基本信息
- 项目名称：
- 6DOF船舶智能操纵模拟器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 6DOF智能型船舶操纵模拟器包括以下几个基本组成： 仿真控制服务器； 智能目标船运算服务器； 若干具有高精度、可编辑船模、可扩展的本船端。本船端包括电子海图、船模解算、模拟ARPA、三维视景、船舶控制、避碰决策自动教学演示和液压驱动等模块，可分为带液压平台的三维视景终端、普通三维视景终端和桌面终端。
- 详细介绍：
- 目的： 为了实现模拟器中目标船不具备按照《规则》避让它船的能力，同时更加真实的模拟船舶航行环境包括动态环境和静态环境，从而达到全面训练学员的判断能力。 基本思路： 针对传统船舶操纵模拟器的不足以及STCW公约马尼拉修正案对船舶操纵模拟器提出的更高需求的客观事实，本项目将虚拟现实技术、自动控制理论、信息处理技术、人工智能技术、决策技术以及分布式计算等高新技术与航海技术相结合，提出了将六自由度液压伺服平台、六自由度船模、自动避碰成果、AIS实时交通流等引进新型船舶操纵模拟器的研发中，自主研发了6DOF智能型船舶操纵模拟器。该模拟器实现了目标船能根据当时的船舶交通会遇态势按照《1972年国际海上避碰规则》 （以下简称“规则”）或者海员习惯做法进行智能航行，使得模拟航行态势与实际更加接近。除此之外，本项目还利用OpenScenceGraph技术（简称OSG）对船舶操纵模拟器视景系统进行三维驱动，增强了模拟器的视觉效果和仿真度，与同类产品相比，我们的视景系统具有引擎先进、模块清晰、效果逼真等优势。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 创新点： 当前国内外使用的船舶操纵模拟器普遍存在一个致命的缺陷，模拟训练中增加的目标船都不具备航行智能性，这些目标船只能根据既定的设计航线按照一定的航向和航速行驶，而不会按照避碰规则和海员通常做法行使让路船的责任。要达到全面训练学员的判断能力的目的，使用这种“不遵守规则”的目标船显然是不够的。本项目所提交的6DOF智能型船舶操纵模拟器具有智能目标船功能，使目标船也能够按照《规则》或航海习惯自动避让，实现真正意义上的人机对抗练习。 本项目集成了当前世界上最先进的六自由度船模之一，即丹麦Force Technology公司的DEN-Mark1六自由度船模驱动程序及其船模库与ShipYard船模编辑器。在此基础上，本项目在国内首次将六自由度液压伺服运动平台引入到船舶操纵模拟器的开发中，利用六自由度船模输出的船舶运动状态信息，驱动六自由度液压平台，来模拟船舶在风、波浪、流等外界干扰下的首摇、横摇、纵摇、横荡、纵荡和垂荡运动，逼真地体现船舶在海浪中的真实运动状态，使学员有全真的摇晃感受。而船舶在车、舵控制下的自主运动则利用自主研发的三维视景生成模块来模拟，该模块使用Creator建模工具和基于开源OpenSceneGraph研发的三维引擎驱动模型来实现， 三维效果逼真，系统反映快速，能够达到航海仿真中实时性的要求。基于OpenSceneGraph的自主三维引擎在海浪、地形等方面比传统三维引擎有较大的提高，并且解决了自主知识产权的老问题。
科学性、先进性
- 如上述创新点所阐述，针对传统船舶操纵模拟器的不足以及STCW公约马尼拉修正案对船舶操纵模拟器提出的更高需求的客观事实，6DOF智能型船舶操纵模拟器创新性地解决了以下技术问题： 智能目标船功能，实现了真正意义上的人机对抗练习。 将六自由度液压伺服运动平台引入到船舶操纵模拟器中，更加逼真地体现船舶在海浪中的真实运动状态。 在模拟器中接入真实的港口船舶AIS交通流，使学员不用出海便能够体验到真实海上交通环境。 在PIDVCA程序的基础上，以直观便捷的方式为学员提供本船避碰决策自动教学演示功能。 在模拟器中使用了符合国际标准的电子海图基础平台，满足了STCW公约马尼拉修正案对ECDIS(电子海图显示与信息系
获奖情况及鉴定结果
- 获得集美大学“挑战杯”课外学术作品竞赛三等奖
作品所处阶段
- 已有样品
技术转让方式
- 校企合作
作品可展示的形式
- 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 该项目在国际上首次把人工智能技术应用到船舶操纵模拟器之中，实现了目标船智能避让障碍物和其他目标船，并能遵守《规则》和船舶定线制。从根本上解决了因为传统船舶操纵模拟器中目标船不遵守规则而照成学员对规则的理解偏差和良好船艺培养上的障碍。同时，本船舶操纵模拟器也是国内首次在模拟船舶领域引入六自由度平台，也首次把船舶数学模型解算分离成由于船舶动力引起的船舶运动和由波浪、风等自然因素引起的船舶横摇、纵摇、首摇和垂荡。而由船舶动力因素引起的船舶运动则转化成了船舶位移和航向变化；由于自然因素引起的船舶运动将转化成六自由度平台的控制命令，经过拟合之后由六自由度液压平台来执行，使受训学员有全真的物理感受。
同类课题研究水平概述
- 经过近半个世纪的发展历程，船舶操纵模拟器技术已经取得了突飞猛进的进步，为船员教育与培训提供了一种有效的途径和手段。然而，在先进的航海训练模式和现代化的导航设备普及的今天，船舶碰撞事故仍时有发生。鉴于导致碰撞事故的主要原因是人为因素、以及船员的海龄随着经济的发展在逐步降低的事实，在根本解决人为因素的自动避碰设备诞生之前，如何更有效地将专家经验引入航海培训教学，进一步提升船舶操纵模拟器的训练质量，是值得探讨的课题。进一步综合分析国内外各种船舶操纵模拟器，可以发现现有的船舶操纵模拟器技术还是有一些可以进一步改进和优化的空间，比如： 1）当前国内外使用的船舶操纵模拟器普遍存在着一个很大的缺陷，模拟训练中增加的目标船都不具备航行智能性，即这些目标船只能根据既定的设计航线按照一定的航向和航速行驶，而不会按照《1972年国际海上避碰规则》（以下简称“规则”）和海员通常做法行使让路船的责任。为了达到全面训练学员的判断能力，迫切需要考虑到实际的、真实的船舶航行环境，使目标船也具备按照《规则》和海员习惯做法进行正常避让本船和其他目标船的能力，以提高航行环境动态模拟的逼真度。 2）当前国内外船舶操纵模拟器所使用的电子海图平台，基本上都是各个厂家自己定义的数据格式和显示标准，无法符合IHO S-57的电子海图数据标准、IHO S-52电子海图显示标准等。随着STCW公约马尼拉修正案对ECDIS(电子海图显示与信息系统)培训的强制要求，现有船舶操纵模拟器的非标准电子海图技术将会给学员产生一定的误导作用。 3）国外已有基于六自由度液压平台的全功能船舶操纵模拟器，如纽芬兰纪念大学水产与航海学院的全功能船舶操纵模拟器就是基于六自由度液压平台由挪威Norcontrol公司开发的航海模拟器产品，但国内尚没有在培训教学中得到应用，也尚未见到在港航论证等应用的例子。 4）船舶自动识别系统（AIS）已经广泛地应用到了各类船舶上，如何充分地将这一新技术应用到船舶操纵模拟器中，也是一个值得研究的课题。 5）国外学者近年来也开始探讨将人工智能技术应用于船舶操纵模拟器训练这方面的问题，但目前国外产品也还仅是涉及训练评估系统的模块，还没有智能决策支持或专家系统模块在船舶操纵模拟器实际应用的例子，这也是一个值得研究的课题。
