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船舶操縱模擬器系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主，結(jié)合船舶水動(dòng)力學(xué)等學(xué)科，模擬各種海區(qū)和海況、各種類型船舶及其控制系統(tǒng)，達(dá)到模擬仿真訓(xùn)練的目的。目前，船舶操縱模擬器系統(tǒng)在航海教學(xué)和船員培訓(xùn)方面不僅得到了國際航運(yùn)界的普遍認(rèn)同，而且也受到了國際海事組織(IMO)的高度重視。為此，隨著船舶操縱模擬器的不斷發(fā)展和成熟，在STCW78/95公約中IMO多次強(qiáng)調(diào)了航海模擬器的作用，并就其在航海訓(xùn)練中的應(yīng)用做出了明確的強(qiáng)制性與建議性規(guī)定。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，海上交通事故中約有80%是由人為因素引起的，因此，如何減少人為因素的影響是我們急需解決的問題，船舶操縱模擬器系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用正是為了解決這個(gè)問題而提出的。船舶操縱模擬器在航海教學(xué)和船員培訓(xùn)方面，船舶操縱模擬器的使用比實(shí)船的訓(xùn)練具有訓(xùn)練效率高、消耗費(fèi)用少、訓(xùn)練過程安全性好等特點(diǎn)，可進(jìn)行實(shí)船無法進(jìn)行的危險(xiǎn)局面的訓(xùn)練，它在提高和訓(xùn)練航海技術(shù)人員對各種海上環(huán)境的應(yīng)變能力和各種不同類型事故的處理能力，對保證海上安全，防止人員傷亡，避免對海洋環(huán)境及財(cái)產(chǎn)造成危害和損失，特別是預(yù)防海難事故中由于人為因素導(dǎo)致的事故，起到積極的作用。其主要的系統(tǒng)用途是可用于航海教學(xué)、在職船員培訓(xùn)、VTS操作員培訓(xùn)以及航運(yùn)安全管理人員培訓(xùn)等。
根據(jù)STCW78/95公約和我國海事局《海船船員適任考試和評估大綱》對強(qiáng)制性和非強(qiáng)制性模擬器訓(xùn)練的要求，針對目前國內(nèi)船舶操縱模擬器在航海教學(xué)和培訓(xùn)應(yīng)用方面進(jìn)行了深入研究，考察了國內(nèi)航海科研機(jī)構(gòu)和航運(yùn)院校對該系統(tǒng)的研制和使用的情況，特別是了解了各航運(yùn)院校關(guān)于船舶操縱模擬器在航海教學(xué)和船員培訓(xùn)方面的應(yīng)用情況，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如模擬訓(xùn)練不夠真實(shí)化、規(guī)范化，缺乏一定的實(shí)用性，教學(xué)培訓(xùn)質(zhì)量受到不同程度的影響。因此，不斷加強(qiáng)對船舶操縱模擬器在航海教學(xué)和船員培訓(xùn)方面的應(yīng)用研究，能使船舶操縱模擬器訓(xùn)練更合理、更真實(shí)、更規(guī)范。本文對船舶操縱模擬器在“船舶駕駛專業(yè)學(xué)生教學(xué)培訓(xùn)”中的應(yīng)用以及船舶操縱模擬器在“海員大型船舶操縱特殊培訓(xùn)”中的應(yīng)用進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，提出了自己的一些想法和嘗試，并提出了船舶操縱模擬器在“船舶駕駛專業(yè)學(xué)生航行實(shí)習(xí)”中應(yīng)用的設(shè)想和建議，從而能更好地發(fā)揮船舶操縱模擬器的作用。最后針對船舶操縱模擬器訓(xùn)練項(xiàng)目的考試和評估提出了評估系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)想。
航海模擬器用船舶六自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立方法
船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型是船舶運(yùn)動(dòng)仿真與控制問題的核心。航海模擬系統(tǒng)是人-機(jī)交互的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。在航海模擬系統(tǒng)中，系統(tǒng)為每一個(gè)仿真對象——"本船"建立六自由度船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由模型解算程序根據(jù)每條船的特性數(shù)據(jù)、航行環(huán)境以及操船指令計(jì)算采樣時(shí)刻本船的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后將本船的運(yùn)動(dòng)參數(shù)提供給系統(tǒng)的其他模塊，比如：視景系統(tǒng)、駕駛臺(tái)儀器儀表顯示以及雷達(dá)顯示模塊等。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：通過操作與實(shí)船控制設(shè)備外形、功能一致的硬件操作設(shè)備 (車鐘、舵、拖輪、纜繩等)和設(shè)置環(huán)境信息(風(fēng)、浪、流)，將其產(chǎn)生的信號(hào)傳輸給船舶運(yùn)動(dòng) 數(shù)學(xué)模型，并對微分方程進(jìn)行求解，實(shí)時(shí)獲得船舶六自由度運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)航海模擬器中 人在回路中的交互，在大地坐標(biāo)系和隨船運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下，采用匪G分離建模的思想建立船 舶六自由度運(yùn)動(dòng)方程，將不規(guī)則波看成是有限個(gè)規(guī)則波疊加的線性理論，并將船體近似為 箱型船，計(jì)算得到不規(guī)則波中裸船體的波浪力(力矩)，將其作為船體受到的外力，疊加到船舶六自由度運(yùn)動(dòng)方程的右側(cè)，然后采用四階龍格_庫塔數(shù)值積分的算法進(jìn)行微分方程組 的求解，得到船舶在不規(guī)則波中六自由度運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)。
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