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基于一体化虚拟航道和流动仿真的三维航道航行系统
摘要：适当的信息技术的开发和加强水路信息的建设是提高航运效率和安全的重要途径。考虑到上游的扬子江，从江津到重庆（中国）作为一个案例研究，一个三维（3D）数字航道系统的研制。该系统包括服务器和客户端，旨在为航运提供导航和预警服务。在本文中，系统的体系结构和每个模块的关键方法。阐述了数据输入、数据库、三维可视化、流仿真、预警模块的功能和相互关系，讨论了三维数字航道建模、航道实时模拟和通航预警的关键方法。该系统的优点主要涉及以下几个方面。（1）建立虚拟导航元素集成了三维数字航道模型，如灯塔，水深–轮廓表面，与通航区，加强数字航道系统的直观性和信息的全面性。（2）以实时水文资料和二维水动力模型为基础，模拟了水流入流条件。一个传统的内河电子航道图的水深分布（内河电子航道图）被提供，加上流速分布信息，提高信息采集的分辨率和实时性。（3）根据中国内河通航标准和航道通航条件的模拟，对通航水域进行分区动态划分。与全球定位系统（GPS）和网络化船舶监控技术相结合，该系统可以提供早期预警的船舶安全航行。摘自：10.1061/（ASCE）ww.1943-5460.0000354。copy;2016美国土木工程师学会。
关键词：内河航道；数字航道；三维建模；Hydrodynamic模型；预警。
简介：保障内河航运安全，提高航运效率，对内河航运的发展具有重要意义（麦卡尼1986；张等。2013；吴等。2015）。随着计算机软硬件技术的发展，现代信息技术逐渐应用于内河航道系统的建设和发展中。充分利用现代信息技术，加强航道信息化建设，已成为提高航运效率和安全的重要途径。航道信息化建设的现有研究主要集中在两个方面：内河电子航道图（内河电子航道图）和通航水流条件。
1教授，可再生能源学院，华北电力大学，北京102206，中国（通讯作者）。电子邮件：zhangsh928 @ 126。
2其研究生，可再生能源学院，华北电力大学，北京102206，中国。
3研究生，可再生能源学院，华北电力大学，北京102206，中国。
4副教授、水环境模拟与污染控制国家重点实验室，环境学院、北京师范大学，北京100875，中国。
注。本稿件于2015年9月28日提交；2016年5月13日批准；2016年6月27日网上公布。讨论期开放至2016年11月27日，个别论文必须单独讨论。本文是对航道、港口、海岸与海洋工程杂志部分，copy;ASCE，ISSN 0733 950x。
关于内河电子航道图，现有的研究主要集中在二维（2D）内河电子航道图系统，它有一个相对成熟的发展和应用技术。二维内河电子航道图，使用电子海图显示与信息系统（ECDIS），是基于真正的航道环境代表抽象的符号一种地图综合。它可以准确地描述各种航道要素，并广泛应用于船舶导航和航道管理（尼尔森等）。2009；porathe等人。2013）。Pecar Ilic和鲁兹克（2006）应用于克罗地亚河航道管理数据的二维内河电子航道图。古尔德等。（2009）检查的心理负荷和性能模拟中使用电子海图高速航行。马等。（2015）提出了一种改进的模糊C均值聚类方法对海洋目标使用自动雷达标绘仪在内河电子航道图。尽管其广泛的应用，有关于现有2D内河电子航道图系统的局限性。例如，它用抽象的符号来说明航道信息，不能显示真实的航道环境和要素。由于符号的含义很难理解，所以应该允许更多的训练时间来掌握系统。此外，视域的领航员不能计算在2D内河电子航道图由于高度信息的缺乏。因此，当规划一条航线在一个陌生的航道，航海家不能事先知道建筑物可能妨碍通航。
应用程序的三维（3D）可视化技术有了航海仿真更容易，并与空间航道信息水平的提高，3d iencs越来越成为用于内河航运（Li et al.。2008；彭等。2008）。两种方法通常用于三维iencs发展。一、在宏观尺度上，基于三维地理信息系统技术（技术），和其他的，在微观尺度上，基于船舶模拟器的视景。在前者的方法下，傅等。（2011）设计了一个虚拟现实仿真系统对于基于3D-GIS技术的航行环境安全的预测，高和该（2013）使用一个自动识别系统和三维地理信息系统技术为海洋灾害的预防目前的导航信息。在后一种方法，X. Zhang等。（2004）模拟和模拟船舶基于虚拟现实技术、Ueng等人。（2008）提出了计算船舶运动的实时模拟船舶运动模型，和Varela和Guedes Soares（2015）提出了一个软件系统的交互式3D模拟加载操作通常执行海上场景。
除了3D可视化的三维航道，内河电子航道图系统的发展仍面临许多挑战。传统的三维航道模型真实反映现实世界，只包含一些3D模型（如灯塔、桥梁）的水路面（Kaufmann和伊顿1994）。他们缺乏相应的描述和人工虚拟空间元素的性能信息（如水深–轮廓表面和适航性，禁止和系泊区），形成的内河电子航道图的重要组成部分。因此，问题的二维和三维iencs集成在数字航道系统和生产流程需要进一步研究。此外，实时流量条件，船舶定位信息和3D虚拟环境的集成技术的发展，是一个进一步的挑战要克服的三维航道系统的改进。
对于通航水流条件，现有的iencs缺乏信息的实时流动条件（如实时水深和流速分布）；收集水文站沿河道的水位数据是用来提供通航水深–轮廓表面基于线性插值结合航道地形（Pecar Ilic和鲁兹克2006）。然而，采用线性插值计算水位降低了计算的准确性和及时性，导致航道水深的低分辨率时空信息。此外，水的深度只有一次影响导航的主要因素；流动的速度分布特征（如流速、跨流和涡流）也影响航行安全和效率低下，不应该被忽视（Bravo和耆那教1991；曹等人。2008；陈等。2010，2013；麦卡尼1986。然而，现有的数字航道系统缺乏速度分布显示，他们普遍表现出基于观测站的水文监测数据的深度，这两者使船舶导航仪肯定流动的速度和方向的大小困难。此外，近年来对导航流动模拟研究都聚焦在航道整治工程评价（Gharbi等人。2008；华杨；潘与葛2011；Weber等。2012；heibaum 2014）但没有提供实时分布的水深和流速的导航。
在这项研究中，一个三维数字航道系统的开发是为了显示在3D模式综合导航信息，以及水文数据–监测模块，结合二维水动力模型提供一种实时分布的水深和水流速度的导航和预警的目的。使用拉伸从扬子江到重庆的江津作为一个案例研究，整体架构背后的系统和它的关键方法，功能和应用程序的开发和集成进行了讨论。本研究的主要贡献是整合的数字航道系统，包括二维/三维航道，实时流量模拟，全球定位系统（GPS）数据，通航面积。
研究对象
扬子江，在中国和世界第三长的河流，这是最长的河流，由西向东流经中部，东部和西部，中国。扬子江的主流被称为“黄金水道”，长度超过6300公里。河道通航长度和货运量分别超过2800公里和19亿2000万吨。从江津到重庆的扬子江上游河流的延伸，其中包括江津，巴南，Dadukou，九龙坡，南安，和榆中地区的重庆，被选定为研究区（图1）。的河段，其中有一个最小的疏浚深度在旱季和雨季2.7 m 3 m，达到III级航道标准（mtprc 2004）。本河段连接中部和西部中国，因为它是主渠道的货物运输在扬子江盆地的西部，它在中国经济发展中起着不可或缺的作用。河段具有复杂的通航环境和大量的航运。因此，为了保证航运安全，提高导航效率，基于导航标准、三维可视化和流程模拟技术，开发了一个三维数字航道系统。
对象的体系结构
三维数字航道系统的开发涉及到数值模拟、数据库、网络和三维可视化技术。根据各模块的不同特点，C 编程语言应用于数据库和网络模块的开发。Qt的跨平台的应用程序框架（QT公司2016），被广泛用于开发应用软件，应用于图形用户界面的开发，以及osgEarth地形绘制软件开发工具包（gwaldron 2016）应用于可视化模块的开发。
根据内河航道管理信息处理，三维数字航道系统可分为五个部分：（1）数据输入模块；（2）数据库模块；（3）三维可视化模块；（三）水流模拟模块；（二）预警模块。三维数字航道系统的体系结构如图2所示。
数据输入模块用于将数据输入系统。输入数据可分为静态数据和动态数据。静态数据包括空间信息（如河床地形，细节的桥梁、码头、江边建筑，和灯塔），船舶属性[如船舶识别号（IMO）和它的长度，宽度，高度，草案细节，载重吨（DWT），和最大位移（MDT）]，和人工2D内河电子航道图的元素（如有关的适航性、细节、禁止和系泊区）。静态数据主要用于在可视化模块中建立三维模型，并且随着时间的推移变化不大，频繁更新是不必要的。
动态数据包括船舶的位置信息（如位置，速度和航向）和水文数据（如水深和流速）。船舶定位数据，从船上安装的GPS定位终端，水文和气象数据，从监测终端安装在水文站。
数据库模块代表整个系统的数据传输站，所有的水路数据都接收、存储和管理。数据库模块可分为客户端和网络数据库。由于静态数据量大，更新速度慢，主要存储在客户端数据库中，保证了三维虚拟航道环境的充分显示速度。动态数据随时间变化频繁，因此，它们被发送到网络数据库，通过一般的分组无线服务（GPRS）网络的实时中，它们被存储和管理。如果客户端发出数据请求，服务器中的网络数据库立即响应，并帮助客户端更新船舶的导航状态和流体动力学模型的输入参数。
可视化模块是三维数字航道系统的核心，主要用于建立三维航道环境，整合和显示真实航道的各种要素，以直观的方式呈现出航道的空间信息。用户可以任意调整虚拟航道环境的视点位置、视角和焦距，以查看航道的所有要素。此外，系统提取元素的二维内河电子航道图并将其显示在虚拟环境中实现组合的二维和三维iencs。此外，可视化模块可以模拟船舶的位置信息的基础上，显示在附近水域的交通条件，并提供导航服务，为每个船舶。
流量仿真模块是三维数字航道系统的核心部件，主要用于模拟通航水流条件。建立了二维水动力模型的流场仿真模块。水文数据，这是衡量在水文站的河流，作为输入到水动力模型。然后将河段划分为非结构网格，通过水动力模型计算各网格点的水深和流速。使用这些结果，实时水深和流速分布的水路可以显示为一个轮廓表面和动态流场显示的实际流动条件。此外，为了确保流动条件的模拟的及时性，并行计算技术和一个模拟的解决方案库中使用的流程模拟模块，以加速数值模拟过程。
预警模块是三维数字航道系统的输出模块。基于船舶的水动力模型的计算结果的位置信息，预警模块描述船舶的通航地区通过可视化模块，参照内河通航标准（mtprc 2004）。然后，分析了发生水上交通事故的可能性，如船舶碰撞、搁浅或搁浅，为船舶提供及时准确的预警服务（张等人。2015）。此外，所有的预警信息被添加到船舶的导航标签，以提高作为导航辅助的三维数字航道系统的能力。
三维数字航道系统的开发过程主要包括以下步骤，如图3所示：
1.三维水路地形模型的基础上整合的水路图像[图（3a）]和水路数字高程数据[图（3b）]，如图所示（3c）。
2.通过引入水路建筑物的模型（包括桥梁，码头，河边建筑物和信标）[图（3d）]，三维虚拟航道环境的构建，以实现可视化的水路，如图（3e）。
3.二维内河电子航道图在三维航道环境的整合元素的二维和三维iencs，如图所示（3f）。
4.利用沿江的水文站水文数据作为输入[图（3g）]，建立了计算流量的条件[图是水动力模型（3h）]，模拟水流条件，并预测了航道的水深和流速分布，如图所示（3i）。
5。根据内河航道通航标准，船舶的通航地区计算了航道的通航能力分析，以及航道水深和流速分布采用流场可视化技术显示，如图所示（3J）。
6.船舶进口到三维航道环境[图3（k）]根据其定位数据模拟实时航行状态，如图3（l）。
7.通过整合所有可用的信息，在水路运输，航道的交通条件可以显示为所有船舶提供导航服务，如图所示（3n）。
8.模拟通航区域和船舶航行信息的组合，意味着可能产生的危险情况的可能性可以预测和及时的预警信息发出的船舶，如图所示（3m）。
关键方法
数字航道的建模
三维航道模型
为实现航道三维可视化，三维数字航道建模是一个必然要求。基于真实数据的三维数字航道建模将区域图像与地形、建筑物细节相结合，实现三维数字航道建设。然后在计算机中显示虚拟地形，其中包括河流地形、码头、桥梁、船只、信标和河岸建筑。然而，由于航道地形和图像数据量大，将整个信道图像或所有地形数据直接加载到三维可视化模块中会造成相当大的渲染负担，使得虚拟漫游和实时数据交互变得不切实际。为了加快数据的加载速度，将三维数字航道建模分为航道建模和航道建模两部分，根据必要的建模精度。
航道建模是三维数字航道建模的主要内容。水道中的模型包括河床地形、桥梁、码头、灯塔和船舶。基于高程和图像数据的河床地形建模。这是用河床地形2.5米分辨率的数据，由中国航道管理部门获得而不是从卫星（hostache等人。2015）从三维虚拟空间建立数字高程网，模拟真实河床地形。然后，真正的纹理图，来自河床图像数据，纹理的河床地形模型的表面上，以提供一个更直观的表达的水路流图像。
桥梁，码头，灯塔和船舶代表的三维数字航道系统的核心要素。这些元素的模型的目的是保持尽可能多的细节，以保持生动的外观。因此，一些3D建模工具（如MultiGen Creator、AutoCAD、3D MAX、玛雅）通过创建这些模型的精细结构和材料特性。
外航道建模主要用于建立围绕航道的虚拟环境，作为航道建模的有效补充。由于航道外部环境对船舶航行和流动条件下没有直接的影响，在传统的二维内河电子航道图的外部环境的描述是很少报道。然而，在三维数字
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