一种船舶性能虚拟测试系统及测试方法

摘要

本发明公开了一种船舶性能虚拟测试系统及测试方法，其属于船舶性能测试技术领域；虚拟测试系统包括存储装置、工具装置、测试装置以及操作平台，存储装置和工具装置位于底层，测试装置位于支撑层，操作平台位于应用层；测试方法包括：操作平台根据测试装置的测试结果分别建立关于船舶在波浪中航行的航行数据模型和船舶航行环境的环境数据模型，并结合上述两个仿真模型建立船舶实际航行时的总体数据模型；上述技术方案的有益效果是：通过航行性能虚拟测试系统的建立，真实地反映了船舶航行时的人机互动，提高测试水平，缩短测试周期，降低测试成本，并确保了运动仿真的精确性和实时性，进一步提高了虚拟测试的逼真度。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶性能测试技术领域，尤其涉及一种船舶性能虚拟测试系 统及测试方法。

背景技术

虚拟测试技术是结合了虚拟样机技术、仿真建模技术、传感器技术、虚 拟现实技术等技术进行产品功能和性能测试的综合应用技术，是仿真测试技 术的延伸和发展，虚拟测试技术强调了使用者的人机交互体验感和测试的逼 真效果。

传统的对船舶航行性能的研究主要依赖于模型试验和实船测试，即需要 借助于实物进行性能测试，这种性能测试的缺点在于周期长，费用高，存在 诸多限制，开展起来非常不便。

而现有技术中，虽然存在航海模拟器技术，但是该技术通常适用于船员 训练，其更侧重于航行模拟的实时性和环境模拟的逼真度，而在运动仿真模 型的构建方面比较简单，风浪流对船舶航行性能的影响方面的考虑也不够充 分，因此现有技术中的航海模拟器难以满足对于船舶航行时性能的虚拟测试 的精度要求。

中国专利（CN101372257）公开了一种船舶航迹优化分析方法，其根据 船艏DGPS接收机、船艉DGPS接收机和电罗经装置测出船舶实际的航行 路线，结合风向仪测出风流和风力干扰变量参数，对实际的航迹数据进行一 系列的矢量合成和动态调整，通过优化计算以修正船舶运动航迹，由此得出 船舶在风平浪静状态下船舶航行所对应的航迹路线，从而确定在船舶试航时 更为精确的运动性能参数。上述技术方案仍然属于实时检测的范畴，无法在 船舶出厂前就能检测得到该船舶的性能数据并进行相应的调试，其检测精度 也存在一定问题。

中国专利（CN202049033U）公开了一种陆上船舶尾轴动力与结构测试 实验装置，由柴油机、变速箱、联轴器、轴承座、传动轴、推力测试机构、 密封机构、螺旋桨、水槽、基座构成，柴油机、变速箱、轴承座和推力测试 机构分别安装在基座的不同高度上，柴油机主轴与变速箱相连接，变速箱的 扭矩输出轴通过联轴器与传动轴相连接，轴承座套在传动轴上，推力测试机 构安装在传动轴上，并靠近水槽，传动轴末端安装有螺旋桨并位于水槽内， 密封机构安装在水槽和传动轴的衔接处；装置安装好后，启动柴油机，根据 测试的需要调节变速箱的转速，通过传动轴与推力测试机构将动力传递给螺 旋桨进行转动，在轴承座和推力测试机构之间的传动轴上可安装各类检测元 件，对尾轴进行各项性能测试。上述技术方案仍然属于实物检测的范畴，需 要使用者对船舶实体进行监测，无法实现船舶性能的虚拟检测。

发明内容

根据现有技术中存在的问题，现提供一种船舶性能虚拟测试系统及测试 方法，具体包括：

一种船舶航行性能虚拟测试系统，其中，包括：

存储装置，所述存储装置包括第一存储部件和第二存储部件；所述第一 存储部件内保存有船舶航行性能测试的标准比对数据以及测试规则数据；所 述第二存储部件中保存有船舶性能虚拟测试的测试结果数据；

工具装置；所述工具装置中包括多个用于测试船舶航行性能的测试工具；

测试装置；所述测试装置分别连接所述存储装置和所述工具装置；所述 测试装置调取所述存储装置中的所述标准比对数据和所述测试规则数据，以 及所述工具装置中的所述测试工具，并对船舶航行性能进行测试；

操作平台；所述操作平台连接于所述测试装置；所述操作平台根据所述 测试装置的测试结果，按照预设的方法建立船舶航行时的总体数据模型。

优选的，该船舶航行性能虚拟测试系统，其中，所述标准比对数据包括 标准船型的模拟数据、船舶设计的规范数据以及船舶航行的环境模拟数据。

优选的，该船舶航行性能虚拟测试系统，其中，所述测试装置包括：

阻力性能测试单元，用于测试静水中船舶航行时受到的阻力；

推进性能测试单元，用于测试静水中船舶航行时的推进性能；

耐波性能测试单元，用于测试船舶航行时对不同波浪条件的运动响应情 况；

操纵性能测试单元，用于测试静水中船舶航行时的运动轨迹；

环境模拟单元，用于模拟船舶航行时的环境条件。

优选的，该船舶航行性能虚拟测试系统，其中，所述操作平台包括：

控制装置，用于读取所述测试装置的测试结果并形成相应的所述总体数 据模型；

图像产生装置，用于产生所述总体数据模型的仿真图像；

操纵装置，用于将使用者的操纵动作反映为在所述仿真图像上的船舶航 行时的相应虚拟动作；

所述控制装置、所述图像产生装置以及所述操纵装置互相连接，并均连 接至所述测试装置。

优选的，该船舶航行性能虚拟测试系统，其中，图像产生装置包括：

图像产生部件，用于根据所述测试装置的测试结果产生相应的所述总体 数据模型的仿真图像；

图像显示部件，所述图像显示部件连接至所述图像产生部件；所述图像 显示部件用于显示所述图像产生部件产生的所述总体数据模型的仿真图像；

第一连接部件，所述图像产生装置通过所述第一连接部件连接至所述测 试装置。

优选的，该船舶航行性能虚拟测试系统，其中，所述图像显示部件是投 影设备；所述投影设备将所述总体数据模型的仿真图像投影在外部的一个弧 形屏幕上。

优选的，该船舶航行性能虚拟测试系统，其中，所述操纵装置包括：

操纵部件，供使用者操纵所述总体数据模型；

控制部件，所述控制部件连接至所述操纵部件；所述控制部件读取使用 者的操纵动作并处理得到相应的操纵指令。

优选的，该船舶航行性能虚拟测试系统，其中，所述控制装置包括：

主控部件，所述主控部件通过读取测试装置的测试结果处理形成相应的 所述总体数据模型；

第二连接部件，所述控制装置通过所述第二连接部件连接至所述测试装 置。

一种船舶航行性能虚拟测试方法，其中，采用上述的船舶航行性能虚拟 测试系统，所述船舶航行性能虚拟测试方法包括：

步骤1，所述操作平台根据所述测试装置得到的测试结果处理得到船舶 在波浪中航行的航行数据模型；

步骤2，所述操作平台根据所述测试装置得到的测试结果处理得到船舶 航行时所处环境的环境数据模型；

步骤3，所述操作平台结合所述第一仿真模型和所述第二仿真模型，得 到模拟船舶实际航行时的所述总体数据模型。

优选的，该船舶航行性能虚拟测试方法，其中，所述步骤1具体包括：

步骤11，所述操作平台根据所述耐波性能测试单元所测试的船舶航行时 受到的随机海浪的波浪力数据，得到船舶航行时对不同波浪条件下的运动响 应模型；所述耐波性能测试单元将不同时刻和不同位置的多个所述波浪力数 据保存在所述存储装置的所述第二存储部件中；

步骤12，所述操作平台根据所述操纵性能测试单元所测试的船舶航行时 受到的作用力数据和作用力矩数据，得到船舶航行时对应不同所述操纵指令 产生的运动轨迹模型；

步骤13，所述操作平台根据所述运动响应模型以及所述运动轨迹模型， 得到船舶航行时的所述航行数据模型。

优选的，该船舶航行性能虚拟测试方法，其中，所述步骤11具体包括：

步骤111，所述耐波性能测试单元获取所述随机海浪的波浪数据；所述 波浪数据包括所述随机海浪的波浪类型、波高以及波浪周期；

步骤112，所述耐波性能测试单元根据所述波浪数据计算得到船舶航行 时作用于所述船舶的水动力系数，并以频域值表达所述水动力系数；所述水 动力系数包括船舶的附加质量以及波浪的阻尼系数；

步骤113，所述耐波性能测试单元将所述水动力系数转换为以时域值表 达的数值；

步骤114，所述耐波性能测试单元通过建立船舶时域运动微分方程计算 得到不同时刻不同位置的所述波浪力数据：

所述船舶时域运动微分方程为：

$\underset{j=1}{\overset{5}{\Sigma }}(M_{\mathrm{ij}}+m_{\mathrm{ij}})\stackrel{··}{x_j}\left(t\right)+\underset{-\infty }{\overset{t}{\int }}{K}_{i,j}\left(\tau \right){\stackrel{·}{X}}_{j_4}(t-\tau )\mathrm{d\tau }+C_{i,j}{x}_j\left(t\right)=F_{\mathrm{Wi}}\left(t\right)$

i=1,...,5   （1）

所述x_j(t)表示船舶在波浪上除纵荡运动的五个自由度运动的函数； 所述自由度运动包括船舶的横荡运动，艏摇运动，横摇运动，纵摇运动和垂 荡运动；

所述M_ij表示船舶的质量矩阵；所述m_ij表示当波浪频率无穷大时，船 舶的附加质量矩阵；所述K_ij(τ)表示船舶航行时的阻尼时延函数；所述C_ij表 示船舶航行时的复原力系数；所述F_Wi(t)表示船舶航行时受到的波浪力数 据；

步骤115，所述耐波性能测试单元将从不同的所述随机海浪中获取的多 个所述波浪力数据保存入所述存储装置的所述第一存储部件中；

步骤116，所述操作平台读取多个所述波浪力数据，得到对应所述波浪 力数据下的船舶航行时的所述运动响应模型。

优选的，该船舶航行性能虚拟测试方法，其中，所述步骤12具体包括：

步骤121，所述操纵性能测试单元获取船舶航行时作用于裸船体、螺旋 桨以及船舵上的所述作用力数据和所述作用力矩数据，获取所述作用力数据 和所述作用力矩数据的公式为：

$(m+m_x)\stackrel{·}{u}-(m+m_y)\mathrm{vr}=X_H+X_P+X_R+X_A+X_W$

$(m+m_y)\stackrel{·}{v}-(m+m_x)\mathrm{ur}=Y_H+Y_P+Y_R+Y_A+Y_W$

$(I_{\mathrm{zz}}+J_{\mathrm{zz}})\stackrel{·}{r}=N_H+N_P+N_R+N_A+N_W$

$(I_{\mathrm{xx}}+J_{\mathrm{xx}})\stackrel{··}{\phi }=K_H+K_P+K_R+K_A+K_W$

$2\pi (I_{\mathrm{pp}}+J_{\mathrm{pp}})\stackrel{·}{n}=Q_E+Q_P+Q_f---\left(2\right)$

m表示船舶的质量，m_x表示船舶纵向的附加质量，m_y表示船舶横向的 附加质量；

I_xx表示船舶横摇惯性力矩，I_zz表示船舶首摇惯性力矩，J_xx表示船舶横摇 时的附加惯性力矩，J_zz表示船舶首摇时的附加惯性力矩；

u表示船舶航行时的纵向速度，v表示船舶航行时的横向速度，r表示船 舶航行时的转首角速度，φ表示船舶航行时的横倾角；

I_pp表示船舶航行时，螺旋桨的转动惯量，J_pp表示船舶航行时，所述螺 旋桨的附加转动惯量，n表示所述螺旋桨的转速；

Q_E表示船舶航行时，船舶的主机发出的转矩，Q_P表示螺旋桨收到的转 矩，Q_f表示船舶航行时因轴系摩擦所消耗的转矩；

X表示船舶航行时产生的纵向力，Y表示船舶航行时产生的横向力，N 表示船舶航行时的转首力矩，K表示船舶航行时的横摇力矩；下标H表示所 述裸船体产生的所述作用力数据和所述作用力矩数据；下标P表示所述螺旋 桨产生的所述作用力数据和所述作用力矩数据；下标R表示所述船舵产生的 所述作用力数据和所述作用力矩数据；下标A表示船舶航行时的风力所产生 的所述作用力数据和所述作用力矩数据；下标W表示船舶航行时的波浪所产 生的所述作用力数据和所述作用力矩数据；

步骤122，所述操纵性能测试单元测试船舶航行时的风力数据；所述风 力数据包括风压力系数风力矩系数以及风压力作用点位置；所述操纵性 能测试单元将所述风力数据导入所述公式（2）中并得到在风力影响下，船 舶航行时的所述运动轨迹；

步骤123，所述操纵性能测试单元测试在水流影响下的船舶航行运动轨 迹，运动轨迹公式与所述公式（2）类似，为：

$(m+m_x)\stackrel{·}{u}=X_H(u_r,v_r,r)+X_P(u_r,v_r,r)+X_P(u_r,v_r,r)+(m+m_y)v_{r}r+(m+m_x)v_{C}r+X_A+X_W$

$(m+m_y)\stackrel{·}{v}=Y_H(u_r,v_r,r)+Y_P(u_r,v_r,r)+Y_R(u_r,v_r,r)-(m+m_x)u_{r}r-(m+m_y)u_{C}r+Y_A+Y_W$

$(I_{\mathrm{zz}}+J_{\mathrm{zz}})\stackrel{·}{r}=N_H(u_r,v_r,r)+N_P(u_r,v_r,r)+N_R(u_r,v_r,r)+N_A+N_W---\left(3\right)$

所述u_r表示船舶航行时纵向的对水速度，所述v_r表示所述船舶航行时横 向的对水速度，所述v_C表示水流的流速值在船舶横向方向上的数值分量，所 述u_C表示所述流速值在船舶纵向方向上的数值分量；所述-(m+m_y)u_Cr表示 当船舶在均匀流中航行时所产生的横向力，所述(m+m_y)v_Cr表示船舶在均匀 流中航行时所产生的纵向力；

步骤124，所述操作平台根据所述操纵性能测试单元检测的结果，得出 船舶航行时的所述运动轨迹模型。

优选的，该船舶航行性能虚拟测试方法，其中，所述步骤2具体包括：

步骤21，所述环境模拟单元建立初始的海浪谱公式

ξ_r和ξ_i均为高斯随机数，表示海浪的随机性；

步骤22，所述环境模拟单元在所述公式（4）中加入时间变量t，以构成 海浪的海浪谱公式：

$\tilde{h}(k,t)={\tilde{h}}_0\left(k\right)\exp \left\{\mathrm{i\omega }\left(k\right)t\right\}+{{\tilde{h}}_0}^{*}(-k)\exp \{-\mathrm{i\omega }\left(k\right)t\}---\left(5\right)$

所述ω为海浪前进速度的相关参数，所述k为K的模；所述ω与海浪的 前进速度的关系公式为：

ω²(K)=g^k   （6）

所述g为重力加速度；

步骤23，所述环境模拟单元建立对于圆弧状海浪的高度计算公式：

$h(X,t)=\underset{K}{\Sigma }\tilde{h}(K,t)e^{\mathrm{iK}•X}---\left(7\right)$

所述X表示海浪在水平方向上的位置；所述环境模拟单元将所述公式 （5）和所述公式（6）代入所述公式（7）中并计算得到不同时间不同位置 的海浪高度；

步骤24，所述操作平台根据所述环境模拟单元的计算结果模拟得到所述 环境数据模型。

优选的，该船舶航行性能虚拟测试方法，其中，所述步骤23中，所述 环境模拟单元建立对于尖浪的高度计算公式为：

$D(x,t)=\underset{k}{\Sigma }-i\frac{K}{k}\tilde{h}(k,t)\exp (\mathrm{iK}·x)---\left(8\right)$

上述技术方案的有益效果是：通过航行性能虚拟测试系统的模拟仿真， 真实地反映了船舶航行时的人机互动，提高测试水平，缩短测试周期，降低 测试成本，并确保了运动仿真的精确性和实时性，进一步提高了虚拟测试的 逼真度。

附图说明

图1是本发明的实施例中，船舶性能虚拟测试系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例中，操作平台的结构示意图。

图3是本发明的实施例中，船舶性能测试的总体流程图；

图4是本发明的实施例中，计算波浪中船舶运动仿真的流程示意图；

图5是本发明的实施例中，计算船舶运动轨迹的流程示意图；

图6是本发明的实施例中，实现环境模拟的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的 限定。

船舶航行性能主要包括阻力性能、推进性能、耐波性能以及操纵性能等， 对于上述性能进行系统的虚拟测试，需要用到如图1所示的船舶性能虚拟测 试系统，该系统具体包括存储装置、工具装置、测试装置以及操作平台；存 储装置和工具装置位于系统底层，测试装置位于系统的支撑层，支撑层与底 层之间有输入输出接口；操作平台位于系统的应用层，应用层与支撑层之间 有输入输出接口。

存储装置中包括第一存储部件和第二存储部件，其中第二存储部件用于 保存船舶性能测试系统运行得到的测试结果，第一存储部件用于保存虚拟测 试过程中的相关标准数据，本发明的实施例中，该标准数据包括已取得的优 秀船型的相关测试数据，为各种军船和民船指定的设计规范数据，用于建立 环境数据模型的相关海洋环境数据以及用于船舶性能虚拟测试时的测试规则 数据；

优秀船型的测试数据可以包括船型本身的结构数据，采用实际模型对船 型进行试验的试验数据，对实际船只进行测试的测试数据以及对船型进行模 拟测试的模拟数据，上述四种数据分别保存在第二存储部件中的船型数据库、 模拟试验数据库、实船测试数据库以及数值模拟数据库中，优秀船型的测试 数据可为新船型的开发提供可靠的母型，并为航行性能的虚拟测试验证提供 仿真建模的基础。

关于军船和民船指定的设计规范数据保存在第二存储部件内的通用规 范数据库中，设计规范数据用于对船舶虚拟测试的结果进行比对，以确定船 舶性能是否满足设计要求。

海域环境的相关模拟数据保存在第二存储部件内的海洋环境数据库中， 环境模拟数据用于为仿真建模和视景生成提供相关海域的风浪流以及水深等 数据。

测试规则数据包括各类模型试验和实船测试的规程，用于指导试验方案 的指定、试验过程的控制以及试验数据的分析。一般测试规则数据在整个船 舶性能虚拟测试之前启用，用于设定性能测试的测试规则。

工具装置中装载有适用于进行建模以用于测试的各种工具；在本发明的 实施例中，工具包括各种通用软件如CAD（Computer Aided Design，计算 机辅助设计）、CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）以及 CFD（Computational Fluid Dynamics，计算机流体动力学）等，也包括各 种开发工具如仿真建模工具（如Creator以及Matlab）、虚拟现实开发工具 （如WTK、Wega Prime以及MR）、系统集成工具（如iSIGHT）、软件编 程工具（如VC、Visual Fortran以及Visual Studio）以及数据库开发工具（如 Oracle、Visual Foxpro以及Access）等。

支撑层上包括一个测试装置，该测试装置中包括多个测试单元，多个测 试子系统应用底层的数据以及相关工具，通过各类相关方法对船舶性能的各 个部分做基础的模拟测试；

测试装置具体包括：

阻力性能测试单元，主要用于测试静水中作匀速直线运动的船舶在不同 航速下的阻力以及周围的水流场。阻力性能测试单元可以调取工具装置中的 FLUENT或SHIPFLOW软件对上述运动进行模拟，也可以采用回归公式、 经验公式或母型修正等方法估算阻力。阻力性能测试单元的测试结果一方面 应用于螺旋桨设计和航速的预报，另一方面为用于航行性能虚拟测试的航行 数据模型的建立提供必要的数据支持。

推进性能测试单元，主要用于测试静水中作匀速直线运动的桨模的推进 性能，具体包括桨模在敞水或船后的水动力性能、周围流场及空泡和激振力 性能。推进性能测试单元可以调取工具装置中的FLUENT软件进行模拟，也 可以采用图谱法、升力面或面元法等方法估算螺旋桨在不同进速系数下的推 力、扭矩以及效率等。推进性能测试单元的测试结果一方面用于优化螺旋桨 和航速预报，另一方面为航行数据模型的建立提供必要的数据支持。

耐波性能测试单元，主要用于测试波浪中作匀速直线运动的船模在不同 波浪条件下的运动响应。耐波性能测试单元可以调取工具装置中的SHIPMO 软件（基于切片理论）或者HydroStar软件（基于三维频域理论）。耐波性能 测试单元的测试结果一方面可以用于耐波性的设计和优化，另一方面为航行 数据模型的建立提供必要的数据支持，以模拟船舶在波浪中的摇荡运动。

操纵性能测试单元，主要用于测试静水中作各种操纵运动的船模的运动 轨迹。操纵性能测试单元可以调取工具装置中的操纵模拟程序SHIPMA（基 于整体式运动方程）或者MMG软件（基于组合式运动方程）进行虚拟测试。 操纵性能测试单元的测试结果一方面可以用于设计和优化操纵性能，另一方 面可以作为航行数据模型的数据组成部分，以模拟船舶的操纵运动。

环境模拟单元，主要用于生成风、浪、流、浅水、岸壁、船只、障碍物 等船舶航行过程中可能遭遇到的环境条件，在本发明的实施例中，环境模拟 单元主要用于模拟在船舶航行时的风浪流环境，从而作为环境数据模型建立 的数据支持。

测试装置中还包括其他虚拟测试单元，在此不一一赘述。

应用层上的操作平台具体如图2所示，包括：

控制装置；在本发明的实施例中，控制装置包括主控计算机（主控部件） 和网络交换机（第二连接部件），主控计算机通过网络交换机连接支撑层的测 试装置，并通过读取测试装置的测试结果处理形成相应的总体数据模型。

图像产生装置；在本发明的实施例中，图像产生装置包括多个视景机（图 像显示部件）、图形工作站（图像产生部件）以及网络交换机（第一连接部件）， 多个视景机为投影机。图形工作站根据上述总体数据模型产生相应的仿真图 像，投影机将上述仿真图像投影在外部的一个弧形屏幕上，图像产生装置通 过网络交换机连接至支撑层的测试装置。

操纵装置；在本发明的实施例中，操纵装置包括控制计算机（控制部件） 和船舶操纵台（操纵部件），船舶操纵台供使用者进行船舶的虚拟操纵，控制 计算机根据该虚拟操纵形成相应的操纵命令，并根据该操纵命令反映成为在 总体数据模型的仿真图像上显示出的船舶航行时的相应虚拟动作。

上述图像产生装置、控制装置以及操纵装置相互连接，且均连接至支撑 层的测试装置。

如图3所示，本发明的实施例中，应用上述船舶性能测试装置的测试方 法，包括以下几个方面：

1．如图4所示，操作平台根据测试装置的测试结果，形成船舶在波浪 中航行的航行数据模型。

该步骤具体包括：

首先，对随机模拟产生的波浪进行数据采集，并得到波浪类型、波高、 波浪周期（即波浪频率）等数据。由于随机产生的波浪可以分为规则波和不 规则波，在本发明的实施例中，将不规则波表达为多个规则波的叠加，以简 化计算过程。

然后，采用波浪诱导运动原理计算不同位置不同时刻的波浪力数据。传 统技术中，会采用频域理论来计算船舶在波浪中的运动，但是这种计算方法 中不存在时间变量，不能满足虚拟测试的要求；而其他一般的时域计算又比 较复杂，无法满足实时性的要求。因此，在本发明的实施例中，采用频域切 片理论计算作用于船体的水动力系数，然后通过时域转换的方式将频域值转 换为时域值，此时计算过程中会出现时间变量，进而建立起船舶的时域运动 微分方程，波浪诱导运动仿真的步骤具体如图5所示：

采集并读取随机波浪的各项数值；

波浪诱导运动的时域运动微分方程如下：

$\underset{j=1}{\overset{5}{\Sigma }}(M_{\mathrm{ij}}+m_{\mathrm{ij}})\stackrel{··}{x_j}\left(t\right)+\underset{-\infty }{\overset{t}{\int }}{K}_{i,j}\left(\tau \right){\stackrel{·}{X}}_j(t-\tau )\mathrm{d\tau }+C_{ij}{x}_j\left(t\right)=F_{\mathrm{Wi}}\left(t\right)$

i=1,...,5   （1）

其中x_j(t)表示船舶在波浪上除纵荡运动的五个自由度运动（横荡运 动，艏摇运动，横摇运动，纵摇运动和垂荡运动）的函数；M_ij表示船舶 的质量矩阵；m_ij表示当波浪频率无穷大时，船舶的附加质量矩阵；K_ij(τ)表 示船舶航行时的阻尼时延函数；C_ij表示船舶航行时的复原力系数；F_Wi(t)表 示船舶航行时受到的波浪力数据。

采用上述公式预先运算出多运动模态下频域的波浪力数据F_Wi(t)，并组 成一个波浪力数据库。

当实时求解船舶运动时，可以根据特定的时刻调取相应的波浪力数据并 进行运算，便可以得到关于不同位置不同时刻的波浪力对应的运动响应模型。

在进行波浪诱导运动计算的同时，对使用者操纵船舶航行所产生的运动 轨迹进行采集。在本发明的实施例中，采用MMG模型（Ship Manoeuvring  Mathematical Model Group，船舶运动数学模型研讨小组，目前指代船舶测 试时所采用的分离式模型）。MMG模型的主要特点在于将作用于船舶上的流 体动力和力矩分解为分别作用于裸船体、敞水螺旋桨以及舵上的力和力矩， 同时考虑船体、螺旋桨以及舵的相互干扰。因此可以得出操纵运动方程为：

$(m+m_x)\stackrel{·}{u}-(m+m_y)\mathrm{vr}=X_H+X_P+X_R+X_A+X_W$

$(m+m_y)\stackrel{·}{v}+(m+m_x)\mathrm{ur}=Y_H+Y_P+Y_R+Y_A+Y_W$

$(I_{\mathrm{zz}}+J_{\mathrm{zz}})\stackrel{·}{r}=N_H+N_P+N_R+N_A+N_W$

$(I_{\mathrm{xx}}+J_{\mathrm{xx}})\stackrel{··}{\phi }=K_H+K_P+K_R+K_A+K_W$

$2\pi (I_{\mathrm{pp}}+J_{\mathrm{pp}})\stackrel{·}{n}=Q_E+Q_P+Q_f---\left(2\right)$

公式（2）中，m表示船舶的质量，m_x表示船舶纵向的附加质量，m_y表示船舶横向的附加质量；I_xx表示船舶横摇惯性力矩，I_zz表示船舶首摇惯性 力矩，J_xx表示船舶横摇时的附加惯性力矩，J_zz表示船舶首摇时的附加惯性 力矩；u表示船舶航行时的纵向速度，v表示船舶航行时的横向速度，r表示 船舶航行时的转首角速度，φ表示船舶航行时的横倾角；I_pp表示船舶航行时， 螺旋桨的转动惯量，J_pp表示船舶航行时，螺旋桨的附加转动惯量，n表示螺 旋桨的转速；Q_E表示船舶航行时，船舶的主机发出的转矩，Q_P表示螺旋桨 收到的转矩，Q_f表示船舶航行时因轴系摩擦所消耗的转矩；X表示船舶航行 时产生的纵向力，Y表示船舶航行时产生的横向力，N表示船舶航行时的转 首力矩，K表示船舶航行时的横摇力矩；下标H表示裸船体产生的作用力数 据和作用力矩数据；下标P表示螺旋桨产生的作用力数据和作用力矩数据； 下标R表示船舵产生的作用力数据和作用力矩数据；下标A表示船舶航行时 的风力所产生的作用力数据和作用力矩数据；下标W表示船舶航行时的波浪 所产生的作用力数据和作用力矩数据。

当船舶航行受到风力的影响时，可以在应用层上采用风洞试验预先测量 出风力影响的各项数值，包括风压力系数，风力矩系数以及风压力作用点位 置等，上述数值也可以通过CFD工具计算获取。

当船舶航行受到水流的影响时，通常水流影响可以分为均匀流影响和定 常流影响。定常流是指水流的流速不随时间变化；均匀流是指水流在不同位 置的流速均一致。而船舶的首摇角速度无论是对水速度还是对地速度，在均 匀流的情况下均完全一致。因此，在水流作用下的船舶操纵运动方程可由公 式（2）稍加变换获得：

$(m+m_x)\stackrel{·}{u}=X_H(u_r,v_r,r)+X_p(u_r,v_r,r)+X_R(u_r,v_r,r)+(m+m_y)v_{r}r+(m+m_x)v_{C}r+X_A+X_W$

$(m+m_y)\stackrel{·}{v}=Y_H(u_r,v_r,r)+Y_p(u_r,v_r,r)+Y_R(u_r,v_r,r)-(m+m_x)u_{r}r-(m+m_y)u_{C}r+Y_A+Y_W$

$(I_{\mathrm{zz}}+J_{\mathrm{zz}})\stackrel{·}{r}=N_H(u_r,v_r,r)+N_P(u_r,v_r,r)+N_R(u_r,v_r,r)+N_A+N_W---\left(3\right)$

上述公式（3）中，u_r表示船舶航行时纵向的对水速度，v_r表示船舶航行 时横向的对水速度，v_C表示水流的流速值在船舶横向方向上的数值分量，u_C表示流速值在船舶纵向方向上的数值分量；-(m+m_y)u_Cr表示当船舶在均匀流 中航行时所产生的横向力，(m+m_y)v_Cr表示船舶在均匀流中航行时所产生的 纵向力；公式（3）的其他变量在形式上与公式（2）相同。

采用上述公式对船舶操纵运动所产生的运动轨迹进行计算并得到运动轨 迹模型。

操作平台最终结合上述运动响应模型和运动轨迹模型形成关于船舶在波 浪中航行的航行数据模型。

2．如图5所示，操作平台根据测试装置的测试结果，形成船舶航行环 境模拟的环境数据模型。

首先，建立关于初始海浪谱的公式

$\widetilde{h_0}\left(K\right)=\frac{1}{\sqrt{2}}({\xi }_r+i{\xi }_i)\sqrt{P_h\left(K\right)}---\left(4\right)$

上述公式（4）中，K为二维向量，同时具有方向和大小，代表了相位参 数，可用于表示风向；P_h(K)表示波浪的能量谱密度；和均为高斯随 机数，表示海浪的随机性。

随后，在公式（4）中引入时间变量t，使得变换后的海浪谱公式与时间 相关联：

$\tilde{h}(k,t)={\tilde{h}}_0\left(k\right)\exp \left\{\mathrm{i\omega }\left(k\right)t\right\}+{{\tilde{h}}_0}^{*}(-k)\exp \{-\mathrm{i\omega }\left(k\right)t\}---\left(5\right)$

上述公式（5）中，所述ω表示海浪前进速度的相关参数，所述k为K的模。

ω的计算公式具体为：

ω²(K)=g^k   （6）

其中g为重力加速度。

最后，建立计算海浪高度的公式：

$h(X,t)=\underset{K}{\Sigma }\tilde{h}(K,t)e^{\mathrm{iK}·X}---\left(7\right)$

上述公式（7）中，X表示海浪在水平方向（即X轴方向）上的位置。

将公式（4）和公式（5）代入到公式（7）中，并通过快速傅里叶变换 （FFT，Fast Fourier Transformation）求解得到不同位置不同时刻的海浪高 度情况。

但是，上述公式（7）仅能计算出一般圆弧状的海浪高度，即只能模拟一 般圆弧状的海浪。如果要模拟受风和水流影响而产生的尖浪，还需要计算得 到随时间变化的海浪水平位移量。计算尖浪高度的公式可由公式（7）稍加 变换得到：

$D(x,t)=\underset{k}{\Sigma }-i\frac{K}{k}\tilde{h}(k,t)\exp (\mathrm{iK}·x)---\left(8\right)$

上述公式（8）中的变量对应于前述公式中的变量意义，在此不再赘述。

操作平台根据计算得到的任意位置任意时刻的海浪高度，模拟得到环境 数据模型。

最后，操作平台结合航行数据模型和环境数据模型，得出最终的模拟船 舶实际航行情况的总体数据模型。

当操作平台通过图形产生装置将模拟出的海域环境投影到弧形屏幕上 时，由于海域非常宽广，如果要填充整个海平面，需要创建大量的网格，这 样就要求显卡进行相当庞大的图形计算，一般显卡显然无法达到上述要求。 因此，为了使处理图形的计算过程不致太过复杂，本发明的实施例中还提供 一种采用中心不变的网格模型显示海域投影的技术，具体为：根据不同视点 划分多个局部坐标系，以视点为每个局部坐标系的原点，海浪网格以此原点 为中心绘制，网格变换时只需对局部坐标系变换，避免网格的绝对坐标发生 变换，以提高效率。

同时，本发明的实施例中，系统还采用基于LOD（Level of Detail，多 细节层次）的显示技术来实现海域图像的模拟。即每个网格具有不同的分辨 率，离观察者近的网格保持较高的分辨率，随着距离观察者越来越远，相应 网格的分辨率进行线性减少。由于不需要所有网格均保持同一个分辨率显示 图像，因此可以在保持逼真度的前提下（即分辨率不能太小，以免失真模糊）， 进一步提高了波浪再现的效率。

此外，本发明的实施例中，还可以采用网格光栅化来提高波浪再现的逼 真度，即采用着色器语言（High Level Shader Language，HLSL）进行海水 网格的着色处理，叠加水面折射的多种特效，进一步提升再现的逼真度和再 现效率。同时，可以采用分布式渲染技术，使应用程序保持场景一致地跨过 多个通道。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及 保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书 及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含 在本发明的保护范围内。