一种基于仿真的船舶编队过闸控制及效果评估系统及方法

1.本发明涉及船舶编队过闸技术领域，尤其涉及一种基于仿真的船舶编队过闸控制及效果评估系统及方法。


背景技术：

2.多船编队自动协同过闸是一种能深入挖掘船闸通航潜能、保障航行安全的航运新模式。但在船闸水域开展实船编队协同过闸实船试验风险大，成本高，会影响船闸水域船舶正常航行，而且对过闸安全性评估也缺少统一标准。
3.在船舶运动和控制的研究中，仿真系统是一种常见的验证方法。而三维仿真技术因其具有成本低，风险小，可视化程度高等优势，在船舶领域受到广泛的应用。主要以船舶系统模拟、船舶制造仿真实训以及船舶航行三维显示为主，针对船闸特殊水域的船舶航行仿真研究较少。


技术实现要素：

4.本发明主要目的是：提供一种基于仿真的船舶编队过闸控制及效果评估系统及方法，能够实现船舶过闸全过程和非全过程的三维动态仿真。
5.本发明所采用的技术方案是：一种基于仿真的船舶编队过闸控制及效果评估系统，本过闸控制及效果评估系统包括：
6.仿真控制平台，包括信息交互模块、仿真场景搭建模块和船舶运动驱动模块；仿真场景搭建模块用于搭建地形系统、动画系统和仿真模型；其中仿真模型根据集装箱船动力学模型和船闸水域低速动力学模型搭建，船舶运动驱动模块接收船舶状态数据，在动画系统的渲染帧中更新船舶运动状态；仿真控制平台内设计或远程接收过闸控制算法仿真船舶编队过闸，实时计算船舶编队状态；信息交互模块用于信息交互；
7.若干客户端，用于分别在仿真控制平台之外设计过闸控制算法，形成的编队状态数据封装后通过网络传输给所述信息交互模块，并通过信息交互模块接收船舶编队状态；
8.评价端，与所述信息交互模块通信，用于接收船舶编队状态，将编队距离、速度和航向作为评价指标，以船船、船墙平均距离和最近距离、船舶横向和纵向相对速度、船舶编队相对航向作为评价量，从时空维度对船舶编队控制效果进行评估。
9.按上述方案，所述的评价端具体包括：
10.数据获取模块，用于在船舶进入船闸后，按照一定的时间间隔，检测与周围障碍物的距离和相对速度，获取本船的艏向角、本船速度、它船相对艏向角和它船相对速度；
11.距离安全评价模块，用于根据检测出的与周围障碍物的距离，通过判断障碍物类型计算某船舶到距离闸壁的最近距离、与编队内其它船舶的横向距离、与编队内其它船舶的纵向距离，同时考虑船舶尺寸和船闸尺寸，分别设置横向距离代价函数和纵向距离代价函数，计算每个船舶的横向距离代价值和纵向距离代价值；
12.速度安全评价模块，用于根据获取的它船相对速度，提取其中跟随船与领航船的
相对速度，进行时域修正后，设置速度代价函数，计算跟随船的速度代价值；
13.艏向角安全评价模块，用于根据获取的它船相对艏向角，提取其中跟随船与领航船的相对艏向角，进行时域修正后，设置艏向角代价函数，计算跟随船的艏向角代价值；
14.总体安全评价模块，用于将横向距离代价值、纵向距离代价值、速度代价值和艏向角代价值，按照编队中的船舶进行归一、汇总，形成编队总体代价值。
15.按上述方案，所述的距离安全评价模块，在船舶表面增加探测网格，以探测网格离目标模型最近的点到目标模型的距离，作为船舶与目标模型的距离，所述的目标模型为船舶过闸时的周围障碍物。
16.按上述方案，设船闸内表面为平面，其平面方程为：
17.ax+by+cz+d＝0
18.其中，平面系数a、b、c和d由船闸位置确定，x、y、z为直角坐标系的三个轴；
19.探测网格上某点的坐标位置为(x1，y1，z1)，则探测点到墙面的距离d为：
[0020][0021]
船舶编队中船舶相对船舶的位置由本船探测网格与它船探测网格平面距离的均值表示，船舶相对船闸位置由本船探测网格与闸室平面距离的均值表示。
[0022]
按上述方案，所述的距离安全评价模块中，将船舶与周围障碍物之间的横向距离划分为安全、较安全、一般危险、显著危险和失败五个等级，并对不同的评价进行评分，横向距离代价函数如下：
[0023][0024]
其中d
lt，i
代表i船关于横向距离的代价值，d
lt，s
代表设定的横向安全距离，当i船的横向距离d
lt，i
大于或等于d
lt，s
时，i船横向距离保持较好，d
lt，i
为0，评价为安全；当i船横向距离小于d
lt，s
时，i船横向距离保持较差，d
lt，i
开始增加，按照d
lt，i
的从小到大评价为较安全、一般危险、显著危险和失败。
[0025]
按上述方案，所述的速度安全评价模块中，速度代价函数如下：
[0026][0027]
式中，d
v，f
为跟随船的速度代价值，vf为跟随船f与领航船l的相对速度，v
f，s
表示预设的安全相对速度。
[0028]
按上述方案，所述的艏向角安全评价模块中，艏向角代价函数如下：
[0029][0030]
式中，d
ψ，f
为跟随船的艏向角代价值，跟随船f与领航船l的相对船艏向ψf，ψ
f，s
表示预设的相对船艏向允许最大值。
[0031]
一种所述的基于仿真的船舶编队过闸控制及效果评估系统实现的过闸控制及效
果评估方法，本方法包括：
[0032]
在仿真控制平台中设计过闸控制算法，根据船舶状态数据在渲染帧中更新船舶运动状态；
[0033]
实时监听船舶状态，实时计算船舶编队状态，并将编队状态数据一方面反馈给各个客户端，客户端根据反馈的数据了解本船在船舶编队的相对位置、速度和航向信息，并根据这些信息更改控制指令；
[0034]
评价端接收编队状态数据，分析船舶编队航行的安全性，从航行安全对过闸效果进行在线评估。
[0035]
按上述方法，客户端设计过闸控制算法，形成的编队状态数据封装后通过网络传输给仿真控制平台；多客户端共同控制。
[0036]
本发明产生的有益效果是：利用本发明系统和方法，能够实现多个端口的共同控制和数据交互，并且能够形成整套的效果评价体系，实现船舶过闸全过程和非全过程的三维动态仿真。
附图说明
[0037]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0038]
图1是本发明一实施例的系统框架图。
[0039]
图2是本发明一实施例的仿真场景构成图。
[0040]
图3是本发明一实施例的评价端的结构框架图。
[0041]
图4是本发明一实施例的船舶编队在闸室内航行代价图。
[0042]
图5是本发明一实施例的过闸流程图。
具体实施方式
[0043]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0044]
如图1所示，本发明提供一种基于仿真的船舶编队过闸控制及效果评估系统，本过闸控制及效果评估系统包括：
[0045]
仿真控制平台，包括信息交互模块、仿真场景搭建模块和船舶运动驱动模块；仿真场景搭建模块用于搭建地形系统、动画系统和仿真模型；其中仿真模型根据集装箱船动力学模型和船闸水域低速动力学模型搭建，船舶运动驱动模块接收船舶状态数据，在动画系统的渲染帧中更新船舶运动状态；仿真控制平台内设计或远程接收过闸控制算法仿真船舶编队过闸，实时计算船舶编队状态；信息交互模块用于信息交互。
[0046]
本实施例中，船闸仿真场景包括地形系统、动画系统和仿真模型，如图2所示。
[0047]
(1)地形系统
[0048]
unity作为开放平台为船闸三维场景建模提供丰富的插件。通过船闸水域高清卫星地图并利用高度映射(height mapper)插件进行映射，形成粗略的三维地形，再使用地形系统的各类插件完善地形、远景、天气等细节。场景中添加了直光源和点光源，其中直光源用于模拟太阳发出的光，减少闸室内阴影效果。点光源模拟船舶进出船闸的红绿信号灯。编
写便于用户操作摄像机的脚本，用户可以通过摄像机观察仿真状况。针对上游、闸室和下游水的特点，在场景中导入两种水动态插件用于模拟不同状态的水面。
[0049]
(2)动画系统
[0050]
动画系统主要涉及场景动画(单一网格模型动画)，其原理是在动画序列的关键帧里记录对象各个属性的初始量和改变量，然后插值运算实现动画效果。为了实现船舶过闸效果，需要制作闸门开启和关闭动画，以闸门开启动画为例，闸门靠墙侧为轴心，第一帧(初始)时设置闸门y轴角度为0
°
，状态为关闭，最后一帧状态为开启。unity插值运算补全其余部分，形成一个流畅的开闸动画。
[0051]
(3)仿真模型
[0052]
大坝场景中，引导墙、多级船闸均采用可编辑多边形构建。闸室由墙体、人字门以及横梁组成，长度宽度根据实际情况预设。
[0053]
大坝整体模型的实际参数来源于三峡大坝的实际尺寸。坝体在3dmax中采用可编辑多边形修改器对长方体进行加工，之后赋予水泥材质，材质编辑器中需要设置一定的凹凸度，承重墙采用样条线放样得到。大坝场景中的草地是将平面转换为可编辑多边形，软选择模拟地形，之后赋予草地材质，材质编辑器中需要设置凹凸度。
[0054]
船舶模型根据内河航运所需实际种类船只选取，包括货轮，集装箱船和邮轮等。模型主要包含船体、甲板、上层舱室、集装箱、舵机、螺旋桨等部分，主要尺寸符合实际船只的尺寸。船闸模型参数也是来源于三峡船闸实际尺寸，闸体共分五级，是用数个可编辑多边形拼接而成，闸门制作时首先提取出长方体中的线框，设置线框在渲染中可见，最后赋予金属材质。整体场景制作完成后打包成fbx文件，导入仿真场景，并在场景中渲染。
[0055]
闸门启闭动画应满足以下原则：1)动画满足调用条件时只执行一次；2)动画能在同一周期内反复调用，即当一支船队通过后，下一支船队仍然能调用；3)动画能随船队的航行状况发生改变，当面临不同船速、不同进闸停留时间的船队，动画会做出相应的调整，以减小工作量。考虑以上因素，建立控制动画的开关对象，并将开关控制命令写进船舶脚本的特定周期中，在船舶满足特定条件时对开关进行开启和关闭。
[0056]
为了增加仿真效果，同时显示各个闸室状况，在闸门上方添加点光源作信号灯。信号灯与闸门同步控制，亮绿灯时闸门开启，亮红灯时闸门关闭。其控制命令与闸门一同写进船舶脚本中，调用命令写进相应的开关对象中。系统激活时，船闸进行初始化，信号灯为红色，闸门关闭。船闸水域下游采用ceto海洋插件，闸室与上游采用water 4advanced水插件。上、下游水位固定，闸室内水位会随灌水、泄水而变化，船队过闸流程见图4所示。
[0057]
若干客户端，用于分别在仿真控制平台之外设计过闸控制算法，形成的编队状态数据封装后通过网络传输给所述信息交互模块，并通过信息交互模块接收船舶编队状态。
[0058]
评价端，如图3所示，与所述信息交互模块通信，用于接收船舶编队状态，将编队距离、速度和航向作为评价指标，以船船、船墙平均距离和最近距离、船舶横向和纵向相对速度、船舶编队相对航向作为评价量，从时空维度对船舶编队控制效果进行评估。
[0059]
所述的评价端具体包括：
[0060]
数据获取模块，用于在船舶进入船闸后，按照一定的时间间隔，检测与周围障碍物的距离和相对速度，获取本船的艏向角、本船速度、它船相对艏向角和它船相对速度。本实施例中，船舶进入船闸后，按照一定的时间间隔，检测与周围障碍物的距离d1，...，dn和相对
速度v1，...，vn，将本船的艏向角ψ、本船速度u1发送给数据整合模块，并从数据整合模块读取它船相对艏向角ψ1，
…
，ψn和它船相对速度u1，...，un。
[0061]
距离安全评价模块，用于根据检测出的与周围障碍物的距离，通过判断障碍物类型计算某船舶到距离闸壁的最近距离、与编队内其它船舶的横向距离、与编队内其它船舶的纵向距离，同时考虑船舶尺寸和船闸尺寸，分别设置横向距离代价函数和纵向距离代价函数，计算每个船舶的横向距离代价值和纵向距离代价值。
[0062]
在船闸水域航行的船舶，由于受到水域限制和船舶自身操纵影响，不能简单的将船舶看作一个点。进行航行过程评价时，需考虑船舶自身尺度和船闸宽度等因素，为此建立一个考虑上述因素的控制效果评价系统。
[0063]
在船舶表面增加探测网格，以网格离目标模型最近的点到目标模型的距离，作为船舶与目标的距离。为了减少系统的计算量，可以对网格进行简化。船舶编队在闸室内行驶时，获取单个船舶的信息，单船获得本船信息后传输给岸基数据库，岸基数据库再返回编队内其他船舶的信息。
[0064]
其中，d1、d2、d3为本船距离周边障碍物(它船、闸壁)的距离，ψ为本船的船艏向，n为正北方向(参照真实船闸场景)，u为本船前进速度。
[0065]
设船闸内表面为平面，其平面方程为：
[0066]
ax+by+cz+d＝0
[0067]
其中，平面系数a、b、c和d由船闸位置确定。
[0068]
探测网格上某点的坐标位置为(x1，y1，z1)，则探测点到墙面的距离d为：
[0069][0070]
本船探测网格上某点到编队内它船船体边缘的距离可以看作到这个平面的距离，其距离满足上式。船队船舶相对船舶的位置可以由本船探测网格与它船探测网格平面距离的均值表示，船舶相对船闸位置由本船探测网格与闸室平面距离的均值表示。
[0071]
计算船队的相对航向时需要确定垂直于船体横剖面的平面，系统中可以添加垂直于船舶的平面，船舶相对船闸角度、船舶相对船舶航行角度都可由两平面的夹角公式确定，表示为：
[0072][0073]
其中，a1、b1、c1、a2、b2和c1均为平面系数，θ为两平面夹角。
[0074]
对检测出来的障碍物距离信息进行处理，将其存储在列表中，距离信息表示为：
[0075][0076]
其中，d
11
，d
12
，d
13
，...，d
1n
和d
k1
，d
k2
，d
k3
，...，d
kn
分别表示探测网格上1号和k号探测器在不同时刻内先后测得1～n个障碍物的距离。通过判断障碍物的类型可以求得i船到距离闸壁的最近距离d
lk，i
、与编队内船舶的横向距离d
lt，i
、与编队内船舶的纵向距离d
lg，i
。
[0077]
以船舶编队内横向距离为例，对距离进行评价，评价综合考虑船舶和船闸尺寸。将
船舶之间的横向距离划分为安全、较安全、一般危险、显著危险和失败五个等级，并对不同的评价进行评分，评价规则如下：
[0078][0079]
其中d
lt，i
代表i船关于横向距离的代价函数，d
lt，s
代表设定的横向安全距离，当横向距离大于安全距离时，船舶横向距离保持较好，无代价；当横向距离小于安全距离时，船舶横向距离保持较差，代价开始增加。按照d
lt，i
的从小到大评价为较安全、一般危险、显著危险和失败。
[0080]
表1船间横向距离评价规则
[0081][0082]
船舶到闸壁距离评价、船舶编队纵向距离评价也如与横向距离评价原理相同。
[0083]
速度安全评价模块，用于根据获取的它船相对速度，提取其中跟随船与领航船的相对速度，进行时域修正后，设置速度代价函数，计算跟随船的速度代价值。对传回的它船相对速度信息进行处理，将其存储在列表中，相对速度信息表示为：
[0084][0085]
其中，v
11
，v
12
，v
13
，...，v
1j
和v
j1
，v
j2
，v
j3
，...，v
jj
分别表示编队内1号和j号船舶不同时刻内与编队内第1～j船的相对速度。提取其中跟随船f与领航船1的相对速度vf，设置代价函数d
v，f
，如下式：
[0086][0087]
式中，v
f，s
表示安全相对速度，当最大相对速度小于安全速度时，不会产生代价，当最大相对速度大于安全速度时，则产生相应代价值。同时，在实际船舶编队跟随控制中，跟随船的速度与领航船总是存在一定的迟滞现象，这是由于船舶的运动特性导致的。因此，为了使本评价系统更加准确，我们对跟随船与领航船的相对速度进行了时域上的修正。
[0088]
船间速度划分为安全、较安全、危险三个等级，评价规则见表2。
[0089]
表2船间速度评价规则
[0090][0091][0092]
艏向角安全评价模块，用于根据获取的它船相对艏向角，提取其中跟随船与领航船的相对艏向角，进行时域修正后，设置艏向角代价函数，计算跟随船的艏向角代价值。对传回的它船艏向角信息进行处理，将其存储在列表中，相对船艏向信息表示为：
[0093][0094]
其中，ψ
11
，ψ
12
，ψ
13
，...，ψ
1j
和ψ
k1
，ψ
k2
，ψ
k3
，...，ψ
kj
分别表示编队内1号和j号船舶不同时刻内与编队内第1～j船的相对船艏向。提取其中跟随船f与领航船1的相对船艏向ψf，设置代价函数d
ψ，f
，如下式：
[0095][0096]
式中，ψ
f，s
表示相对船艏向允许最大值，当相对船艏向小于ψ
f，s
时，不会产生代价，当相对船艏向大于ψ
f，s
时，则产生相应代价值。同时，在实际船舶编队跟随控制中，跟随船的艏向角与领航船总是存在一定的迟滞现象，这是由于船舶的运动特性导致的。因此，为了使本评价系统更加准确，我们对跟随船与领航船的相对船艏向进行了时域上的修正。
[0097]
相对船艏向绝对值划分为安全、较安全、危险三个等级，评价规则见表3。
[0098]
表3相对船艏向评价规则
[0099][0100]
总体安全评价模块，用于将横向距离代价值、纵向距离代价值、速度代价值和艏向角代价值，按照编队中的船舶进行归一、汇总，形成编队总体代价值，如图4所示。对于编队内领航船1包含领航船到闸壁的距离代价d
lk，l
，领航船与左、右船的横向距离代价d
lt，l
；对于编队内跟随船f包含跟随船到闸壁的距离代价d
lk，f
，跟随船与左、右船的横向距离代价d
lt，f
，跟随船与领航船的纵向速度代价d
v，f
，跟随船与领航船的相对船艏向代价d
ψ，f
。
[0101]
船队在闸室中停泊时，其z轴位置随闸室内水位变化而变化，模拟船舶过闸的过程。因此需要给船舶模型添加z轴的运动，由于此运动与其他自由度没有耦合关系，此时模型仍属于四自由度运动模型。
[0102]
一种所述的基于仿真的船舶编队过闸控制及效果评估系统实现的过闸控制及效果评估方法，本方法包括：
[0103]
在仿真控制平台中设计过闸控制算法，根据船舶状态数据在渲染帧中更新船舶运动状态；可选的，客户端设计过闸控制算法，形成的编队状态数据封装后通过网络传输给仿真控制平台；多客户端共同控制。
[0104]
实时监听船舶状态，实时计算船舶编队状态，并将编队状态数据一方面反馈给各个客户端，客户端根据反馈的数据了解本船在船舶编队的相对位置、速度和航向信息，并根据这些信息更改控制指令；
[0105]
评价端接收编队状态数据，分析船舶编队航行的安全性，从航行安全对过闸效果进行在线评估。
[0106]
本发明的仿真系统基于unity开发平台制作，为了解决船舶编队过闸航行控制关键问题，系统需要实现船舶过闸全过程和非全过程的三维动态仿真。通过实现船闸系统动态调度，模拟船舶待闸、进闸、出闸以及闸室水位变化，实现对船舶编队状态进行精确计算和过闸效果在线评估。为了保证过闸控制算法在实际过闸中的可行性，要求系统采用船舶运动数学模型和真实的船闸数据。系统既能作为独立系统运行，也能通过接口与其他系统交互。
[0107]
用户可以在系统内规划过闸路径，设计过闸控制算法。通过控制系统中两套船舶动力学模型-集装箱船动力学模型和船闸水域低速域船舶动力学模型，船舶运动驱动模块接收船舶状态数据，在渲染帧中更新船舶运动状态。系统能实时监听船舶状态，通过给船舶三维模型添加探测网格，实时计算船舶编队状态，并将编队状态数据一方面反馈给各个用户，用户可以根据数据了解本船在船舶编队的相对位置、速度和航向信息，并根据这些信息更改控制指令；编队状态数据另一方面传输给船舶编队过闸控制评价系统，评价系统分析船舶编队航行风险因子，从航行安全和效率两方面对过闸效果进行在线评估。用户通过界面向仿真场景传输命令，初始化时由用户输入初始状态或者选择默认状态，仿真场景运行状态通过场景相机向用户传输。用户可以通过鼠标和键盘向系统输入指令，传入系统后被特定脚本监听，通过脚本作用在对象上达到控制效果，并将对象的信息反馈到用户界面。
[0108]
用户也可以在系统外设计过闸控制算法。通过tcp/ip实现跨平台数据网络实时共享，使得不同用户、平台和语言的编队过闸控制算法形成的编队状态数据可以封装传输给系统，系统对数据进行接收和转化，在船舶运动驱动模块作用下形成船舶三维模型编队，并进行过闸效果在线评估，同时将船舶编队状态返回给用户，可以满足多个船载编队控制系统和船舶编队三维仿真平台的数据双向交互。
[0109]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。