船舶出閘管理仿真平臺框架及關(guān)鍵技術(shù)研究

王太偉 王曉莉 劉力

摘 要：虛擬仿真具有表達(dá)直觀、信息量大、綜合性強(qiáng)的優(yōu)勢，逐漸在通航管理系統(tǒng)中得到關(guān)注。該文從系統(tǒng)應(yīng)用的角度提出了船舶出閘管理虛擬仿真平臺的基本框架，研究了基于數(shù)字高程數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)地形與地物建模技術(shù)，重點(diǎn)探討了在船閘特殊環(huán)境下閘室內(nèi)船舶定位技術(shù)及實時數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)。以三峽船閘為例，并通過集成水文、氣象等要素構(gòu)建了船舶過閘管理虛擬仿真平臺原型系統(tǒng)，采用的技術(shù)對于虛擬仿真在行業(yè)的應(yīng)用是非常有益的探索。

關(guān)鍵詞：船舶 出閘 虛擬仿真 平臺框架

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0042-04

船閘是內(nèi)河航道的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，船舶能否安全、快速通過，直接影響到航運(yùn)的安全、快速、暢通。目前用于船舶輔助導(dǎo)航的手段以基于二維電子航道圖為主，由于船閘結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，二維電子航道圖不能較好的體現(xiàn)其維度特征，信息表達(dá)十分欠缺，置身于閘室之中的船舶駕駛?cè)藛T對周圍環(huán)境無法獲得直觀的視覺感受。另因閘室內(nèi)通常較為封閉，衛(wèi)星定位信號極不穩(wěn)定。因此，一旦出現(xiàn)能見度不良的情況（比如濃霧引起的能見度不良），船舶不得不滯留閘室內(nèi)，存在安全隱患。而基于升船機(jī)往往是利用機(jī)械裝置升降船舶的特殊結(jié)構(gòu)，使船舶滯留升船機(jī)內(nèi)的情況更應(yīng)引起關(guān)注。

虛擬仿真技術(shù)在計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域由來已久，并以其強(qiáng)大的表現(xiàn)力和交互性，已越來越多的應(yīng)用于眾多領(lǐng)域[1]。因此，該文以三峽船閘及升船機(jī)為例，基于虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建船舶出閘管理虛擬仿真平臺，輔助船舶安全出閘，同時，亦可作為對二維電子航道圖的有效補(bǔ)充和提升。

1 船舶出閘管理虛擬仿真平臺總體框架

船舶出閘管理虛擬仿真平臺是集數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、虛擬仿真、地理信息等相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)的生產(chǎn)管理平臺?？傮w上分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸與儲存模塊、虛擬仿真模塊3部分。在數(shù)據(jù)采集方面需要現(xiàn)基礎(chǔ)信息采集，如航道信息、氣象、船舶動態(tài)信息、船閘尺寸等相關(guān)信息，這些數(shù)據(jù)是支撐系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集的時效性與準(zhǔn)確性是船舶安全過閘的必要條件。數(shù)據(jù)有靜態(tài)數(shù)據(jù)與動態(tài)數(shù)據(jù)之分，所謂靜態(tài)數(shù)據(jù)是指基本保持穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，比如船舶尺寸、閘室尺寸（長度、寬度、深度）等。對于靜態(tài)數(shù)據(jù)清洗完成以后存儲于數(shù)據(jù)庫中可直接用于仿真建模。而動態(tài)數(shù)據(jù)是總在不斷變化的數(shù)據(jù)，常常反應(yīng)的是持續(xù)不斷變化的過程，比如船舶的位置，船閘出口處水位、能見度情況、風(fēng)速等。動態(tài)數(shù)據(jù)則需要進(jìn)行實時采集，并通過傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過數(shù)據(jù)中心服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和融合，并按照一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。對于動態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸、處理與存儲即在數(shù)據(jù)傳輸與儲存模塊實現(xiàn)。虛擬仿真模塊是平臺建設(shè)的重要組成部分，是平臺中數(shù)據(jù)可視化核心展示窗口，使抽象數(shù)據(jù)更加表現(xiàn)直觀。該模塊包括相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能、三維場景基本操作（漫游、放大、縮小、屬性信息查詢等）等。

2 船舶出閘管理虛擬仿真平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

采用三維虛擬仿真技術(shù)對船閘（升船機(jī)）閘室及至上下游系船墩的航道及其基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行仿真建模，構(gòu)建三維仿真航道，為船舶在能見度不良情況出閘提供虛擬仿真可視化環(huán)境；全球定位技術(shù)（GPS）、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）、船閘閘室內(nèi)船舶精確定位技術(shù)用于確定在船舶精確位置、航向、航速、運(yùn)動軌跡、分布狀況，并實現(xiàn)船舶自動識別；根據(jù)航道監(jiān)測信息，實現(xiàn)航道水文信息查詢及實時可視化；以航道三維虛擬仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺，集成船舶定位、氣象環(huán)境及船道信息等數(shù)據(jù)，構(gòu)建船舶出閘管理虛擬仿真平臺（圖1）。

2.1 船閘仿真場景構(gòu)建

船閘仿真場景構(gòu)建包括船閘周圍地形、船閘通航建筑物、典型船舶仿真模型的構(gòu)建。地形構(gòu)建通過地形建模的方式實現(xiàn)，基于船舶過閘對精度要求的需要，采用高精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)和高清遙感影像進(jìn)行地形構(gòu)建。以數(shù)字高程數(shù)據(jù)疊加影像數(shù)據(jù)通過渲染引擎以配置文件的方式加載到地形引擎數(shù)據(jù)管理節(jié)點(diǎn)，實現(xiàn)地形模型的自動構(gòu)建[2]。

高程數(shù)據(jù)。該文研究范圍重點(diǎn)關(guān)注船閘與升船機(jī)以及上下游的系船墩處，此處河道地形往往較為穩(wěn)定，并且會根據(jù)航道設(shè)計情況定期進(jìn)行測繪與疏浚等，而在建設(shè)范圍內(nèi)的航道應(yīng)采用高精度數(shù)字高程數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)計及測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。亦可以根據(jù)實際需要向河道上下游進(jìn)行延伸，以期獲得較大范圍的仿真場景。

影像數(shù)據(jù)。地形表面需要覆蓋真實的影像數(shù)據(jù)，才能構(gòu)建逼真的地形模型。選用高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)對于地形的建模尤為重要。原始獲得的影像數(shù)據(jù)需要進(jìn)行色彩調(diào)整、匹配融合、影像拼接、幾何糾正等過程，轉(zhuǎn)換為能被用于構(gòu)建地形的影像數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理方法。用于構(gòu)建航道地形的數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程數(shù)據(jù)與數(shù)字影像數(shù)據(jù)，直接將整幅遙感圖像或者整塊數(shù)字高程數(shù)據(jù)加載到虛擬仿真平臺，將會對系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生巨大的渲染負(fù)擔(dān)，無法完成系統(tǒng)漫游與實時交互。而且受計算機(jī)屏幕的大小的限制，同時瀏覽全部細(xì)節(jié)是無法實現(xiàn)的，同時大數(shù)據(jù)塊也不利于數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。一次性加載過大的數(shù)據(jù)給服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)平臺端造成過大的負(fù)擔(dān)，而且使用戶等待時間過長，造成不必要時間與資源浪費(fèi)。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理，建立數(shù)據(jù)金字塔來提高影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)傳輸與加載速度，同時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，也是提高數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的最佳方式。通過Arcgis Server或MapTiler對數(shù)據(jù)源進(jìn)行重新采樣，并按四叉樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行切片，建立金字塔式儲存結(jié)構(gòu)，縮短渲染引擎內(nèi)部數(shù)據(jù)預(yù)處理時間，進(jìn)而加快三維可視化系統(tǒng)平臺的運(yùn)行效率，提高運(yùn)行速度。

2.2 船閘通航建筑物及船舶建模

在船舶出閘虛擬仿真平臺中水工建筑物構(gòu)成船閘主體是虛擬仿真環(huán)境重要部分，對水工建筑物進(jìn)行精確逼真的仿真建模對于構(gòu)建生動形象的船閘虛擬仿真平臺具有重要作用。通過研究目前建模根據(jù)使用技術(shù)的不同，大致有以下幾種方式：（1）使用三維模型建模工具，如Creator、AutoCAD、3D MAX、MAYA等三維建模軟件，根據(jù)實體的具體情況，構(gòu)建模型的精細(xì)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征，實現(xiàn)模型的逼真建模。這種方法建立的模型不僅可以擁有真實外觀，通過內(nèi)部細(xì)節(jié)構(gòu)建，實現(xiàn)模型內(nèi)部的逼真效果，表現(xiàn)更加全面的三維實體細(xì)節(jié)效果。（2）利用儀器，通過攝影測量、激光掃描等手段進(jìn)行三維實體掃測建模。（3）矢量化建筑物實體的輪廓，實現(xiàn)批量建模。

為了實現(xiàn)對于資源的合理利用，在船舶出閘管理虛擬仿真平臺中，建模數(shù)量有限且以精準(zhǔn)為主，因此，根據(jù)設(shè)計參數(shù)及測繪數(shù)據(jù)通過建模軟件以手動建模的方式實現(xiàn)船閘各相關(guān)建筑物建模工作。通過MultiCreater配合3d Max對相關(guān)實體進(jìn)行建模，并生成的OpenFlight格式的模型保存模型的所有特征和屬性信息，如模型所使用的光照和紋理等，使虛擬仿真渲染引擎能夠直接加載OpenFlight格式的模型數(shù)據(jù)。同時，采用統(tǒng)一的建模方位參數(shù)對模型進(jìn)行建模，以便于實現(xiàn)模型到場景圖的加載定位。該文對船閘的上、下閘首和兩側(cè)的閘墻、船舶、上下游導(dǎo)航墻及升船機(jī)相關(guān)的船箱結(jié)構(gòu)、塔柱、水體等水工建筑物及設(shè)備等進(jìn)行了建模，對于船舶建模效果如圖2所示。

2.3 船舶定位技術(shù)

全球定位系統(tǒng)（GPS）實現(xiàn)在全球范圍內(nèi)全天候?qū)崟r定位，多數(shù)情況下能夠提供船舶精確的位置信息。但是在閘區(qū)可能由于干擾、遮擋等原因，導(dǎo)致閘室內(nèi)的無法接收到穩(wěn)定的衛(wèi)星定位信號，而無法通過衛(wèi)星實現(xiàn)閘室內(nèi)船舶的精確定位，鑒于閘室環(huán)境的特殊性，需要采取一定的措施對船舶在閘室內(nèi)的位置狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

通過研究以借助在閘室安裝無線射頻識別（RFID）裝置方式來大致判斷船舶的過閘情況，當(dāng)RFID讀寫器檢測到有船舶經(jīng)過時，讀寫器就把自身的標(biāo)簽和船舶的標(biāo)簽信息按照一定的報文格式進(jìn)行打包，并主導(dǎo)上傳到服務(wù)器中。由于目前大多數(shù)客貨船舶均已配置了船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）或是全球定位系統(tǒng)（GPS），這樣當(dāng)船舶過閘時就會存在3種數(shù)據(jù)系統(tǒng)即AIS，GPS，RFID[3]。由于AIS，GPS，RFID本身的特點(diǎn)和優(yōu)勢，使得它們能在船舶監(jiān)控應(yīng)用中完美地結(jié)合在一起。RFID能夠?qū)Υ皵?shù)據(jù)進(jìn)行快速自動的收集；GPS可以對船舶進(jìn)行全天侯，精確且時間短的定位；AIS除了可以獲取船舶的位置信息外，還可以得到船舶的航速、航向以及船舶的身份等信息，需要通過一定的算法將這3種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而獲取船舶的位置信息。

根據(jù)不同情況可以采取不同的處理方法：（1）若該船舶沒有進(jìn)入RFID區(qū)域內(nèi)，則采集船舶的AIS或GPS信息，并把其坐標(biāo)信息存入數(shù)據(jù)庫中。（2）若船舶進(jìn)入RFID監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，則采集RFID采集的船舶信息并結(jié)合AIS與GPS采集的地理位置信息存入數(shù)據(jù)庫中。（3）若接收不到船舶GPS定位信息，則以RFID的位置為標(biāo)準(zhǔn)，顯示船舶的靜態(tài)位置信息。

如此一來，每當(dāng)船舶進(jìn)入RFID所能檢測的區(qū)域內(nèi)時，RFID模塊就會檢測一次船舶的電子標(biāo)簽，然后將RFID所探測出來的信息與AIS或者GPS的地理位置信息結(jié)合在一起，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主控中心，主控中心根據(jù)發(fā)過來的這些信息在虛擬仿真平臺中顯示出來船舶的運(yùn)行軌跡，從而實現(xiàn)了船舶位置的實時監(jiān)控管理。

2.4 平臺集成與顯示

船舶過閘管理虛擬仿真平臺是集虛擬仿真、通信、GIS、航運(yùn)、水利工程運(yùn)行管理、水文數(shù)據(jù)采集等相關(guān)技術(shù)于一體的管理平臺，在研發(fā)集成時需集成三維地形模型、三維構(gòu)筑物模型、水文及航道數(shù)據(jù)接口、位置定位數(shù)據(jù)接口等相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

水文、氣象信息是支撐水路運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)數(shù)據(jù)，航道管理部門也建立了相應(yīng)的航道信息采集設(shè)備及系統(tǒng)，實現(xiàn)了能見度數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、航道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等航道信息的采集，但由于各相關(guān)采集系統(tǒng)由于其開發(fā)廠商、運(yùn)行平臺、采集方式、存儲模式不盡相同，使得數(shù)據(jù)在類別、更新頻率不一，又由于數(shù)據(jù)并發(fā)量大導(dǎo)致大量異構(gòu)性數(shù)據(jù)生成，需要對水位、氣象數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

該文研究過程中結(jié)合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對虛擬仿真模型、水文及航道信息、實時定位信息等方面的集成，構(gòu)建了船舶過閘管理虛擬仿真平臺原型系統(tǒng)，圖3為加載了三峽壩體主體的虛擬仿真模型效果圖。

3 結(jié)語

從船舶出閘管理的角度出發(fā)，提出了基于虛擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)平臺框架，重點(diǎn)研究了船舶出閘管理與虛擬仿真的應(yīng)用結(jié)合，對三維地形、構(gòu)筑物建模、定位等技術(shù)進(jìn)行了簡要闡述，通過集成水文、航道、船舶特殊環(huán)境定位等信息，開發(fā)的船舶出閘管理平臺原型系統(tǒng)，為虛擬仿真技術(shù)在水運(yùn)行業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹娟，楊小帆.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在三峽庫區(qū)航運(yùn)安全研究中應(yīng)用[J].科技資訊，2008（20）：23.

[2] 張尚弘，易雨君，夏忠喜. 流域三維虛擬環(huán)境建模方法研究[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報.2011（S1）：108-116.

[3] 嚴(yán)忠貞.內(nèi)河在航船舶動態(tài)跟蹤和航跡融合方法研究[D].武漢理工大學(xué)，2013.