使用虚拟现实技术对船员进行教育培训更具灵活性且成本更低,因而各种航海仿真系统被广泛应用于船舶实操训练中。目前,国内各航海院校对船员进行靠离泊和锚泊(以下简称为系泊)操纵培训主要采用理论教学的方式,很少有真实的系泊设备供船员实践操作。此外,关于船舶系泊操纵的评估缺少统一的评估规则和标准,无法对船员的操作水平给出科学合理的评估。为此,本文对船舶系泊操纵时的运动学及动力学模型、系泊操纵过程的可视化仿真方法以及船舶系泊操纵仿真评估三个方面进行研究。采用分离型建模思想,建立了船舶六自由度操纵运动数学模型,该模型充分考虑了螺旋桨推进器多象限工况及风、流等环境影响,以校实习船“育鹏”轮为研究对象进行旋回试验、Z形试验和惯性停船试验,通过将仿真结果与实船试验结果的对比,表明所建立的模型满足船舶系泊操纵仿真的精度要求。针对船舶系泊操纵中靠离泊操纵和锚泊操纵的不同特点,分别就缆绳和锚链提出了基于悬链线法的静力学模型和基于集中质量法的动力学模型。在船舶靠离泊操纵过程中,分别对满足胡克定律和不满足胡克定律两种情况下的缆绳张力进行计算,分析了缆绳在靠离泊作业时的张力大小。在船舶锚泊操纵过程中,将锚链准静态法得到的数据作为动力学分析的基础,并基于集中质量法建立锚链的动力学模型,该模型充分考虑了锚链自身重量、流体动力、海流以及与海底交互作用等影响;最后,耦合船舶运动模型与锚链动力学模型,计算锚泊系统在水流作用下的运动响应,所采用的数值计算方法保证了计算稳定性并提高了计算效率。运用三维建模技术建立锚设备及系泊设备的三维模型,搭建了船舶在海上航行和系泊操纵时的虚拟场景;运用场景漫游技术、虚拟人技术以及碰撞检测技术实现三维场景的漫游与交互,提高了虚拟场景的真实感。在研究系泊缆索的可视化仿真中,根据系泊缆索的特点,提出一种改进的PBD方法,在原有的距离约束和弯曲约束基础上提出长距离附着约束和引脚约束,并采用高斯-赛德尔迭代法进行求解,在保证计算精度的同时有效地提高了计算效率。仿真系统能够实时准确地完成计算、渲染及交互操作等,实现了系泊设备的交互仿真及系泊缆索的实时收放模拟。根据系泊设备操作规程及相关评估规范,通过专家评估法确定了系泊操纵的评价指标,基于模糊综合评价法建立各个评价指标的隶属度函数,结合专家评估法及层次分析法给出各个评价指标建议的权重值及标准值,建立完整的评估模型,确定各个评价指标隶属度值后采用加权平均法得到船员的最终评估成绩,并将自动评估模型集成到船舶系泊操纵仿真系统中。在上述研究的基础上,本文开发了由操作训练子系统和自动评估子系统两个部分组成的船舶系泊操纵仿真系统。操作训练子系统较好地实现了船舶系泊系统及其可视化模拟,提高了系泊缆索的模拟仿真效果;自动评估子系统实现了对船员系泊操纵的操作步骤及结果的数据记录和评估。