摘要:基于六自由度运动模型,提出Vegar环境中舰艇运动模型的数学表示及其C++语言描述方法,构建通用的基于VC++/Vegar的交互式舰艇六自由度实景仿真系统的驱动流程和模块化功能结构,构建不同破损状态下的静稳度曲线进行曲线拟合,比较真实的反应舰艇在破损状态下的稳性,吃水等参数,通过决策者采用的不同损管方法,来干预舰艇的破损状态,达到训练指挥员组织指挥舰艇损管的能力。
关键词:稳性,吃水,静稳度曲线
引言
舰艇在破损状态下如何进行进行损管的组织与指挥,目前只有一些损管条令条例和预案,虽然有些单位已进行了相关的损管训练,但基本上都是针对具体战位的损管训练,提高舰员操作熟练程度和水平,是一种基于教练室的实体训练。反应的只是舰艇局部损管情况,无法反应舰艇的漂浮状态,稳性特征,所以无法使舰艇决策者进行损管训练的组织指挥与决策。该交互式损管训练仿真系统利用先进的仿真平台Vegar与MFC相结合,在VC++中调用Vegar中的API函数可方便准确地实现交互式的实景仿真[3]。通过设定不同舰艇损伤状态,模拟不同类型的舰艇灾害,主要包括破损进水、火灾,搁浅三大类。通过构建舰艇灾害模型,实时反应舰艇在灾害状态下的漂浮状态和稳性特征,提供各种各样的损害处置方案为指挥员进行干预决策,以提高指挥员处置各种舰艇灾害的组织指挥与决策能力。
1 基于虚拟现实的交互式损管训练仿真系统的构成、功能和模块化结构
该系统由教控台子系统、多个训练台子系统、网络通信子系统、综合观摩子系统等组成,其模拟对象主要是破损状态下的舰艇,其系统构成如图一所示。
训练台
子系统 教控台子系统 网 络 通 信 子系 统 观摩子系统 训练台
子系统 训练台
子系统 训练台
子系统 训练台
子系统
图一 损管训练仿真教控台系统
1.1训练台子系统
训 练 台
应用软件 内部网络通信 车 舵 台
控制软件 舰艇运动
参数显示 舰艇三维
视景显示 操纵性模型库
决策知识库 决策模型库 ·
·
· 损管模型库 三维视景库 训练台子系统实现舰艇长损管决策指挥训练的全部功能。该子系统由舰艇长训练台应用软件、车舵台控制软件、三维视景库、舰艇信息库、舰艇结构数据库、舰艇操纵性模型库、损管计算模型库、损管决策模型库和知识库等构成,提供舰艇长进行损管训练过程中决策支持,其构成如图二所示。
图二 训练台子系统
1.2网络通讯子系统由训练单元、网络通讯控制机、教控子系统、操纵系统构成。
外部系统
互联通信
接 网络通信
控 制 训 练
单 元 训 练
单 元 训 练
单 元 教 控
子系统 训 练
单 元 训 练
单 元 操纵系统
互联通信
图三 网络通讯子系统
系统物理构成由舰长台、交换机柜、教控台、综合观摩室、三维视景显示组成如图4所示
图四 损管训练仿真系统物理构成图
2基于VC++和Vegar平台的舰艇损管训练仿真流程
该训练流程如图5所示,现以破损进水损管训练为例来说明其流程。首先由教控台发出损管警报,然后进行破损舱室的情况设定。破损舱室一旦确定,立刻由破损舰艇信息库提供舰艇状态显示,由训练场景库提供海况数据,训练人员依据破损舰艇的状态进行损害情况的综合分析,根据分析情况决定采取自主决策还是辅助决策,其自主决策方案按照舰艇所能提供的损害管制器材功能对破损进水进行干预,辅助决策是依据专家系统[2]建立智能决策方法库,确定方案产生逻辑,以多目标决策方法生成最优决策方案。当指挥员采取自主决策时,可以从损管处置方案库中选取方法,损管方案器材选定后,由损管计算模块计算出舰艇的实时状态,指挥员可以随时对所选方案进行调整,损管计算结果反映舰艇的稳度、吃水、倾差等参数的变化,该参数通过Vegar视景驱动,反映出舰艇的各种显示状态。训练结束后由方案评估模型库对训练成绩进行评定和存档。
图五 交互式损管训练仿真系统功能模块结构图
3 主要损管计算模块的生成
舰艇在破损状态下的状态计算是一个相当复杂的问题,为了能够近似反应出舰艇在大破损情况下的舰艇六自由度变化情况,对舰艇破损情况作如下假设:
ⅰ 假设舰艇一旦破损,便立即停车,即不考虑动水压力和水流对破口进水流量的影响;
ⅱ 假设舰艇发生小角度倾斜时,舰艇为等容倾斜,小角度范围在(-15,15)时,采用舰艇生命力教材所提供的公式计算舰艇的初稳度、倾斜,倾差。
ⅲ 多仓进水时,以多仓合重心进行计算,破口水线面积进行累加,即不考虑多仓隔墙对水线面面积的影响。
ⅳ 破口形状按照规则几何体如圆形或方形进行近似,破口进水流速依据水深压力进行线性加权处理,不考虑由于舰艇下沉对破口处水压变化的影响。
依据以上假设,当舰艇发生小仓破损或在破损的初始阶段,当舰艇的横倾或纵倾较小时(0-15度),采用舰艇生命力中的损失浮力法[]进行计算,当舰艇横倾大于15度,求解舰艇稳性等参数的计算公式已经不适合求解,也没有相关资料对破损舰艇大角稳性进行计算。所以本文依据舰艇破损进水后,依据进水程度确定舰艇排水量,由排水量计算重心改变量,再通过曲线拟合做出各种排水量下的舰艇静稳性曲线,通过对舰艇完好情况下的静稳性曲线到舰艇某一仓或多仓进水下的静稳性曲线进行数据采集、拟合和插值[5],获得舰艇在破损情况下的静水力动态曲线,从而可以依据不同进水时扶正力臂数值确定舰艇的横倾角。
下面首先列出某型舰艇在几种排水量,该数据是依据损失浮力法对舰艇破损进水进行计算,依据重心变化和标准排水量的静水力曲线[1]计算出舰艇不同破损情况的静水力曲线