载人潜水器是指由搭载人员驾驶操作，具有生命支持配套和辅助系统，具备水下作业能力的可移动潜水装置。载人潜水器作为一种安全、高效的水下运载平台，能够搭载潜航员、工程技术人员或科学家开展水下作业活动。2012年，我国自主设计集成的第1台大深度载人潜水器蛟龙号成功完成7 000 m海试，我国成为继美、法、俄、日之后世界上第5个掌握大深度载人深潜技术的国家^[1]。2013年至2017年，蛟龙号完成了为期5年的试验性应用，成功搭载近70人次的科学家到深海现场进行作业，获得了大量海底样品和资料，在海洋地质、海洋生物等领域取得了丰富的科学考察成果^[2]。

潜航员是载人潜水器的驾驶操作人员，是驾驶载人潜水器下潜并在水下开展作业活动的主要操控人员。载人潜水器在海底的作业环境复杂、不确定因素多，同时舱内采集、显示的数据信息量大，对潜航员的驾驶水平、机械手作业水平和现场分析判断能力都有很高的要求，因此潜航员的操作技能和驾驶技术与载人潜水器本身的设计建造具有同等重要性。

对潜航员开展全面系统的潜水器作业训练是保障载人潜水器水下安全的重要手段。潜航员海上实艇培训需要大型船舶和其它配套设备，训练周期长、风险大、成本高，而使用载人潜水器模拟系统进行陆上模拟培训，能够大幅降低培训成本，提高培训效率，确保培训安全。早在蛟龙号载人潜水器研发阶段，研制单位的相关专家就已开展过载人潜水器的仿真系统研究^[3-6]，但当时主要关注于潜水器开发阶段的运动力学仿真与建模，并未涉及人员培训等应用领域。近年来，随着计算机技术和虚拟现实技术的飞速发展，航天、航空、航海、潜艇等相关领域均将模拟培训作为特殊人才培训的必备手段之一^[7-12]。随着我国蛟龙号载人潜水器应用日趋成熟，专业的潜航员梯队建设与下潜人员的航前培训体系不断完善，研制一套蛟龙号模拟训练系统，通过模拟环境完成载人舱内基础操作培训和常规训练，开展下潜任务预演和全流程下潜操作训练，建立基础培训-模拟培训-实艇培训的分步式培训体系成为当务之急。

1 仿真本体系统 1.1 仿真结构与载人舱

蛟龙号载人潜水器驾驶与操纵训练模拟系统(简称“蛟龙号模拟系统”)由载人潜水器仿真本体、数据仿真系统、训练教控系统和视景仿真系统组成，如图 1，各个系统之间通过高速以太网互联。仿真本体系统提供了与蛟龙号实艇一致的整体外观尺寸、载人舱环境及舱内操作界面；数据仿真系统用于产生蛟龙号载人潜水器各类传感器所获取的传感检测数据，为仿真本体的舱内控制系统提供一个仿真的数字环境；视景仿真系统以蛟龙号下潜所拍摄的海底真实影像为基础，通过计算机建模构建海底热液喷口、海底山脉等海底仿真视景环境，并可通过舱内控制系统的运动指令实现海底视景的移动与变换；训练教控系统可进行训练内容设定、训练任务发布、模拟故障触发与恢复、舱内操作记录及评价等。

蛟龙号模拟系统的仿真结构主要由主框架与坐底支架、模拟载人舱、仿真外壳与稳定翼、各种设备外观模型等组成。主框架与坐底支架采用轻量化设计，由钢制材料焊接搭建而成，可满足模拟系统的整体吊装与放置；仿真外壳采用高强度工程塑料制作；仿真稳定翼采用木质材料制作与实物一致的稳定翼。

模拟载人舱按照实艇1:1尺寸设计，内径为2.1 m的铸铁球壳，采用8 mm厚度的钢板冲压成瓜瓣式，再焊接成一个整体球壳，电缆贯穿件盘位置直接开孔走线。载人舱的前下部位有3个观察窗，分别是透光直径200 mm的中间观察窗一个，透光直径120 mm的两舷观察窗2个。载人舱的顶部设置直径为480 mm的出入舱口及舱口盖，同时考虑到该系统的科普宣传需要，在球舱侧后部开启1 500 mm×800 mm的参观门便于人员进出。载人舱内环境与蛟龙号实艇基本一致，包括舱内接线箱、支架、导流板、座椅、地板、操作台、操作面板、航行操作手柄、无线电台、喇叭、工业计算机、显示器、舱内灯光、录像机等；模拟载人舱采用陆上灯光与陆上摄像头实现实艇水下灯、水下摄像机、水下照相机的功能模拟，通过高速以太网络连接至外部交换机实现数据互传，舱内设备按照实艇要求均为直流24 V电源供电；模拟载人舱前部根据实艇尺寸设置有一个直径200 mm和2个直径120 mm的观察窗，窗体采用有机玻璃制作。图 3所示为模拟载人舱实景。

1.2 仿真本体控制系统

仿真本体内的控制系统与舱内操作界面与蛟龙号实艇保持一致，主要包括操作面板、数据采集模块、航行控制模拟模块与综合显控模块。

操作面板位于驾驶台正前方，包括了潜水器驾驶与操纵所需的绝大部分开关与指示灯，是潜航员进行潜水器控制与报警信息获取的主要界面。

数据采集模块主要由I/O节点控制器及I/O模块组成，采集操作面板上的开关量和航行控制操作杆的模拟量传入以太网络，供航行控制模拟模块、综合显控模块及数据仿真系统使用，同时反馈相应的指示灯状态。

航行控制模拟模块主要由航行控制计算机、航行控制操作杆、航行控制软件等组成。载人潜水器仿真本体的模拟运动控制信息从航行控制计算机获得，由航行控制计算机根据潜航员对控制面板和航行控制操作杆的操作指令计算潜水器7个模拟推进器的推力分配数据，提供给数据仿真平台计算出潜水器六自由度运动数据^[4]，并由数据仿真系统根据视景仿真系统提供的位置参数计算各种虚拟的导航传感器、声呐传感器以及其他传感器数据，反馈给航行控制计算机，完成一个工作循环。此外，航行控制模块还可实现运动手操、自动定向控制、自动定高控制、自动定深控制、无动力下潜与上浮、悬停定位等模拟功能。

综合显控模块主要包括综合显控计算机及其综合显控软件，潜航员通过综合显控软件获取潜水器、母船、作业工具等工作状态，具体包括：模拟推进器电流或转速、CTD数据、各个耐压罐的泄漏报警、充油式容器的补偿报警、水银液面高度、可调压载水舱液面高度、液压系统的工作压力和回油压力、液压系统温度、各种电气设备温度、压载释放状态、110 V供电电压与电流、24 V供电电压及电流、备用电池电压及电流、航向、纵倾、横倾量及其速度/加速度/角速度/角加速度、舱内温度、湿度、二氧化碳浓度、氧气浓度等。此外，综合显控软件还实现对潜水器各系统运行数据的全面记录。如图 4所示。

1.3 仿真本体其他系统

机械手与作业系统包括与实艇一致的深海7功能主从机械手、真实采样篮、模拟开关式机械手模型以及小型陆上液压源，机械手、液压源及其辅助设备的技术指标参考蛟龙号载人潜水器作业系统设计。潜航员可在载人舱内通过全真的主从式机械手与采样篮开展高仿真条件下的目标布放与取样作业训练，可通过模拟开关机械手模型抛载进行应急抛载避险操作训练，小型陆上液压源功率2.1 kW，装于仿真本体内载人球舱外，为机械手提供动力。

观通模拟系统包括3台陆上高清彩色摄像机(含照相功能)、2个2自由度云台及其控制手柄、14台陆上LED照明灯、1台硬盘录像机、1台视频切换器、2台监视器及1台舱内监控摄像机，可根据蛟龙号舱内水下照明、摄像与拍照实际操作，实现相关操作界面模拟与功能模拟，如图 5所示。

抛载模拟系统安装有与蛟龙号实艇外观与尺寸一致的压载铁模型、压载铁引导轨道和陆上电磁铁，可通过舱内控制实现压载铁模型抛载演示。

推进模拟系统参考蛟龙号实艇功能，安装4个艉推进器、2个垂向推力器和1个侧向槽道推力器，每个推力器由马达、精密行星减速机和定距螺旋浆组成，可进行旋转演示和转速控制。

生命支持模拟系统通过载人舱外部空调实现舱内空气交换，故该系统大部分舱内设备仅通过模型反映其真实的物理位置与外形，具体包括：舱内供氧系统模型、备用供氧系统模型、二氧化碳滤除罐模型、舱内环境监测面板模型、生命支持显控面板模型等。应急呼吸面罩采用真实设备，便于开展舱内应急操作训练。

声学通信模拟系统包括舱内真实的水声通信计算机、模拟水声电话、话筒及音箱等，舱外各类声学设备(超短基线应答器、测深侧扫声呐、避碰声呐、成像声纳、多普勒测速声呐等)均以外观模型代替。舱内水声通信计算机以目前蛟龙号载人潜水器的水声通信系统为原型，开发一套模拟软件，确保与实艇的水声通信界面的外观与功能一致，通过以太网络替代实艇的水声通信信道，实现潜水器模拟系统载人舱与外界的语音、图像、文字、莫尔斯码、潜水器状态数据等内容的传输与交互。模拟水声电话通过甚高频无线对讲系统模拟蛟龙号实艇的备份水下语音通信系统功能。话筒及音箱完成舱内声音信号输入与输出。

2 数据仿真系统

数据仿真系统是蛟龙号模拟系统的核心分系统，负责与潜水器相关的全部仿真数据生成或利用，它与仿真本体控制系统、视景仿真系统、训练教控系统均发生数据交互，交互内容包括：潜水器大地坐标、潜水器姿态与运动速度、潜水器可调压载系统数据、潜水器深度、高度、温盐深数据、生命支持系统数据、避碰声呐数据、潜水器蓄电池电流/电压/总能耗、母船位置、母船运动速度、潜水器相对母船位置数据等。仿真显示界面如图 6所示。

环境与运动模拟模块接收视景仿真系统电子海图计算机发送的载人潜水器定位数据，根据位置信息生成经度、纬度、深度、高度、温度、盐度、航向角、艏向角等设备的环境模拟传感检测数据；同时，结合舱内航行控制手柄的控制量，通过水下六自由度运动方程解算潜水器模拟运动姿态，由航行控制计算机计算模拟推力器的推力分配数据，从而计算潜水器在水下的线速度、线加速度、角速度、角加速度、俯仰角、相对海底速度等运动状态参数，并与定位数据实时结合，实现运动模拟仿真。该部分的具体计算过程详见文献[4-5]。

各耐压罐或充油补偿器的漏水检测/补偿液位检测模块是蛟龙号实艇非常重要的故障检测单元，本系统根据蛟龙号实艇的经验值生成这些模拟检测数据，并在此基础上利用该数据进行部分故障模拟。

推进系统数据模拟模块用以接收载人舱内操作系统的航行操作手柄控制量并据此产生模拟推进器电流与反馈数据，同时根据潜水器动力学模型计算潜水器模拟速度与加速度数据；液压系统数据模拟模块用以产生载人潜水器仿真本体的系统压力、电流和油箱温度等模拟数据；压载与纵倾调节模拟模块用以产生载人潜水器仿真本体的模拟压载抛载指令与前后水银液位纵倾调节传感等模拟数据；配电系统数据模拟模块用以模拟潜水器系统的主蓄电池、副蓄电池、备用蓄电池的电压与电流数据并计算总能耗；生命支持数据模拟模块用以产生载人舱内氧气浓度、二氧化碳浓度、压力、温度等舱内环境参数模拟数据。

故障模拟模块在接收训练教控系统的故障触发指令后，通过控制前述数据变化来模拟载人潜水器相关系统的故障发生与故障恢复，对潜航员进行应急故障排查训练。在模拟故障库设计中，首先对蛟龙号载人潜水器在应用过程中出现过的故障进行总结，对故障的内容及其来源进行分析，并按照故障类型进行分类，整理出在各类故障发生时可能会受到影响的装置、部件。在进行故障模拟时，根据故障数据库生成的故障命令对相关功能模块进行功能约束，产生超过相应阀值的随机检测虚拟数据，由仿真本体控制系统进行检测与报警，同时把故障信息实时发送给训练教控系统，完成整个模拟系统故障的联动，实现潜航员的故障应急操作训练。模拟故障设置与显示界面如图 7所示。

3 视景仿真系统

视景仿真系统包括电子海图模块、环形投影系统、运动视景仿真模块、水面支持系统视景仿真与操作模拟模块、深海视景模拟模块。该系统可模拟载人潜水器作业的热液区、海山区、海盆区3类典型的海底环境，并通过三维视景的实时动态变化复现载人潜水器的空间运动，实现在深海环境中直航、回转、纵倾运动等性能的逼真展示。该系统综合利用虚拟现实技术、图形图像技术、三维立体视景生成和再现技术，可实现舱内操纵人员与海底三维立体视景的直接交互，使舱内人员产生亲临深海驾驶潜器的感觉。

电子海图模块生成并显示模拟载人潜水器相对于母船的位置、潜水器在大地坐标系中的位置、潜水器的姿态(包括航向、深度、纵倾、高度、速度、避碰等)、潜水器相对于作业目标的位置，并根据定位数据产生模拟温度、盐度、深度、高度、对底速度数据发送给舱内控制系统；投影主控计算机根据电子海图模块调用视景信息，视景信息包含根据蛟龙号载人潜水器拍摄的海底录像制作的数字化海底仿真视景资料，视景信息经过图形加速卡运算后由投影机组投影到环形投影柱幕进行显示。

环形投影系统采用120°无缝拼接柱幕，可覆盖载人舱观察窗最大视野。为最大限度利用蛟龙号模拟系统周围空间，安装方案及实际效果如图 8所示，其中环幕到投影系统中心点的半径为5 m，为保证舱内人员从观察窗观察屏幕的效果，蛟龙号模拟系统整体距地面高1.3 m，3台投影仪机组放置于模拟系统艏部下方并分别连接一台投影计算机，3台投影计算机由1台视景主控计算机统一控制。

运动视景仿真模块综合考虑潜水器在甲板准备、布放回收、注水下潜、下潜抛载、近底航行、着地作业、抛载返航、排水上浮、回收甲板等不同运动工况条件下相关运动参数的变化，布放回收过程建立近水面六自由度运动方程，下潜作业期间调用数字仿真平台的水下六自由度运动方程，通过投影主控计算机中软件的四阶龙格库塔算法进行运动方程求解，实时求解潜水器在深海环境中直航、回转、纵倾运动等各种运动姿态数值，完成三维空间模型中的可视化处理与投影显示，并把各运动分量数值实时传送给舱内控制系统和数据仿真系统。该系统与数据仿真系统交互变量如表 1所示。

水面支持系统视景仿真与操作模拟模块以蛟龙号支持母船上潜水器布放回收实际作业场景为原型，开发一套与环形投影柱幕所投视景相统一的虚拟空间，实现蛟龙号从布放到回收的全流程场景模拟，如图 9所示。

深海环境视景模拟系统针对深海地质地貌、内波、底流等深海环境特征及深潜器运动特性，进行高真实感虚拟场景三维建模，海底特殊地貌如深海热液喷口、深海生物、钴结壳等的虚拟特效实现，构建以海山为主，辅以谷、海沟、断崖、平坦海底和海流等的虚拟深海三维视景数据库，及电子海图模块，搭建高亮度宽视场角柱幕无缝拼接三维视景系统，实现与潜器运动模型解算计算机的实时信息交换，并驱动三维视景系统以实时同步响应操作人员的操作，从而逼真模拟载人潜水器在六自由度空间的运动，给人以身临其境的感觉，达到人员培训的目的。深海视景效果如图 10所示。

4 训练教控系统

训练教控系统是蛟龙号模拟系统的总入口，也是模拟训练的教员中心，负责整个系统的训练任务设置、训练场景管理、训练过程监控、训练记录、模拟故障触发等，该系统与其他系统的交互关系如图 11所示。

训练任务管理模块可完成模拟训练科目、训练内容、训练场景、训练阶段、训练人员及其他训练参数的设置，通过相关设置指令驱动和调用视景仿真系统的虚拟训练场景与电子海图，并驱动数据仿真系统进行仿真计算，同时完成与其的数据交互记录。该模块可针对不同海区和作业任务特点进行全流程预演与介绍，使训练人员了解任务总体情况与主要目标，并实现母船携带载人潜水器进行不同海域、不同海底环境、不同作业任务的训练。训练任务管理界面如图 12所示。

水面监控模拟模块通过以太网络从舱内控制系统获取载人潜水器与母船的位置坐标、姿态、速度、舱内环境参数等潜水器基本参数并进行显示，便于水面指挥人员实时监控潜水器仿真技术状态与舱内环境状态。水面监控模拟界面如图 13所示。

水声通信模拟模块分为载人舱端和模拟母船(即教员中心)端，以目前蛟龙号载人潜水器的水声通信系统为原型，采用以太网模拟蛟龙号水声通信系统的水声信道，同时开发与真实界面体验效果一致的模拟界面，使原有通信界面的按钮设置、功能布局、软件界面颜色、声音等保持不变，如图 14所示。载人舱端的模拟声学通信软件接收舱内控制系统发送的模拟舱内信息，通过以太网络(模拟声学信道)将数据包发送至模拟母船端的软件，并由该软件转发至模拟水面监控计算机，实现对舱内状态的监控。载人舱内人员与模拟母船端的训练教员可通过该水声通信模拟软件进行语音、图像、文字、莫尔斯码等信息交互，为水面水下协同配合训练提供平台。

模拟故障触发模块根据数据仿真系统内的模拟故障库内容预先设置了10个开关量故障和17个模拟量故障，包括各个耐压罐的漏水报警和各补偿罐体的补偿油位报警，教练员可通过故障触发对话框及其对应的通信协议向数据仿真系统发送指令，对潜航员和舱内人员进行应急故障操作训练考核。

训练记录与回放模块记录了每次训练的详细过程数据，数据按照训练的时间历程顺序存储并包含时间信息，可根据训练关键信息查询某次训练记录。同时，该训练教控软件能够调用数据仿真系统上的训练数据进行回放，并通过进度条实现回放进度的控制，便于进行训练评估与教学研究。

5 结论

1) 本文提出的蛟龙号载人潜水器驾驶与操纵训练模拟系统是一套本体结构、舱内环境、深海视景、作业流程、故障响应、实物/半实物与数字仿真结合的载人潜水器全功能动态模拟系统，可实现蛟龙号起吊入水、下潜作业到甲板回收的全流程驾驶与操作模拟，能够为载人潜水器潜航员及下潜人员的陆上模拟培训提供所需的软硬件训练平台。

2) 作为实艇操作之前的必备环节，能够大幅降低培训成本，提高培训效率，确保培训安全。

3) 该系统能够为我国海洋及其他领域重大装备的特殊人员培训系统开发与建设提供参考借鉴。