User Data Protocol）協(xié)議，UDP是面向非連接的協(xié)議，不需要與對(duì)方建立連接，利用時(shí)鐘函數(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，具有較好的傳輸速度和傳輸效率[6]。

2.2.2 軟件基礎(chǔ)

根據(jù)系統(tǒng)總體功能，利用OpenGL、MFC、ActiveX控件等技術(shù)，設(shè)計(jì)出功能齊全的船舶智能導(dǎo)航仿真模擬系統(tǒng)。仿真模擬系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL（Dynamic Link Library）和ActiveX 控件的應(yīng)用。DLL有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和傳輸，提高內(nèi)存的使用效率。ActiveX 控件主要用來完成某一個(gè)或某一組任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)時(shí)間日期顯示、數(shù)據(jù)通信等功能。

2.3 運(yùn)動(dòng)模型建立

2.3.1 船舶運(yùn)動(dòng)方程

本文建立的運(yùn)動(dòng)方程的坐標(biāo)系如圖3 所示，X0Y0Z0O0為固定坐標(biāo)系，XYZO為船舶運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，O為船舶的重心。

圖3 船舶運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系Fig.3 Coordinate system of ship motion

圖中，u、v、w分別表示船舶的橫向速度、縱軸速度、垂蕩速度；p、q、r分別表示船舶的首橫搖角速度、縱橫搖角速度、搖角速度；ψ表示航向角；δ表示舵角。

基于牛頓第二定律和動(dòng)量守恒定理，采用分離式模式，建立船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型：

式中：X、Y、Z分別為船舶所受外力（包括水動(dòng)力、空氣動(dòng)力等）的總和；K、M、N均為外部動(dòng)量總和；Ixx、Iyy、Izz均為船舶的慣性張量。

同時(shí)，還可以根據(jù)固定坐標(biāo)系和船舶運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，以及2 個(gè)坐標(biāo)系中速度分量推導(dǎo)出船舶運(yùn)動(dòng)的軌跡方程：

式中，?為船舶橫傾角。

2.3.2 船舶所受力和力矩

船舶所受力和力矩包括船體力和力矩、舵力和舵力矩、螺旋槳力和力矩，使用的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為：

根據(jù)式（3）可以計(jì)算船體所受的流體力和力矩。其中，R為流體阻力；U為船舶速度；ρ為水密度；W、GM分別為船舶的排水量和船舶重心高度。

船舶受到的舵力和力矩的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為：

式中，F(xiàn)N為舵的法向力。

船舶受到的螺旋槳推力和扭矩的表達(dá)式為：

式中：t為推力減額；nP為螺旋槳轉(zhuǎn)速；DP為螺旋槳直徑；KT、KQ、JP分別為推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和進(jìn)速系數(shù)。

2.3.3 海浪方向譜

船舶的運(yùn)動(dòng)不僅要考慮上述的船體力、舵力和螺旋槳力的作用外，還要考慮海上的外界因素，如浪、流等影響。為了更好地進(jìn)行仿真模擬，得到更可靠的數(shù)據(jù)，需要對(duì)海浪進(jìn)行研究。

海浪可以看成一種不規(guī)則波，目前，應(yīng)用相對(duì)比較廣泛的Pierson-Moskowitz（P-M）譜，表達(dá)式如下：

為了更加真實(shí)地研究海浪對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響，引入海浪方向譜，結(jié)合P-M 譜，得出船舶的響應(yīng)譜：

式中：μ為主波向和所求方向譜方向之間的夾角；H(w)為傳遞函數(shù)。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成，構(gòu)建基于人機(jī)交互技術(shù)的船舶智能導(dǎo)航仿真模擬系統(tǒng)，圖4 為人機(jī)交互界面顯示的部分信息。

圖4 人機(jī)交互界面顯示的部分信息Fig.4 Part of the information displayed in the man-machine interface

可以看出，該系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)仿真模擬過程中的信息交互。在此界面上，操作者可以完成對(duì)仿真模擬參數(shù)的設(shè)置和修改。

在整體功能實(shí)現(xiàn)的情況下，進(jìn)行船舶航行過程中的仿真模擬實(shí)驗(yàn)，圖5 為模擬過程中的偏航角和航行速度誤差。

圖5 導(dǎo)航誤差結(jié)果Fig.5 Results of navigation error

可以看出，在模擬過程中，隨著航行距離的不斷增大，偏航角和航行速度的誤差均在可控范圍內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于人機(jī)交互技術(shù)，構(gòu)建了船舶智能導(dǎo)航仿真模擬系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)實(shí)時(shí)交互，仿真模擬的誤差均在誤差范圍內(nèi)，能夠?yàn)閷?dǎo)航系統(tǒng)提供更加可靠的參考數(shù)據(jù)，保證船舶的安全航行。