王太偉 王曉莉 劉力

摘 要：虛擬仿真具有表達直觀、信息量大、綜合性強的優(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 文獻標識碼：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，船舶能否安全、快速通過，直接影響到航運的安全、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。而基于升船機往往是利用機械裝置升降船舶的特殊結(jié)構(gòu)，使船舶滯留升船機內(nèi)的情況更應(yīng)引起關(guān)注。

虛擬仿真技術(shù)在計算機圖形學領(lǐng)域由來已久，并以其強大的表現(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)運行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集的時效性與準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、風速等。動態(tài)數(shù)據(jù)則需要進行實時采集，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）閘室及至上下游系船墩的航道及其基礎(chǔ)設(shè)施進行仿真建模，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，實現(xiàn)地形模型的自動構(gòu)建[2]。

高程數(shù)據(jù)。該文研究范圍重點關(guān)注船閘與升船機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)進行修正。亦可以根據(jù)實際需要向河道上下游進行延伸，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)運行產(chǎn)生巨大的渲染負擔，無法完成系統(tǒng)漫游與實時交互。而且受計算機屏幕的大小的限制，同時瀏覽全部細節(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擔，而且使用戶等待時間過長，造成不必要時間與資源浪費。通過對數(shù)據(jù)進行切片處理，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)源進行重新采樣，并按四叉樹結(jié)構(gòu)進行切片，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，進而加快三維可視化系統(tǒng)平臺的運行效率，提高運行速度。

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節(jié)效果。（2）利用儀器，通過攝影測量、激光掃描等手段進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RFID讀寫器檢測到有船舶經(jīng)過時，讀寫器就把自身的標簽和船舶的標簽信息按照一定的報文格式進行打包，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)進行快速自動的收集；GPS可以對船舶進行全天侯，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）若該船舶沒有進入RFID區(qū)域內(nèi)，則采集船舶的AIS或GPS信息，并把其坐標信息存入數(shù)據(jù)庫中。（2）若船舶進入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的位置為標準，顯示船舶的靜態(tài)位置信息。

如此一來，每當船舶進入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、水利工程運行管理、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)標準化處理，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

該文研究過程中結(jié)合相關(guān)技術(shù)標準，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)在水運行業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

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