王先登

(長(zhǎng)江武漢航道局　武漢　430010)

仿真技術(shù)在航道工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)中應(yīng)用研究*

王先登

(長(zhǎng)江武漢航道局武漢430010)

摘要：仿真技術(shù)是航道工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)有效手段之一，文中總結(jié)目前航道仿真評(píng)價(jià)過(guò)程,以及系統(tǒng)構(gòu)成與特性，分析了航道仿真系統(tǒng)中船舶運(yùn)動(dòng)建模、船舶交通流建模、航道場(chǎng)景建模、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法等關(guān)鍵技術(shù)，并展望了在內(nèi)河航道仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中需要解決的問(wèn)題.

關(guān)鍵詞：航道；助航設(shè)施；虛擬現(xiàn)實(shí)；地理信息系統(tǒng)

王先登(1957- )：男，高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)楹降佬畔⒒?/p>

0引言

仿真是利用模型重現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過(guò)程，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)評(píng)估現(xiàn)實(shí)的或設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的效能與運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn).仿真技術(shù)通過(guò)精確的模型與高逼真度的航道交通場(chǎng)景，有效地評(píng)估航道及助航裝備運(yùn)營(yíng)前的效能并發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，從而改進(jìn)航道交通安全性，提高通過(guò)能力.荷蘭航海研究所開(kāi)發(fā)了港區(qū)船舶操縱實(shí)時(shí)仿真模型與軟件，成功應(yīng)用在鹿特丹港航道的設(shè)計(jì).KadirSari?z等[1]提出一種實(shí)時(shí)的船舶操縱模擬系統(tǒng)用于模擬船舶通過(guò)Istanbul海峽水域時(shí)，外界環(huán)境如航道條件、水流、氣象條件對(duì)船舶航態(tài)的影響.K.Benedict等[2]針對(duì)橋區(qū)水域船舶駕駛行為，建立船舶操縱模型，分析船舶通過(guò)橋區(qū)水域的安全性.德國(guó)的杜伊斯堡大學(xué)船舶運(yùn)輸研究中心開(kāi)發(fā)了淺水船舶駕駛模擬系統(tǒng)用于評(píng)估內(nèi)河航道設(shè)計(jì)以及培訓(xùn)內(nèi)河船舶駕駛員.比利時(shí)列日大學(xué)研制了內(nèi)河航運(yùn)模擬系統(tǒng)，用于評(píng)估船閘，以及受限水域的助航設(shè)施設(shè)計(jì).在國(guó)內(nèi)，陳沈陽(yáng)等[3]開(kāi)展了港口航道船舶交通流模擬研究，通過(guò)對(duì)港口船舶交通流建模與實(shí)時(shí)仿真規(guī)劃港口內(nèi)的船舶航路.錢(qián)忠華[4]探討了運(yùn)用船舶操縱模擬器進(jìn)行港航設(shè)計(jì)論證的方法.孔憲衛(wèi)等[5]研究了船舶模擬器在引江濟(jì)漢通航工程與長(zhǎng)江交匯口布置中的應(yīng)用.本文將總結(jié)目前航道仿真的技術(shù)及系統(tǒng)構(gòu)成特點(diǎn)，發(fā)展現(xiàn)狀，分析其關(guān)鍵技術(shù)并展望在內(nèi)河航道系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展.

1航道工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)仿真過(guò)程概述

航道工程設(shè)計(jì)仿真過(guò)程包括建立仿真規(guī)劃和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)2個(gè)主要步驟.仿真規(guī)劃包括確定仿真過(guò)程目標(biāo)界定各種輸入?yún)?shù)，規(guī)劃仿真具體實(shí)施方案，提出仿真軟件系統(tǒng)功能要求.仿真實(shí)驗(yàn)則是實(shí)施仿真實(shí)驗(yàn)，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

1.1航道工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)仿真目標(biāo)與條件

在進(jìn)行航道工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)仿真前，需要結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行初步分析，為仿真分析提供一些基本的輸入?yún)?shù)，從而確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性.通常在分析階段應(yīng)包括：(1)明確助航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的；(2)明確設(shè)計(jì)的地理范圍以及助航設(shè)施的地點(diǎn)、觀察時(shí)間以及投資等約束；(3)明確航道通航的基本要素，如船舶類型、航路、船舶密度、水文氣象條件、船船交互作用以及最低能見(jiàn)度等；(4)明確航道設(shè)計(jì)中的一些標(biāo)志，如界標(biāo)、危險(xiǎn)標(biāo)志、指引標(biāo)志、助航標(biāo)志的類型等.

1.2航道工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)仿真實(shí)施方案規(guī)劃

航道工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)仿真實(shí)施方案規(guī)劃主要是確定仿真研究?jī)?nèi)容、參與實(shí)驗(yàn)的人員以及仿真系統(tǒng)軟件與設(shè)備等.航道與助航設(shè)施設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)仿真實(shí)施內(nèi)容，包括：(1)評(píng)估助航設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)如安放形式、位置、類型、特性以及數(shù)量等；(2)評(píng)估航道與港口的布局等對(duì)船舶安全與效率的影響；(3)評(píng)估通航環(huán)境如風(fēng)、浪、流、岸壁效應(yīng)，能見(jiàn)度以及背景光等對(duì)船舶安全的作用.仿真軟件是系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的核心支撐.實(shí)施航道與助航設(shè)施設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，其軟件應(yīng)具有如下功能：(1)在設(shè)計(jì)航道與助航設(shè)施前用戶可以瀏覽，用戶可以瀏覽相關(guān)航道的空間位置；(2)可以進(jìn)行助航系統(tǒng)不同設(shè)計(jì)方案的績(jī)效分析；(3)可以提供高質(zhì)量的航道地形以及港口信息數(shù)據(jù)源；(4)可以評(píng)估助航設(shè)施視覺(jué)特效與光污染等；(5)可以評(píng)估雷達(dá)圖像；(6)可以有效地評(píng)估各種助航設(shè)施功效，如信號(hào)燈、航標(biāo)、信標(biāo)、AIS(船舶識(shí)別系統(tǒng))，以及VTS(船舶交通管理系統(tǒng))；(7)可以評(píng)估各類船舶的操縱特性；(8)可以評(píng)估船舶速度特別是高速船舶對(duì)助航設(shè)施的要求；(9)可以模擬白天、黑天各種能見(jiàn)度效果；(10)可以模擬各種水文條件；(11)可以從不同視角觀察船舶與助航設(shè)施；(12)可以疊加各種交通信息數(shù)據(jù)如雷達(dá)和AIS；(13)與船舶電子導(dǎo)航系統(tǒng)具有借口；(14)允許模擬多艘船舶并顯示其交互作用；(15)可以模擬各種拖輪的操縱行為；(16)可以評(píng)價(jià)各種船舶定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與性能.

1.3航道工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)仿真分析要求

在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)后，需要對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行深入分析，形成評(píng)估文件.評(píng)估文件應(yīng)包括如下內(nèi)容：(1)仿真評(píng)價(jià)目標(biāo)；(2)仿真評(píng)價(jià)的方法；(3)仿真系統(tǒng)船舶的描述及其建模；(4)仿真系統(tǒng)中航道與助航設(shè)施以及通航條件的描述；(5)通航環(huán)境動(dòng)態(tài)與深度信息建模；(6)仿真系統(tǒng)的組成；(7)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的記錄；(8)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析；(9)實(shí)驗(yàn)結(jié)論及建議，如船舶大小、船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)助航設(shè)施功效的影響、通航環(huán)境約束、能見(jiàn)度條件、限制水域船舶航行條件、助航實(shí)施的布設(shè)、航道的尺度等等.此外也包含如拖輪的使用條件、引航技術(shù)要求，以及培訓(xùn)等建議.

2航道仿真系統(tǒng)及特點(diǎn)

2.1基于船舶駕駛模擬器的航道仿真系統(tǒng)

基于船舶駕駛模擬技術(shù)構(gòu)建航道仿真系統(tǒng)是當(dāng)前進(jìn)行和島嶼助航設(shè)施設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)仿真的主要技術(shù)手段，典型的航道仿真系統(tǒng)有：快速實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、桌面仿真系統(tǒng)、部分任務(wù)模擬器、全任務(wù)模擬器，其特點(diǎn)與適用范圍見(jiàn)表1.

表1　航道仿真系統(tǒng)特點(diǎn)與適用性

2.2船舶交通流仿真

船舶交通流仿真是指對(duì)船舶在航道中微觀運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，不需要精確船舶力學(xué)模型，以及場(chǎng)景模型.通常船舶交通流仿真技術(shù)采用船舶智能體技術(shù)按照定義好的路線、船舶特性以及船舶大小、船舶速度等在設(shè)定的航道上遵守交通規(guī)則以及避碰規(guī)則航道約束條件等自動(dòng)航行，目的識(shí)別船舶擁堵、碰撞以及擱淺的風(fēng)險(xiǎn).交通流仿真模型可以對(duì)交通事件進(jìn)行仿真分析，但是缺乏對(duì)船舶的物理特征的描述.利用船舶交通流仿真模型結(jié)合船舶的AIS數(shù)據(jù)記錄可以有效地評(píng)估助航設(shè)施的布設(shè)，進(jìn)而提出可行的修改方案.

3航道仿真關(guān)鍵技術(shù)與評(píng)價(jià)方法

3.1船舶運(yùn)動(dòng)建模

在航道仿真系統(tǒng)中，船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型決定船舶運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，其精度直接影響著船舶操縱模擬仿真的逼真度.正確建立船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型是航道仿真評(píng)價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)之一.導(dǎo)致船舶運(yùn)動(dòng)的各種力既受操縱人員也受環(huán)境控制.環(huán)境方面的力可由風(fēng)、流、岸壁效應(yīng)、淺水、船間作用和波浪等因素產(chǎn)生.操縱方面的力是對(duì)舵、車(chē)、拖船、側(cè)推器、纜繩、錨等的操作所施加的.這些力導(dǎo)致船舶產(chǎn)生6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)：3個(gè)水平方向上的運(yùn)動(dòng)(行駛、橫移和回轉(zhuǎn))以及3個(gè)垂直方向上的運(yùn)動(dòng)(垂蕩、橫搖和縱搖).目前許多船舶駕駛模擬器只實(shí)現(xiàn)3個(gè)水平方向上的運(yùn)動(dòng)，其數(shù)學(xué)模型為

(1)

(2)

(3)

式中：m為船舶質(zhì)量；IZ為軸慣性矩；u 為前后方向運(yùn)動(dòng)速度；v 為橫向偏移運(yùn)動(dòng)速度；r 為船首轉(zhuǎn)動(dòng)速率；X 為縱向力總和；Y 為橫向力總和；N 為繞垂直軸的力矩總和；XG為中心在軸上的位置.為了計(jì)算，必須確定各種各樣的系數(shù).由于涉及的參數(shù)相當(dāng)多，確定這些參數(shù)的值牽涉到復(fù)雜的約束模型試驗(yàn)和實(shí)船測(cè)試，以及理論推導(dǎo)，具體可參考文獻(xiàn)[6].

3.2船舶交通流建模

船舶交通系統(tǒng)是人船環(huán)境構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，其變化規(guī)律很難用確定解析或者經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)描述，應(yīng)用仿真技術(shù)進(jìn)行定量和定性研究與分析已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)有效的工具，可為掌握其變化規(guī)律、方案論證和系統(tǒng)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù).因此，通過(guò)對(duì)航道交通流建模與仿真研究，確定航道的不安全因素，評(píng)估航道的通過(guò)能力，從而保障航道安全高效.一個(gè)典型船舶交通仿真模型總體流程如圖1所示.船舶交通流仿真涉及的模型主要有船舶運(yùn)動(dòng)模型，減速模型，會(huì)遇模型、避碰模型、交叉會(huì)遇模型.

圖1　航道船舶交通流模擬流程

3.3航道仿真場(chǎng)景建模

在航道仿真模擬系統(tǒng)中，模擬器場(chǎng)景包括：建筑物、船舶、船首圖像、港口、航道等，可提供白天、黃昏、夜間等不同能見(jiàn)度以及海量等視景，也可繪制逼真的水面、天空、陸地等景物，模擬船舶運(yùn)動(dòng)以及拖輪等操作.因此如何建立3維的航道場(chǎng)景模型對(duì)于構(gòu)建航道仿真系統(tǒng)非常重要.目前計(jì)算機(jī)3維場(chǎng)景建模方法有：網(wǎng)格化高度場(chǎng)建模、細(xì)節(jié)層次法建模、體素法建模.網(wǎng)格化高度場(chǎng)建模方法是傳統(tǒng)的地形建模方法.假設(shè)地形是一個(gè)有兩個(gè)變量的函數(shù)，即在每一坐標(biāo)表示的點(diǎn)上，都有一個(gè)值來(lái)表示該點(diǎn)的高度.考慮所有可能的情況用網(wǎng)格化的高度場(chǎng)分布來(lái)獲得三維信息.它按照網(wǎng)格的形式來(lái)表示地形，將每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的高度值列成一個(gè)網(wǎng)格，成為高度場(chǎng).采樣出來(lái)的點(diǎn)是一個(gè)用來(lái)對(duì)表面進(jìn)行逼近的多邊形網(wǎng)格.在預(yù)采樣上，考慮到存儲(chǔ)的難易問(wèn)題，具體可以采用等邊的雙三次面片和正方形矩陣兩種方法.正方形矩陣方法更為簡(jiǎn)便，在有些船舶操縱模擬器視景數(shù)據(jù)生成中應(yīng)用.細(xì)節(jié)層次模型方法(levelofdetail，LOD)是為每個(gè)物體建立多個(gè)相似的模型，不同模型對(duì)物體的細(xì)節(jié)描述不同，對(duì)物體細(xì)節(jié)的描述越精確，模型就越復(fù)雜.LOD模型是一種新的模型表示方法，改變了傳統(tǒng)的“圖像質(zhì)量越精細(xì)越好”的片面觀點(diǎn)，而是依據(jù)視線的主方向、視線在景物表面的停留時(shí)間、景物離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近和景物在畫(huà)面上投影區(qū)域的大小等因素來(lái)決定景物應(yīng)選擇的細(xì)節(jié)層次，以達(dá)到實(shí)時(shí)顯示圖形的目的.另外，通過(guò)對(duì)場(chǎng)景中每個(gè)圖形對(duì)象的重要性進(jìn)行分析，使得最重要的圖形對(duì)象進(jìn)行較高質(zhì)量的繪制，而不重要的圖形對(duì)象則采用較低質(zhì)量的繪制，在保證實(shí)時(shí)圖形顯示的前提下，最大程度地提高視覺(jué)效果.在數(shù)據(jù)模型自動(dòng)生成方面，基于網(wǎng)格重新劃分的多邊形模型簡(jiǎn)化方法是常用方法.體素模型表示“體積元素”，與表示“圖示元素”的像素比較相似，通過(guò)圖元所占有的空間來(lái)表現(xiàn)物體或物體的集合.其優(yōu)點(diǎn)是非常簡(jiǎn)單，幾乎直接包含了掃描設(shè)備可以提供給我們的一些數(shù)據(jù).該建模方法可用兩種方法實(shí)現(xiàn)，一種是使用一個(gè)矩陣，矩陣中的每一個(gè)單元都模擬一個(gè)小的空間體積.矩陣的入口有一個(gè)值來(lái)表示這個(gè)區(qū)域空間的一些屬性，如顏色或密度等，可以判斷空間體積是否已經(jīng)被占用，當(dāng)單元格是空的時(shí)，它就表示相應(yīng)的空間沒(méi)有被占用.另一種是使用四叉樹(shù)和八叉樹(shù)來(lái)達(dá)到只給那些真正有用的單元分配存儲(chǔ)空間的建模方法[7].

3.4仿真實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法

在航道與助航設(shè)施設(shè)計(jì)的仿真評(píng)價(jià)中主要是對(duì)安全性與航道的通過(guò)能力進(jìn)行評(píng)價(jià).安全性評(píng)價(jià)最常用的方法就是綜合安全評(píng)估(formalsafetyassessment，F(xiàn)SA).依據(jù)評(píng)估模型建立的一般方法，建立模糊綜合評(píng)判模型的程序?yàn)椋涸u(píng)估指標(biāo)體系的確定；各評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的確定；各評(píng)估指標(biāo)隸屬度的確定；模型建立與應(yīng)用.其評(píng)估順序見(jiàn)圖2.在航道及助航設(shè)施設(shè)計(jì)安全評(píng)估中涉及的指標(biāo)見(jiàn)表2.

圖2　航道船舶安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

航道的通過(guò)能力通常利用航道交通容量來(lái)表達(dá).交通容量是指一個(gè)航道容納船舶交通的能力，以單位時(shí)間內(nèi)能夠通過(guò)的最大船舶數(shù)表示.假設(shè)在不妨礙交通的航道中，船舶性能與條件相同，則基本航道交通容量的表達(dá)式為

(4)

式中：Cb為航道基本交通容量；W 為航道寬度；ρmax為單位航道寬度上船舶密度最大值；V為船舶的平均速度.通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)獲得船舶的平均速度以及ρmax即可以得到航道基本的交通容量.

表2　航道及助航設(shè)施安全評(píng)估指標(biāo)

4結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)內(nèi)河航運(yùn)的重視，航道建設(shè)處于大發(fā)展時(shí)期，而航運(yùn)的繁榮以及船舶大型化的趨勢(shì)，對(duì)內(nèi)河航道系統(tǒng)安全與暢通要求越來(lái)越高，因此仿真技術(shù)在內(nèi)河航道系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著廣泛的需求.盡管仿真技術(shù)在港口航道及助航設(shè)施設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)有著較為成熟的應(yīng)用，但將仿真技術(shù)應(yīng)用在內(nèi)河航道系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)中仍需解決很多技術(shù)與方法問(wèn)題，開(kāi)展該領(lǐng)域研究對(duì)于促進(jìn)內(nèi)河航道工程科學(xué)的發(fā)展具有重要的意義.

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖法分類號(hào)：U644.8

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.049

收稿日期：2014-07-15

AStudyofSimulationToolsforWaterwayDesigningAssessment

WANGXiandeng

(Changjiang Wuhan Waterway Bureau, Wuhan 430010,China)

Abstract：Simulation is one of effective tools for assessment of waterway designing. The system constitution and procedure of waterway simulation are introduced, and key technologies of waterway simulation system are analyzed, including vessel dynamics modeling, vessel traffic flow modeling, waterway scenery modeling, assessment methods, and so on. Finally, how to design the simulation system of inland waterway is prospected.

Key words：waterway; aids-to-navigation; virtual reality; geographic information systems

*西部交通科技建設(shè)項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào)：201364548200)