海警海上救援模擬系統設計

摘要：基于計算機仿真技術設計海警救援模擬系統，重點對艦艇模型、艦載直升機模型以及艦機協同動態過程進行設計。經過模擬訓練能夠為指揮員突發情況下的應急決策提供支持，提高海警艦員應對海上救援的能力。

關鍵詞：救援模擬;艦艇模型設計;視景技術

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）09-0087-03

據公開資料報道[1]，2019年，中國海警共出動艦艇402艘次開展海上救援，實施海上救助361起，救助遇險船舶48艘，救助人員251名，為挽救遇險船舶和人員發揮了重要作用。為應對海上突發險情，海警艦員需要不斷通過訓練和演練，才能有效應對突發狀況。隨著計算機仿真技術的發展，海警海上救援模擬訓練不僅能夠節約訓練經費，提高訓練質量，還能減少因采用實際裝備而發生誤報警的可能性。因此開展海警海上救援模擬系統設計具有較強的實戰應用價值。

1 海上救援模擬系統構成

海上救援模擬主要由指揮中心下設的搜救協調中心、導調和視頻監控單元組成，搜救協調和導調部分由參謀席位1、席位2、席位3負責指揮控制。通過網絡把4艘艦艇、1艘遇險模擬船和直升機模擬單元鏈接起來構成海上救援模擬系統[2-3]，如圖1所示。

海上救援模擬系統中所有單元都共享一個虛擬的海上救援環境，遇險船只、救助船只以及搜救協調中心的訓練人員通過視覺、聽覺沉浸在救援環境之中。遇險船只、救助船只有采用帶有寬視場角三維視景的救援模擬器實現船舶的仿真;救援直升機采用艦載直升機模型實現搜救仿真;指揮中心實現搜救協調中心等作用，導調對救援態勢進行動態指揮，視頻監控負責監控單艦艇現場救援或多艦艇協同救援。

海上救援模擬系統具有逼真的虛擬救援環境，包括各種不同海域，不同天氣條件，對學員的視覺，聽覺和觸覺等各種感官進行刺激，使學員能沉浸在虛擬救援環境中。海上救援培訓效果很大程度上取決于救援虛擬環境是否可靠真實。通過海上救援模擬系統的訓練，學員不僅可以學習海上救援專業技能和救援的過程，也能體會海上救援過程的緊迫感，大大提高海上救援訓練的效果。

2 視景建模技術

為給救援培訓人員提供逼真的海上救援環境，采用計算機成像技術，高性能顯卡和普通投影機生成逼真的大視場角視景。基于海浪實時生成、三維視景生成、助航標志能見距離等多種算法，設計海上救援仿真軟件，可快速、高效的創建訓練區域的視景庫、電子海圖、雷達視頻以及艦艇運動數學模型庫。 視景為救援操縱者提供了一個實際訓練任務中的景象。視景顯示的內容包括海面、四周的陸地、主要實體模型（橋梁、碼頭、建筑物等）、目標船、助航設施、燈塔等。為生成港口三維視景數據，需進行現場采集素材。進行場景主要目標的三維視景建模，構造高逼真度的三維視景模型。

2.1 艦艇模型設計

實體模型主要在視景建模軟件（如3DMax、MultiGen）中完成，采用現場拍攝的照片作為模型的紋理源。為提高視景系統的更新速率，對面數較多的模型，采用層次細節模型。對于實體模型中的燈塔、浮筒、船舶夜航時的燈光信號等，因為它們的能見距離航海上有嚴格的規定，建模時需注意生成的模型要符合燈光信號的能見距離。港口建筑的夜景模型，將通過采用圖像處理軟件處理后的夜景紋理，貼到模型上得到，以產生燈火闌珊的效果[4]。

船體模型的設計主要利用了CAD圖紙建模和擠出兩個關鍵技術。點擊“應用程序”圖標，然后執行“導入”菜單命令，接著在彈出的“選擇要導人的文件”對話框中選擇要導人的圖紙。選擇所有的線，然后單擊鼠標右鍵，接著在彈出的快捷菜單中選擇“凍結當前選擇”命令。在“主工具欄”中的“捕捉開關”按鈕上單擊鼠標右鍵，然后在彈出的“柵格和捕捉設真置”對話框中單擊“捕捉”選項卡，接著勾選“頂點”選項，再單擊“選項”選項卡，最后勾選“捕捉到凍結對象”和“啟用軸約束”選項。快捷鍵s鍵打開“捕捉開關”，然后使用“線”工具根據CAD圖紙中的線在頂視圖中繪制出船體各個部位的樣條線。選擇所有的樣條線，然后在“修改器列表”中為其加載一個“擠出”修改器，接著在“參數”卷展欄下設置“數量”。

船體的貼圖主要用到的技術是位圖貼圖。位圖貼圖通俗講就是利用處理過的圖片貼在物體上。首先將建好的船體模型導入場景，選擇船體，打開材質編輯器，選擇一個色球，然后點擊獲取材質按鈕，然后搜索要用的材質，選擇好后點擊漫反射顏色調節反射度、亮度等參數，整個船體變成了白色。同樣的方法，把甲板變成綠色。設計的艦艇模型如圖2、圖3所示。

2.2 艦載直升機模型設計

艦載直升機的建模主要用到的技術是編輯多邊形建模。建模分機身，螺旋槳，輪胎三部分。機身大致是柱體，所以以圓柱體作為開始模型。建模過程與艦艇模型設計類似，其結構模型如圖4所示，貼圖后的模型如圖5所示。

2.3 艦機虛擬仿真設計

為有效開展艦機協同仿真救援，有必要設計海上直升機虛擬救援操作模塊，以動態演示救援過程，能夠為指揮員制定救援決策提供思路。

以設立直升機起飛，營救落水人員場景為例說明直升機虛擬救援操作模塊設計過程。首先將艦艇模型導入場景，打開時間配置對話框設置時長。將直升機導入場景，放置在甲板上。調整大小和位置，將時間滑塊拖到初始幀處，開始記錄。通過放大制作出由遠及近的效果，然后給攝像機做環游關鍵幀，展示效果。然后打開時間配置框設置時間。創建一個輔助對象，將輔助對象與艦艇對齊，將艦艇模型連接到輔助對象上，然后將直升機連接到輔助對象上，這樣艦艇和直升機就一起運動。在Y軸上拖動艦艇模型，結束記錄。在Z軸上拖動直升機，然后在Y軸上拖動直升機。最后將直升機模型導入場景，在直升機下方創建一條線，當作繩索。導入兩個救援人員.一個放在海面，一個藏在直升機后。打開時間配置框設置時間。將時間滑塊拖到某幀處，開始記錄。拖動直升機后的人物沿Z軸下至海面處。救援人員上升過程與之相似，如圖6所示。在救援過程中，救援人員通過操作直升機仿真操作面板及遙桿完成模擬救援，海面救援過程如圖7所示。

3 其他關鍵技術

3.1 救援艦艇運動數學模型

在救援模擬系統中，各個救援艦艇需要根據救援任務迅速機動到遇險海區。救援艦艇操縱臺的計算機實時采集車、舵的操作，并根據航行環境信息（風、流、潮等），實時解算本艦的運動參數（艦位、航向、速度、航向變化率、加速度等）。

艦艇運動數學模型包括多種艦型，每種艦型中包括不同噸位與載況的模型[5-6]。艦艇運動數學模型中包括影響本船運動的各種效應（車、舵、錨、纜、風、流、拖輪、岸壁效應、船間效應、淺水效應等）。根據車、舵、錨、纜、拖輪的操作，航行環境信息（風、浪、雨、雪、能見度、流、潮汐等），實時解算本艦的運動參數（船位、航向、速度、航向變化率、加速度等）。

3.2 坐標系及其相互轉換

在救援艦艇電子海圖和雷達模擬時涉及六個坐標系，分別是地理坐標系、地表坐標系、圖板坐標系、屏幕邏輯坐標系、屏幕設備坐標系、投影平面坐標。整個海圖系統中，最基本的是圖板坐標和投影平面坐標，其他坐標系之間的變換需經這兩個坐標系進行變換。例如屏幕邏輯坐標到地理坐標的變換要經過屏幕邏輯坐標到圖板坐標的變換，圖板坐標到投影平面坐標的變換，投影平面到地理坐標的變換三個變換。

4 結束語

海警在遂行維權執法任務時，海上救援是其職能任務之一。救援的及時和高效是完成任務的重要因素，也是保障人民生命財產的重要體現。以救援任務為牽引，不斷加強救援訓練特別是模擬訓練的方式方法是應急情況下的重要途徑。設計艦艇模型、艦載機模型以及艦機協同救援模型，構建海警救援模型系統是訓練海警應急救援處置能力的重要平臺，是實現救援實戰化能力的重要途徑。

參考文獻：

[1]朱紫陽.海上守護有警必達[EB/OL].http：//legal.people.com.cn/nl/2019/1227/c42510-31526219.html.

[2]周晨璨.海上搜救模擬器中AIS信息的虛實融合技術研究[D].大連：大連海事大學，2013.

[3]鄒嫣然.智能體海上搜救仿真平臺的設計與實現[D].海口：海南大學，2019.

[4]尹勇.分布式航海仿真系統中視景實時生成算法的研究[Dl.大連：大連海事大學，2001.

[5]肖方兵，尹勇，金一丞，等.基于隨機粒子仿真的海上搜尋區域確定[Jl.中國航海，201 1，34（3）： 34-39.

[6]袁萍.船舶運動的數學模型構建與驗證研究[J].艦船科學技術，2019，41（6）： 31-33.

【通聯編輯：謝媛媛】

收稿日期：2020-02-05

基金項目：武警部隊教學成果培育項目：海警艦艇指揮仿真系統建設及運用;海警學院中心團隊項目：海警艦艇機動與戰術指揮仿真系統（項目編號：2018ZXTDB21）;科研基金項目：海警艦艇編隊維權方案風險評估（項目編號：2019JSLY06）

作者簡介：楊玉峰（1977-），男，山東成武人，副教授，碩士，研究方向為艦船指揮仿真。