魏 冰，王海威，殷 明，莊 嚴(yán)，孟 瑩，羅 晶

基于運動平臺的抗眩暈訓(xùn)練和模擬操縱訓(xùn)練研究及應(yīng)用較為普遍，在模擬仿真訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，以此構(gòu)建模擬海上手術(shù)環(huán)境進(jìn)行訓(xùn)練或?qū)嶒灒砩贤耆尚衃1]。本研究根據(jù)海上醫(yī)療救治研究的實際需求，利用波浪疊加原理，混響音效模擬等方法，采用“虛實結(jié)合，力求實效”的研究方式，設(shè)計了更符合實際需求的傷情救治實驗研究新平臺。海上醫(yī)療救護(hù)系列研究的深化拓展，有利于提升海上醫(yī)療救護(hù)研究成果的水平和質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計與研究方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計 船舶環(huán)境醫(yī)療救護(hù)模擬實驗裝置的核心功能由海洋與船舶運動仿真控制系統(tǒng)提供，通過仿真波浪不同諧波的頻率，模擬船舶在海浪中的運動姿態(tài)、航行音效等，可以構(gòu)建更加逼真的海上醫(yī)療救護(hù)的操作體驗，為海上醫(yī)療救護(hù)系列研究和實操提供仿真環(huán)境。

該系統(tǒng)主要由海洋與船舶運動仿真控制單元模塊和船舶搖擺運動仿真模塊組成。具體實現(xiàn)功能如下：①海洋與船舶運動仿真控制單元模塊：能進(jìn)行浪級、天氣、海區(qū)等初始情況的設(shè)置，計算生成實時的數(shù)字海洋；給出逼真形象的海洋海浪動畫顯示。②船舶搖擺運動仿真模塊：能進(jìn)行艏向角、浪向角、航速等初始情況的設(shè)置，同時解算海浪作用下船舶搖蕩運動，給出船舶實時的運動姿態(tài)；同步生成船舶在海浪中航行的三維場景。

1.2 研究方法

1.2.1 海洋與船舶運動仿真 由于真實海面上興起的海浪是不規(guī)則的隨機(jī)波，它可以看作是由無窮多個相互獨立的，具有不同幅值、頻率和初相位的規(guī)則波疊加而來的，這就是波浪疊加原理。單獨的規(guī)則波方程如下：

ζ=ζacos(kξ-ωt+ε)

(1)

式(1)中，ζ表示波面離開靜水的高度，ζa表示波面的幅值，k為波數(shù)，k=2π/λ，λ為波長，ω為角頻率，ε為初相角。由流體力學(xué)知識可知，對于水深大于λ/2的波，如果s，則波長λ、周期T、波速C可得到如下關(guān)系：

k=ω2/g

(2)

利用波能譜函數(shù)Sζ(ω)求得ζai。利用諧波疊加原理得到仿真的海浪模型。

根據(jù)船舶的船型參數(shù)建立船舶的橫搖、縱搖以及升沉的運動模型。另外，還需要采集實際航行時船舶搖擺的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行綜合處理，根據(jù)船舶的實際數(shù)據(jù)建立風(fēng)浪受力模型，該模型集成了不同海況下運動平臺的搖擺規(guī)律，是模擬醫(yī)療救護(hù)實驗平臺能在各種模擬海況下進(jìn)行模擬實驗的基本依據(jù)。

1.2.2 搖擺運動仿真 船舶在不規(guī)則波浪的海上完成救援任務(wù)時，必然受海浪的擾動而產(chǎn)生振蕩運動。而海面上風(fēng)浪的大小及其運動是不規(guī)則的、紊亂的，不能用一個簡單的數(shù)學(xué)公式來描述。因而若把船舶作為一個剛體，則其在海面上的運動有6種形式，3種是線性運動：縱蕩、橫蕩、垂蕩；3種是回轉(zhuǎn)運動：橫搖、縱搖和首搖。

2 結(jié)果

2.1 海洋與船舶運動仿真 以船舶在海面航行造成橫搖的關(guān)鍵因素波傾角為例，其定義為：

α=ζaksin(ωt+ε)

(3)

式(3)中k為波數(shù)，k=ω2/g，g為重力加速度。

由于船舶在海面航行方向與波浪的傳播方向不一致，因此船舶實際上遇到的波浪周期和波長會發(fā)生相應(yīng)變化。定義遭遇角με船舶航向與波浪方向間的夾角，作用于航行中船舶的有效波傾角為：

(4)

式(4)中：波速為C，船舶的運動速度為Vc。

由于實際海浪可以看做是由無窮多個規(guī)則波疊加而來，因此海浪波傾角可表示為：

(5)

式(5)中ζai、εi和ωei分別為第i次諧波的波幅、初相位、遭遇頻率。

由式(5)可知，要模擬海浪，關(guān)鍵要得到相應(yīng)的ζai、εi、ωi參數(shù)。

在實際仿真中，不可能對所有頻率的諧波進(jìn)行仿真。因此，本研究選取其中影響較大的頻段來進(jìn)行仿真。下面采用等間隔法對頻率進(jìn)行離散化。設(shè)仿真頻段為ω1～ωn，采樣頻率增量為Δω=(ω1-ωn)/n，仿真頻段及頻率增量的選擇見表1。

表1 各種海情的仿真頻段和頻率增量的選取

在根據(jù)不同海況按照表1確定采樣頻率ω1，ω2，…，ωn和頻率增量Δω之后，可按式(6)計算ζai：

(6)

式(6)中：Sζ(ωi)為波能譜函數(shù)Sζ(ω)在采樣頻率ωi處的函數(shù)值。本項目采用的波能譜函數(shù)為P-M譜，其表達(dá)式為：

(7)

式(7)中H1/3為有義波高。

隨機(jī)海浪的初相角εi可由程序中0～1之間隨機(jī)數(shù)x生成，具體為：

εi=x·2π

(8)

計算遭遇頻率：

(9)

將ζai、εi和ωei代入波傾角式(9)即可得到海浪的有效海浪波傾角。圖1即是按照上述方法得到的有效海浪波傾角仿真曲線。

圖1 海浪波傾角仿真曲線

應(yīng)用該海浪波傾角仿真曲線結(jié)合常規(guī)頻率的諧波即可提供醫(yī)療救護(hù)實驗平臺在此種模擬海況下的模擬實驗環(huán)境。

2.2 搖擺運動仿真 根據(jù)《海洋運載工具動力學(xué)》中的有關(guān)經(jīng)驗表格進(jìn)行估算得到我國主要登陸艇在三級海況下的橫搖、縱搖和垂蕩的運動參數(shù)，為實時模擬對象船舶在海浪中的搖擺運動，必須建立對象船舶的搖擺運動模型，下面同樣以橫搖運動模型為例進(jìn)行說明。在波浪作用下，作為剛體的船舶橫搖可以用繞x軸擺動的角度φ，角速度φ′，角加速度φ″來表征運動情況，并規(guī)定從船尾向船首看時，以順時針方向為正，逆時針方向為負(fù)，如圖2所示。

圖2 橫搖示意圖

本項目采用Conolly的橫搖運動方程，船舶線性橫搖可以表示為：

(10)

式(10)中：Ix為相對于通過船舶質(zhì)心的縱軸的慣量，ΔIx為附加慣量，2Nu為每單位橫搖角速度的船舶阻尼力矩，Dc為船舶排水量，h為橫穩(wěn)心高，Mf為減搖鰭控制穩(wěn)定力矩。

由于船舶排水量受到實際載重影響，會與設(shè)計值存在一定誤差，同時船舶實際的阻尼力矩也會與計算中采用的名義值存在一定誤差，因此，式(10)中存在不確定參數(shù)。經(jīng)查閱資料得到本項目模擬船舶的標(biāo)稱橫搖方程為：

(11)

在海洋環(huán)境中，船舶的質(zhì)量，橫穩(wěn)心，橫搖阻尼系數(shù)等均會隨著船舶實際載重量及海況的不同而產(chǎn)生變化，以及橫搖建模理論參數(shù)在實際計算中產(chǎn)生的誤差，這就導(dǎo)致船舶橫搖模型中也存在不確定參數(shù)。酌情設(shè)其中的參數(shù)存在5%的誤差，仿真結(jié)果誤差在工程允許范圍之內(nèi)。

3 討論

由于船體在海洋上的6種運動中，只有縱搖、橫搖和垂蕩是單純的振蕩運動，其主因是當(dāng)船在受到晃動而偏離平衡位置時，這一些運動會承受力矩和復(fù)原力的作用。而另外3種運動卻不會如此，除非引起變動的擾動力和力矩本身是從相反的方向交替地起作用[2]。船體的這種單純的振蕩運動影響海上醫(yī)療救護(hù)工作執(zhí)行質(zhì)量及效率，是導(dǎo)致醫(yī)護(hù)人員不適的重要原因，因為由這類振蕩運動所引起的加速度值偏大，而且反復(fù)地、長時間地作用于人的前庭器官。通常認(rèn)為垂向加速度值在0.109～0.200 g的范圍是人類可以承受的極限。鑒于由橫向搖晃引起的垂向加速度值基本不會超過0.200 g，因此可認(rèn)為由縱向搖晃和垂蕩所引起的加速度是醫(yī)護(hù)人員不適的主要原因。當(dāng)然，若3者同時存在，特別是垂蕩和縱搖同時存在時，更易讓醫(yī)護(hù)人員感到不適。原因是當(dāng)3者同時存在時，除了振蕩運動引起的加速度外，還可能會有附加的哥氏加速度產(chǎn)生。與此同時，由于船在波浪上的垂蕩、縱搖和橫搖運動較其他的振蕩運動更為顯著，而且對于整個耐波性，橫搖、縱搖和升沉運動起著重要的作用，因此，模擬搖擺實驗平臺中運動仿真控制系統(tǒng)應(yīng)重點關(guān)注垂蕩、橫搖和縱搖。

海洋與船舶運動仿真控制系統(tǒng)是船舶環(huán)境醫(yī)療救護(hù)模擬實驗裝置的重要組成部分，以算法規(guī)劃路徑，模擬船舶在海浪中的運動及姿態(tài)，結(jié)合全電動6自由度運動平臺模擬船舶搖擺平臺，更為逼真的模擬海上醫(yī)療救護(hù)場景，為海上救治研究提供一種可靠的實驗環(huán)境、為海上醫(yī)療救治流程確定與驗證提供一種研究手段。