海警海上救援模拟系统设计
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作者:杨玉峰
摘要：基于计算机仿真技术设计海警救援模拟系统，重点对舰艇模型、舰载直升机模型以及舰机协同动态过程进行设计。经过模拟训练能够为指挥员突发情况下的应急决策提供支持，提高海警舰员应对海上救援的能力。
关键词：救援模拟;舰艇模型设计;视景技术
中图分类号：TP391 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）09-0087-03
据公开资料报道[1]，2019年，中国海警共出动舰艇402艘次开展海上救援，实施海上救助361起，救助遇险船舶48艘，救助人员251名，为挽救遇险船舶和人员发挥了重要作用。为应对海上突发险情，海警舰员需要不断通过训练和演练，才能有效应对突发状况。随着计算机仿真技术的发展，海警海上救援模拟训练不仅能够节约训练经费，提高训练质量，还能减少因采用实际装备而发生误报警的可能性。因此开展海警海上救援模拟系统设计具有较强的实战应用价值。
1 海上救援模拟系统构成
海上救援模拟主要由指挥中心下设的搜救协调中心、导调和视频监控单元组成，搜救协调和导调部分由参谋席位1、席位2、席位3负责指挥控制。通过网络把4艘舰艇、1艘遇险模拟船和直升机模拟单元链接起来构成海上救援模拟系统[2-3]，如图1所示。
海上救援模拟系统中所有单元都共享一个虚拟的海上救援环境，遇险船只、救助船只以及搜救协调中心的训练人员通过视觉、听觉沉浸在救援环境之中。遇险船只、救助船只有采用带有宽视场角三维视景的救援模拟器实现船舶的仿真;救援直升机采用舰载直升机模型实现搜救仿真;指挥中心实现搜救协调中心等作用，导调对救援态势进行动态指挥，视频监控负责监控单舰艇现场救援或多舰艇协同救援。
海上救援模拟系统具有逼真的虚拟救援环境，包括各种不同海域，不同天气条件，对学员的视觉，聽觉和触觉等各种感官进行刺激，使学员能沉浸在虚拟救援环境中。海上救援培训效果很大程度上取决于救援虚拟环境是否可靠真实。通过海上救援模拟系统的训练，学员不仅可以学习海上救援专业技能和救援的过程，也能体会海上救援过程的紧迫感，大大提高海上救援训练的效果。
2 视景建模技术
为给救援培训人员提供逼真的海上救援环境，采用计算机成像技术，高性能显卡和普通投影机生成逼真的大视场角视景。基于海浪实时生成、三维视景生成、助航标志能见距离等多种算法，设计海上救援仿真软件，可快速、高效的创建训练区域的视景库、电子海图、雷达视频以及舰艇运动数学模型库。 视景为救援操纵者提供了一个实际训练任务中的景象。视景显示的内容包括海面、四周的陆地、主要实体模型（桥梁、码头、建筑物等）、目标船、助航设施、灯塔等。为生成港口三维视景数据，需进行现场采集素材。进行场景主要目标的三维视景建模，构造高逼真度的三维视景模型。
2.1 舰艇模型设计
实体模型主要在视景建模软件（如3DMax、MultiGen）中完成，采用现场拍摄的照片作为模型的纹理源。为提高视景系统的更新速率，对面数较多的模型，采用层次细节模型。对于实体模型中的灯塔、浮筒、船舶夜航时的灯光信号等，因为它们的能见距离航海上有严格的规定，建模时需注意生成的模型要符合灯光信号的能见距离。港口建筑的夜景模型，将通过采用图像处理软件处理后的夜景纹理，贴到模型上得到，以产生灯火阑珊的效果[4]。
船体模型的设计主要利用了CAD图纸建模和挤出两个关键技术。点击“应用程序”图标，然后执行“导入”菜单命令，接着在弹出的“选择要导人的文件”对话框中选择要导人的图纸。选择所有的线，然后单击鼠标右键，接着在弹出的快捷菜单中选择“冻结当前选择”命令。在“主工具栏”中的“捕捉开关”按钮上单击鼠标右键，然后在弹出的“栅格和捕捉设真置”对话框中单击“捕捉”选项卡，接着勾选“顶点”选项，再单击“选项”选项卡，最后勾选“捕捉到冻结对象”和“启用轴约束”选项。快捷键s键打开“捕捉开关”，然后使用“线”工具根据CAD图纸中的线在顶视图中绘制出船体各个部位的样条线。选择所有的样条线，然后在“修改器列表”中为其加载一个“挤出”修改器，接着在“参数”卷展栏下设置“数量”。
船体的贴图主要用到的技术是位图贴图。位图贴图通俗讲就是利用处理过的图片贴在物体上。首先将建好的船体模型导入场景，选择船体，打开材质编辑器，选择一个色球，然后点击获取材质按钮，然后搜索要用的材质，选择好后点击漫反射颜色调节反射度、亮度等参数，整个船体变成了白色。同样的方法，把甲板变成绿色。设计的舰艇模型如图2、图3所示。
2.2 舰载直升机模型设计
舰载直升机的建模主要用到的技术是编辑多边形建模。建模分机身，螺旋桨，轮胎三部分。机身大致是柱体，所以以圆柱体作为开始模型。建模过程与舰艇模型设计类似，其结构模型如图4所示，贴图后的模型如图5所示。
2.3 舰机虚拟仿真设计
为有效开展舰机协同仿真救援，有必要设计海上直升机虚拟救援操作模块，以动态演示救援过程，能够为指挥员制定救援决策提供思路。
以设立直升机起飞，营救落水人员场景为例说明直升机虚拟救援操作模块设计过程。首先将舰艇模型导入场景，打开时间配置对话框设置时长。将直升机导入场景，放置在甲板上。调整大小和位置，将时间滑块拖到初始帧处，开始记录。通过放大制作出由远及近的效果，然后给摄像机做环游关键帧，展示效果。然后打开时间配置框设置时间。创建一个辅助对象，将辅助对象与舰艇对齐，将舰艇模型连接到辅助对象上，然后将直升机连接到辅助对象上，这样舰艇和直升机就一起运动。在Y轴上拖动舰艇模型，结束记录。在Z轴上拖动直升机，然后在Y轴上拖动直升机。最后将直升机模型导入场景，在直升机下方创建一条线，当作绳索。导入两个救援人员.一个放在海面，一个藏在直升机后。打开时间配置框设置时间。将时间滑块拖到某帧处，开始记录。拖动直升机后的人物沿Z轴下至海面处。救援人员上升过程与之相似，如图6所示。在救援过程中，救援人员通过操作直升机仿真操作面板及遥杆完成模拟救援，海面救援过程如图7所示。 3 其他关键技术
3.1 救援舰艇运动数学模型
在救援模拟系统中，各个救援舰艇需要根据救援任务迅速机动到遇险海区。救援舰艇操纵台的计算机实时采集车、舵的操作，并根据航行环境信息（风、流、潮等），实时解算本舰的运动参数（舰位、航向、速度、航向变化率、加速度等）。
舰艇运动数学模型包括多种舰型，每种舰型中包括不同吨位与载况的模型[5-6]。舰艇运动数学模型中包括影响本船运动的各种效应（车、舵、锚、缆、风、流、拖轮、岸壁效应、船间效应、浅水效应等）。根据车、舵、锚、缆、拖轮的操作，航行环境信息（风、浪、雨、雪、能见度、流、潮汐等），实时解算本舰的运动参数（船位、航向、速度、航向变化率、加速度等）。
3.2 坐标系及其相互转换
在救援舰艇电子海图和雷达模拟时涉及六个坐标系，分别是地理坐标系、地表坐标系、图板坐标系、屏幕逻辑坐标系、屏幕设备坐标系、投影平面坐标。整个海图系统中，最基本的是图板坐标和投影平面坐标，其他坐标系之间的变换需经这两个坐标系进行变换。例如屏幕逻辑坐标到地理坐标的变换要经过屏幕逻辑坐标到图板坐标的变换，图板坐标到投影平面坐标的变换，投影平面到地理坐标的变换三个变换。
4 结束语
海警在遂行维权执法任务时，海上救援是其职能任务之一。救援的及时和高效是完成任务的重要因素，也是保障人民生命财产的重要体现。以救援任务为牵引，不断加强救援训练特別是模拟训练的方式方法是应急情况下的重要途径。设计舰艇模型、舰载机模型以及舰机协同救援模型，构建海警救援模型系统是训练海警应急救援处置能力的重要平台，是实现救援实战化能力的重要途径。
参考文献：
[1]朱紫阳.海上守护有警必达[EB/OL].http：//legal.people.com.cn/nl/2019/1227/c42510-31526219.html.
[2]周晨璨.海上搜救模拟器中AIS信息的虚实融合技术研究[D].大连：大连海事大学，2013.
[3]邹嫣然.智能体海上搜救仿真平台的设计与实现[D].海口：海南大学，2019.
[4]尹勇.分布式航海仿真系统中视景实时生成算法的研究[Dl.大连：大连海事大学，2001.
[5]肖方兵，尹勇，金一丞，等.基于随机粒子仿真的海上搜寻区域确定[Jl.中国航海，201 1，34（3）： 34-39.
[6]袁萍.船舶运动的数学模型构建与验证研究[J].舰船科学技术，2019，41（6）： 31-33.
【通联编辑：谢媛媛】
收稿日期：2020-02-05
基金项目：武警部队教学成果培育项目：海警舰艇指挥仿真系统建设及运用;海警学院中心团队项目：海警舰艇机动与战术指挥仿真系统（项目编号：2018ZXTDB21）;科研基金项目：海警舰艇编队维权方案风险评估（项目编号：2019JSLY06）
作者简介：杨玉峰（1977-），男，山东成武人，副教授，硕士，研究方向为舰船指挥仿真。
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