船舶出閘管理仿真平臺框架及關鍵技術研究

王太偉 王曉莉 劉力

摘 要：虛擬仿真具有表達直觀、信息量大、綜合性強的優勢，逐漸在通航管理系統中得到關注。該文從系統應用的角度提出了船舶出閘管理虛擬仿真平臺的基本框架，研究了基于數字高程數據、遙感影像數據地形與地物建模技術，重點探討了在船閘特殊環境下閘室內船舶定位技術及實時數據融合處理技術。以三峽船閘為例，并通過集成水文、氣象等要素構建了船舶過閘管理虛擬仿真平臺原型系統，采用的技術對于虛擬仿真在行業的應用是非常有益的探索。

關鍵詞：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

船閘是內河航道的關鍵節點，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航的手段以基于二維電子航道圖為主，由于船閘結構復雜性，二維電子航道圖不能較好的體現其維度特征，信息表達十分欠缺，置身于閘室之中的船舶駕駛人員對周圍環境無法獲得直觀的視覺感受。另因閘室內通常較為封閉，衛星定位信號極不穩定。因此，一旦出現能見度不良的情況（比如濃霧引起的能見度不良），船舶不得不滯留閘室內，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構，使船舶滯留升船機內的情況更應引起關注。

虛擬仿真技術在計算機圖形學領域由來已久，并以其強大的表現力和交互性，已越來越多的應用于眾多領域[1]。因此，該文以三峽船閘及升船機為例，基于虛擬仿真技術，構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據庫、網絡、虛擬仿真、地理信息等相關技術實現的生產管理平臺?？傮w上分為數據采集模塊、數據傳輸與儲存模塊、虛擬仿真模塊3部分。在數據采集方面需要現基礎信息采集，如航道信息、氣象、船舶動態信息、船閘尺寸等相關信息，這些數據是支撐系統運行的基礎數據，數據采集的時效性與準確性是船舶安全過閘的必要條件。數據有靜態數據與動態數據之分，所謂靜態數據是指基本保持穩定的數據，比如船舶尺寸、閘室尺寸（長度、寬度、深度）等。對于靜態數據清洗完成以后存儲于數據庫中可直接用于仿真建模。而動態數據是總在不斷變化的數據，常常反應的是持續不斷變化的過程，比如船舶的位置，船閘出口處水位、能見度情況、風速等。動態數據則需要進行實時采集，并通過傳輸網絡實現數據傳輸，通過數據中心服務器對數據進行清洗和融合，并按照一定的數據結構對數據進行存儲。對于動態數據的傳輸、處理與存儲即在數據傳輸與儲存模塊實現。虛擬仿真模塊是平臺建設的重要組成部分，是平臺中數據可視化核心展示窗口，使抽象數據更加表現直觀。該模塊包括相關數據統計分析功能、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鍵技術研究

采用三維虛擬仿真技術對船閘（升船機）閘室及至上下游系船墩的航道及其基礎設施進行仿真建模，構建三維仿真航道，為船舶在能見度不良情況出閘提供虛擬仿真可視化環境；全球定位技術（GPS）、船舶自動識別系統（AIS）、船閘閘室內船舶精確定位技術用于確定在船舶精確位置、航向、航速、運動軌跡、分布狀況，并實現船舶自動識別；根據航道監測信息，實現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為基礎平臺，集成船舶定位、氣象環境及船道信息等數據，構建船舶出閘管理虛擬仿真平臺（圖1）。

2.1 船閘仿真場景構建

船閘仿真場景構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建。地形構建通過地形建模的方式實現，基于船舶過閘對精度要求的需要，采用高精度的數字高程數據和高清遙感影像進行地形構建。以數字高程數據疊加影像數據通過渲染引擎以配置文件的方式加載到地形引擎數據管理節點，實現地形模型的自動構建[2]。

高程數據。該文研究范圍重點關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定，并且會根據航道設計情況定期進行測繪與疏浚等，而在建設范圍內的航道應采用高精度數字高程數據，并根據設計及測繪數據進行修正。亦可以根據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。

影像數據。地形表面需要覆蓋真實的影像數據，才能構建逼真的地形模型。選用高質量的影像數據對于地形的建模尤為重要。原始獲得的影像數據需要進行色彩調整、匹配融合、影像拼接、幾何糾正等過程，轉換為能被用于構建地形的影像數據。

數據處理方法。用于構建航道地形的數據包括數字高程數據與數字影像數據，直接將整幅遙感圖像或者整塊數字高程數據加載到虛擬仿真平臺，將會對系統運行產生巨大的渲染負擔，無法完成系統漫游與實時交互。而且受計算機屏幕的大小的限制，同時瀏覽全部細節是無法實現的，同時大數據塊也不利于數據的網絡發布。一次性加載過大的數據給服務器、網絡和系統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。通過對數據進行切片處理，建立數據金字塔來提高影像數據和高程數據傳輸與加載速度，同時，實現數據網絡傳輸，也是提高數據網絡傳輸效率的最佳方式。通過Arcgis Server或MapTiler對數據源進行重新采樣，并按四叉樹結構進行切片，建立金字塔式儲存結構，縮短渲染引擎內部數據預處理時間，進而加快三維可視化系統平臺的運行效率，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成船閘主體是虛擬仿真環境重要部分，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使用技術的不同，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，根據實體的具體情況，構建模型的精細結構和材質特征，實現模型的逼真建模。這種方法建立的模型不僅可以擁有真實外觀，通過內部細節構建，實現模型內部的逼真效果，表現更加全面的三維實體細節效果。（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，實現批量建模。

為了實現對于資源的合理利用，在船舶出閘管理虛擬仿真平臺中，建模數量有限且以精準為主，因此，根據設計參數及測繪數據通過建模軟件以手動建模的方式實現船閘各相關建筑物建模工作。通過MultiCreater配合3d Max對相關實體進行建模，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格式的模型數據。同時，采用統一的建模方位參數對模型進行建模，以便于實現模型到場景圖的加載定位。該文對船閘的上、下閘首和兩側的閘墻、船舶、上下游導航墻及升船機相關的船箱結構、塔柱、水體等水工建筑物及設備等進行了建模，對于船舶建模效果如圖2所示。

2.3 船舶定位技術

全球定位系統（GPS）實現在全球范圍內全天候實時定位，多數情況下能夠提供船舶精確的位置信息。但是在閘區可能由于干擾、遮擋等原因，導致閘室內的無法接收到穩定的衛星定位信號，而無法通過衛星實現閘室內船舶的精確定位，鑒于閘室環境的特殊性，需要采取一定的措施對船舶在閘室內的位置狀態進行監測。

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，并主導上傳到服務器中。由于目前大多數客貨船舶均已配置了船舶自動識別系統（AIS）或是全球定位系統（GPS），這樣當船舶過閘時就會存在3種數據系統即AIS，GPS，RFID[3]。由于AIS，GPS，RFID本身的特點和優勢，使得它們能在船舶監控應用中完美地結合在一起。RFID能夠對船舶數據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種數據進行融合，從而獲取船舶的位置信息。

根據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區域內，則采集船舶的AIS或GPS信息，并把其坐標信息存入數據庫中。（2）若船舶進入RFID監測區域內，則采集RFID采集的船舶信息并結合AIS與GPS采集的地理位置信息存入數據庫中。（3）若接收不到船舶GPS定位信息，則以RFID的位置為標準，顯示船舶的靜態位置信息。

如此一來，每當船舶進入RFID所能檢測的區域內時，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的地理位置信息結合在一起，通過無線通信網絡發送給主控中心，主控中心根據發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，從而實現了船舶位置的實時監控管理。

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、水文數據采集等相關技術于一體的管理平臺，在研發集成時需集成三維地形模型、三維構筑物模型、水文及航道數據接口、位置定位數據接口等相關基礎數據。

水文、氣象信息是支撐水路運輸的基礎數據，航道管理部門也建立了相應的航道信息采集設備及系統，實現了能見度數據、水文數據、航道基礎數據、氣象數據等航道信息的采集，但由于各相關采集系統由于其開發廠商、運行平臺、采集方式、存儲模式不盡相同，使得數據在類別、更新頻率不一，又由于數據并發量大導致大量異構性數據生成，需要對水位、氣象數據標準化處理，以保證系統的穩定運行。

該文研究過程中結合相關技術標準，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，構建了船舶過閘管理虛擬仿真平臺原型系統，圖3為加載了三峽壩體主體的虛擬仿真模型效果圖。

3 結語

從船舶出閘管理的角度出發，提出了基于虛擬仿真技術的基礎平臺框架，重點研究了船舶出閘管理與虛擬仿真的應用結合，對三維地形、構筑物建模、定位等技術進行了簡要闡述，通過集成水文、航道、船舶特殊環境定位等信息，開發的船舶出閘管理平臺原型系統，為虛擬仿真技術在水運行業中的應用提供參考。

參考文獻

[1] 曹娟，楊小帆.虛擬現實技術在三峽庫區航運安全研究中應用[J].科技資訊，2008（20）：23.

[2] 張尚弘，易雨君，夏忠喜. 流域三維虛擬環境建模方法研究[J]. 應用基礎與工程科學學報.2011（S1）：108-116.

[3] 嚴忠貞.內河在航船舶動態跟蹤和航跡融合方法研究[D].武漢理工大學，2013.