[发明专利]基于硬件在环的内河航道通航安全仿真试验平台及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬件在环仿真平台，具体涉及一种基于硬件在环的内河航道通航安全仿真试验平台及方法。

背景技术

随着内河水运的飞速发展，内河航道船舶通航安全的重要性日益凸显。船舶安全航行不仅面临外部复杂通航环境(如：水文、气象条件、航道整治工程、繁忙船舶交通流等)的影响，同时各因素之间存在耦合非线性关系。在实际工程中，很难采用解析方法反映以上各因素对于船舶安全通航的影响。为此，仿真试验平台提供了一种新途径。目前，结合船舶模拟操纵台的航道通航安全仿真试验平台中，对于船舶安全航行具有重要影响的通航环境要素往往采用定常和均匀的假定，无法准确、真实模拟船舶在复杂难行航段中的运动特性，存在一定的缺陷。

硬件在环仿真是指将控制单元级执行器等硬件接入仿真回路，实现数学模型实时求解与在环硬件同步运行的方法(Hardware-in-loop)。基于硬件在环的内河航道通航安全仿真试验平台，可以在内河航道通航环境(水动力)计算模型中定义研究区域、初始条件、边界条件；对于不同研究船型，可在船舶交通流仿真系统中定义相应的控制参数和交通流特征参数，为开展内河航道通航安全仿真试验提供了准确、真实、可靠的外部通航环境要素信息；结合长江电子航道图V3.0，实现了通航环境要素、船舶交通流数据、助导航信息、设备运行状态等信息在仿真试验平台上的集成与融合，提升了系统在仿真试验中的适用度、便捷度与准确度。利用硬件在环仿真试验平台，可有效实现不同水动力条件下，不同航段船舶通航的风险评估，经济合理的航路规划，保障水运安全。基于硬件在环的内河航道通航安全仿真试验平台及方法目前尚处于研发阶段，没有成型的产品。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于硬件在环的内河航道通航安全仿真试验平台及方法。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于硬件在环的内河航道通航安全仿真试验平台，其特征在于：它包括：

内河航道通航环境计算模块，用于根据用户所选定的条件，导入或定义该条件下的通航要素信息；所述的通航要素信息包括维护水深、流速场、地形变化和航道条件；

船舶交通流仿真系统，用于针对用户所选定的条件下的交通流数据，通过拟合分析生成符合该条件下的交通流仿真数据，通过参数设置使得生成的交通流仿真数据满足主观需求；所述的船舶交通流仿真系统包括：船舶交通流数据解析模块，用于AIS、雷达、CCTV视频数据的解析和交通流特征分析；船舶交通流数据分析拟合模块，用于解析交通流统计数据并获取船舶交通流相关特征参数；船舶交通流仿真模块用于生成指定参数下的交通流仿真数据；主程序模块，用于各组成模块间的任务调度；

若干个船舶模拟操纵台，分别通过串口转网口设备与所述的内核航道通航计算模块和船舶交通流仿真系统进行数据交互，用于进行船舶运动与操纵、设备故障报警的仿真试验，监测船舶状态并进行内河航道通航安全评估；利用所述的串口转网口设备，下位机基于询问报文自动回复相应设备状态报文到上位机，上位机为船舶模拟操纵台，下位机为内河航道通航环境计算模块和船舶交通流仿真系统；

监测与显示系统，与内河航道通航环境计算模块和船舶交通流仿真系统通过串口连接，用于在河内航道地图上实时显示船舶模拟操纵台得到的船舶状态和仿真试验数据。

按上述平台，所述的内河航道通航环境计算模块包括水流模型与泥沙模型；所述的水流模型计算采用正交曲线网格的有限体积法计算雷诺平均Navier-Stokes方程组；所述的泥沙模型为非均匀非恒定泥沙输运模型。

按上述平台，所述的船舶交通流仿真系统包括断面船舶交通流量预测模型和船舶交通流生成模型；所述的断面交通流量预测模型采用结合时间序列分析和卡尔曼滤波的优化方法；所述的船舶交通流生成模型采用改进同余法随机数生成器。

利用所述的基于硬件在环的内河航道通航安全仿真试验平台实现的仿真试验方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、根据试验需要，通过内河航道通航环境计算模块输入地形数据、边界条件和初始条件；通过实测数据验证并调试内河航道通航环境计算模块；

S2、船舶交通流仿真系统根据AIS、雷达、CCTV视频数据解析，获取船舶交通流特征参数；

S3、船舶模拟操纵台根据船舶操纵驾驶与所述的内河航道通航环境计算模块形成耦合模型，并计算结果；通过串口转网口设备将舵角、航向和航迹线宽度发送至所述的监测与显示系统，结合河内航道地图，实现内河通航环境和船舶运行状态的在线实时显示与监测。