轮船智能操作模拟器的设计与实施外文翻译资料

本科生毕业设计（论文）外文翻译

设计（论文）题目： 智能船舶的应用与发展研究

2016年2月28日

轮船智能操作模拟器的设计与实施

摘要：由于传统船舶操作模拟器中的靶船没有自动避让其他船舶的能力，本篇论文提出一个新的想法：运用液压私服平台，船舶运动六自由度数学模型，实际交通流量和基于最新船舶操作模拟器新模式的自动反碰撞的搜索结果成功开发了JMU-1智能船舶操作模拟器（缩写为JMU-1）。JMU-1实现了日常训练中的靶船能够智能地根据一般海上航行习惯和1972年制定的国际海上碰避公约来航行，这些更接近海上的真实航行情况。这篇论文着眼于介绍系统框架、功能设计以及JMU-1的多项创新技术。

关键词：船舶操作模拟器；智能靶船;液压私服平台;船舶运动六自由度数学模型;IO完成端口;OSG3D图形开发库。

1引言

随着科学技术的快速发展，计算机应用技术已经渗透于生活的各个领域。虚拟现实系统和现代导航的研究创造了船舶操作模拟器。船舶操作模拟器是一个多学科仿真系统，它包括计算机技术、计算机制图、计算机视觉技术和现代导航等。然而，通过分析目前国内外各种类型的船舶操纵模拟器，我们会发现一个通病，模拟训练中的靶船没有智能导航，而且它只能根据已设计的路线与既定的航向和航速航行并且不会根据1972年制定的国际海上碰避规则公约和航行习惯来避让其余船舶。这将导致其他船员对于1972年国际海上碰避规则公约的理解产生偏差并且当他们执行反碰撞计划时经常违背实际导航规则，也就是说，船员们经常在自己责任范围外为其他船只让路以避免碰撞，这无疑导致海上训练模拟器的价值产生了很大的折扣，不利于培养船员掌握正确、良好的航海技术。

目前，国内自主研发船舶操纵模拟器不配备液压伺服平台，只是依靠3D可视化来模拟船的摇摆变化，这样就不能真正的模拟和表现受外部影响如波浪等的船舶运动。

针对传统船舶操作模拟器的不足以及对于模拟器科学研究的更高要求这一事实，结合虚拟现实技术、自动控制理论、信息处理、人工智能、决策技术、分散式计算等高科技技术和航海技术，本篇论文提出了一个新想法：运用液压私服平台，船舶运动六自由度数学模型，实际交通流量和基于最新船舶操作模拟器新模式的自动反碰撞的搜索结果成功开发了JMU-1智能船舶操作模拟器（简称JMU-1）。下面的论文将会着眼于介绍系统框架，功能设计以及JMU-1运用的多项创新技术。

2系统框架

如图1所示，JUM-1是由一个模拟控制服务器、一个智能靶船计算服务器和若干己船计算机组组成。通过靶船、己船和控制台之间的互动，JUM-1能实现诸如编辑模拟演习、控制系统操作、标记所有的靶船与己船、以及模拟海洋 VHF 通信等功能，以下是JMU-1系统功能的进一步说明：

A模拟控制服务器的主要功能

1. 显示电子海图。
2. 和所有己船、靶船通信。
3. 编辑训练情景，即设置遇到过的情况，包括：

选择一种类型的实践、海域和海图序号等；

选择己船的类型、名称和装载条件，设置己船的初始位置、航向和航速（或计划路线），最初的铃声和控制方法（手动控制或自动导航）等。

六自由度液压运动平台

液压控制平台模型

智能航行

转向硬件

转向软件

控制船舶的模型

3D虚拟场景

己船计算机组

智能

目标船舶服务器

模拟控制服务器

己船计算机组

己船计算机组

模型编辑

DMI 单元

自操作单元

ARPA仿真

船舶数学模型

电子海图显示系统

图1 JMU-1的系统框架

设置目标船，包括靶船名称和类型的选择，靶船航速、航线、转折点以及

设置航行环境，包括风，航流，海浪和能见度等。

④保存和打开系统文件。

⑤发送模拟情景给所有己船计算机和靶船的服务器并启动模拟。

⑥暂停或结束模拟。

⑦记录，回放和打印模拟过程。

⑧模拟船舶再海上遇到的情景并能够将船舶添加到任意演戏情景中以便己船能够继续遇到靶船。

B.智能靶船服务器的主要功能

①显示电子海图。

②同控制台和所有己船通信。

③自动导航功能，即按照计划路径自动航行并通过航向和轨迹监测模块自动校正。综合决策模块来支持自动防撞系统的使用，将再面对碰撞危险的时候自动调用并且靶船会根据1972国际海上碰避公约和通用驾驶技术自动地避让其余船舶。

④综合显示航行与环境信息的功能。

⑤自主研发的单元是操纵靶船模拟数学模型的运算功能。

⑥接收模块是为模拟海域实时交通流量设计的，用于接受通过AIS模拟的实际海域船舶航行的所有船舶的动态和静态信息。

C.己船的主要功能

①显示电子海图。

②同控制台和靶船服务器交流并能直接与所有己船沟通。

③手动操纵船舶，并可以使用软件界面和硬件控制台来操作船舶。

④自动导航功能，即按照计划路径自动航行并通过航向和轨迹监测模块自动校正。综合决策模块来支持自动防撞系统的使用，将再面对碰撞危险的时候自动调用并且己船会根据1972国际海上碰避公约和通用驾驶技术自动地避让其余船舶。

⑤综合显示航行与环境信息。

⑥您可以选择自主研发的或者DMI船舶模型计算单元来操纵己船数学模型的运算。

⑦模拟ARPA系统（自动雷达标绘仪）。

⑧3D虚拟场景生成与显示系统。

⑨六自由度液压私服系统。

3 创新及其安装（实施）

1. 智能靶船的功能

传统船舶模拟器有一个缺点是只能基于预定的路径航行。如果靶船作为避让船舶遭遇其余船舶有碰撞危险时，它可以不按照规则履行避让义务但必须保持原有的航向和速度，然后己船系统必须采取措施已避免碰撞，这会导致学员对1972公约的理解产生误差并无法得到良好的航行培训。所以作者的团队采用了PIDVCA理论体系（拟人船舶避让智能决策，这里简称为PIDVCA）对船舶操纵模拟器进行了近20年的研究并且实现了靶船能够根据公约智能的避让障碍物和其他靶船。

PIDVCA提供了船舶防撞模型，船舶防撞的决策算法和形成的决策的评价系统作为机器学习的表示和决策标准。在推理工具预先建立的集成推理机制的控制下，机器学习环节使用集成机器学习策略来建立动态避让数据库，数据库基于船舶基本信息，目标信息的实时反馈，预先建立和设计的防撞模型以及决策算法和智能防撞数据库。通过综合性知识表示的智能程序作为主体，动态避让数据库将数据库表示的常识性知识，生产规则表示的因果关系知识以及元知识体现的决策知识放在一起并且实现了自动采集动态避让数据库，准确预估潜在的动态风险标准和阀值测定，确定和预测潜在的危险以及自动生成，检查和优化决策执行计划。

B.六自由度液压伺服系统

在船舶操纵模拟器的研究中，作者所属的团队第一次在中国引进了六自由度液压伺服系统，这个系统用来模拟船舶再海浪中的运动并且能够真实的反映船舶再海浪中“就跟着人群走”的运动情况。如果你仅依赖可视化仿真这是很难达到的。在模拟过程中，数学模型将船舶运动分为由船舶自身引起的船舶自扰动和由海浪，季风等外部干扰引起的船舶扰动。六自由度液压平台模块的驱动程序包将DMI船舶模型单元或自行开发的船舶模型单元通过坐标系统变换为与六自由度液压平台坐标系一致的数据包，然后将数据包通过特定通信协议的数字接口发送到液压平台上紧接着平台执行所有的命令，因此所有的学员都被真正震撼到了。船舶自身运动采用自主研发的三维场景生成模块进行仿真，该模块由creator建模工具和基于OSG和具有现实意义三维效果的三维模型驱动引擎产生。该模块能够满足实时仿真的要求。

C网络通信模型

随着互联网的发展，网络通信的应用不断增多而且数字接口是网络通信中的一种技术。插口是一种网络编程接口而Winsock是windows平台的API，它已经延伸成为一个特殊的窗口。在基于Winsock的网络通信应用中，通信两个过程之间相互作用的主要方式是C/S模块，即客户端发送连接请求到服务器，然后服务器接收连接请求并建立一个虚拟连接。在建立连接后，服务器接收来自客户端的数据并提供相应的服务。客户端和服务器程序的功能是非互惠的，而且服务器通常需要为多个客户端提供服务，特别是一些公共的服务器，代理服务器，大型网络游戏服务器等等经常为数以千计的客户端提供服务。可能发生成百上千的客户同时连接的情况。对于这样大规模的网络通信，经常发生服务器端出现多个客户端拥挤的问题，以及在设计系统时考虑如何不损失产品的性能并为多客户端提供服务的情况。操作系统基于windowsNT的IOCP完成端口，是一种高效的处理内核。我们可以利用这个机制来管理Winsock通信，这是一种有效的解决方案。

IOCP是微软为Windows提供的高效处理各种设备I/O的机制。这个设备可以是一个文件，命名的线路，接口，串行或并行端口等。与计算机的其他操作相比，装备I/O是最慢和最不可预测的操作之一。除了各种I/O设备自身的特点，微软抽象出一个可以使非I/O处理和I/O处理的并行操作的机制，因此使CPU的利用率大大提高。

UDP客户端

IOCP 客户端

控制台

IOCP 服务端

IOCP 服务端

UDP靶船端

IOCP 靶船端

目标船舶

己船

图2 JMU-1系统框架

如图2所示，JMU-1由模拟控制服务器，一个只能靶船计算服务器和若干已船计算机组组组成。它们用局域网链接彼此。JMU-1的基本结构采用C/S模式，但这不是为了限制它。在服务器这端有两个服务端口，一个是通过TCP/IP协议控制的完成端口另一个是基于UDP的广播端口。同样还有两个客户端口，一个是通过TCP/IP协议的完成端口而另一个是基于UDP的广播端口。在沟通中主要有两种类型的信息，一种是每个客户发送不同的内容（例如初始信息中，每个传播对于某些信息的参数是不同的），由于控制台的特殊功能这类信息需要通过控制台的IOCP并且这不是实时消息，这些信息中的大部分发送时间是有限的，这样就不会给网络带来太多负担。另一种是每个客户都收到的实时信息，这些信息有同样的内容（例如船舶位置，船舶航速，船舶航向）并且是由UDP广播端口发送的实时消息。这种网络体系的结构会尽可能的减少服务器的网络负载，并同时利用IOCP大容量的特点，这是解决智能船舶模拟器网络通信的较好的方案。

D.DMI六自由度船舶数学模型

在JMU-1的研究中，我们引进了由丹麦FORCE科技公司研制的六自由度船舶数学模型，包括DEN-Mark1的DMI船舶模型驱动，船舶模型编辑器以及船舶模型库。集成了DEN-Mark1的JMU-1，主要实现了船舶模型的动态参数计算。然后这些动态参数由通过DMI自定义消息协议发送给JMU-1中的模型编辑器。这些工作的关键是了解DMI信息的定义和消息的发送原理。

E.实时船舶交通流量

对船员培训来说，在演戏海域快苏的了解交通流条件是非常重要的然后熟悉和掌握船舶航道和船舶的分布情况，这将有助于学员建立全球安全理念。因此，在JMU-1的研究中，我们设计了一个在模拟海域实时接受交通流信息的模块。该模块用来接受由AIS模拟的所有实际航行于模拟海域的船舶的动态和静态信息然后通过网络向所有己船播放信息。它实现了实时显示模拟器中的模拟海域的实际船舶流量，来让学员在不出海的情况下体验到海上真实的交通环境。

4 JMU-1的实施

基于上述系统框架和功能设计，并采用面向对象的技术，我们在VisualC 6.0平台上开发JMU-1只能船舶模拟器并且实现了所有的设计功能（如图3.4.5.6）

图3.JMU-1控制台软件截图 图4.JMU-1己船软件截图

图5 JMU-1智能船舶操作模型

图6.六自由度液压私服平台

本文在世界上首次讲人工只能技术应用到船舶模拟器中，并实现了靶船可以根据规则避让障碍物和其他船舶创新。并且JMU-1是中国首例在船舶操纵模拟领域应用六自由度液压伺服平台的装置，又将通过船舶运动数学模型的动态参数计算分为由船舶自身引起的自扰动和由海浪和风影响的外力引起的扰动。此外，基于OSG的独立3D引擎在海浪和地形等效果方面比传统3D引擎有很大提高。

<p

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</p

---

资料编号：[153145]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word