1. 引 言
從20世紀(jì)80年代初開始國(guó)內(nèi)就有研究人員從事圖形圖像處理和可視化方面的研究工作，並取得了一批虛擬現(xiàn)實(shí)研究和分布式仿真成果[1,2]。進(jìn)入90年代美國(guó)國(guó)防建模與仿真辦公室（DMSO）先後制定並頒布分布交互仿真（DIS）、高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）[11,12]等一系列規(guī)範(fàn)和標(biāo)準(zhǔn),掀起了分布式仿真系統(tǒng)研究和開發(fā)的熱潮。但是這些研究大抵是針對(duì)分布在廣域空間中複雜軍事對(duì)抗系統(tǒng)的仿真，所制定的規(guī)範(fàn)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于非軍事領(lǐng)域的仿真實(shí)現(xiàn)顯得過(guò)于複雜，難以適用。而在複雜過(guò)程系統(tǒng)仿真方面，如船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真，對(duì)設(shè)計(jì)和構(gòu)造分布式結(jié)構(gòu)的仿真支撐環(huán)境的研究還很少，成熟的商用國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品還沒有出現(xiàn)，因此在這方面尚有許多理論和技術(shù)問題需要研究和探討。本文以大型船舶海上遠(yuǎn)程遙控操縱駕駛爲(wèi)背景開展研究，按實(shí)船遙控要求完成了船舶航向與主機(jī)控制參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，模擬實(shí)船駕控臺(tái)設(shè)計(jì)研制生成了駕控臺(tái)硬件系統(tǒng)，並在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)編制出駕控臺(tái)上位機(jī)軟件。爲(wèi)使岸站以及指揮船能實(shí)時(shí)觀測(cè)遙控船運(yùn)動(dòng)情況，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)與主動(dòng)力裝置要緊參數(shù)的遠(yuǎn)程觀測(cè)，還可以通過(guò)遠(yuǎn)程視頻圖像觀察機(jī)艙以及駕駛室的實(shí)際情況。論文設(shè)計(jì)並實(shí)現(xiàn)了船舶遙控駕駛操縱仿真系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和所采用的關(guān)鍵技術(shù)作了分析與介紹，對(duì)各子系統(tǒng)的功能作了相應(yīng)的說(shuō)明，可以基于該平臺(tái)進(jìn)行對(duì)船舶遙控系統(tǒng)方面的研究，如船舶避碰操縱，船舶航跡控制等。
2. 仿真系統(tǒng)原理及總體結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的船舶仿真系統(tǒng)設(shè)有不同的工作模式，由于受到技術(shù)的局限性，船舶的自動(dòng)航行在狹水道以及船舶麋集區(qū)還存在一些困難，因此這部分需要人工操縱；當(dāng)船舶航行至大洋時(shí)，進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，因此需要在原有系統(tǒng)上增加遠(yuǎn)程遙控功能。本系統(tǒng)在車鍾部分加上步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以控制車鍾的位置，從而控制船舶的航速；在舵機(jī)部分加上自動(dòng)舵控制系統(tǒng)來(lái)控制船舶航向。同時(shí)還可以通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)將船上重要部位如機(jī)艙以及駕駛室等重要部位發(fā)生的情況，實(shí)時(shí)地發(fā)送給遠(yuǎn)程指揮控制中心。
本仿真系統(tǒng)如圖1所示，要緊由遠(yuǎn)程指揮控制仿真系統(tǒng)，船舶航向與主機(jī)要緊控制參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，駕駛室視頻監(jiān)控系統(tǒng)，船舶運(yùn)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真場(chǎng)景，操舵儀（自動(dòng)舵）系統(tǒng)，船舶柴油主機(jī)三維運(yùn)動(dòng)模型，集控室主機(jī)遙控系統(tǒng)及駕控臺(tái)主機(jī)遙控單元，及系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器七臺(tái)主機(jī)構(gòu)成，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 船舶遙控駕駛操縱仿真系統(tǒng)
除駕駛室視頻監(jiān)控系統(tǒng)外，其他分布在各臺(tái)主機(jī)上的仿真對(duì)象采用基于DCOM的群組通信模型，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行信息交換，每個(gè)仿真對(duì)象通過(guò)獲取其他對(duì)象的信息來(lái)計(jì)算對(duì)本對(duì)象的影響，並將本對(duì)象的狀態(tài)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相關(guān)的對(duì)象，各個(gè)仿真對(duì)象通過(guò)相互通信實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)和視景的協(xié)調(diào)。駕駛室視頻監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程指揮控制仿真系統(tǒng)之間采用IP組播技術(shù)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸。
圖2 構(gòu)圖
3. 仿真系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)
3.1 分布式仿真
本仿真系統(tǒng)含有船舶運(yùn)動(dòng)和主機(jī)兩個(gè)被控對(duì)象，有駕控臺(tái)上的操舵儀，車鍾以及虛擬操舵儀，虛擬車鍾，同時(shí)還有遠(yuǎn)程遙控單元等幾個(gè)控制部分。本仿真系統(tǒng)規(guī)模較大，由于資源的限制，在一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真是難以實(shí)現(xiàn)的。另外，由于在實(shí)船上這些系統(tǒng)是分布在多個(gè)設(shè)備上的，若采用單機(jī)集中仿真也與實(shí)船系統(tǒng)不相適合。分布式仿真通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將不同主機(jī)上運(yùn)行的模型和資源綜合集成到一個(gè)共用的仿真環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的仿真研究。采用分布式仿確實(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠更好地與所研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，增強(qiáng)了仿確實(shí)可信度。每一個(gè)方塊代表仿真系統(tǒng)中的一臺(tái)仿真主機(jī)。分布在各臺(tái)主機(jī)上的仿真對(duì)象采用統(tǒng)一的仿真協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信來(lái)進(jìn)行信息交換，每個(gè)仿真對(duì)象通過(guò)獲取其他對(duì)象的信息來(lái)計(jì)算對(duì)本對(duì)象的影響，並將本對(duì)象的狀態(tài)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相關(guān)的對(duì)象，各個(gè)仿真對(duì)象通過(guò)相互通信實(shí)現(xiàn)仿真視圖的一致。
在分布式仿真系統(tǒng)中，由于受網(wǎng)絡(luò)延遲和處理器計(jì)算延遲的影響，事件到達(dá)各仿真主機(jī)的秩序是無(wú)法保證的，因此存在事件以不正確的因果秩序達(dá)到各仿真主機(jī)的也許；即使同一個(gè)仿真系統(tǒng)運(yùn)行兩次，事件的秩序也也許不雷同。爲(wèi)此，需要對(duì)分布式仿真系統(tǒng)進(jìn)行有理的調(diào)度，確保事件能以正確的因果秩序到達(dá)每個(gè)仿真主機(jī)，保證同一個(gè)仿真順序多次執(zhí)行能産生雷同的結(jié)果，從而保證整個(gè)仿真系統(tǒng)功能的完整性、真實(shí)性和實(shí)時(shí)性。
3.2 基于DCOM的群組通信
DCOM本質(zhì)上建立了一個(gè)應(yīng)用順序與組件之間通信的規(guī)範(fàn)[3]，根據(jù)DCOM規(guī)範(fàn)建立的組件，不管運(yùn)行在與應(yīng)用順序雷同的機(jī)器或遠(yuǎn)程機(jī)器，都可以實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用順序間的通信，而不需考慮底層的通信細(xì)節(jié)，因而將DCOM的通信機(jī)制直接應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信，將是非常有益的嘗試。同時(shí)DCOM提供了對(duì)象遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用（ORPC）的通信機(jī)制，可以建立客戶與服務(wù)器間的位置晶瑩通相信務(wù)[4-5]。根據(jù)DCOM的可連接點(diǎn)機(jī)制，一個(gè)客戶對(duì)服務(wù)器的通信內(nèi)容可以轉(zhuǎn)發(fā)給與服務(wù)器連接的其他客戶，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信。
本仿真系統(tǒng)在分析DCOM相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用一種基于DCOM的群組通信模型，並對(duì)此通信模型中調(diào)度器的設(shè)計(jì)和負(fù)載平穩(wěn)問題進(jìn)行研究，給出通信模型的要緊DCOM對(duì)象與接口描述，並分析其客戶、服務(wù)器、調(diào)度器的協(xié)作過(guò)程。
3.3 系統(tǒng)安排服務(wù)器
負(fù)責(zé)對(duì)每一臺(tái)仿真主機(jī)的協(xié)調(diào)調(diào)度。要緊協(xié)調(diào)整個(gè)仿真系統(tǒng)的同步運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)仿真主機(jī)進(jìn)入，仿真啓動(dòng)，仿真運(yùn)行、仿真結(jié)束等控制。當(dāng)主機(jī)和船舶航向控制處離線模式時(shí)，系統(tǒng)不進(jìn)行調(diào)度。由于網(wǎng)絡(luò)的不確定性，系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器必須能夠通過(guò)時(shí)間管理對(duì)各類消息的發(fā)送和接收進(jìn)行管理，通過(guò)各仿真主機(jī)間相互交換信息來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)仿真時(shí)間的推進(jìn)並獲得分布仿真時(shí)間的一致性，保證分布結(jié)點(diǎn)間特定消息的接收和處理秩序[9,10]，從而保證分布仿確實(shí)邏輯正確性。
3.4 基于IP組播技術(shù)的視頻通訊
單個(gè)數(shù)據(jù)流可以發(fā)送到多個(gè)客戶端的組播能力已成爲(wèi)大多數(shù)多媒體應(yīng)用的傳輸手段[6-7]。組播技術(shù)使用一個(gè)IP地址使IP數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送到用戶組。IP組播采用了特殊定義的目的IP地址和目的MAC地址[8]。IGMP(Internet組管理協(xié)議)爲(wèi)客戶端提供進(jìn)入和離開組播組的方法。CGMP(Cisco組管理協(xié)議)使路由器爲(wèi)交換機(jī)配置組播轉(zhuǎn)發(fā)表，並告訴交換機(jī)當(dāng)前的組播成員。指揮路由器根據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中組播成員的分布和使用的不同采用麋集模式DM或稀疏模式SM組播路由協(xié)議來(lái)構(gòu)造組播的分布樹，而這個(gè)分布樹將在源子網(wǎng)和組播組之間確定一條唯一路徑以提高數(shù)據(jù)傳輸功效。
4. 仿真子系統(tǒng)
4.1 船舶航向與主機(jī)控制參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)
實(shí)現(xiàn)對(duì)駕控臺(tái)車鍾車令、舵角等參數(shù)實(shí)時(shí)地讀取，並且可以通過(guò)電機(jī)對(duì)車鍾進(jìn)行控制。對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)與主動(dòng)力裝置要緊參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地顯示，以及對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)控制模式進(jìn)行設(shè)定。船舶航向與主機(jī)控制參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖3所示。采用四個(gè)線程分別用于駕控臺(tái)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同意和發(fā)送，船舶運(yùn)動(dòng)與主動(dòng)力裝置要緊參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地顯示，以及當(dāng)采用軟盤臺(tái)控制模式或遠(yuǎn)程控制模式時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)地控制。
圖3 船舶航向與主機(jī)控制參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)主界面
根據(jù)船舶運(yùn)動(dòng)與主機(jī)模型計(jì)算出的參數(shù)對(duì)駕駛臺(tái)上各個(gè)儀表進(jìn)行設(shè)定，並且將各個(gè)參數(shù)實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。實(shí)時(shí)地讀取車鍾車令遺跡舵角，在采用駕駛臺(tái)硬件控制時(shí)，將這些數(shù)據(jù)作爲(wèi)船舶運(yùn)動(dòng)與主機(jī)控制指令發(fā)送給調(diào)度服務(wù)器。可以對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)控制模式進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)選用控制臺(tái)操縱時(shí)，將控制臺(tái)車鍾信號(hào)，舵角信號(hào)作爲(wèi)主機(jī)車令以及船舶運(yùn)動(dòng)舵角對(duì)船舶進(jìn)行控制；當(dāng)選用軟盤臺(tái)控制時(shí)，將虛擬操舵儀的舵角，以及虛擬車鍾的車令作爲(wèi)控制信號(hào)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制；當(dāng)選用遠(yuǎn)程控制時(shí)，將遠(yuǎn)程設(shè)定的航向和車令作爲(wèi)控制參數(shù)，對(duì)船舶進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
圖4 遠(yuǎn)程指揮控制中心視頻監(jiān)控主界面
4.2 遠(yuǎn)程指揮控制仿真系統(tǒng)
仿真系統(tǒng)如圖4所示，可實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶機(jī)艙以及駕駛室進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視，同時(shí)可對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)與主動(dòng)力裝置要緊參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。同時(shí)在目標(biāo)船要求進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控駕駛時(shí)，可以對(duì)移動(dòng)目標(biāo)船運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定。
使用雙線程技術(shù)，後臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同意和發(fā)送，前臺(tái)用于視頻信息地顯示，船舶運(yùn)動(dòng)與主動(dòng)力裝置要緊參數(shù)地顯示，以及船舶遙控駕駛參數(shù)地設(shè)定。在對(duì)船舶機(jī)艙以及駕駛室進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視時(shí)，可以對(duì)駕駛室以及機(jī)艙視頻進(jìn)行錄像，對(duì)于重要畫面可以抓圖進(jìn)行分析，同時(shí)還可以與駕駛室監(jiān)控中心發(fā)送信息。
4.3 船舶運(yùn)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真場(chǎng)景
可實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真場(chǎng)景及各種虛擬儀表的顯示。采用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)WTK開發(fā)生成的6萬(wàn)噸級(jí)油船在大海中航行。船舶運(yùn)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)視景，如圖5所示。使用雙線程技術(shù)，前臺(tái)顯示，後臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同意和發(fā)送。
圖5 船舶運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)景
圖6 虛擬操舵儀
4.4 虛擬自動(dòng)操舵儀
實(shí)現(xiàn)操舵控制功能及船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的仿真計(jì)算。包括操舵儀上的轉(zhuǎn)舵輪控制界面和離線仿真時(shí)船舶航向、舵角變化的曲線示意圖界面，及其仿真模式、操縱方法、算法選擇、參數(shù)設(shè)置等功能菜單。虛擬操舵儀如圖6所示。
本軟件采用三個(gè)線程分別用于用戶界面顯示、仿真計(jì)算及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同意和發(fā)送。系統(tǒng)提供在線、離線兩種仿真模式。在線仿真時(shí)把船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算獲得的船舶航行位置和舵角等參數(shù)通過(guò)局域網(wǎng)傳輸給船舶運(yùn)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真場(chǎng)景仿真主機(jī)和集控室主機(jī)遙控系統(tǒng)及駕控臺(tái)主機(jī)遙控單元仿真主機(jī)。離線仿真時(shí)顯示船舶航向、舵角變化的曲線示意圖。
參照船舶的實(shí)際運(yùn)行，操縱方法包括自動(dòng)、隨動(dòng)兩種狀態(tài)。在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，用戶可通過(guò)菜單設(shè)時(shí)限望航向，選擇相應(yīng)的控制算法，船舶根據(jù)期望航向自動(dòng)航行，此時(shí)對(duì)操舵儀的操作不會(huì)影響到船舶的航向。在隨動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，用戶可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)虛擬操舵儀上的轉(zhuǎn)舵輪控制船舶航向。
4.5 船舶柴油主機(jī)三維運(yùn)動(dòng)模型
實(shí)現(xiàn)船舶大型低速柴油主機(jī)三維運(yùn)動(dòng)模型及各種虛擬儀表的顯示，如圖7所示。使用雙線程技術(shù)，前臺(tái)顯示，後臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同意和發(fā)送。
圖7 船舶柴油主機(jī)三維運(yùn)動(dòng)模型仿真場(chǎng)景
圖8 虛擬集控室主機(jī)遙控界面
4.6 虛擬集控室主機(jī)遙控系統(tǒng)
該子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集控室主機(jī)遙控系統(tǒng)和船舶主機(jī)數(shù)學(xué)模型的仿真計(jì)算。包括集控室主機(jī)遙控系統(tǒng)界面和離線仿真時(shí)船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速、船舶航速變化的曲線示意圖界面，及其各項(xiàng)功能菜單。
采用三個(gè)線程分別用于用戶界面顯示、仿真計(jì)算及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同意和發(fā)送。系統(tǒng)提供在線、離線兩種仿真模式。在線仿真時(shí)把主機(jī)數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算獲得的主機(jī)轉(zhuǎn)速和船速等參數(shù)通過(guò)局域網(wǎng)傳輸給船舶柴油主機(jī)三維運(yùn)動(dòng)模型仿真主機(jī)和自動(dòng)舵系統(tǒng)仿真主機(jī)。離線仿真時(shí)顯示船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速、船舶航速變化的曲線示意圖。
如果用戶選擇在線方法，則可以通過(guò)圖8右下角按鈕選擇控制位置是在集控臺(tái)還是駕控臺(tái)。圖8是機(jī)艙集控臺(tái)車鍾和油門控制桿的可視化界面，在這個(gè)界面中，操縱人員可以根據(jù)車鍾的不同車令來(lái)改變油門的大小，從而控制圖中主機(jī)的轉(zhuǎn)速，用戶可以清楚地從三維可控主機(jī)場(chǎng)景中察覺出主機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，同時(shí)在場(chǎng)景的右上角和左上角分別設(shè)置了船舶航速和主機(jī)轉(zhuǎn)速顯示儀表，並配有船舶機(jī)艙設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行的音響結(jié)果，使用戶産生身臨其境的現(xiàn)場(chǎng)感。其中，車鍾的初始位置（STOP位置），向上（綠色）是前進(jìn)（正車），向下（紅色）是倒車。
5. 結(jié)論
本文要緊對(duì)船舶遠(yuǎn)程駕駛操縱仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其所采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹與分析，然後對(duì)系統(tǒng)的各子系統(tǒng)的功能及相關(guān)原理做了相應(yīng)的介紹。按實(shí)船遙控要求完成了船舶航向與主機(jī)要緊控制參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，模擬實(shí)船駕控臺(tái)設(shè)計(jì)研制生成了駕控臺(tái)硬件系統(tǒng)，並在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)編制出駕控臺(tái)上位機(jī)軟件。爲(wèi)使岸站以及指揮船能實(shí)時(shí)觀測(cè)遙控船運(yùn)動(dòng)情況，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)與主動(dòng)力裝置要緊參數(shù)的遠(yuǎn)程觀測(cè)，還可以通過(guò)遠(yuǎn)程視頻圖像觀察機(jī)艙以及駕駛室的實(shí)際情況，該平臺(tái)可應(yīng)用于船舶避碰操縱，船舶航跡控制等方面的研究。
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