航海模拟器解决方案、船舶模拟器解决方案

2022-08-19 15:56:52 [ 中关村在线原创 ] 作者：济南站

一、建设任务

本次方案的建设内容为船舶操纵模拟器1套，其中包括教练员站1套，360度水平视角主本船1套（采用10通道投影显示），120度水平视角副本船2套（采用3通道液晶电视显示），视听监控设备4套。

二、总体性能

船舶操纵模拟器的总体性能达到以下指标：

1.符合STCW公约马尼拉修正案第A-1/12节“关于使用模拟器的标准”以及B-I/12“关于使用模拟器的指导”的要求，符合国家海事局颁布的“大型船舶操纵模拟器培训场地、设施、设备标准”，具备全任务、全功能模拟操作能力。满足国家海事局关于“船舶操纵、避碰和BRM”、“雷达标绘和ARPA”、“大型船舶操纵”训练等培训和评估项目对模拟器设备的相关要求。方案获取18611289150(微信)

2.各个本船均具有视景图像显示单元、电子海图单元、模拟雷达与ARPA操作显示单元、CONNING单元、模拟导航仪器单元，可以进行车、侧推器、舵、锚、拖轮和缆绳等的使用，抛锚时锚可以抓底并产生响应效果。各本船可以各自训练，也可相互对抗操练。

3.搁浅时检测水深，设置潮高后可以搁浅，高潮时可以脱浅。碰撞训练时视景不定格，仍可看到其它目标船的运动。

4.系统可以实时模拟航行环境，包括风、浪、流、浅水效应、岸壁效应、船吸和船推效应、外界运动和固定物标、码头、海岸等，可以模拟在不同水域、采用不同模拟本船船型进行单独或对抗航行、避让操作训练、靠离泊训练等。船在码头上带缆后，流的作用不会使本船有速度。

5.系统提供不少于20种的本船模拟船型（杂货船、散货船、集装箱船、油船、客船、滚装船、化学品船、超大型船舶、高速船、军舰、渔船、拖船、海洋石油支持船等），模拟船型操控响应数学模型为六自由度模型，准确性良好，模型调制充分考虑了船舶型线、装载、车舵操控、外界风流、水深、拖轮等影响：

船舶操纵数学模型中包括影响本船运动的各种效应；

主机、舵、侧推器、缆、锚、拖轮等的控制；

风、流等环境对本船的作用；

码头与本船的相互作用；

浅水效应、岸壁效应及船间效应；

船舶碰撞时船与船、船与岸效应。

6.系统可设置和跟踪控制的目标船数量和种类不受限制，其中特殊目标船模型有人的模型，以供人员落水时使用。目标船可临时添加和设置变向变速的功能，可以满足训练对目标船设置的要求。

7.系统可以设置不同的风、流、浪、能见度、雨、雪等环境要素和不同的船舶交会训练局面。

8.系统可以设置本船的多个故障训练项目，包括主机故障，锚机故障，绞缆机故障，随动舵故障，自动舵故障，罗经故障，雷达故障，计程仪故障，定位系统故障，风指示仪故障，航速表故障，舵角指示表故障，主机转速表故障，测深仪故障，AIS故障，侧推器故障，转舵速率指示表故障，水深指示表故障等。

9.本船的视景图像显示流畅，多通道视景图像的拼接良好。图像显示采用变形校正技术，使得视景图像逼真性良好。

10.系统的模拟训练数据记录完整、连续，可以回放和打印。

11.系统可模拟船舶驾驶台所需的各种航行、定位和通讯设备，包括雷达、无线电定位设施、操舵仪、车钟、雾号、测深仪、计程仪、甚高频无线电话、航海图书资料、航海日志以及其它必要设施和设备；

12.系统配备有视频与音频监控系统。

13.本模拟器系统具有方便的扩展能力，在现有配置的本船驾驶台基础上，可以通过增加硬件设备、新的软件模块以及软件系统配置，就可以增加本船数量，本船数量不受限制。

14.所有本船均具有增加视景系统视景通道的能力。同样的模拟器练习在各本船、及桌面系统上均能够运行。3条本船能够分别在独立的海区单独初始化及训练。

同时型船舶操纵模拟器还具有以下特色：

1．船模：具有高精度的六自由度船舶运动数学模型。

2．真实交通流接入功能：系统应能够扩展通过AIS接收机接入练习海域的实时AIS船舶交通流，并在ECDIS终端、雷达终端和三维视景中动态显示和查询目标船的各种动静态信息。

3．3D虚拟视景：视景系统采用先进的开源OpenSceneGraph三维引擎，动态实时生成逼真的视景图像，包括：本船、目标船、周围的物标、环境的影响、能见度及光照等的影响，视景中助航标志的形状和灯质、船舶的号灯号型严格按其有关规则显示。

4．本船摇荡与视景波浪运动匹配：在三维视景系统中，船舶的六自由度摇荡与波浪运动之间相互匹配和同步，船舶“随波逐流”大大提升了三维视景的沉浸感。

5．视听监控管理系统：能够将学生训练过程的音频、视频数据自动以学员信息命名和保存，并能够与模拟练习记录数据同步回放，准确关联相关操船动作。

6．灵活配置：系统采用模块化开发，可以根据用户需求灵活配置，并预留接口，用于兼容今后设计和开发的各种自动评估系统。

7. 全天候智能型航海模拟器：型船舶操纵模拟器可以扩展升级为“全天候智能型航海模拟器”，实现从一个港口到另一港口（跨洲际）的长时间连续航行，完成模拟实船的港到港航次任务，并在航行值班过程中让学员能够遭遇其今后实际航海职业生涯中可能遇到的各种情景（船舶会遇、船舶遇险、船舶碰撞、船舶搁浅、船舶机电故障、船舶溢油、火灾事故、船体破损、恶劣海况、海盗等），达到海上航行实习（模拟实习船）的效果，以提升航海类学生应对各种突发事故的能力，能够随时对环境和局面的变化做出及时反应和采取有效措施。

三、建设方案

本次建设的船舶操纵模拟器由教师站和3套本船组成，整体系统结构如图3.1所示，本系统软件拓扑图如图3.2所示：

图3.1船舶操纵模拟器实训室系统架构图

图3.2 系统软件拓扑图

3.1 教师站

教师站由1台主控制台计算机、1台目标船服务器、1台VHF收发机、1台内部电话、1台AIS接收机、1台打印机构成。

教师站包括教练员软件系统1套、目标船服务器软件系统1套、音视频监控软件系统1套。

教师站软件系统的性能指标详见本方案4.1节。

3.2 主本船1套

图3.3主本船效果图

如图3.3所示，主本船由集成机箱1套（7单元）、计算机4台、图形工作站10台、投影仪10台、船舶操控台1套（包括双车钟控制、罗经、随动舵轮、应急舵、驾驶系统控制面板、侧推器和声号控制面板、号灯和视角切换控制面板、缆绳和锚操作面板等）、仿真仪表系统1套、报警面板1套、1台三面舵角指示器、1台VHF收发机、1台内部电话等构成，所有控制面板采用液晶屏以增强系统升级的兼容性，这些设备的详细技术参数请参阅设备清单。

如图3.2所示，本船包括ECDIS软件系统1套、模拟雷达软件系统2套、望远镜软件系统1套、CONNING软件系统1套、导航仪器模拟系统1套、GMDSS模拟系统1套和三维视景软件系统1套。这些软件系统的性能指标详见本方案4.2节。

3.3 副本船2套

如图3.4所示，副本船由集成机箱1套（7单元）、计算机4台、图形工作站3台、液晶电视3台、船舶操控台1套（包括双车钟控制、罗经、随动舵轮、应急舵、驾驶系统控制面板、侧推器和声号控制面板、号灯和视角切换控制面板、缆绳和锚操作面板等）、仿真仪表系统1套、报警面板1套、VHF收发机1台、内部电话1台等构成，所有控制面板必须采用液晶屏以增强系统升级的兼容性，这些设备的详细技术参数请参阅设备清单。

副本船包括ECDIS软件系统1套、模拟雷达软件系统1套、望远镜软件系统1套、CONNING软件系统1套、导航仪器模拟系统1套、GMDSS模拟系统1套和三维视景软件系统1套。这些软件系统的性能指标详见本方案4.2节。

产品实物图

四系统软件性能

4.1教师站

教师站包括教练员软件系统1套、目标船服务器软件系统1套、音视频监控软件系统1套。教练员软件系统配置主控制界面和信息显示界面，配备与各本船通信的相关设备。供教练员设置练习项目，监视和控制训练过程，记录运行数据，输出训练结果等。其主要功能如下：

1、训练项目设置。即编制新练习项目，将训练项目的初始情况预先编制并存档。数目没有限制。可随时调用任一已设置的练习。

2、可设置训练水域。

3、可设置本船和他船船型。

4、可实时监控和调整的本船数量和目标船数量不受限制。

5、可显示本船及目标船状态、运动数据及有关避碰参数。

6、可设置训练环境，如风、流、浪、能见度、雨雪等。

7、可设置全天候船舶训练环境：根据需要设置昼夜亮度变化、不同能见度。

8、可控制训练过程，根据训练需要在不暂停练习的情况下可以增减目标船和快速改变现有目标船运动参数。

9、系统具有多种数据记录，具有冻结、事后重演和打印等功能。

10、可设置多种故障、恶劣气候、危险情况下的应急操作。

11、可输出训练结果硬拷备，如本船与目标船的运动轨迹等。

12、控制台程序可设置和控制目标船的计划航线。

13、控制台软件采用多文档架构，各本船能够分别在独立的海区单独初始化及训练。

14、标准电子海图显示。

图4.1 MTI教练站软件截图

图4.2 目标船服务器软件截图

图4.3 音视频监控软件截图

4.2 本船端

本船的驾驶台设备和实船设备在外观上和操作上都基本相似。所有设备和仪器都应具有完全的操作功能和所有的正常功能。

4.2.1 本船驾驶台驾驶操作面板配置

本船驾驶台驾驶操作面板配备有双车钟控制、罗经、随动舵轮、应急舵、驾驶系统控制面板、侧推器和声号控制面板、号灯和视角切换控制面板、缆绳和锚操作面板、仿真仪表系统等，所有控制面板必须采用液晶屏以增强系统升级的兼容性。

操舵控制：配有操舵舵轮以及相关装置，可进行随动舵、应急舵和自动舵操作。

罗经：配有模拟罗经指示器实时显示船舶航向。

舵轮指示：配有舵角指示器指示舵轮位置、舵角：-35～+35度。

仿真仪表系统：配备双车的主机转速表、舵角表、航速表、旋转速率表、水深表和风向/风速表等。

号笛：设有手动、自动声号控制按钮。

号灯和视角切换控制面板：可控制航行灯的开/关，可以多角度实时切换三维视景的视角。

图4.4-A 液晶屏式操舵控制面板

图4.4-B 液晶屏式号灯和视角切换控制面板

图4.4-C 液晶屏式侧推器与声号控制面板

图4.4-E 液晶屏式拖轮控制面板

4.2.2 本船端软件功能本船端在软件上配置以下单元：

u 标准电子海图终端单元

u 模拟雷达/ARPA单元

u CONNING终端单元

u 导航仪器终端单元

u GMDSS模拟终端单元

u 三维视景系统单元

这些应用软件单元符合STCW公约马尼拉修正案第A-1/12节“关于使用模拟器的标准”以及B-I/12“关于使用模拟器的指导”的要求，具备全任务、全功能模拟操作能力。其中：

1. ECDIS终端具有如下功能：

u 基本功能：海图漫游、海图自动加载、海图自动拼接、海图缩放、海图旋转，不同运动模式和显示模式的快速切换，背景光调节、航行信息实时显示、航迹显示和预测；

u 支持符合S-57、S-63标准的ENC；

u 海图安装与更新：可查询和显示海图基本信息；能模拟海图更新过程；

u 海图显示标准化：按照ECDIS的显示标准（S-52海图物标显示标准）显示海图物标，能进行安全水深、浅水水深和等深线安全阈值的设定，提供海图基本、标准和全部物标显示级别切换模式，提供等深面颜色设定与海图图层选择性显示，并可以根据环境光变化进行白天、傍晚和夜间海图模式的切换，提供复杂边界和简单边界以及传统符号与标准符号的选择显示，方便不同用户安全导航的需要；

u 航线设计：可以手动输入航线设计专用表格栏或直接在电子海图上绘制航线、自动生成可手动编辑、可对航线进行自动安全检测、可根据用户输入的初始数据进行自动计算的航次计划列表、具备航线转向点列表和航次计划列表打印导出功能。航线设计工具功能强大，可以通过鼠标快速插入、删除和移动航路点或在航线设计专用表格中通过鼠标滚轮快速更改航路点信息进行航线的调整，当改动一个航路点信息将自动更新整条航线的其余信息。

u 警告和警报功能：能实时的监测各种信号传感器的状态、船舶位置、航行数据等，当超过设定安全值或状态时就会以声光方式报警或提示驾驶员，并提供详细的说明；遵循ECDIS软件性能标准（MSC 232（82））中关于警报警告的所有项目（如穿越特殊区域、比例尺过大、陆地与航标检测等）进行软件实现。

u 航路监视和航行监控：可对加载航线进行自动航路监视和手动转向点选择监视，并提供船舶偏航警报、转向点到达警报、航路目的地到达警报、特殊区域到达警报。可以进行船舶领域的动态监测，对航行区域内根据标准规定的某些特殊区域进行设定，当打开这些开关后即可激活相应的警告和警报功能。

u 物标查询功能：可进行海图物标查询、AIS物标信息查询。物标查询在海图上可高亮显示便于用户直观查看，AIS物标查询结果以清晰明了的对话框显示，所查询AIS物标高亮显示。

u 传感器设置：集成模拟AIS、GPS、罗经、计程仪，测深仪、雷达等船用导航设备的数据、可进行模拟雷达图像和（或）物标叠加。

2. 模拟雷达具有如下功能：

雷达/ARPA模拟系统逼真模拟BR3440和JMA9100系列真实型号雷达/ARPA的功能，教练员能够将其他本船包括在自己的雷达显示系统里，在雷达显示系统上的本船作为目标船来处理。

雷达模拟器能给出逼真的雷达图像，并至少具有下列功能：

u 生成岸线及内陆陆地和导航标志

u 逼真地显示高潮和低潮时的陆地雷达画面

u 根据不同的船型和船舶大小，至少能够显示100条船舶的雷达回波

u 取决于天线高度而产生的地平线效应

u 雷达回波的层次取决于目标的距离和材质

u 对于不同的脉冲长度，具有不同的雷达回波效应

u 能够在雷达显示器上画四条水平参考线

u 具有根据海浪大小生成的海浪杂波

u 雨雪杂波

u 各种干扰

u 可调节的EBL（电子方位线）和 VRM，并具有偏心显示功能

u 具有接收机噪声

u 雷康，包括正确的莫尔斯码识别

u 旁瓣效应

3. 导航仪器模拟终端包含GPS、AIS、计程仪和测深仪等导航仪器设备各一种主流机型，并与ECDIS模拟终端联动，即ECDIS模拟终端中本船的相关动态数据应该来自模拟的GPS、AIS、计程仪和测深仪，并且模拟的GPS、AIS、计程仪和测深仪的动态数据应该与模拟本船的航行动态数据保持同步，以模拟船舶驾驶台各种设备之间的数据通信，产生实时的模拟航行环境。当模拟的GPS、AIS、计程仪和测深仪出现故障时，ECDIS终端能够给出相应的警报。

4. 系统能够通过AIS接收机接入练习水域的AIS船舶交通流，系统应能够扩展通过AIS接收机接入练习水域的实时AIS船舶交通流，并在ECDIS终端、雷达终端和三维视景中动态显示和查询目标船的各种动静态信息。（需要选配AIS接收机）

5. 三维视景系统具备24小时天空环境连续变化功能，其星空变化、太阳方位/高度要与天文历基本一致；可以模拟海上各种典型天气现象（云、雨、雪、雾等并配有相应声效）；可以模拟波浪破碎的效果；具有拖轮的视景模型；航标严格按照电子海图中航标数据生成，并按照灯质属性动态显示；本船号灯号型可以自主控制，船舶号灯能按照舷角规定显示；本船具有手动和自动施放雾号功能；本船配有主机、抛锚等声效。系统能正确显示锚链、缆绳受力及收放情况；具备引水船和直升机派送功能，可一键生成目标引水船和直升机，并自动靠泊、悬停本船（无需教练员中间介入调整目标船或直升机航向航速）；波浪仿真要素根据波谱计算得到，至少支持三种以上波谱模型，且通过教练员软件系统可随时在线切换波谱；太阳、月亮和其他恒星可按星历真实运动实时变化。

6. CONNING终端（船舶综合数据显示系统）包括航行基本信息（包括船位、航向、对地航速、对水航速、转头率、舵角、主机转速、风、流、水深等）、航行监控（除基本信息外，突出显示航线监控动态、航迹偏差等）、靠泊动态（除基本信息外，突出显示船首尾横移速度、侧推器动态等）、操纵效率（除基本信息外，突出显示船舶姿态、稳性、自动舵参数，以及船首向、舵角等历史数据）和引航卡（包括船舶基本资料、操纵性试验数据、船型说明和船舶图片）等模块。

7. GMDSS模拟终端可以和模拟器联网运行，从模拟器中实时获取各船舶的位置航向速度等信息。GMDSS符合1974年国际海上人命安全公约（SOLAS）的1988年修改生效的新IV章和国际电信联盟（ITU）1987年世界无线电大会修改的《无线电规则》新九章的规定。GMDSS模拟器依靠软件仿真技术，在PC机上实现GMDSS相关设备（包括INMARSAT-B、INMARSAT-C、SSB、MF/HF DSC、NBDP、VHF、VHF DSC、NAVTEX、SART、EPIRB、F站）的模拟。