一种基于数据分发服务的船舶驾驶模拟系统

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一种基于数据分发服务的船舶驾驶模拟系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于计算机仿真领域，是一种基于数据分发服务技术构建的半实物仿真系统，主要用于船舶驾驶模拟训练、船舶信息系统构建中。\n背景技术\n[0002] 计算机仿真技术的发展为大型复杂系统研制提供了新的手段，相比其他类型的仿真方法，半实物仿真除了具有提高系统研制质量、缩短研制周期、节省研制费用和实现更高真实度的可能性优点外，还具有以下特点：(1)可使很难建立起准确的数学模型的系统或实物直接进入仿真回路，可以避免难以准确建模的困难；(2)可以进一步校准系统的数学模型；(3)利用半实物仿真，检验系统各设备的功能与性能，将更直接和有效。\n[0003] 数据分发服务(DDS)是对象管理组织(OMG)制定的实现发布/订阅通信模式、满足实时性要求的软件设计标准和规范，该规范对分布式实时系统中数据发布、传递和接收接口的行为进行了标准化。DDS纯粹以数据为中心来进行数据分发，并将资源状况、网络状况等都用QoS参数来描述，这大大增加了通信灵活性。\n[0004] OpenDDS是对象管理组织提出的DDS规范的一个开源实现。它基于实时CORBA系统TAO实现。使用集中式的信息仓库(DCPS Information Repository)，按不同的域存储各个域内的发布订阅主题的注册信息以及相应的发布端、订阅端地址。发布端发布信息时，向信息数据库存储发布信息；订阅端订阅信息时，从信息数据库读取相应发布端的信息，之后直接与发布端进行数据交互。这种方式下，对于全局信息由于只有一份拷贝，所以不存在一致性问题。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的在于，通过提供基于数据分发服务的船舶驾驶模拟系统。该系统旨在适应船舶驾驶模拟系统的软件、硬件相结合、实时性要求高及系统对数据获取多样性的应用需求，提高船舶驾驶模拟系统的实时性，减少网络资源占用率，为半实物仿真系统构建提供一种解决方案。\n[0006] 为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种基于数据分发服务的船舶驾驶模拟系统，包括：船舶驾驶操控台(1)、电子海图显示模块(2)、虚拟仪表显示模块(3)、ARPA雷达显示模块(4)、航行观测显示模块(5)及三维海洋环境显示模块(6)；其中，船舶驾驶操控台(1)包括底座(7)、操控台台体(8)及装台设备；所述装台设备包括操舵仪(9)、主车钟(10)、应急车钟(11)、综合控制单元(12)、航行灯控制器(13)、信号灯控制器(14)、雾笛控制器(15)、通用报警控制板(16)和声力电话(17)。\n[0007] 操控台台体(8)安装在底座(7)之上，航行灯控制器(13)、信号灯控制器(14)和雾笛控制器(15)安装在操控台台体(8)的左侧立面上，操舵仪(9)、主车钟(10)、应急车钟(11)、综合控制单元(12)和声力电话(17)安装在操控台台体(8)中间台面上，通用报警控制板(16)安装在操控台台体(8)右侧立面上；电子海图显示模块(2)、虚拟仪表显示模块(3)、ARPA雷达显示模块(4)、航行观测显示模块(5)按从左至右的顺序部署在操控台台体(8)的四台计算机中，三维海洋环境显示模块(6)部署在船舶驾驶操控台(1)正前方；系统通过多串口服务器(18)将操舵仪(9)、主车钟(10)、应急车钟(11)、综合控制单元(12)、航行灯控制器(13)、信号灯控制器(14)和通用报警控制板(16)进行集成，并对各设备输出的数字信号进行采集；虚拟仪表显示模块(3)利用多串口服务器提供的API接口读取对应设备的输出信息，完成数据解析与提取，同时通过数据分发服务提供的发布订阅接口，完成舵角、车令、航行、信号指令的发布以及位置、航向、航速信息的订阅；三维海洋环境显示模块(6)利用数据分发服务提供的发布订阅接口，完成舵角、车令、航行和信号指令的订阅及位置、航向和航速信息的发布；电子海图显示模块(2)、ARPA雷达显示模块(4)和航行观测显示模块(5)利用数据分发服务提供的订阅接口，完成对位置、航向和航速信息的订阅，各个模块利用数据分发服务提供的回调接口实现对各类发布订阅数据的实时更新。\n[0008] 各装台硬件设备与实际装船设备有所区别，通过增加数据转换模块，将原模拟信号转换成数字信号输出，以RS232串口形式对外提供数据交互接口，各硬件输出数据采用多串口服务器完成硬件的集成，并由多串口服务器提供的API完成数据采集、解析、提取等处理工作；此外，各模块单元通过数据分发服务技术提供的API，完成各模块的集成，利用发布订阅接口完成各类数据的发布及订阅，并通过回调接口完成数据的实时更新，实现相互间的实时数据交互。\n[0009] 本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势：\n[0010] 本发明通过数据分发服务技术将船舶驾驶系统中的电子海图显示软件、虚拟仪表显示软件、ARPR雷达显示软件、航行观察显示软件以及三维海洋环境显示软件进行集成，实现了实时数据的采集、分发，提高了系统集成的灵活性及运行的实时性。\n附图说明\n[0011] 图1为本发明基于数据分发服务的船舶驾驶模拟系统组成图；\n[0012] 图2表示船舶驾驶操控台主视图；\n[0013] 图3表示船舶驾驶操控台上面板设备布置图；\n[0014] 图4表示船舶驾驶操控台俯视图；\n[0015] 图5表示数据分发服务工作流程图。\n具体实施方式\n[0016] 下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步描述。\n[0017] 如图1-4所示，本发明实施例由船舶驾驶操控台1、电子海图显示模块2、虚拟仪表显示模块3、ARPA雷达显示模块4、航行观测显示模块5、三维海洋环境显示模块6组成；其中，船舶驾驶操控台包括底座7、操控台台体8、操舵仪9、主车钟10、应急车钟11、综合控制单元\n12、航行灯控制器13、信号灯控制器14、雾笛控制器15、通用报警控制板16、声力电话17、多串口服务器18等部件；操控台台体8安装在底座7之上，航行灯控制器13、信号灯控制器14和雾笛控制器15安装在操控台台体8的左侧立面上，操舵仪9、主车钟10、应急车钟11、综合控制单元12和声力电话17安装在操控台台体8中间台面上，通用报警控制板16安装在操控台台体8右侧立面上；电子海图显示模块2、虚拟仪表显示模块3、ARPA雷达显示模块4、航行观测显示模块5按从左至右的顺序部署在操控台台体8的四台计算机中，三维海洋环境显示模块6部署在船舶驾驶操控台1正前方，各软件模块通过以太网接口与交换机相连，实现相互间的数据通信，具体安装部署情况如图2所示。本发明实例中各装台硬件设备与实际装船设备有所区别，通过增加数据转换模块，将原模拟信号转换成数字信号输出，以RS232串口形式对外提供数据交互接口，实例中多串口服务器18提供与各装台设备进行通信的串口接口，通过RS232串口数据线将操舵仪9、主车钟10、应急车钟11、综合控制单元12、航行灯控制器13、信号灯控制器14和通用报警控制板16与多串口服务器18进行连接实现硬件的集成，并对各设备输出的数字信号进行采集；虚拟仪表显示模块3利用多串口服务器18提供的API接口读取对应设备的输出信息，完成数据解析与提取，同时通过数据分发服务提供的发布订阅接口，完成舵角、车令、航行、信号指令的发布以及位置、航向、航速信息的订阅，为系统运行提供输入数据；三维海洋环境显示模块6利用数据分发服务提供的发布订阅接口，完成舵角、车令、航行和信号指令的订阅及位置、航向和航速信息的发布；电子海图显示模块2、ARPA雷达显示模块4和航行观测显示模块5利用数据分发服务提供的订阅接口，完成对位置、航向和航速信息的订阅，各个模块利用数据分发服务提供的回调接口实现对各类发布订阅数据的实时更新。\n[0018] 本发明采用OpenDDS作为数据分发服务工具实现系统集成，通过这些服务可以完成各个实体的创建、实体QoS的设置以及数据分发的管理。其工作流程如图5所示。\n[0019] 图5描述了利用数据分发平台回调数据读取者监听者接口的数据获取接口实现应用程序异步访问数据的过程：\n[0020] (A)订阅者创建数据读取者；\n[0021] (B)订阅者声明订阅；\n[0022] (C)发布者创建数据写入者；\n[0023] (D)写入者通过写操作进行数据的发布；\n[0024] (E)DDS数据分发平台进行数据的网络分发；\n[0025] (F)远程的DDS数据分发平台接收到数据，并回调数据获取接口通知数据读取者监听者进行处理；\n[0026] (G)数据读取者监听者调用数据读取者的提取下一个采样函数；\n[0027] (H)数据读取者的提取下一个采样操作从数据分发平台中提取数据，并返回给监听者接口；\n[0028] (I)监听者接口函数进行相应的数据处理。\n[0029] 图5表示数据分发服务的工作流程示意图，其中数据分发服务作为子模块嵌入在软件功能模块中，完成各软件模块的集成及数据交互，各软件模块作为数据发布者或者订阅者调用数据分发服务相关模块完成发布订阅初始化及数据的实时更新。本发明实施例中电子海图显示模块2、虚拟仪表显示模块3、ARPA雷达显示模块4、航行观测显示模块5、三维海洋环境显示模块6通过OpenDDS提供API接口实现各模块的集成。系统启动时各模块根据自身的数据需求完成相应的数据发布和订阅，系统运行中通过OpenDDS提供的回调API实现实时数据的提取处理。\n[0030] 本发明实例中各模块的具体工作流程如下：各装台设备为系统提供输入，主要包括舵角、车令、航行、信号等控制指令，由虚拟仪表显示模块3完成各输入信号的实时采集处理，在模块初始化时作为发布者利用数据分发服务提供的发布接口，创建数据写入者，通过数据写入者的写操作完成舵角、车令、航行、信号等控制指令的发布，并由DDS数据分发平台进行数据的网络分发；三维海洋环境显示模块6作为订阅者通过数据分发服务提供的订阅接口，创建数据读取者，完成对舵角、车令、航行、信号等指令的订阅声明，系统运行过程中通过数据分发服务提供的回调接口，由数据读取者提取一个采样，交由监听者完成数据的处理，实现对订阅数据的实时更新，用于驱动三维场景中各实体的实时渲染，同时作为发布者，创建数据写入者，通过写操作将各实体的位置、航向、航速等数据进行发布，并由DDS数据分发平台进行数据的网络分发；电子海图显示模块2、虚拟仪表显示模块3、ARPA雷达显示模块4和航行观测显示模块5作为订阅者在系统初始化时，利用数据分发服务提供的订阅接口，创建数据读取者，完成对位置、航向、航速等数据的订阅声明，并在系统运行过程中各个模块调用数据分发服务提供的回调接口，由数据读取者提取一个采样，并交给监听者进行数据处理，完成对各订阅数据的实时更新。\n[0031] 本发明提出的基于数据分发服务的船舶驾驶模拟系统，使得半实物仿真系统的构建更加灵活，能保证运行的实时性，相对其他集成架构和方法，系统可扩展性强，支持的接入节点数更大。\n[0032] 提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。