航道工程三維輔助疏浚設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)研究

吉增光

摘 要：為了能夠?qū)降朗杩９ぷ鞯脑O(shè)計效率和統(tǒng)計精度有效提升，本文引入了航道工程的三維輔助疏浚設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了三維CAD、地質(zhì)模型、數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合，能夠滿足計算航道的尺度、三維建模與實時修改，還包括了估算疏浚量和投資預(yù)估，優(yōu)選方案等功能。經(jīng)應(yīng)用本次航道工程三維輔助疏浚設(shè)計系統(tǒng)，結(jié)果證明了此系統(tǒng)在應(yīng)用過程中具備的智能交互性，能夠輔助航道規(guī)劃設(shè)計提供決策參考。

關(guān)鍵詞：航道工程;三維輔助;系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：U61 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）07-0081-02

在航道工程設(shè)計中包括了航道工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)模、航道選線、布設(shè)航道平面與尺度工程整治線與建筑物布設(shè)、疏浚工程項目等[1]。由于航道工程的工作量較大，需要十分繁瑣的計算步驟，再加上涉及多方面資料，所以國內(nèi)外多數(shù)學(xué)者為了對航道設(shè)計工作效率有所提升，設(shè)計了多種航道輔助設(shè)計系統(tǒng)，例如目前廣泛應(yīng)用的GIS航道輔助設(shè)計系統(tǒng)、海港航道輔助設(shè)計系統(tǒng)等[2-3]。本文以航道疏浚工程為研究重點，該輔助設(shè)計技術(shù)研究領(lǐng)域歷經(jīng)了從最初CAD至如今比較前沿的BIM技術(shù)，此外也有多數(shù)研究者開發(fā)航道疏浚輔助設(shè)計系統(tǒng)。結(jié)合以往研究成果經(jīng)驗綜合航道疏浚工程的工作需求，提出將三維CAD、數(shù)據(jù)庫、地質(zhì)模型等技術(shù)結(jié)合，設(shè)計實現(xiàn)了航道工程三維輔助疏浚設(shè)計系統(tǒng)。

1關(guān)鍵技術(shù)概述

1.1數(shù)據(jù)庫

航道疏浚設(shè)計中由于需要多樣數(shù)據(jù)來源，再加上信息數(shù)據(jù)的種類較多涉及數(shù)據(jù)類型較多，例如空間尺度、海洋水文、氣象與地質(zhì)等自然條件，以及三維模型數(shù)據(jù)等[4-5]。對于這些數(shù)據(jù)想要科學(xué)設(shè)計就要依照一定規(guī)則進行分類存儲，這樣來提升整個航道疏浚設(shè)計系統(tǒng)的運行效率。并且保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計中的科學(xué)穩(wěn)定性、系統(tǒng)性，主要組織架構(gòu)包括了航道港區(qū)信息、基礎(chǔ)地理信息、三維模型數(shù)據(jù)（見圖1）。

1.2三維建模

航道三維場景可視化作為交互式操作，滿足系統(tǒng)動態(tài)化瀏覽的重要前提，因為整個三維場景內(nèi)涉及多方復(fù)雜要素，要支持三維航道查詢信息、運算實時更新，所以需要保證三維建模的高效、迅速、便捷、可操作性。主要運用技術(shù)如下：

（1）Processing。Processing自提出后便被用于視覺、動畫、交互設(shè)計領(lǐng)域，作為Java語言的技術(shù)延伸，基于OpenGL三維圖形引擎能夠支持Java架構(gòu)，保證系統(tǒng)操作的功能集成性與通用性。簡化編程語法，設(shè)計偏向人性化賦予Processing適用于圖形編程的特點，在應(yīng)用中可以協(xié)同第三方程序共同開發(fā)建模[6]。

（2）Toxiclibs。Toxiclibs作為獨立運行的計算機圖形設(shè)計開源庫集合，基于Processing和Java編程語言，能夠用于動畫、生產(chǎn)、交互設(shè)計、建?？梢暬雀黝I(lǐng)域。

（3）類結(jié)構(gòu)。通過建立基于Processing、Toxiclibs的三維航道疏浚輔助系統(tǒng)建模類結(jié)構(gòu)，主界面包括了參數(shù)設(shè)置（類SettingsPanel）、航道疏浚三維建模（類ChannelPanel）、航道疏浚設(shè)計方案（類SchemsPanel）。其中航道疏浚三維建模作為類結(jié)構(gòu)的核心組成，能夠滿足用戶在系統(tǒng)操作中查詢、計算并且可以實時更新航道疏浚相關(guān)信息[7]。主要包括了Terrain、Channel 3D，前者類組成早包括了土質(zhì)信息、等值線、紋理、頂點，后者類組成包括了計算航道尺度疏浚三維模型。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

為了確保設(shè)計系統(tǒng)的功能可拓展性與可用性，基于三層系統(tǒng)架構(gòu)（見圖1），包括了表現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層共同組成了三維航道疏浚輔助設(shè)計系統(tǒng)。

在表現(xiàn)層作為該輔助設(shè)計系統(tǒng)的頂層，主要負責(zé)為系統(tǒng)用戶提供可操作交互頁面，在圖形界面可以讓用戶經(jīng)手機或電腦客戶端，向系統(tǒng)中輸入或?qū)牒降朗杩９こ袒驹O(shè)計參數(shù);

在應(yīng)用層集合了該輔助設(shè)計系統(tǒng)的全部服務(wù)功能，包括了業(yè)務(wù)邏輯層、流程層，能夠計算航道尺度、疏浚成本以及優(yōu)選航道方案。在業(yè)務(wù)邏輯層中包括了一系列可重用業(yè)務(wù)邏輯單元，例如計算航道有效寬度、疏浚量、通航水深、預(yù)估疏浚成本以及優(yōu)選方案。

在業(yè)務(wù)流程層主要負責(zé)對邏輯單元的具體功能進行重構(gòu)，例如優(yōu)選航道方案就包括了計算航道尺度、數(shù)均成本與優(yōu)選方案算法;在數(shù)據(jù)層負責(zé)了航道屬性、船舶至離港的具體數(shù)據(jù)以及航道設(shè)計方案。

為了提高航道疏浚設(shè)計工作效率與統(tǒng)計精度，設(shè)計該系統(tǒng)能夠滿足探索、實驗、優(yōu)化以上三種智能模式。探索模式作為基于最小航道尺度，結(jié)合自身實踐經(jīng)驗對設(shè)備及方案進行修改;實驗?zāi)Ｊ阶鳛樵O(shè)計人員采集的航道疏浚設(shè)計方案，能夠經(jīng)系統(tǒng)自動得出最優(yōu)選;優(yōu)化模式作為基于輸入條件自動化設(shè)計。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

以某航道擴建一期工程項目為例，該航道項目達10.624km總長，南段、大欖坪分別為380m的通航寬度取值，三墩航道為400m的通航寬度取值，-13.5m的航道底高程。與前期勘測當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，根據(jù)搜集資料掌握了航道疏浚的地質(zhì)分類，均是1～2級的淤泥質(zhì)土，4級硬黏土，6、7、8級砂土。在大欖坪航道段主要存在中風(fēng)化巖、強風(fēng)化巖，對此計劃炸礁。底層按照1：1比例的炸礁邊坡，中層、砂層按照1：5比例的邊坡，上層按照1：7比例的邊坡，其他按照1：10比例的邊坡。確定后運用本次設(shè)計的航道疏浚三維輔助設(shè)計系統(tǒng)。

設(shè)計操作人員通過在系統(tǒng)內(nèi)輸入前期掌握的各類基本參數(shù)，經(jīng)系統(tǒng)對輸入相關(guān)參數(shù)的完整準(zhǔn)確性進行校驗核實，保證能夠滿足本次航道通航工程的尺度標(biāo)準(zhǔn)與工程費用，繪制了三維航道疏浚模型。之后拖拽鼠標(biāo)進行人機交互，宏觀可視的全方位觀察航道尺度與土層細節(jié)問題，對航道設(shè)計的相關(guān)參數(shù)不斷調(diào)整，包括軸線、線數(shù)、船舶的航速等影響因素，最終明確了本工程的航道設(shè)計，（見表1）得出航道三維建模疏浚費用，能夠發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計的航道工程三維輔助疏浚系統(tǒng)，合理設(shè)計簡單操作達到較好的設(shè)計交互性，與項目設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相符，能夠智能判斷提升了航道疏浚系統(tǒng)設(shè)計的工作效率。

4 結(jié)語

綜上，通過在本文設(shè)計了航道工程疏浚三維輔助系統(tǒng)，基于三維CAD、數(shù)據(jù)庫、航道模型等技術(shù)，能夠在前期掌握航道項目所在地區(qū)的地質(zhì)基礎(chǔ)資料，以不同的土質(zhì)來選擇不同的邊坡開挖坡比、不同的寬度、深度參數(shù)完成航道疏浚斷面設(shè)計。設(shè)計了三層架構(gòu)在Processing、Toxiclibs、類結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，將該系統(tǒng)應(yīng)用于航道擴建項目，發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計的航道工程三維輔助疏浚系統(tǒng)，合理設(shè)計簡單操作達到較好的設(shè)計交互性，與項目設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相符，能夠智能判斷提升了航道疏浚系統(tǒng)設(shè)計的工作效率，證明了此系統(tǒng)在應(yīng)用過程中具備的智能交互性，能夠輔助航道規(guī)劃設(shè)計提供決策參考。

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