1. 引 言
从20世纪80年代初开始国内就有研究人员从事图形图像处理和可视化方面的研究工作，并取得了一批虚拟现实研究和分布式仿真成果[1,2]。进入90年代美国国防建模与仿真办公室（DMSO）先后制定并颁布分布交互仿真（DIS）、高层体系结构（HLA）[11,12]等一系列规范和标准,掀起了分布式仿真系统研究和开发的热潮。但是这些研究大都是针对分布在广域空间中复杂军事对抗系统的仿真，所制定的规范和标准对于非军事领域的仿真实现显得过于复杂，难以适用。而在复杂过程系统仿真方面，如船舶运动控制系统仿真，对设计和构造分布式结构的仿真支撑环境的研究还很少，成熟的商用产品还没有出现，因此在这方面尚有许多理论和技术问题需要研究和探讨。本文以大型船舶海上远程遥控操纵驾驶为背景开展研究，按实船遥控要求完成了船舶航向与主机控制参数监控系统的设计，模拟实船驾控台设计研制生成了驾控台硬件系统，并在此基础上设计编制出驾控台上位机软件。为使岸站以及指挥船能实时观测遥控船运动情况，设计了远程视频监控系统，可实现船舶运动与主动力装置主要参数的远程观测，还可以通过远程视频图像观察机舱以及驾驶室的实际情况。论文设计并实现了船舶遥控驾驶操纵仿真系统，对系统结构和所采用的关键技术作了分析与介绍，对各子系统的功能作了相应的说明，可以基于该平台进行对船舶遥控系统方面的研究，如船舶避碰操纵，船舶航迹控制等。
2. 仿真系统原理及总体结构
本文设计的船舶仿真系统设有不同的工作模式，由于受到技术的局限性，船舶的自动航行在狭水道以及船舶密集区还存在一些困难，所以这部分需要人工操纵；当船舶航行至大洋时，进行远程遥控，所以需要在原有系统上增加远程遥控功能。本系统在车钟部分加上步进电机驱动系统以控制车钟的位置，从而控制船舶的航速；在舵机部分加上自动舵控制系统来控制船舶航向。同时还可以通过视频监控系统将船上重要部位如机舱以及驾驶室等重要部位发生的情况，实时地发送给远程指挥控制中心。
本仿真系统如图1所示，主要由远程指挥控制仿真系统，船舶航向与主机主要控制参数监控系统，驾驶室视频监控系统，船舶运动虚拟现实仿真场景，操舵仪（自动舵）系统，船舶柴油主机三维运动模型，集控室主机遥控系统及驾控台主机遥控单元，及系统调度服务器七台主机构成，其功能结构如图2所示。
图1 船舶遥控驾驶操纵仿真系统
除驾驶室视频监控系统外，其他分布在各台主机上的仿真对象采用基于DCOM的群组通信模型，通过网络来进行信息交换，每个仿真对象通过获取其他对象的信息来计算对本对象的影响，并将本对象的状态通过网络发送给相关的对象，各个仿真对象通过相互通信实现仿真数据和视景的协调。驾驶室视频监控系统与远程指挥控制仿真系统之间采用IP组播技术进行视频数据传输。
图2 构图
3. 仿真系统采用的关键技术
3.1 分布式仿真
本仿真系统含有船舶运动和主机两个被控对象，有驾控台上的操舵仪，车钟以及虚拟操舵仪，虚拟车钟，同时还有远程遥控单元等几个控制部分。本仿真系统规模较大，由于资源的限制，在一台计算机进行仿真是难以实现的。另外，由于在实船上这些系统是分布在多个设备上的，若采用单机集中仿真也与实船系统不相符合。分布式仿真通过计算机网络将不同主机上运行的模型和资源综合集成到一个共用的仿真环境中，实现对系统的仿真研究。采用分布式仿真的系统结构，能够更好地与所研究系统的结构相对应，增强了仿真的可信度。每一个方块代表仿真系统中的一台仿真主机。分布在各台主机上的仿真对象采用统一的仿真协议，通过网络通信来进行信息交换，每个仿真对象通过获取其他对象的信息来计算对本对象的影响，并将本对象的状态通过网络发送给相关的对象，各个仿真对象通过相互通信实现仿真视图的一致。
在分布式仿真系统中，由于受网络延迟和处理器计算延迟的影响，事件到达各仿真主机的次序是无法保证的，因此存在事件以不正确的因果次序达到各仿真主机的可能；即使同一个仿真系统运行两次，事件的次序也可能不相同。为此，需要对分布式仿真系统进行合理的调度，确保事件能以正确的因果次序到达每个仿真主机，保证同一个仿真程序多次执行能产生相同的结果，从而保证整个仿真系统功能的完整性、真实性和实时性。
3.2 基于DCOM的群组通信
DCOM本质上建立了一个应用程序与组件之间通信的规范[3]，根据DCOM规范建立的组件，不管运行在与应用程序相同的机器或远程机器，都可以实现与应用程序间的通信，而不需考虑底层的通信细节，因而将DCOM的通信机制直接应用于网络通信，将是非常有益的尝试。同时DCOM提供了对象远程过程调用（ORPC）的通信机制，可以建立客户与服务器间的位置透明通信服务[4-5]。根据DCOM的可连接点机制，一个客户对服务器的通信内容可以转发给与服务器连接的其他客户，从而实现多点通信。
本仿真系统在分析DCOM相关技术的基础上，采用一种基于DCOM的群组通信模型，并对此通信模型中调度器的设计和负载平衡问题进行研究，给出通信模型的主要DCOM对象与接口描述，并分析其客户、服务器、调度器的协作过程。
3.3 系统调度服务器
负责对每一台仿真主机的协调调度。主要协调整个仿真系统的同步运行，实现仿真主机加入，仿真启动，仿真运行、仿真结束等控制。当主机和船舶航向控制处离线模式时，系统不进行调度。由于网络的不确定性，系统调度服务器必须能够通过时间管理对各类消息的发送和接收进行管理，通过各仿真主机间相互交换信息来实现节点仿真时间的推进并获得分布仿真时间的一致性，保证分布结点间特定消息的接收和处理次序[9,10]，从而保证分布仿真的逻辑正确性。
3.4 基于IP组播技术的视频通讯
单个数据流可以发送到多个客户端的组播能力已成为大多数多媒体应用的传输手段[6-7]。组播技术利用一个IP地址使IP数据报文发送到用户组。IP组播采用了特殊定义的目的IP地址和目的MAC地址[8]。IGMP(Internet组管理协议)为客户端提供加入和离开组播组的方式。CGMP(Cisco组管理协议)使路由器为交换机配置组播转发表，并告诉交换机当前的组播成员。指派路由器根据对网络中组播成员的分布和使用的不同采用密集模式DM或稀疏模式SM组播路由协议来构造组播的分布树，而这个分布树将在源子网和组播组之间确定一条唯一路径以提高数据传输效率。
4. 仿真子系统
4.1 船舶航向与主机控制参数监控系统
实现对驾控台车钟车令、舵角等参数实时地读取，并且可以通过电机对车钟进行控制。对船舶运动与主动力装置主要参数进行实时地显示，以及对船舶运动控制模式进行设定。船舶航向与主机控制参数监控系统主界面如图3所示。采用四个线程分别用于驾控台数据采集和数据输出，网络数据的接受和发送，船舶运动与主动力装置主要参数进行实时地显示，以及当采用软盘台控制模式或远程控制模式时对电机进行实时地控制。
图3 船舶航向与主机控制参数监控系统主界面
根据船舶运动与主机模型计算出的参数对驾驶台上各个仪表进行设定，并且将各个参数实时地显示出来。实时地读取车钟车令遗迹舵角，在采用驾驶台硬件控制时，将这些数据作为船舶运动与主机控制指令发送给调度服务器。可以对船舶运动控制模式进行设定。当选用控制台操纵时，将控制台车钟信号，舵角信号作为主机车令以及船舶运动舵角对船舶进行控制；当选用软盘台控制时，将虚拟操舵仪的舵角，以及虚拟车钟的车令作为控制信号对船舶运动进行控制；当选用远程控制时，将远程设定的航向和车令作为控制参数，对船舶进行远程控制。
图4 远程指挥控制中心视频监控主界面
4.2 远程指挥控制仿真系统
仿真系统如图4所示，可实现对船舶机舱以及驾驶室进行远程视频监视，同时可对船舶运动与主动力装置主要参数进行监视。而且在目标船要求进行远程遥控驾驶时，可以对移动目标船运动参数进行远程设定。
利用双线程技术，后台进行网络数据的接受和发送，前台用于视频信息地显示，船舶运动与主动力装置主要参数地显示，以及船舶遥控驾驶参数地设定。在对船舶机舱以及驾驶室进行远程视频监视时，可以对驾驶室以及机舱视频进行录像，对于重要画面可以抓图进行分析，而且还可以与驾驶室监控中心发送信息。
4.3 船舶运动虚拟现实仿真场景
可实现船舶运动虚拟现实仿真场景及各种虚拟仪表的显示。采用虚拟现实软件平台WTK开发生成的6万吨级油船在海洋中航行。船舶运动虚拟现实视景，如图5所示。利用双线程技术，前台显示，后台进行网络数据的接受和发送。
图5 船舶运动控制场景
图6 虚拟操舵仪
4.4 虚拟自动操舵仪
实现操舵控制功能及船舶运动数学模型的仿真计算。包括操舵仪上的转舵轮控制界面和离线仿真时船舶航向、舵角变化的曲线示意图界面，及其仿真模式、操纵方式、算法选择、参数设置等功能菜单。虚拟操舵仪如图6所示。
本软件采用三个线程分别用于用户界面显示、仿真计算及网络数据的接受和发送。系统提供在线、离线两种仿真模式。在线仿真时把船舶运动数学模型仿真计算得到的船舶航行位置和舵角等参数通过局域网传输给船舶运动虚拟现实仿真场景仿真主机和集控室主机遥控系统及驾控台主机遥控单元仿真主机。离线仿真时显示船舶航向、舵角变化的曲线示意图。
参照船舶的实际运行，操纵方式包括自动、随动两种状态。在自动运行状态下，用户可通过菜单设定期望航向，选择相应的控制算法，船舶根据期望航向自动航行，此时对操舵仪的操作不会影响到船舶的航向。在随动运行状态下，用户可以通过转动虚拟操舵仪上的转舵轮控制船舶航向。
4.5 船舶柴油主机三维运动模型
实现船舶大型低速柴油主机三维运动模型及各种虚拟仪表的显示，如图7所示。利用双线程技术，前台显示，后台进行网络数据的接受和发送。
图7 船舶柴油主机三维运动模型仿真场景
图8 虚拟集控室主机遥控界面
4.6 虚拟集控室主机遥控系统
该子系统实现集控室主机遥控系统和船舶主机数学模型的仿真计算。包括集控室主机遥控系统界面和离线仿真时船舶主机转速、船舶航速变化的曲线示意图界面，及其各项功能菜单。
采用三个线程分别用于用户界面显示、仿真计算及网络数据的接受和发送。系统提供在线、离线两种仿真模式。在线仿真时把主机数学模型仿真计算得到的主机转速和船速等参数通过局域网传输给船舶柴油主机三维运动模型仿真主机和自动舵系统仿真主机。离线仿真时显示船舶主机转速、船舶航速变化的曲线示意图。
如果用户选择在线方式，则可以通过图8右下角按钮选择控制位置是在集控台还是驾控台。图8是机舱集控台车钟和油门控制杆的可视化界面，在这个界面中，操纵人员可以根据车钟的不同车令来改变油门的大小，从而控制图中主机的转速，用户可以清楚地从三维可控主机场景中察觉出主机转速的变化，而且在场景的右上角和左上角分别设置了船舶航速和主机转速显示仪表，并配有船舶机舱设备实时运行的音响效果，使用户产生身临其境的现场感。其中，车钟的初始位置（STOP位置），向上（绿色）是前进（正车），向下（红色）是倒车。
5. 结论
本文主要对船舶远程驾驶操纵仿真系统的结构及其所采用的关键技术进行了介绍与分析，然后对系统的各子系统的功能及相关原理做了相应的介绍。按实船遥控要求完成了船舶航向与主机主要控制参数监控系统的设计，模拟实船驾控台设计研制生成了驾控台硬件系统，并在此基础上设计编制出驾控台上位机软件。为使岸站以及指挥船能实时观测遥控船运动情况，设计了远程视频监控系统，可实现船舶运动与主动力装置主要参数的远程观测，还可以通过远程视频图像观察机舱以及驾驶室的实际情况，该平台可应用于船舶避碰操纵，船舶航迹控制等方面的研究。
参考文献
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