王先登

(長江武漢航道局　武漢　430010)

仿真技術(shù)在航道工程設(shè)計評價中應(yīng)用研究*

王先登

(長江武漢航道局武漢430010)

摘要：仿真技術(shù)是航道工程設(shè)計評價有效手段之一，文中總結(jié)目前航道仿真評價過程,以及系統(tǒng)構(gòu)成與特性，分析了航道仿真系統(tǒng)中船舶運動建模、船舶交通流建模、航道場景建模、實驗評價方法等關(guān)鍵技術(shù)，并展望了在內(nèi)河航道仿真系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中需要解決的問題.

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

王先登(1957- )：男，高級工程師，主要研究領(lǐng)域為航道信息化

0引言

仿真是利用模型重現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并通過對系統(tǒng)模型的實驗評估現(xiàn)實的或設(shè)計中系統(tǒng)的效能與運營風(fēng)險.仿真技術(shù)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(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險，從而改進(jìn)航道交通安全性，提高通過能力.荷蘭航海研究所開發(fā)了港區(qū)船舶操縱實時仿真模型與軟件，成功應(yīng)用在鹿特丹港航道的設(shè)計.KadirSari?z等[1]提出一種實時的船舶操縱模擬系統(tǒng)用于模擬船舶通過Istanbul海峽水域時，外界環(huán)境如航道條件、水流、氣象條件對船舶航態(tài)的影響.K.Benedict等[2]針對橋區(qū)水域船舶駕駛行為，建立船舶操縱模型，分析船舶通過橋區(qū)水域的安全性.德國的杜伊斯堡大學(xué)船舶運輸研究中心開發(fā)了淺水船舶駕駛模擬系統(tǒng)用于評估內(nèi)河航道設(shè)計以及培訓(xùn)內(nèi)河船舶駕駛員.比利時列日大學(xué)研制了內(nèi)河航運模擬系統(tǒng)，用于評估船閘，以及受限水域的助航設(shè)施設(shè)計.在國內(nèi)，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(guī)劃港口內(nèi)的船舶航路.錢忠華[4]探討了運用船舶操縱模擬器進(jìn)行港航設(shè)計論證的方法.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，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)計評價仿真過程概述

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

1.1航道工程設(shè)計評價仿真目標(biāo)與條件

在進(jìn)行航道工程設(shè)計評價仿真前，需要結(jié)合風(fēng)險評估進(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)計的目的；(2)明確設(shè)計的地理范圍以及助航設(shè)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(shè)計中的一些標(biāo)志，如界標(biāo)、危險標(biāo)志、指引標(biāo)志、助航標(biāo)志的類型等.

1.2航道工程設(shè)計評價仿真實施方案規(guī)劃

航道工程設(shè)計評價仿真實施方案規(guī)劃主要是確定仿真研究內(nèi)容、參與實驗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)計評價仿真實施內(nèi)容，包括：(1)評估助航設(shè)施設(shè)計參數(shù)如安放形式、位置、類型、特性以及數(shù)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(huán)境如風(fēng)、浪、流、岸壁效應(yīng)，能見度以及背景光等對船舶安全的作用.仿真軟件是系統(tǒng)仿真實驗的核心支撐.實施航道與助航設(shè)施設(shè)計評價仿真實驗時，其軟件應(yīng)具有如下功能：(1)在設(shè)計航道與助航設(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)計方案的績效分析；(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)可以評估助航設(shè)施視覺特效與光污染等；(5)可以評估雷達(dá)圖像；(6)可以有效地評估各種助航設(shè)施功效，如信號燈、航標(biāo)、信標(biāo)、AIS(船舶識別系統(tǒng))，以及VTS(船舶交通管理系統(tǒng))；(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(shè)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(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)可以評價各種船舶定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與性能.

1.3航道工程設(shè)計評價仿真分析要求

在進(jìn)行仿真實驗后，需要對評估結(jié)果進(jìn)行深入分析，形成評估文件.評估文件應(yīng)包括如下內(nèi)容：(1)仿真評價目標(biāo)；(2)仿真評價的方法；(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)境動態(tài)與深度信息建模；(6)仿真系統(tǒng)的組成；(7)實驗過程的記錄；(8)實驗數(shù)據(jù)分析；(9)實驗結(jié)論及建議，如船舶大小、船舶運動狀態(tài)對助航設(shè)施功效的影響、通航環(huán)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(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

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)計評價仿真的主要技術(shù)手段，典型的航道仿真系統(tǒng)有：快速實時仿真系統(tǒng)、桌面仿真系統(tǒng)、部分任務(wù)模擬器、全任務(wù)模擬器，其特點與適用范圍見表1.

表1　航道仿真系統(tǒng)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(jìn)行模擬，不需要精確船舶力學(xué)模型，以及場景模型.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航行，目的識別船舶擁堵、碰撞以及擱淺的風(fēng)險.交通流仿真模型可以對交通事件進(jìn)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(jié)合船舶的AIS數(shù)據(jù)記錄可以有效地評估助航設(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)與評價方法

3.1船舶運動建模

在航道仿真系統(tǒng)中，船舶運動數(shù)學(xué)模型決定船舶運動的狀態(tài)，其精度直接影響著船舶操縱模擬仿真的逼真度.正確建立船舶運動數(shù)學(xué)模型是航道仿真評價的關(guān)鍵技術(shù)之一.導(dǎo)致船舶運動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.操縱方面的力是對舵、車、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個自由度的運動：3個水平方向上的運動(行駛、橫移和回轉(zhuǎn))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(xiàn)3個水平方向上的運動，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 為前后方向運動速度；v 為橫向偏移運動速度；r 為船首轉(zhuǎn)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(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)雜的約束模型試驗和實船測試，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)成的一個復(fù)雜系統(tǒng)，其變化規(guī)律很難用確定解析或者經(jīng)驗公式來描述，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(tǒng)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(gòu)建航道仿真系統(tǒng)非常重要.目前計算機(jī)3維場景建模方法有：網(wǎng)格化高度場建模、細(xì)節(jié)層次法建模、體素法建模.網(wǎng)格化高度場建模方法是傳統(tǒng)的地形建模方法.假設(shè)地形是一個有兩個變量的函數(shù)，即在每一坐標(biāo)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(wǎng)格化的高度場分布來獲得三維信息.它按照網(wǎng)格的形式來表示地形，將每一個坐標(biāo)點的高度值列成一個網(wǎng)格，成為高度場.采樣出來的點是一個用來對表面進(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(shù)據(jù)生成中應(yīng)用.細(xì)節(jié)層次模型方法(levelofdetail，LOD)是為每個物體建立多個相似的模型，不同模型對物體的細(xì)節(jié)描述不同，對物體細(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，而是依據(jù)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(yuǎn)近和景物在畫面上投影區(qū)域的大小等因素來決定景物應(yīng)選擇的細(xì)節(jié)層次，以達(dá)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(jìn)行分析，使得最重要的圖形對象進(jìn)行較高質(zhì)量的繪制，而不重要的圖形對象則采用較低質(zhì)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(shù)據(jù)模型自動生成方面，基于網(wǎng)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(xiàn)物體或物體的集合.其優(yōu)點是非常簡單，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現(xiàn)，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(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，它就表示相應(yīng)的空間沒有被占用.另一種是使用四叉樹和八叉樹來達(dá)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(shè)施設(shè)計的仿真評價中主要是對安全性與航道的通過能力進(jìn)行評價.安全性評價最常用的方法就是綜合安全評估(formalsafetyassessment，F(xiàn)SA).依據(jù)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(biāo)體系的確定；各評估指標(biāo)權(quán)重的確定；各評估指標(biāo)隸屬度的確定；模型建立與應(yīng)用.其評估順序見圖2.在航道及助航設(shè)施設(shè)計安全評估中涉及的指標(biāo)見表2.

圖2　航道船舶安全風(fēng)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(dá).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(nèi)能夠通過的最大船舶數(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(shè)施安全評估指標(biāo)

4結(jié)束語

隨著國家對內(nèi)河航運的重視，航道建設(shè)處于大發(fā)展時期，而航運的繁榮以及船舶大型化的趨勢，對內(nèi)河航道系統(tǒng)安全與暢通要求越來越高，因此仿真技術(shù)在內(nèi)河航道系統(tǒng)設(shè)計有著廣泛的需求.盡管仿真技術(shù)在港口航道及助航設(shè)施設(shè)計評價有著較為成熟的應(yīng)用，但將仿真技術(shù)應(yīng)用在內(nèi)河航道系統(tǒng)設(shè)計評價中仍需解決很多技術(shù)與方法問題，開展該領(lǐng)域研究對于促進(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)

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

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[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(xué)學(xué)報,2001,27(1):34-38.

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

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

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[7]馬小虎.虛擬現(xiàn)實中多細(xì)節(jié)層次模型的研究[D],杭州：浙江大學(xué),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(shè)項目資助(批準(zhǔn)號：201364548200)