一种数智船舶平台架构设计方法与流程

1.本发明涉及数字船舶设计技术领域，具体为一种数智船舶平台架构设计方法。


背景技术：

2.所谓数字船舶设计就是运用虚拟现实、可视化仿真、船舶运动模型仿真等技术，在计算机里先设计一条“完整的数字的船”。该数字船能够模拟船上配置的各个系统及操控设备，同时在风、浪、流等环境要素背景场驱动下，根据船舶操纵控制指令实时模拟船舶在海上的运动状态。
3.数字船舶设计通过虚拟现实、可视化仿真、船舶运动模型仿真等现代化技术辅助船舶设计，从而可直观的展现船舶的设计理念和设计形式，同时可快速判断船舶设计的准确性与合理性，从而减少设计缺陷，缩短船舶设计开发周期，有效的促进船舶研发能力的提升。
4.但是由于信息化水平落后，缺乏一体化的数字船舶设计工具及平台架构，造成船舶设计与开发方面能力很差，主要表现为设计周期长、设计缺陷很难提前发现。
5.另外数字船舶设计存在的主要问题还表现为船舶设计自顶向下信息孤岛现象严重，信息架构的整体考虑不足，协同能力差，数字化船舶设计、建造、测试、验证等方面的效能远未发挥，同时，现有的数字船舶设计工具及平台架构有局限性，灵活性较差，无法摆脱现有功能架构去灵活设计开发一些定制化的功能和模块。


技术实现要素：

6.(一)解决的技术问题
7.本发明提供了一种数智船舶平台架构设计方法，具备解决了数字船舶设计信息自顶向下信息孤岛现象严重、能够提前发现设计缺陷并及时解决的问题等优点，解决了背景技术提出的问题。
8.(二)技术方案
9.本发明提供如下技术方案：一种数智船舶平台架构设计方法，包括以下步骤：
10.步骤一：用虚拟现实技术构建自然界；
11.步骤二：在计入风、浪、流等自然界因素情况下，构建六自由度耦合的船体水动力模型；
12.步骤三：在公共计算平台构建导航系统和操控系统，并在导航系统和操控系统中插件各设备；
13.步骤四：构建自主决策模型，构建包括自动驾驶仿真模型、航行规划仿真模型、避碰仿真模型等；
14.步骤五：构建用户自定义单元；
15.步骤六：构建redis标准接口，采用了redis信息交互技术，完成自然界、船体、系统、自主决策的信息交互；
16.步骤七：构建标准sdk，用于用户自定义的作业单元进行信息交互；
17.步骤八：设置船型、环境、初始位置、时统等初始化参数，并使数智船舶平台运行。
18.优选的，所述自然界包括船型、天气、海洋、水下、岛屿、港口、海洋生物、声效。
19.优选的，所述步骤三导航系统中以插件方式孪生集成管理设备插件、激光惯导设备插件、卫星导航设备插件、气象观测设备插件、多普勒计程仪插件、磁罗经插件、ais设备插件，用于对模型运作过程中进行导航，所述集成管理设备插件、激光惯导设备插件、卫星导航设备插件、气象观测设备插件、多普勒计程仪插件、磁罗经插件、ais设备插件等设备插件通过redis信息交互技术与redis标准接口相互连接；
20.所述卫星导航设备插件为北斗定位系统或gps定位系统中的一种；
21.所述操控系统中以插件方式孪生襟翼舵仿真设备插件、稳定鳍仿真设备插件、电推仿真设备插件、艏辅推仿真设备插件，所述襟翼舵仿真设备插件、稳定鳍仿真设备插件、电推仿真设备插件、艏辅推仿真设备插件等设备插件通过redis信息交互技术与redis标准接口相互连接。
22.优选的，所述自动驾驶仿真模型构建步骤：步骤
①
：设置期望航路及各航路的期望航速；步骤
②
：设置航速和航向角自动控制回路；步骤
③
：根据期望值与实际的状态和运动信息计算偏差；步骤
④
：利用偏差分别计算推进器螺旋桨转速、舵角信息；步骤
⑤
：将螺旋桨转速、舵角信息输入相应的推进器，使船以期望航速、航向航行；
23.所述航行规划仿真模型构建步骤：步骤
①
：对航路起始、终止点确定；步骤
②
：确定航行空间及障碍物位置；步骤
③
：设定航行规划评价指标：安全性、隐蔽性和经济性等；步骤
④
：确定航行空间环境信息，包括水深、海流及透明度；步骤
⑤
：使用粒子群算法进行航路规划；
24.所述避碰仿真模型构建步骤：步骤
①
：碰撞危险度判断；步骤
②
：局面判断，辨别本船和目标会遇的态势；步骤
③
：碰撞后主要责任判断；步骤
④
：确定避碰行动方式；步骤
⑤
：确定行动实机、安全航速及避碰幅度；步骤
⑥
:避碰过程重复试验并进行复航测试。
25.优选的，所述用户自定义单元包括作业单元和操控设备单元；
26.所述作业单元包括电子海图作业系统、雷达作业平台、驾控信息显示系统及服务在线状态监视；
27.所述操控设备单元包括襟翼舵、电推、艏辅推、稳定鳍、摇杆、驾驶状态切换；
28.所述作业单元和操控设备单元通过数据采集解析软件对数据进行采集，并使作业单元和操控设备单元分别与redis标准接口相互连接。
29.优选的，所述redis信息交互的信息包括公用环境信息、船体识别、船体各系统、设备等在线状态信息；
30.所述公用环境信息包括自然环境状态、历史环境数据和世界时信息；
31.所述船体识别包括舰船信息(船型、初始位置、所用3d模型、所用运动模型等)、运动模型、数字导航系统信息、经度、纬度、航速、航向、数字操控系统信息。
32.(三)有益效果
33.本发明具备以下有益效果：
34.1、该种数智船舶平台架构设计方法，利用数字孪生技术将自然界、船体、系统、自主决策、用户自定义单元在虚拟空间中完成映射，从而可反映相对应实船设计建造的全过
程，在船舶没有建造之前，就完成各层级的数字化模型，从而在虚拟空间中对船舶设计、建造、测试、验证进行仿真和模拟，并可将真实参数通过redis信息交互传给实际船厂建造，这样大大提高了船舶设计及建造效率，同时将不同层级进行互联互通，解决了数字船舶设计信息自顶向下信息孤岛现象严重的问题。
35.2、该种数智船舶平台架构设计方法，将数字船舶设计涉及到的自然界、船体、系统、自主决策以及用户自定义单元按层次拆解，降低耦合度，提高了数字船舶设计平台架构的灵活性，可针对不同层级定制开发功能模块，互不干扰，同时设计缺陷在虚拟空间的测试、验证环节中可提前暴露，降低了船舶设计、建造的风险及成本。
附图说明
36.图1为本发明架构流程示意图；
37.图2为本发明数智船舶平台架构示意图。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.请参阅图1-2，一种数智船舶平台架构设计方法，包括以下步骤：
40.步骤一：用虚拟现实技术构建自然界，包括船型、天气、海洋、水下、岛屿、港口、海洋生物、声效。
41.步骤二：在计入风、浪、流等自然界因素情况下，构建六自由度耦合的船体水动力模型；
42.步骤三：在公共计算平台构建导航系统和操控系统，并在导航系统和操控系统中插件各设备插件；
43.导航系统中以插件方式孪生集成管理设备插件、激光惯导设备插件、卫星导航设备插件、气象观测设备插件、多普勒计程仪插件、磁罗经插件、ais设备插件，所述集成管理设备插件、激光惯导设备插件、卫星导航设备插件、气象观测设备插件、多普勒计程仪插件、磁罗经插件、ais设备插件等设备插件通过redis信息交互技术与redis标准接口相互连接；
44.卫星导航设备插件为北斗定位系统或gps定位系统中的一种；
45.操控系统中以插件方式孪生襟翼舵仿真设备插件、稳定鳍仿真设备插件、电推仿真设备插件、艏辅推仿真设备插件，所述襟翼舵仿真设备插件、稳定鳍仿真设备插件、电推仿真设备插件、艏辅推仿真设备插件等设备插件通过redis信息交互技术与redis标准接口相互连接。
46.步骤四：构建自主决策模型，包括自动驾驶仿真模型、航行规划仿真模型、避碰仿真模型；
47.其中，自动驾驶仿真模型构建步骤：步骤
①
：设置期望航路及各航路的期望航速；步骤
②
：设置航速和航向角自动控制回路；步骤
③
：根据期望值与实际的状态和运动信息计算偏差；步骤
④
：利用偏差分别计算推进器螺旋桨转速、舵角信息；步骤
⑤
：将螺旋桨转速、
舵角信息输入相应的推进器，使船以期望航速、航向航行；
48.航行规划仿真模型构建步骤：步骤
①
：对航路起始、终止点确定；步骤
②
：确定航行空间及障碍物位置；步骤
③
：设定航行规划评价指标：安全性、隐蔽性和经济性等；步骤
④
：确定航行空间环境信息，包括水深、海流及透明度；步骤
⑤
：使用粒子群算法进行航路规划；
49.粒子群算法首先要初始化粒子及迭代计数器，并计算评估值，更新局部及全局最优值，完成后对粒子速度位置更新，然后使用粒子群算法达到迭代次数，完成规划；
50.避碰仿真模型构建步骤：步骤
①
：碰撞危险度判断；步骤
②
：局面判断，辨别本船和目标会遇的态势；步骤
③
：碰撞后主要责任判断；步骤
④
：确定避碰行动方式；步骤
⑤
：确定行动实机、安全航速及避碰幅度；步骤
⑥
:避碰过程重复试验并进行复航测试
51.步骤五：构建用户自定义单元，包括作业单元和操控设备单元；
52.作业单元包括电子海图作业系统、雷达作业平台、驾控信息显示系统及服务在线状态监视；
53.操控设备单元包括襟翼舵、电推、艏辅推、稳定鳍、摇杆、驾驶状态切换；
54.步骤六：构建redis标准接口，采用了redis信息交互技术，完成自然界、船体、系统、自主决策的信息交互，redis信息交互技术，能够将不同层级进行互联互通，解决了数字船舶设计信息自顶向下信息孤岛现象严重的问题，且redis支持分布式和读写分离模式，通过对发布者和订阅者进行解构，极大地提高了数智船舶平台的扩展性和协同能力；
55.步骤七：构建标准sdk，用于用户自定义的作业单元进行信息交互，作业单元和操控设备单元通过数据采集解析软件对数据进行采集，并使作业单元和操控设备单元分别与redis标准接口相互连接；
56.步骤八：设置船型、环境、初始位置、时统等初始化参数，并使数智船舶平台运行。
57.进一步的，redis信息交互的信息包括公用环境信息、船体识别、船体各系统、设备等在线状态信息；
58.公用环境信息包括自然环境状态、历史环境数据和世界时信息；
59.船体识别包括舰船信息(船型、初始位置、所用3d模型、所用运动模型等)、运动模型、数字导航系统信息、经度、纬度、航速、航向、数字操控系统信息。
60.本发明的数智船舶平台架构设计方法，针对现有数字船舶设计的缺点，将数字船舶设计涉及到的自然界、船体、系统、自主决策以及用户自定义单元按层次拆解，降低耦合度，提高了数字船舶设计平台架构的灵活性，可针对不同层级定制开发功能模块，互不干扰，同时采用了redis信息交互技术，将不同层级进行互联互通，解决了数字船舶设计信息自顶向下信息孤岛现象严重的问题；redis支持分布式和读写分离模式，通过对发布者和订阅者进行解构，极大地提高了数智船舶平台的扩展性和协同能力。
61.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。