仿真技術在航道工程設計評價中應用研究*

王先登

(長江武漢航道局　武漢　430010)

仿真技術在航道工程設計評價中應用研究*

王先登

(長江武漢航道局武漢430010)

摘要：仿真技術是航道工程設計評價有效手段之一，文中總結目前航道仿真評價過程,以及系統構成與特性，分析了航道仿真系統中船舶運動建模、船舶交通流建模、航道場景建模、實驗評價方法等關鍵技術，并展望了在內河航道仿真系統設計應用中需要解決的問題.

關鍵詞：航道；助航設施；虛擬現實；地理信息系統

王先登(1957- )：男，高級工程師，主要研究領域為航道信息化

0引言

仿真是利用模型重現現實系統中發生的本質過程，并通過對系統模型的實驗評估現實的或設計中系統的效能與運營風險.仿真技術通過精確的模型與高逼真度的航道交通場景，有效地評估航道及助航裝備運營前的效能并發現潛在的風險，從而改進航道交通安全性，提高通過能力.荷蘭航海研究所開發了港區船舶操縱實時仿真模型與軟件，成功應用在鹿特丹港航道的設計.KadirSari?z等[1]提出一種實時的船舶操縱模擬系統用于模擬船舶通過Istanbul海峽水域時，外界環境如航道條件、水流、氣象條件對船舶航態的影響.K.Benedict等[2]針對橋區水域船舶駕駛行為，建立船舶操縱模型，分析船舶通過橋區水域的安全性.德國的杜伊斯堡大學船舶運輸研究中心開發了淺水船舶駕駛模擬系統用于評估內河航道設計以及培訓內河船舶駕駛員.比利時列日大學研制了內河航運模擬系統，用于評估船閘，以及受限水域的助航設施設計.在國內，陳沈陽等[3]開展了港口航道船舶交通流模擬研究，通過對港口船舶交通流建模與實時仿真規劃港口內的船舶航路.錢忠華[4]探討了運用船舶操縱模擬器進行港航設計論證的方法.孔憲衛等[5]研究了船舶模擬器在引江濟漢通航工程與長江交匯口布置中的應用.本文將總結目前航道仿真的技術及系統構成特點，發展現狀，分析其關鍵技術并展望在內河航道系統中應用的發展.

1航道工程設計評價仿真過程概述

航道工程設計仿真過程包括建立仿真規劃和進行仿真實驗2個主要步驟.仿真規劃包括確定仿真過程目標界定各種輸入參數，規劃仿真具體實施方案，提出仿真軟件系統功能要求.仿真實驗則是實施仿真實驗，并分析實驗結果.

1.1航道工程設計評價仿真目標與條件

在進行航道工程設計評價仿真前，需要結合風險評估進行初步分析，為仿真分析提供一些基本的輸入參數，從而確保仿真結果的準確性.通常在分析階段應包括：(1)明確助航系統設計的目的；(2)明確設計的地理范圍以及助航設施的地點、觀察時間以及投資等約束；(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度等；(4)明確航道設計中的一些標志，如界標、危險標志、指引標志、助航標志的類型等.

1.2航道工程設計評價仿真實施方案規劃

航道工程設計評價仿真實施方案規劃主要是確定仿真研究內容、參與實驗的人員以及仿真系統軟件與設備等.航道與助航設施設計評價仿真實施內容，包括：(1)評估助航設施設計參數如安放形式、位置、類型、特性以及數量等；(2)評估航道與港口的布局等對船舶安全與效率的影響；(3)評估通航環境如風、浪、流、岸壁效應，能見度以及背景光等對船舶安全的作用.仿真軟件是系統仿真實驗的核心支撐.實施航道與助航設施設計評價仿真實驗時，其軟件應具有如下功能：(1)在設計航道與助航設施前用戶可以瀏覽，用戶可以瀏覽相關航道的空間位置；(2)可以進行助航系統不同設計方案的績效分析；(3)可以提供高質量的航道地形以及港口信息數據源；(4)可以評估助航設施視覺特效與光污染等；(5)可以評估雷達圖像；(6)可以有效地評估各種助航設施功效，如信號燈、航標、信標、AIS(船舶識別系統)，以及VTS(船舶交通管理系統)；(7)可以評估各類船舶的操縱特性；(8)可以評估船舶速度特別是高速船舶對助航設施的要求；(9)可以模擬白天、黑天各種能見度效果；(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施；(12)可以疊加各種交通信息數據如雷達和AIS；(13)與船舶電子導航系統具有借口；(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)可以評價各種船舶定位系統的準確性與性能.

1.3航道工程設計評價仿真分析要求

在進行仿真實驗后，需要對評估結果進行深入分析，形成評估文件.評估文件應包括如下內容：(1)仿真評價目標；(2)仿真評價的方法；(3)仿真系統船舶的描述及其建模；(4)仿真系統中航道與助航設施以及通航條件的描述；(5)通航環境動態與深度信息建模；(6)仿真系統的組成；(7)實驗過程的記錄；(8)實驗數據分析；(9)實驗結論及建議，如船舶大小、船舶運動狀態對助航設施功效的影響、通航環境約束、能見度條件、限制水域船舶航行條件、助航實施的布設、航道的尺度等等.此外也包含如拖輪的使用條件、引航技術要求，以及培訓等建議.

2航道仿真系統及特點

2.1基于船舶駕駛模擬器的航道仿真系統

基于船舶駕駛模擬技術構建航道仿真系統是當前進行和島嶼助航設施設計評價仿真的主要技術手段，典型的航道仿真系統有：快速實時仿真系統、桌面仿真系統、部分任務模擬器、全任務模擬器，其特點與適用范圍見表1.

表1　航道仿真系統特點與適用性

2.2船舶交通流仿真

船舶交通流仿真是指對船舶在航道中微觀運動進行模擬，不需要精確船舶力學模型，以及場景模型.通常船舶交通流仿真技術采用船舶智能體技術按照定義好的路線、船舶特性以及船舶大小、船舶速度等在設定的航道上遵守交通規則以及避碰規則航道約束條件等自動航行，目的識別船舶擁堵、碰撞以及擱淺的風險.交通流仿真模型可以對交通事件進行仿真分析，但是缺乏對船舶的物理特征的描述.利用船舶交通流仿真模型結合船舶的AIS數據記錄可以有效地評估助航設施的布設，進而提出可行的修改方案.

3航道仿真關鍵技術與評價方法

3.1船舶運動建模

在航道仿真系統中，船舶運動數學模型決定船舶運動的狀態，其精度直接影響著船舶操縱模擬仿真的逼真度.正確建立船舶運動數學模型是航道仿真評價的關鍵技術之一.導致船舶運動的各種力既受操縱人員也受環境控制.環境方面的力可由風、流、岸壁效應、淺水、船間作用和波浪等因素產生.操縱方面的力是對舵、車、拖船、側推器、纜繩、錨等的操作所施加的.這些力導致船舶產生6個自由度的運動：3個水平方向上的運動(行駛、橫移和回轉)以及3個垂直方向上的運動(垂蕩、橫搖和縱搖).目前許多船舶駕駛模擬器只實現3個水平方向上的運動，其數學模型為

(1)

(2)

(3)

式中：m為船舶質量；IZ為軸慣性矩；u 為前后方向運動速度；v 為橫向偏移運動速度；r 為船首轉動速率；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.為了計算，必須確定各種各樣的系數.由于涉及的參數相當多，確定這些參數的值牽涉到復雜的約束模型試驗和實船測試，以及理論推導，具體可參考文獻[6].

3.2船舶交通流建模

船舶交通系統是人船環境構成的一個復雜系統，其變化規律很難用確定解析或者經驗公式來描述，應用仿真技術進行定量和定性研究與分析已經成為經濟有效的工具，可為掌握其變化規律、方案論證和系統優化提供科學依據.因此，通過對航道交通流建模與仿真研究，確定航道的不安全因素，評估航道的通過能力，從而保障航道安全高效.一個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動模型，減速模型，會遇模型、避碰模型、交叉會遇模型.

圖1　航道船舶交通流模擬流程

3.3航道仿真場景建模

在航道仿真模擬系統中，模擬器場景包括：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，模擬船舶運動以及拖輪等操作.因此如何建立3維的航道場景模型對于構建航道仿真系統非常重要.目前計算機3維場景建模方法有：網格化高度場建模、細節層次法建模、體素法建模.網格化高度場建模方法是傳統的地形建模方法.假設地形是一個有兩個變量的函數，即在每一坐標表示的點上，都有一個值來表示該點的高度.考慮所有可能的情況用網格化的高度場分布來獲得三維信息.它按照網格的形式來表示地形，將每一個坐標點的高度值列成一個網格，成為高度場.采樣出來的點是一個用來對表面進行逼近的多邊形網格.在預采樣上，考慮到存儲的難易問題，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便，在有些船舶操縱模擬器視景數據生成中應用.細節層次模型方法(levelofdetail，LOD)是為每個物體建立多個相似的模型，不同模型對物體的細節描述不同，對物體細節的描述越精確，模型就越復雜.LOD模型是一種新的模型表示方法，改變了傳統的“圖像質量越精細越好”的片面觀點，而是依據視線的主方向、視線在景物表面的停留時間、景物離視點的遠近和景物在畫面上投影區域的大小等因素來決定景物應選擇的細節層次，以達到實時顯示圖形的目的.另外，通過對場景中每個圖形對象的重要性進行分析，使得最重要的圖形對象進行較高質量的繪制，而不重要的圖形對象則采用較低質量的繪制，在保證實時圖形顯示的前提下，最大程度地提高視覺效果.在數據模型自動生成方面，基于網格重新劃分的多邊形模型簡化方法是常用方法.體素模型表示“體積元素”，與表示“圖示元素”的像素比較相似，通過圖元所占有的空間來表現物體或物體的集合.其優點是非常簡單，幾乎直接包含了掃描設備可以提供給我們的一些數據.該建模方法可用兩種方法實現，一種是使用一個矩陣，矩陣中的每一個單元都模擬一個小的空間體積.矩陣的入口有一個值來表示這個區域空間的一些屬性，如顏色或密度等，可以判斷空間體積是否已經被占用，當單元格是空的時，它就表示相應的空間沒有被占用.另一種是使用四叉樹和八叉樹來達到只給那些真正有用的單元分配存儲空間的建模方法[7].

3.4仿真實驗評估方法

在航道與助航設施設計的仿真評價中主要是對安全性與航道的通過能力進行評價.安全性評價最常用的方法就是綜合安全評估(formalsafetyassessment，FSA).依據評估模型建立的一般方法，建立模糊綜合評判模型的程序為：評估指標體系的確定；各評估指標權重的確定；各評估指標隸屬度的確定；模型建立與應用.其評估順序見圖2.在航道及助航設施設計安全評估中涉及的指標見表2.

圖2　航道船舶安全風險評估模型

航道的通過能力通常利用航道交通容量來表達.交通容量是指一個航道容納船舶交通的能力，以單位時間內能夠通過的最大船舶數表示.假設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.通過仿真實驗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　航道及助航設施安全評估指標

4結束語

隨著國家對內河航運的重視，航道建設處于大發展時期，而航運的繁榮以及船舶大型化的趨勢，對內河航道系統安全與暢通要求越來越高，因此仿真技術在內河航道系統設計有著廣泛的需求.盡管仿真技術在港口航道及助航設施設計評價有著較為成熟的應用，但將仿真技術應用在內河航道系統設計評價中仍需解決很多技術與方法問題，開展該領域研究對于促進內河航道工程科學的發展具有重要的意義.

參 考 文 獻

[1]SARI?ZK,KüKNERA,NARLIE.Areal-timeshipmanoeuvringsimulationstudyforthestraitofIstanbul(Bosporus)[J].JournalofNavigation,1999,52(3):394-410.

[2]BENEDICTK,FISCHERS,GLUCHM,etal.Fasttimesimulationtechnologyforinvestigationofpersonoverboardmanoeuvresforimprovedtrainingandsupportforapplicationonboard[C].InternationalConferenceIMLA,London,2009:71-84.

[3]陳沈陽,邵哲平,方祥麟,等.港口航道交通流仿真模型的研究[J]. 大連海事大學學報,2001,27(1):34-38.

[4]錢華忠.船舶操縱模擬器在港航設計論證上的應用研究[J].中國航海,2003,54(1):20-24.

[5]孔憲衛,李金合,馮小香,等.船舶模擬器在引江濟漢通航工程與長江交匯口布置中的應用[J].水道港口,2010,31(4):276-281.

[6]TheSpecialistCommitteeonEssoOsaka.Finalreportandrecommendationstothe23rdITYC[C].Proceedingsof23rdInternationalTowingTankConference,2002:581-617.

[7]馬小虎.虛擬現實中多細節層次模型的研究[D],杭州：浙江大學,1997.

中圖法分類號：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

*西部交通科技建設項目資助(批準號：201364548200)