漁船模擬器中拖網(wǎng)和圍網(wǎng)作業(yè)的仿真研究.pdf

1、利用漁船模擬器進(jìn)行漁船船員的培訓(xùn)，可降低風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省成本、縮短培訓(xùn)周期、提高受訓(xùn)人員的綜合操控能力和實(shí)際分析能力。為進(jìn)行漁船模擬器中雙船拖網(wǎng)和單船圍網(wǎng)作業(yè)過程的動(dòng)態(tài)仿真，本文基于集中質(zhì)量法分別建立了雙船拖網(wǎng)和單船圍網(wǎng)漁具系統(tǒng)的高可信度水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，通過采用高效的精細(xì)積分算法求解龐大的非線性微分方程組和基于CUDA的GPU(Graphic Process Unit)并行計(jì)算加速技術(shù)保證了所建立數(shù)學(xué)模型解算的實(shí)時(shí)性，考慮漁船與漁具系統(tǒng)的耦合

2、，搭建了雙船拖網(wǎng)和單船圍網(wǎng)作業(yè)的仿真系統(tǒng)，從而為漁船模擬器的開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　高可信度水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型是雙船拖網(wǎng)和單船圍網(wǎng)作業(yè)過程動(dòng)態(tài)仿真的基礎(chǔ)。本文基于集中質(zhì)量法提出一種雙船拖網(wǎng)和單船圍網(wǎng)漁具系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建模方法。在建模過程中，將漁具系統(tǒng)分為曳綱（括綱）和網(wǎng)具系統(tǒng)兩部分，分別建立其水動(dòng)力模型，并通過邊界條件實(shí)現(xiàn)了二者的耦合;將漁具系統(tǒng)視為一系列無質(zhì)量彈簧相連的質(zhì)量點(diǎn)集合，將結(jié)節(jié)視為球體，目腳視為圓柱體，所有外力均作用于

3、質(zhì)量點(diǎn)上，根據(jù)牛頓第二定律分別建立各質(zhì)量點(diǎn)的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型;在此基礎(chǔ)上，考慮漁船與漁具系統(tǒng)間的耦合，從而可進(jìn)行雙船拖網(wǎng)和單船圍網(wǎng)作業(yè)的動(dòng)態(tài)仿真。將仿真結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和分析，驗(yàn)證了模型的有效性。
　　漁具系統(tǒng)由大量有彈性的柔性體組成，使用集中質(zhì)量法對(duì)其進(jìn)行數(shù)字離散后，構(gòu)成了數(shù)目巨大的非線性微分方程組，且該非線性微分方程組穩(wěn)定求解的時(shí)間步長受到柔性體剛度的限制。高效的數(shù)值解法對(duì)保障其水動(dòng)力模型求解的穩(wěn)定性及提高模型解算的效

4、率是十分必要的。本文提出了一種基于精細(xì)積分法的漁具系統(tǒng)水動(dòng)力模型的數(shù)值解法，運(yùn)用指數(shù)矩陣的2N類算法及函數(shù)矩陣的分部積分法對(duì)網(wǎng)具系統(tǒng)的非線性方程進(jìn)行數(shù)值求解。與傳統(tǒng)漁具系統(tǒng)數(shù)值解法相比，該數(shù)值方法精度較高，計(jì)算效率高，對(duì)采用集中質(zhì)量法建模的方程求解具有普適性。
　　大型拖網(wǎng)及圍網(wǎng)系統(tǒng)的物理節(jié)點(diǎn)數(shù)量通常達(dá)百萬級(jí)別，即便利用網(wǎng)目合并技術(shù)對(duì)網(wǎng)衣進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使用上述數(shù)值解法仍不能保證水動(dòng)力模型解算的實(shí)時(shí)性。本文基于CUDA的GPU并行加

5、速技術(shù)進(jìn)行漁具系統(tǒng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的解算，通過在全局內(nèi)存中開辟數(shù)組，存儲(chǔ)上一幀所有質(zhì)量點(diǎn)的位置，通過線程索引查找相連節(jié)點(diǎn)位置計(jì)算張力，網(wǎng)具系統(tǒng)中所有結(jié)節(jié)和目腳的模型解算采用并行執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:利用GPU并行解算在保證計(jì)算精度的前提下能有效提高計(jì)算效率，保證了大型拖網(wǎng)及圍網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的實(shí)時(shí)性。
　　最后，利用場(chǎng)景管理軟件OSG(OpenSceneGraph)實(shí)現(xiàn)了雙船拖網(wǎng)和單船圍網(wǎng)作業(yè)過程的三維可視化，并與航海模擬器相結(jié)合，初步