0 引　言

航海过程中，安全问题最受关注，随着智能导航系统的发展，可为船舶的安全航行提供更好的保障。为了建立完善、可靠的导航系统，需要对导航方案、系统性能等各方面进行大量、重复性的测试并对系统进行相关优化。

为了节省时间、减少成本，需要对导航系统进行模拟仿真。程章等^[1]设计了一种模块化的船舶惯性导航仿真系统，并进行了相关仿真研究。昌攀^[2]开发了基于多源导航信息的三维辅助导航仿真系统，实现了模拟仿真的基本功能。祝中磊等^[3]设计了一种新型导航系统模拟仿真平台，可用于舰船信息算法的设计、分析等。

本文基于人机交互技术，设计一种智能导航仿真模拟系统，该系统可以对航行过程中的状况进行仿真分析，本文对系统性能进行研究。

1 人机交互技术

人机交互（Human-Computer Interaction，HCI）是指关于设计、实现供人们使用的交互式计算机系统以及相关研究的科学技术。人机交互是计算机科学和认知心理学相结合的技术，同时还涉及到生物学、人机工程学、设计艺术学等。

人机交互系统是一个具有特定功能的整体，如图1所示。整个系统由人、机、环境3个部分组成，是一个闭环人机系统。显示器用来显示整个人机交互过程中的操作过程情况，操作者首先通过视觉、听觉等获取显示器上的各种信息变化，经过分析和解释作出相应的人工决策，再通过控制方式实现人机交互过程的调整。

以上人和机器之间的信息交流都发生在人机界面上，其功能主要包括显示和控制，因此人机界面的合理性设计直接关系到人机交互的效果。随着人工智能、计算机视觉、虚拟现实等技术的发展和成熟应用，人机界面在自然化、人性化、高科技化等方面都得到了很好的发展。

2 基于人机交互技术的船舶智能导航仿真模拟系统 2.1 系统组成

本文基于人机交互技术，建立船舶智能导航仿真模拟系统，系统组成如图2所示。

根据电子海图显示与信息系统（Electronic Chart Display and Information System ，ECDIS），建立航线数据库，航线表包括航路点经度、纬度，航线序号等。在仿真模拟时，可以随机选择其中一条航线，自动读取相关航路信息。

在仿真模拟时，要调取船舶模型数据、航向航速、海况信息等多类数据，以便得到最全面、可靠的模拟仿真效果。

人机交互界面中，除了基础的时间、日期等数据外，要实时显示航线序号、航速航向、导航信息、海况信息等。同时，还可以根据仿真模拟的需要，实现对航线、航速等数据的在线修改。船舶航行的航迹信息能够实现实时保存，可用于仿真模拟时的数据对比及分析。

2.2 总体设计方案 2.2.1 硬件模块

根据系统组成，整个仿真模拟系统需要实现导航信息显示、船舶状态设置、通信等多种功能，同时还需要有实时的人机交互界面，整体可以分为以下几个模块^[4]：

1）人机交互模块。人机交互界面需要具有良好的实时性、可操作性，要符合人性化、自然化的特点。操作者在仿真模拟过程中对参数的设定、修改主要在人机交互界面上完成。在人机交互界面上，要实时显示船舶的运动状态、导航信息、海况信息等。

2）船舶运动轨迹仿真模块。根据利用对象化的设计思想，船舶运动轨迹仿真模块还可以再细分为多个模块，这些模块之间并没有直接联系，只是通过各个函数接口实现通信。操作者在输入目标航向、速度等初始参数后^[5]，选取细分之后的各个模块进行组合，产生运动轨迹。

3）仿真验证模块。主要是对仿真模拟系统的输出数据进行验证，并生成相关的导航信息，再反馈至仿真模块，得到数据间的误差。信息显示模块主要显示仿真模拟中各方面的数据。

4）通信模块。需要实现仿真模拟系统中所有数据的传输、共享，由于船舶仿真模拟系统需要实时传输大量的数据，选用UDP（User Data Protocol）协议，UDP是面向非连接的协议，不需要与对方建立连接，利用时钟函数实现各个模块间的数据传输，具有较好的传输速度和传输效率^[6]。

2.2.2 软件基础

根据系统总体功能，利用OpenGL、MFC、ActiveX控件等技术，设计出功能齐全的船舶智能导航仿真模拟系统。仿真模拟系统的软件基础是动态链接库DLL（Dynamic Link Library）和ActiveX控件的应用。DLL有助于实现数据共享和传输，提高内存的使用效率。ActiveX控件主要用来完成某一个或某一组任务，并实现时间日期显示、数据通信等功能。

2.3 运动模型建立 2.3.1 船舶运动方程

本文建立的运动方程的坐标系如图3所示， $ {X_0}{Y_0}{Z_0}{O_0} $ 为固定坐标系， $ XYZO $ 为船舶运动坐标系， $ O $ 为船舶的重心。

图中， $ u $ 、 $ v $ 、 $ w $ 分别表示船舶的横向速度、纵轴速度、垂荡速度； $ p $ 、 $ q $ 、 $ r $ 分别表示船舶的首横摇角速度、纵横摇角速度、摇角速度； $ \psi $ 表示航向角； $ \delta $ 表示舵角。

基于牛顿第二定律和动量守恒定理，采用分离式模式，建立船舶运动数学模型：

$ \begin{split} & X = m\left( \begin{gathered} \dot u - vr + wq - {x_0}\left( {{q^2} + {r^2}} \right) + {y_0}\left( {pq - \dot r} \right) + \\ {z_0}\left( {pr + \dot q} \right) \end{gathered} \right) ，\\ & Y = m\left( \begin{gathered} \dot v - wp + ur - {y_0}\left( {{r^2} + {p^2}} \right) + {z_0}\left( {qr - \dot p} \right) + \\ {x_0}\left( {qp + \dot r} \right) \end{gathered} \right) ，\\ & Z = m\left( \begin{gathered} \dot w - uq + vp - {z_0}\left( {{p^2} + {q^2}} \right) + {x_0}\left( {rp - \dot q} \right) + \\ {y_0}\left( {rq + \dot p} \right) \end{gathered} \right) \text{，} \\ & K = {I_{xx}}\dot p + \left( {{I_{zz}} - {I_{yy}}} \right)qr + m{y_0}\left( {\dot w + vp - uq} \right)- \\ & m{z_0}\left( {\dot v - wp + ur} \right) ，\\ & M = {I_{yy}}\dot q + \left( {{I_{xx}} - {I_{zz}}} \right)rp + m{z_0}\left( {\dot u + wq - vr} \right)- \\ &m{x_0}\left( {\dot w - uq + vp} \right) ，\\ & N = {I_{zz}}\dot r + \left( {{I_{yy}} - {I_{xx}}} \right)pq + m{x_0}\left( {\dot v + ur - wp} \right) - \\ & m{y_0}\left( {\dot u - vr + wq} \right) 。\end{split} $

(1)

式中： $ X $ 、 $ Y $ 、 $ Z $ 分别为船舶所受外力（包括水动力、空气动力等）的总和； $ K $ 、 $ M $ 、 $ N $ 均为外部动量总和； $ {I_{xx}} $ 、 $ {I_{yy}} $ 、 $ {I_{zz}} $ 均为船舶的惯性张量。

同时，还可以根据固定坐标系和船舶运动坐标系之间的关系，以及2个坐标系中速度分量推导出船舶运动的轨迹方程：

$ \left\{ \begin{gathered} {{\dot x}_0} = u\cos \psi - v\cos \phi \sin \psi，\\ {{\dot y}_0} = u\sin \psi + v\cos \phi \cos \psi，\\ \psi = r\cos \phi，\\ \dot \phi = p 。\\ \end{gathered} \right. $

(2)

式中， $ \phi $ 为船舶横倾角。

2.3.2 船舶所受力和力矩

船舶所受力和力矩包括船体力和力矩、舵力和舵力矩、螺旋桨力和力矩，使用的经验表达式为：

$ \left\{ \begin{gathered} {X_H} = - R + \frac{1}{2}\rho Ld{U^2}{{X'}_H}，\\ {Y_H} = \frac{1}{2}\rho Ld{U^2}{{Y'}_H}，\\ {N_H} = \frac{1}{2}\rho {L^2}d{U^2}{{N'}_H}，\\ {K_H} = M\left( {\dot \phi } \right) - WGM\phi - \left( {{Y_H} - {m_x}ur} \right){Z_{YH}}。\\ \end{gathered} \right. $

(3)

根据式（3）可以计算船体所受的流体力和力矩。其中， $ R $ 为流体阻力； $ U $ 为船舶速度； $ \rho $ 为水密度； $ W $ 、 $ GM $ 分别为船舶的排水量和船舶重心高度。

船舶受到的舵力和力矩的经验表达式为：

$ \left\{ \begin{gathered} {X_R} = \left( {1 - {t_R}} \right){F_N}\sin \delta，\\ {Y_R} = \left( {1 - {\alpha _H}} \right){F_N}\cos \delta ，\\ {N_R} = \left( {{x_R} + {\alpha _H}{x_R}} \right){F_N}\cos \delta ，\\ {K_R} = - {Y_R}{z_R}。\\ \end{gathered} \right. $

(4)

式中， $ {F_N} $ 为舵的法向力。

船舶受到的螺旋桨推力和扭矩的表达式为：

$ \left\{ \begin{gathered} {X_P} = \left( {1 - t} \right)\rho {n_P}{D_P}{K_T}\left( {{J_P}} \right) ，\\ {Q_P} = \left( {1 - t} \right)\rho {n_P}{D_P}{K_Q}\left( {{J_P}} \right)。\\ \end{gathered} \right. $

(5)

式中： $ t $ 为推力减额； $ {n_P} $ 为螺旋桨转速； $ {D_P} $ 为螺旋桨直径； $ {K_T} $ 、 $ {K_Q} $ 、 $ {J_P} $ 分别为推力系数、转矩系数和进速系数。

2.3.3 海浪方向谱

船舶的运动不仅要考虑上述的船体力、舵力和螺旋桨力的作用外，还要考虑海上的外界因素，如浪、流等影响。为了更好地进行仿真模拟，得到更可靠的数据，需要对海浪进行研究。

海浪可以看成一种不规则波，目前，应用相对比较广泛的Pierson-Moskowitz（P-M）谱，表达式如下：

$ S\left( w \right) = \frac{{0.78}}{{{w^5}}}\exp \left( { - \frac{{0.15216}}{{{w^4}}}} \right) \text{，} $

(6)

为了更加真实地研究海浪对船舶运动的影响，引入海浪方向谱，结合P-M谱，得出船舶的响应谱：

$ {S_R}\left( w \right) = \frac{{0.496\;6}}{{{w^2}}}{\cos ^2}\mu \cdot \exp \left( { - \frac{{0.151\;216}}{{{w^4}}}} \right){\left| {H\left( w \right)} \right|^2} \text{。} $

(7)

式中： $ \mu $ 为主波向和所求方向谱方向之间的夹角； $ H\left( w \right) $ 为传递函数。

2.4 实验结果

根据工作原理及系统构成，构建基于人机交互技术的船舶智能导航仿真模拟系统，图4为人机交互界面显示的部分信息。

可以看出，该系统能够较好地实现仿真模拟过程中的信息交互。在此界面上，操作者可以完成对仿真模拟参数的设置和修改。

在整体功能实现的情况下，进行船舶航行过程中的仿真模拟实验，图5为模拟过程中的偏航角和航行速度误差。

可以看出，在模拟过程中，随着航行距离的不断增大，偏航角和航行速度的误差均在可控范围内。

3 结　语

本文基于人机交互技术，构建了船舶智能导航仿真模拟系统，并对系统性能进行测试实验。从实验结果看出，该系统能够实现人机实时交互，仿真模拟的误差均在误差范围内，能够为导航系统提供更加可靠的参考数据，保证船舶的安全航行。