[發明專利]基于硬件在環的內河航道通航安全仿真試驗平臺及方法

在審

• 申請號: 201710256342.3
• 申請日: 2017-04-19
• 公開（公告）號: CN107025356A
• 公開（公告）日: 2017-08-08
• 發明（設計）人: 蔣仲廉;嚴新平;初秀民;鐘誠;陳先橋;李吉祥
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;E02B1/02
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 王丹

技術領域

本發明涉及一種硬件在環仿真平臺，具體涉及一種基于硬件在環的內河航道通航安全仿真試驗平臺及方法。

背景技術

隨著內河水運的飛速發展，內河航道船舶通航安全的重要性日益凸顯。船舶安全航行不僅面臨外部復雜通航環境(如：水文、氣象條件、航道整治工程、繁忙船舶交通流等)的影響，同時各因素之間存在耦合非線性關系。在實際工程中，很難采用解析方法反映以上各因素對于船舶安全通航的影響。為此，仿真試驗平臺提供了一種新途徑。目前，結合船舶模擬操縱臺的航道通航安全仿真試驗平臺中，對于船舶安全航行具有重要影響的通航環境要素往往采用定常和均勻的假定，無法準確、真實模擬船舶在復雜難行航段中的運動特性，存在一定的缺陷。

硬件在環仿真是指將控制單元級執行器等硬件接入仿真回路，實現數學模型實時求解與在環硬件同步運行的方法(Hardware-in-loop)。基于硬件在環的內河航道通航安全仿真試驗平臺，可以在內河航道通航環境(水動力)計算模型中定義研究區域、初始條件、邊界條件；對于不同研究船型，可在船舶交通流仿真系統中定義相應的控制參數和交通流特征參數，為開展內河航道通航安全仿真試驗提供了準確、真實、可靠的外部通航環境要素信息；結合長江電子航道圖V3.0，實現了通航環境要素、船舶交通流數據、助導航信息、設備運行狀態等信息在仿真試驗平臺上的集成與融合，提升了系統在仿真試驗中的適用度、便捷度與準確度。利用硬件在環仿真試驗平臺，可有效實現不同水動力條件下，不同航段船舶通航的風險評估，經濟合理的航路規劃，保障水運安全。基于硬件在環的內河航道通航安全仿真試驗平臺及方法目前尚處于研發階段，沒有成型的產品。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：提供一種基于硬件在環的內河航道通航安全仿真試驗平臺及方法。

本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：一種基于硬件在環的內河航道通航安全仿真試驗平臺，其特征在于：它包括：

內河航道通航環境計算模塊，用于根據用戶所選定的條件，導入或定義該條件下的通航要素信息；所述的通航要素信息包括維護水深、流速場、地形變化和航道條件；

船舶交通流仿真系統，用于針對用戶所選定的條件下的交通流數據，通過擬合分析生成符合該條件下的交通流仿真數據，通過參數設置使得生成的交通流仿真數據滿足主觀需求；所述的船舶交通流仿真系統包括：船舶交通流數據解析模塊，用于AIS、雷達、CCTV視頻數據的解析和交通流特征分析；船舶交通流數據分析擬合模塊，用于解析交通流統計數據并獲取船舶交通流相關特征參數；船舶交通流仿真模塊用于生成指定參數下的交通流仿真數據；主程序模塊，用于各組成模塊間的任務調度；

若干個船舶模擬操縱臺，分別通過串口轉網口設備與所述的內核航道通航計算模塊和船舶交通流仿真系統進行數據交互，用于進行船舶運動與操縱、設備故障報警的仿真試驗，監測船舶狀態并進行內河航道通航安全評估；利用所述的串口轉網口設備，下位機基于詢問報文自動回復相應設備狀態報文到上位機，上位機為船舶模擬操縱臺，下位機為內河航道通航環境計算模塊和船舶交通流仿真系統；

監測與顯示系統，與內河航道通航環境計算模塊和船舶交通流仿真系統通過串口連接，用于在河內航道地圖上實時顯示船舶模擬操縱臺得到的船舶狀態和仿真試驗數據。

按上述平臺，所述的內河航道通航環境計算模塊包括水流模型與泥沙模型；所述的水流模型計算采用正交曲線網格的有限體積法計算雷諾平均Navier-Stokes方程組；所述的泥沙模型為非均勻非恒定泥沙輸運模型。

按上述平臺，所述的船舶交通流仿真系統包括斷面船舶交通流量預測模型和船舶交通流生成模型；所述的斷面交通流量預測模型采用結合時間序列分析和卡爾曼濾波的優化方法；所述的船舶交通流生成模型采用改進同余法隨機數生成器。

利用所述的基于硬件在環的內河航道通航安全仿真試驗平臺實現的仿真試驗方法，其特征在于：它包括以下步驟：

S1、根據試驗需要，通過內河航道通航環境計算模塊輸入地形數據、邊界條件和初始條件；通過實測數據驗證并調試內河航道通航環境計算模塊；

S2、船舶交通流仿真系統根據AIS、雷達、CCTV視頻數據解析，獲取船舶交通流特征參數；

S3、船舶模擬操縱臺根據船舶操縱駕駛與所述的內河航道通航環境計算模塊形成耦合模型，并計算結果；通過串口轉網口設備將舵角、航向和航跡線寬度發送至所述的監測與顯示系統，結合河內航道地圖，實現內河通航環境和船舶運行狀態的在線實時顯示與監測。