阅读说明：本技术 一种基于云平台的航海模拟器系统 (Navigation simulator system based on cloud platform ) 是由 陈立家 王凯 卢学 刘锭坤 于 2019-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于云平台的航海模拟器系统,属于航海模拟器技术领域。模拟器包括远程终端系统、与远程终端系统连接的通信系统、与通信系统连接的图形计算系统,系统间的信息交换通过虚拟桌面协议、IUSB协议和NMEA0183协议实现,所述远程终端系统包括作为客户终端的瘦客户机、多通道视景屏幕、驾驶台模拟设备、电子海图模拟系统和雷达模拟系统；所述通信系统包括防火墙,光纤交换机、网关；所述图形计算系统包括航海视景模拟渲染模块、虚拟化工作站集群、服务器集群和光纤存储等。本发明的系统扩大了航海模拟器系统的使用场景,并且方便了开发者对系统的维护和升级,同时对于大数据流实时传输的云平台搭建提供了方法。(The invention discloses a navigation simulator system based on a cloud platform, and belongs to the technical field of navigation simulators. The simulator comprises a remote terminal system, a communication system connected with the remote terminal system and a graphic computing system connected with the communication system, wherein information exchange among the systems is realized through a virtual desktop protocol, an IUSB (Internet Ex-site bus) protocol and an NMEA0183 protocol, and the remote terminal system comprises a thin client serving as a client terminal, a multi-channel visual screen, a driving platform simulation device, an electronic chart simulation system and a radar simulation system; the communication system comprises a firewall, a fiber switch and a gateway; the graphic computing system comprises a navigation visual scene simulation rendering module, a virtualization workstation cluster, a server cluster, an optical fiber storage and the like. The system provided by the invention expands the use scene of the navigation simulator system, facilitates the maintenance and upgrade of the system for developers, and provides a method for building a cloud platform for real-time transmission of large data streams.)

一种基于云平台的航海模拟器系统

技术领域

本发明具体涉及一种基于云平台的航海模拟器系统，属于航海模拟器技术领域。

背景技术

为了发展海运事业,以最少的投资、最短的学习时间培养出大批优秀的船员,现代航海模拟器越来越受到各国航海界的重视。现代航海模拟器为培训航海人员提供了仿真环境和设施。它通常由驾驶舱、视景系统、音响系统、船舶运动系统和电子计算机等部分组成。

传统的航海模拟器存在以下缺点：

1)部署与维护困难，航海模拟器的建设需要大量的时间和金钱及建设空间，需要专业维护与升级，难以满足船员培训对航海模拟器的需求。

2)稳定性差，由于航海模拟器系统结构较为复杂，硬件设备难以做到标准化，使得系统稳定性较差。

发明内容

因此，本发明针对现有技术中航海模拟器存在的不足，提出一种云平台航海模拟器。

具体的技术方案为：

一种基于云平台的航海模拟器系统，所述云平台航海模拟器包括远程终端系统、与远程终端系统连接的通信系统、与通信系统连接的图形计算系统，系统间的信息交换通过虚拟桌面协议、IUSB协议和NMEA0183协议实现，所述远程终端系统包括作为客户终端的瘦客户机、多通道视景屏幕、驾驶台模拟设备、电子海图模拟系统和雷达模拟系统；所述通信系统包括防火墙，光纤交换机、网关；所述图形计算系统包括航海视景模拟渲染模块、虚拟化工作站集群、服务器集群和光纤存储；

图形计算系统，用于根据输入船舶操纵数据和环境参数，解算船舶运动状态信息，渲染三维视景信息；

远程终端系统，用于输入三维视景和船舶运动数据信息，显示到视景通道及航海仪器面板上，用户根据船舶目前的状态信息进行操纵船舶；

通信系统，用于提供图形计算系统和远程终端系统之间的通信通道，保证通道的稳定。

进一步的，所述航海模拟模块用于利用船舶操纵信息、环境参数信息来解算船舶运动状态、环境状态，并利用视景数据库和船模数据库渲染三维实景，结合驾驶台设备营造真实的驾驶台操船体验。

进一步的，所述瘦客户机是指在本系统体系中基本无需应用程序的计算终端，用于通过HDX和NMEA0183协议与服务器通信，进而接入局域网。

进一步的，所述虚拟化工作站集群是运行在服务器集群中的物理服务器上的虚拟化计算机，用于利用服务器集群构造资源池，在虚拟化CPU技术结合虚拟化GPU技术，搭建高性能的虚拟化工作站，以满足模拟仿真中大量的渲染运算对性能的需求。

进一步的，所述网关为配置两台采用完全相同的硬件通信平台、固件版本，且均启用VR及防病毒功能、安装防病毒许可证的安全网关，组成高可靠性网关簇，高可靠性网关用于在通信线路或设备出现故障时提供备用方案。

进一步的，所述图形计算系统的图形数据的处理方式主要有两种：基于位图数据的传输和基于矢量数据的传输；基于位图的处理方式将图形数据在服务器端进行渲染，生成的位图数据进行压缩编码，传输到客户端的可直接显示的位图数据；基于矢量数据的处理方法则将图形数据分为多种格式，传输到用户终端后再进行渲染。

进一步的，所述IUSB协议为USB总线协议的扩展，用于实现远程访问USB设备；服务器端在IP网络上使用虚拟总线驱动程序访问远程设备的驱动端口，请求客户端的USB数据；客户端将对总线的命令请求封装在IP包内，并通过网络传输来访问远程服务器端的设备，服务器端的驱动程序接收访问命令后，响应用户端。

进一步的，所述虚拟桌面协议，是一组用来在桌面服务器和用户终端之间进行通信的协议，主要完成服务器到用户终端的图形、图像、音频的传输以及用户终端到服务器输入信息的传输。

本发明的有益效果在于：本发明的云平台航海模拟器与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提供的一种基于云平台，采用虚拟化技术，在一台物理主机上部署若干台虚拟机，标准化用户环境，充分利用服务器资源。

采用vGPU技术，将物理主机上的GPU虚拟化为若干个vGPU，在传统的VDI(虚拟桌面基础架构，VirtualDesktopInfrastructure)上搭载上vGPU，提升虚拟机性能，以处理更为复杂的任务。

采用SaaS(软件及服务，Softwareasaservice)模式，将模拟器发布到云平台上，即开即用，从服务器端管理系统，方便调试。

采用虚拟桌面协议，在终端与服务器间提供稳定、实时的数据交换。

采用IUSB协议，将终端的USB输入数据共享到服务器端。

本发明的云平台航海模拟器系统易于配置，满足各种培训和考核要求，并且能够进行工程论证和海事分析。

本发明的云平台航海模拟器系统降低了有航海培训教学和港口航道评估需求的用户使用航海模拟器系统的门槛，扩大了航海模拟器系统的使用场景，并且方便了开发者对系统的维护和升级，同时对于大数据流实时传输的云平台搭建提供了方法。

附图说明

图1为本发明的云平台航海模拟器系统的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

如图1所示，本发明所述的云平台航海模拟器系统包括：

1)图形计算系统，输入船舶操纵数据和环境参数，解算船舶运动状态信息，渲染三维视景和面板数据信息。

2)远程终端系统，输入三维视景和面板数据信息，显示到视景通道及航海仪器面板上，用户根据船舶目前的状态信息进行操船。

通信系统，提供图形计算系统和远程终端系统之间的通信通道，保证通道的稳定。

本发明设计的云平台航海模拟器结构包含远程终端系统、与远程终端系统连接的通信系统、与通信系统连接的图形计算系统，子系统间的信息交换通过虚拟桌面协议、IUSB协议和NMEA(NationalMarineElectronicsAssociation)0183协议。其中所述的远程终端系统包括作为客户终端的瘦客户机，多通道视景屏幕、驶台真设备和电子海图等面板设备；所述的通信系统包括防火墙，光纤交换机，高可靠性网关；所述的图形计算系统包括航海模拟模块、虚拟化工作站集群、服务器集群和光纤存储。

本实施例中，所述的航海模拟模块是系统的核心部分，利用船舶操纵信息，环境参数信息来解算船舶运动状态，环境状态，并利用视景数据库和船模数据库渲染三维实景，结合驾驶台真设备营造真实的驾驶台操船体验。

本实施例中，所述的瘦客户机是指在本系统体系中基本无需应用程序的计算终端。通过PCoIP和NMEA0183协议与服务器通信，进而接入局域网。瘦客户机结构简单、稳定性高、能耗低、而且便于部署和管理。

本实施例中，所述的虚拟化工作站集群是运行在服务器集群中的物理服务器上的虚拟化计算机。利用服务器集群构造资源池，在虚拟化CPU技术结合虚拟化GPU技术，搭建高性能的虚拟化工作站，以满足模拟仿真中大量的渲染运算对性能的需求。采用这种方法，便于计算资源管理，可标准化用户环境，便于维护管理，并且避免了服务器的性能过剩。

本实施例中，所述的高可靠性网关简称HA(HighAvailability)网关，即配置两台采用完全相同的硬件通信平台、固件版本，且均启用VR及防病毒功能、安装防病毒许可证的安全网关，组成HA簇。使用HA网关可以在通信线路或设备出现故障时提供备用方案，从而保证数据通信的畅通，保证航海模拟器系统数据传输的稳定性。

本实施例中，所述的NMEA0183协议是指由美国国家海洋电子协会开发、维护并发布的标准，用于航海远洋时使用的电子仪器之间的通信。该协议可覆盖的消息种类广，信息传输量大，实时性强。

本实施例中，所述的IUSB协议为USB总线协议的扩展，用于实现远程访问USB设备。服务器端在IP网络上使用虚拟总线驱动程序访问远程设备的驱动端口，请求客户端的USB数据；客户端将对总线的命令请求封装在IP包内，并通过网络传输来访问远程服务器端的设备，服务器端的驱动程序接收访问命令后，响应用户端。

本实施例中，所述的虚拟桌面协议，是一组用来在桌面服务器和用户终端之间进行通信的协议，主要完成服务器到用户终端的图形、图像、音频的传输以及用户终端到服务器输入信息的传输。协议性能主要受图形数据处理方式、传输层协议和压缩缓存技术影响。这一协议在航海模拟器视频信号传输中可以很好地降低网络通信中的延迟和丢包，以保证数据传输的实时性。

本实施例中，所述的图形数据的处理方式主要有两种：基于位图数据的传输和基于矢量数据的传输。基于位图的处理方式将图形数据在服务器端进行渲染，生成的位图数据进行压缩编码，传输到客户端的可直接显示的位图数据。而基于矢量数据的处理方法则将图形数据分为多种格式，传输到用户终端后再进行渲染。

本实施例中，所述的传输层协议主要是TCP协议和UDP协议。TCP协议主要用来传输对安全性要求较高的数据，而UDP则主要用于传输数据量大，完整性要求不高的数据。

本实施例中，所述的压缩和缓存技术，图像的压缩方式直接决定了从服务器传输到用户终端的数据量以及编码解码的效率。

本发明的模拟器的工作流程如下：

服务器端虚拟工作站加载视景数据包，船模数据包，模拟训练开始，客户端通过解析虚拟桌面协议，获取服务器端发送的图像信息，把图像信息发送到对应的显示设备上，从而了解到船舶目前的状态。培训人员依据船舶运动的状态以及训练任务的要求，使用驾驶台上的车、舵设备对船舶进行操作。驾驶台设备使用NMEA0183协议从USB端口向客户终端发送培训人员的操作数据及环境参数数据，IUSB协议将USB端口传出的数据转换到网络通道上。操纵数据经过交换机和防火墙从局域网中到达网关，通过网关到达互联网，按照服务器的IP地址成功到达服务器端的局域网中。经过防火墙验证，交换机转发到对应的物理服务器上中的虚拟化工作站上。工作站将操作数据解析为NMEA0183协议格式的数据，然后对NMEA0183协议数据再次解析为船舶操纵、环境参数等数据。调用vCPU对得到的数据与风浪流数学模型、船舶运动数学模型共同解算，根据解算出的船舶姿态，视点、视角等信息，调取视景数据库，船模数据库，使用vGPU渲染驾驶台视角的画面以及各个面板的信息。

通过虚拟桌面协议对渲染出的画面进行图形处理，分类压缩，以TCP加UDP传输协议传输图形数据，同样经过通信系统到达远程终端系统。远程终端系统将图形数据经过虚拟桌面协议解析出来，传输到视景通道，电子海图等面板中，用户端的培训人员即可接收到上一次车舵操作的反馈，完成一次数据的交换。

在数据传输的过程中，通过HA网关保证通信线路的稳定性，利用防火墙保证通信线路安全，不受攻击，使用虚拟桌面协议根据通信线路带宽自适应地调整策略，优化数据传输效率，使得系统整体得以稳定实时运行。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。