航道工程三維輔助疏浚設計系統的實現研究

吉增光

摘 要：為了能夠對航道疏浚工作的設計效率和統計精度有效提升，本文引入了航道工程的三維輔助疏浚設計系統，實現了三維CAD、地質模型、數據庫技術相結合，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估，優選方案等功能。經應用本次航道工程三維輔助疏浚設計系統，結果證明了此系統在應用過程中具備的智能交互性，能夠輔助航道規劃設計提供決策參考。

關鍵詞：航道工程;三維輔助;系統設計

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

在航道工程設計中包括了航道工程建設標準、規模、航道選線、布設航道平面與尺度工程整治線與建筑物布設、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，所以國內外多數學者為了對航道設計工作效率有所提升，設計了多種航道輔助設計系統，例如目前廣泛應用的GIS航道輔助設計系統、海港航道輔助設計系統等[2-3]。本文以航道疏浚工程為研究重點，該輔助設計技術研究領域歷經了從最初CAD至如今比較前沿的BIM技術，此外也有多數研究者開發航道疏浚輔助設計系統。結合以往研究成果經驗綜合航道疏浚工程的工作需求，提出將三維CAD、數據庫、地質模型等技術結合，設計實現了航道工程三維輔助疏浚設計系統。

1關鍵技術概述

1.1數據庫

航道疏浚設計中由于需要多樣數據來源，再加上信息數據的種類較多涉及數據類型較多，例如空間尺度、海洋水文、氣象與地質等自然條件，以及三維模型數據等[4-5]。對于這些數據想要科學設計就要依照一定規則進行分類存儲，這樣來提升整個航道疏浚設計系統的運行效率。并且保證系統數據庫設計中的科學穩定性、系統性，主要組織架構包括了航道港區信息、基礎地理信息、三維模型數據（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，滿足系統動態化瀏覽的重要前提，因為整個三維場景內涉及多方復雜要素，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。主要運用技術如下：

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

（2）Toxiclibs。Toxiclibs作為獨立運行的計算機圖形設計開源庫集合，基于Processing和Java編程語言，能夠用于動畫、生產、交互設計、建模可視化等各領域。

（3）類結構。通過建立基于Processing、Toxiclibs的三維航道疏浚輔助系統建模類結構，主界面包括了參數設置（類SettingsPanel）、航道疏浚三維建模（類ChannelPanel）、航道疏浚設計方案（類SchemsPanel）。其中航道疏浚三維建模作為類結構的核心組成，能夠滿足用戶在系統操作中查詢、計算并且可以實時更新航道疏浚相關信息[7]。主要包括了Terrain、Channel 3D，前者類組成早包括了土質信息、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 系統架構

為了確保設計系統的功能可拓展性與可用性，基于三層系統架構（見圖1），包括了表現層、應用層、數據層共同組成了三維航道疏浚輔助設計系統。

在表現層作為該輔助設計系統的頂層，主要負責為系統用戶提供可操作交互頁面，在圖形界面可以讓用戶經手機或電腦客戶端，向系統中輸入或導入航道疏浚工程基本設計參數;

在應用層集合了該輔助設計系統的全部服務功能，包括了業務邏輯層、流程層，能夠計算航道尺度、疏浚成本以及優選航道方案。在業務邏輯層中包括了一系列可重用業務邏輯單元，例如計算航道有效寬度、疏浚量、通航水深、預估疏浚成本以及優選方案。

在業務流程層主要負責對邏輯單元的具體功能進行重構，例如優選航道方案就包括了計算航道尺度、數均成本與優選方案算法;在數據層負責了航道屬性、船舶至離港的具體數據以及航道設計方案。

為了提高航道疏浚設計工作效率與統計精度，設計該系統能夠滿足探索、實驗、優化以上三種智能模式。探索模式作為基于最小航道尺度，結合自身實踐經驗對設備及方案進行修改;實驗模式作為設計人員采集的航道疏浚設計方案，能夠經系統自動得出最優選;優化模式作為基于輸入條件自動化設計。

3 系統應用

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。與前期勘測當地的實際情況，根據搜集資料掌握了航道疏浚的地質分類，均是1～2級的淤泥質土，4級硬黏土，6、7、8級砂土。在大欖坪航道段主要存在中風化巖、強風化巖，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。確定后運用本次設計的航道疏浚三維輔助設計系統。

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

4 結語

綜上，通過在本文設計了航道工程疏浚三維輔助系統，基于三維CAD、數據庫、航道模型等技術，能夠在前期掌握航道項目所在地區的地質基礎資料，以不同的土質來選擇不同的邊坡開挖坡比、不同的寬度、深度參數完成航道疏浚斷面設計。設計了三層架構在Processing、Toxiclibs、類結構關鍵技術基礎上，將該系統應用于航道擴建項目，發現本次設計的航道工程三維輔助疏浚系統，合理設計簡單操作達到較好的設計交互性，與項目設計標準規范相符，能夠智能判斷提升了航道疏浚系統設計的工作效率，證明了此系統在應用過程中具備的智能交互性，能夠輔助航道規劃設計提供決策參考。

參考文獻：

[1] 王天祥， 田會靜， 李光裕，等. BIM技術在港航疏浚設計中的應用[J]. 水運工程， 2020， No.576（S1）：200-203+207.

[2] 趙躍. 基于SuperMap的三維規劃輔助系統設計與實現[J]. 北京測繪， 2019， v.33（11）：112-115.

[3] 王磊， 李達鋒， 武夢園，等. 基于三維可視化的智能變電站輔助支持系統設計[J]. 湘潭大學學報（自然科學版）， 2019， v.41;No.151（02）：122-130.

[4] 李銳， 李正， 王飛. BIM正向設計在內河航道疏浚工程中的應用[J]. 水運工程， 2019， No.564（12）：132-135.

[5] 田赫男. 環保理念下的港口航道疏浚工程研究[J]. 建筑技術開發， 2020， v.47;No.428（02）：29-30.

[6] 王曉剛， 王曉華， 陳孝陽，等. 基于三維地理信息系統的輸電線路張力放線輔助施工系統的分析與研究[J]. 電力系統裝備， 2019（4）：31-32.

[7] 賀電， 曾斌， 羅斌，等. 基于Creo二次開發的三維液壓管路智能設計系統研究[J]. 現代商貿工業， 2019， 040（004）：188-188.