本發(fā)明涉及一種基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，尤其是基于實時數(shù)據(jù)的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
：航運作為國家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是綜合運輸體系的重要組成部分，也是實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。而航道數(shù)字化是航運信息化的重要組成部分與發(fā)展趨勢，對內(nèi)河航運的安全與高效管理有著舉足輕重的作用。信息化是實現(xiàn)內(nèi)河水運現(xiàn)代化的關(guān)鍵。內(nèi)河電子航道圖（InlandElectronicNavigationCharts，IENCs）是數(shù)字航道的核心部分。當(dāng)前主要采用基于二維矢量電子航道圖輔以一系列決策分析系統(tǒng)對內(nèi)河通航情況進(jìn)行分析與管理。然而，隨著內(nèi)河水運事業(yè)的不斷發(fā)展，內(nèi)河通航情況、運輸方式等都發(fā)生了巨大的變化，同時也帶來了一系列新的問題。例如，大量新的沿江、跨江建筑物的修建使得內(nèi)河航道環(huán)境日益復(fù)雜。二維矢量電子航道圖與普通航道圖一樣都是基于抽象符號對現(xiàn)實世界的抽象與概括，不能直觀的還原顯示三維世界的真實信息，給使用者（尤其是非專業(yè)人士）辨識、分析與還原符號意義帶來一定的困難。三維可視化技術(shù)、空間信息技術(shù)等在數(shù)字地球領(lǐng)域已經(jīng)有很多的研究和應(yīng)用，但在智能航道研究方面國內(nèi)外仍處于探索階段。因此，仍然需要以三維的形式建立數(shù)字航道模型，該模型不僅具有河道水面的數(shù)據(jù)信息，而且還能真實的反映河底、河岸、沿江與跨江建筑物以及航標(biāo)的真實空間信息，逼真的再現(xiàn)航道真實環(huán)境，解決二維電子航道圖中的不足，并結(jié)合實際的地形、水情與實時的GPS定位信息等對航道通航情況進(jìn)行分析，目的是通過對智能航運功能體系、水動力學(xué)模型并行計算技術(shù)、三維數(shù)字航道構(gòu)建技術(shù)的研究，開發(fā)多體系協(xié)同集成的智能航運綜合仿真系統(tǒng)，形成多體系協(xié)同的智能航運實時仿真技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)，提高航運管理的信息化水平與安全預(yù)警能力。技術(shù)實現(xiàn)要素：為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，尤其是以下技術(shù)方案所確定的三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法。1、一種基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，包括：步驟100，輸入船舶參數(shù)，船舶參數(shù)包括船長、船寬、船高與吃水；步驟200，獲取（1）船舶數(shù)據(jù)，包括：經(jīng)緯度、航速、航向角；（2）航道數(shù)據(jù)，包括：航道地形數(shù)據(jù)和地物數(shù)據(jù)；和（3）水流數(shù)據(jù)，包括：水深、流速、流向；步驟300，計算最小通航參數(shù)閾值，包括最小航道水深、最小航道寬度、最小航道曲率半徑、最小凈高值和最小凈跨值；步驟400，確定適航區(qū)域，包括將航道中大于或等于所述最小通航參數(shù)閾值的區(qū)域標(biāo)記為船舶適航區(qū)域；步驟500，根據(jù)船舶參數(shù)、船舶數(shù)據(jù)、航道數(shù)據(jù)和水流數(shù)據(jù)計算自當(dāng)前時間起時間T內(nèi)船舶沿實際航向的預(yù)計航槽，并且判斷預(yù)計航槽是否在船舶適航區(qū)域中；步驟600，當(dāng)步驟500計算的預(yù)計航槽在船舶適航區(qū)域中時，給出當(dāng)前航行狀態(tài)安全的安全導(dǎo)航信號；步驟700，當(dāng)步驟500計算的預(yù)計航槽的至少部分在船舶適航區(qū)域外時，給出當(dāng)前航行狀態(tài)不安全的警告導(dǎo)航信號；其中在三維數(shù)字航道圖中繪制和顯示船舶適航區(qū)域和預(yù)計航槽。2、根據(jù)技術(shù)方案1的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，其中：步驟100，輸入船舶參數(shù)，船舶參數(shù)主要包括船長、船寬、船高與吃水；輸入船舶參數(shù)可以有兩種方式；一種是從數(shù)據(jù)庫中選擇已備案的船舶，可以從數(shù)據(jù)庫中選擇一條需要船舶，選擇好后該船舶的參數(shù)信息（船長、船高、船寬與吃水）自動錄入系統(tǒng)船舶參數(shù)欄中；另一種是針對數(shù)據(jù)庫中缺乏的船舶信息，手動進(jìn)行船舶參數(shù)輸入，輸入的信息主要包括船長、船寬、船高與吃水；步驟200，獲?。?）船舶數(shù)據(jù)，包括：經(jīng)緯度、航速、航向角；（2）航道數(shù)據(jù)，包括：航道地形數(shù)據(jù)和地物數(shù)據(jù)；和（3）水流數(shù)據(jù)，包括：航道內(nèi)如水深、流速、流向等水流數(shù)據(jù)；船舶數(shù)據(jù)可以通過船載GPS接收機(jī)獲取實時定位信息（經(jīng)緯度，航速，航向角）；航道數(shù)據(jù)，包括：航道地形數(shù)據(jù)和地物數(shù)據(jù)，地物包括航道內(nèi)地物和航道外地物，航道內(nèi)地物包括助航設(shè)施（浮標(biāo)、岸標(biāo)、燈船、燈塔等）和跨航道建筑（橋梁、索道等），航道外地物包括沿航道建筑、房屋、公園、花草等地面實物；可以通過獲取的船舶定位信息從預(yù)存于服務(wù)器中的航道數(shù)據(jù)庫中調(diào)取船舶所在地的航道數(shù)據(jù)；水流數(shù)據(jù)可以基于二維水動力學(xué)模型對航道通航水流條件進(jìn)行模擬而獲得，或者通過公共網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的水情信息獲得；步驟300，計算最小通航參數(shù)閾值，包括最小航道水深、最小航道寬度、最小航道曲率半徑、最小凈高值和最小凈跨值；基于上述船舶參數(shù)、水流數(shù)據(jù)和船舶數(shù)據(jù)，可以計算出對航道航行有較大影響的參數(shù)閾值（包括水深值、航寬值、凈高凈跨值、航道曲率半徑）；步驟400，確定適航區(qū)域，將航道中大于或等于所述最小通航參數(shù)閾值的區(qū)域標(biāo)記為船舶適航區(qū)域。3、根據(jù)技術(shù)方案2的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，其中步驟300的最小航道水深由下式計算得到：式中：H表示航道水深（m）；t為船舶吃水（m）；△H表示航道富裕水深（m）。其中，航道富裕水深是指船舶龍骨板外緣最低點至相應(yīng)河床底部之間的垂直距離，其作用就是讓船底與河底保持一定的安全距離，避免船舶出現(xiàn)觸底等事故。富裕水深值的計算需要考慮的因素有很多，如:（1）船舶在航行時，由于自身載重與壓力差，船舶將會產(chǎn)生一定量的下沉，這個下沉的水深通常占整個富裕水深值的三分之二以上，比較通用的有Huuska公式、Eryuzlu公式與Ankudinov公式，不同的公式有不同的使用范圍，應(yīng)根據(jù)船型特點、航道特點以及通航密度等因素進(jìn)行選擇，結(jié)合上述公式的計算方法，經(jīng)過實踐經(jīng)驗修正，論文以下述船舶在寬敞淺水域中的下沉量（（））估算公式為例進(jìn)行分析：式中：表示船舶下沉量，即船舶動吃水量（m）；為船舶自身寬度；L為船舶自身長度；為船舶方形系數(shù)（與船速有關(guān)）；為船速（船舶上行時取，下行時?。?。（2）船舶在航行時需要考慮推進(jìn)器的安全而預(yù)留一部分水深值，一來可以使船舶的操縱更加靈活，二來可以保證推進(jìn)器的安全避免觸底損壞；通常，對船舶航行時推進(jìn)器的安全有影響的水深吃水比為，對船舶航行時推進(jìn)器的安全有十分明顯影響的水深吃水比為[59]。根據(jù)經(jīng)驗，在考慮船體固定下沉量之后，保持0.5~1.0m的船底預(yù)留水深即可保證船舶推進(jìn)器的安全運行。（3）由于波浪等自然氣象原因的影響，通常也需要預(yù)留一定的水深。4、根據(jù)技術(shù)方案2的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，其中步驟300的最小航道寬度由下式計算得到：在順直航段中，單線的最小航道寬度為：，雙線的最小航道寬度為：在彎曲航段中，單線的最小航道寬度為：雙線的最小航道寬度為：其中，1）船舶航跡帶的寬度與船舶自身寬度、長度以及航行時的偏航角有關(guān)，可以根據(jù)下式計算：式中：為船舶在航行時的偏航角，三級航道通常偏航角取3°；2）航道預(yù)留富裕寬度D是指在保證船舶可以安全航行的前提下，不產(chǎn)生岸吸、互吸的現(xiàn)象所需要的最小富裕寬度，所謂岸吸即船舶與河岸之間的水流有推動船首離岸與吸引船尾靠岸的趨勢現(xiàn)象，而互吸即兩船交匯時由于船舶兩側(cè)存在著流速與水位差，從而形成壓力差而產(chǎn)生的互吸現(xiàn)象，影響航道安全富裕寬度D的因素有很多，比如船型、航行方式、水流流速、流態(tài)等，通?？砂聪率龇绞接嬎悖捍芭c河岸間的的安全富裕寬度（）：船間安全富裕寬度（）：航道預(yù)留富裕寬度（）：3）水流致船舶偏移量的值可以通過下式進(jìn)行計算：式中：為船舶沿航道中心線航行的距離（船舶上行取S=2.5L，下行取S=3.0L）；為流向角，三級航道通常流向角不超過5°；為水流流速；為航速；4）彎曲航段加寬增量，當(dāng)R>6L時，可以忽略不計；當(dāng)3L<R<6L時，可根據(jù)水流條件等具體情況分析是否需要加寬；當(dāng)R<3L時，航寬增量可按下式計算：式中：為彎曲航段加寬增量；為彎曲航段航道曲率半徑；為直線段航道標(biāo)準(zhǔn)航寬。5、根據(jù)技術(shù)方案2的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，其中步驟300的最小航道曲率半徑R由下式計算得到：式中：K為有效系數(shù)，內(nèi)河航道通常取0.0380.041；a為與流速有關(guān)的系數(shù)；S為舵面積。6、根據(jù)技術(shù)方案2的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，其中步驟300的最小凈高值由下式計算得到：式中：表示在最高航道通航水位時，船舶在空載的情況下水面以上部分的高度；表示預(yù)留的安全富裕高度，通常該值在山區(qū)地區(qū)取，在平原地區(qū)取。7、根據(jù)技術(shù)方案2的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，其中步驟300的最小凈跨值由下式計算得到：在順直航段中，單線的最小航道寬度為：，雙線的最小航道寬度為：在彎曲航段中，單線的最小航道寬度為：雙線的最小航道寬度為：，其中，1）船舶航跡帶的寬度與船舶自身寬度、長度以及航行時的偏航角有關(guān)，可以根據(jù)下式計算：式中：為船舶在航行時的偏航角，三級航道通常偏航角取3°；2）航道預(yù)留富裕寬度D可按下述方式計算：船舶與河岸間的的安全富裕寬度（）：船間安全富裕寬度（）：航道預(yù)留富裕寬度（）：3）水流致船舶偏移量的值可以通過下式進(jìn)行計算：式中：為船舶沿航道中心線航行的距離（船舶上行取S=2.5L，下行取S=3.0L）；為流向角，三級航道通常流向角不超過5°；為水流流速；為航速；4）彎曲航段加寬增量，當(dāng)R>6L時，可以忽略不計；當(dāng)3L<R<6L時，可根據(jù)水流條件等具體情況分析是否需要加寬；當(dāng)R<3L時，航寬增量可按下式計算：式中：為彎曲航段加寬增量；為彎曲航段航道曲率半徑；為直線段航道標(biāo)準(zhǔn)航寬。8、根據(jù)技術(shù)方案1-7中任一項的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，其中，生成三維數(shù)字航道圖的方法包括：（1）數(shù)字航道地形建模，包括大范圍低精度地形建模和小范圍較高精度航道地形建模；（2）數(shù)字航道地物建模，包括普通地物建模與典型地物建模；（3）基于osgEarth構(gòu)建三維數(shù)字航道場景，包括高程層數(shù)據(jù)可視化、影像層數(shù)據(jù)可視化、模型層數(shù)據(jù)可視化。OpenSceneGraph（OSG）是一個開源的三維引擎，被廣泛的應(yīng)用在可視化仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實、科學(xué)計算、三維重建、地理信息、太空探索、石油礦產(chǎn)等領(lǐng)域。OSG采用標(biāo)準(zhǔn)C++和OpenGL編寫而成，可運行在所有的Windows平臺、OSX、GNU/Linux、IRIX、Solaris、HP-Ux、AIX、Android和FreeBSD操作系統(tǒng)。osgEarth是一款用于OpenSceneGraph（OSG）中的規(guī)?；?D地景渲染工具箱，只需創(chuàng)建一個簡單的XML文件，指向影像、高程和矢量模型信息，導(dǎo)入OpenSceneGraph中，即可實現(xiàn)渲染。9、根據(jù)技術(shù)方案1-7中任一項的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，其中，大范圍低精度地形建模采用較低精度地形數(shù)據(jù)，例如全球1:25萬的高程數(shù)據(jù)，然后與全球影像數(shù)據(jù)疊加，進(jìn)行地表真實紋理的貼圖；小范圍較高精度航道地形建模選用小范圍、大比例尺較高精度的地形數(shù)據(jù)來獲得更好的模擬可視化效果；優(yōu)選地，將高精度的高程數(shù)據(jù)疊加至低精度的高程數(shù)據(jù)上，顯示時高精度數(shù)據(jù)將覆蓋低精度數(shù)據(jù)，以得到更科學(xué)更逼真的模擬效果。10、根據(jù)技術(shù)方案1-7中任一項的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，其中，普通地物建模采用簡單、統(tǒng)一的處理方法進(jìn)行構(gòu)建，可以減少模型的復(fù)雜程度，提高場景渲染的效率，例如采用普通地物基于矢量化的建筑物頂面根據(jù)建筑物高度拉伸的批量化構(gòu)建方法，該方法的原理是首先獲取該地區(qū)的房屋矢量圖并用ArcGIS軟件進(jìn)行編輯，然后利用高精度的二維影像數(shù)據(jù)，根據(jù)陰影成像原理與已知的建筑物高度，推算出太陽與衛(wèi)星高度角度，再反推其它建筑物高度數(shù)據(jù)，將獲取的高度信息賦予相應(yīng)的屋頂面，最后通過osgEarth的Earthfile配置文件進(jìn)行設(shè)置，可以完成普通建筑物的批量建模；典型地物建模使用三維模型建模工具進(jìn)行單個實物的建模，三維模型建模工具有很多，如MultigenCreator、AutoCAD、3DMAX等，根據(jù)實際物體的大小、高程、紋理等具體情況對模型進(jìn)行精細(xì)化構(gòu)建，表現(xiàn)更加詳細(xì)的三維實體顯示效果。11、根據(jù)技術(shù)方案1-7中任一項的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，其中，基于osgEarth構(gòu)建三維數(shù)字航道場景主要有兩種方式：一種是通過編寫代碼的方式在程序中添加節(jié)點將模型添加到場景中，該方式主要是針對動態(tài)的模型，用戶可以在場景中對模型進(jìn)行交互操作；二是通過Earthfile配置文件的方式將模型添加到場景中，該方式主要是針對靜態(tài)的模型，把高程、影像與模型等數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織成Earthfile配置文件里相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式，然后通過osgDB插件將其讀入并作為一個節(jié)點添加到場景中，生成三維場景圖；高程層數(shù)據(jù)可視化，高程層數(shù)據(jù)的加載是通過Earthfile文件中的<elevation>功能實現(xiàn)的，<elevation>為地形引擎提供一個高程地圖網(wǎng)格，該引擎將綜合所有高程數(shù)據(jù)至一個高程地圖并且用它來建立地形瓦片；優(yōu)選地，先將大范圍的GeoTIFF文件用osgEarth_package工具進(jìn)行切片，然后將切好的瓦片格式數(shù)據(jù)通過tms插件進(jìn)行讀取，該方式加載地形數(shù)據(jù)最大的優(yōu)勢在于它是根據(jù)視點高度分層加載與渲染地形數(shù)據(jù)的，而不是起初就將所有的地形數(shù)據(jù)全部加載，從而極大減輕了機(jī)器運行的負(fù)擔(dān)，很大程度上提高了航道場景渲染的效率；影像層數(shù)據(jù)可視化，影像層數(shù)據(jù)的加載是通過Earthfile文件中的<image>功能實現(xiàn)的，通過使用gdal插件將影像紋理覆蓋至幾何地圖上；模型層數(shù)據(jù)可視化，模型層數(shù)據(jù)的加載是通過Earthfile文件中的<model>功能實現(xiàn)的，模型層數(shù)據(jù)的渲染主要包括了空間矢量（柵格）數(shù)據(jù)的渲染與外部三維模型的渲染，在加載數(shù)據(jù)時需要注意其坐標(biāo)系統(tǒng)必須與地形數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)相一致。11、根據(jù)技術(shù)方案1-7中任一項的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，還包括：在三維數(shù)字航道圖顯示可視化的水流情況。在一些情況下，通過在三維數(shù)字航道圖中繪制等深線、紋理流場和粒子系統(tǒng)展示水流情況。等深線的可視化展示了航道水深的分布情況，紋理流場的可視化展現(xiàn)了航道水流流態(tài)的變化過程，粒子系統(tǒng)的可視化展現(xiàn)了水流流向和流速的大小，三者相輔相成，共同構(gòu)建了水流可視化平臺功能，豐富了系統(tǒng)對水流模擬內(nèi)容的表達(dá)方式。12、根據(jù)技術(shù)方案1-7中任一項的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，還包括：根據(jù)用戶的指點，在三維數(shù)字航道圖中提供圖中任一個實體的信息。13、根據(jù)技術(shù)方案1-7中任一項的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，還包括：在三維數(shù)字航道圖中進(jìn)行航道距離測量以得到航道場景中兩點或者多點之間的距離。與二維距離測量不同的是，該距離指的是三維情景下的距離測量，其測量時如遇地形起伏，其測量線也將隨地形起伏，更真實的反應(yīng)了所測點之間的真實長度，以幫助了解三維航道場景下真實所測航段長度。14、根據(jù)技術(shù)方案1-13中任一項的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，其中在步驟700后，重復(fù)進(jìn)行步驟500的計算并不斷地修改其中的實際航向直至判斷預(yù)計航槽在船舶適航區(qū)域中，然后將此時修改的航向和預(yù)計航槽顯示在三維數(shù)字航道圖中。用戶可以參照此時修改的航向和預(yù)計航槽控制實際航向。15、根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項的基于三維數(shù)字航道圖的船舶導(dǎo)航方法，其中時間T為10分鐘、5分鐘、2分鐘、1分鐘、30秒或10秒。與二維電子航道圖不同的是，三維電子航道圖不僅能夠表達(dá)二維電子航道圖所能表達(dá)的幾乎所有內(nèi)容，還能夠?qū)⑷绲匦?、地貌、地物等三維實體逼真的體現(xiàn)在電子航道平臺中，實現(xiàn)如漫游、定位、查詢等三維交互瀏覽功能，給用戶一種身臨其境的畫面感與真實感，為用戶提供了更直觀、更有效的交互體驗。使得用戶可以更容易地掌控當(dāng)前水流條件下適合該船航行的區(qū)域，幫助船舶確定是否航行在適航區(qū)域內(nèi)，是否有撞船、擱淺等危險，系統(tǒng)通過發(fā)出警報聲與危險信號提醒船舶操作人員，及時調(diào)整航向并采取合理有效的措施減少危險發(fā)生的幾率，從而降低船舶事故發(fā)生的幾率，進(jìn)而實現(xiàn)船舶預(yù)警的功能。具體實施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。實施例1I、基于實時數(shù)據(jù)的通航能力分析1、研究區(qū)域概況江津至重慶航段隸屬于長江航運上游航段，全長約78公里，位于東經(jīng)106°13'至106°41'，北緯29°12'至29°46'，沿岸包括了江津區(qū)、巴南區(qū)、大渡口區(qū)、九龍坡區(qū)、南岸區(qū)與渝中區(qū)。該航段屬于川江自然河段，航道較窄且彎曲多變，灘險較多，彎、急、淺、險并存，河道平均比降約為0.18‰，平均流速在2m/s以上，航道尺度（最小航深航寬彎曲半徑）為2.5m50m450m，最大可通航800至1000噸級船舶，枯水期航道最小維護(hù)水深達(dá)2.7m，洪水期航道維護(hù)水深達(dá)3.0m，為Ⅲ級航道標(biāo)準(zhǔn)。主要船型為分節(jié)駁、推船、普通駁、貨船、客船，能夠滿足1000噸級船舶全年晝夜通航。該航段具體的通航條件如下：（1）航段通航水域受限制。研究區(qū)域?qū)儆陂L江三級航道，由于受內(nèi)河航道水深、寬度等航道尺度以及季節(jié)性等因素的影響，可供船舶尤其是大型機(jī)動船舶安全通航的水域有限，航段豐、枯水期的航道尺度差異明顯，可供船舶航行的水域范圍有很大差異。在研究區(qū)域內(nèi)，航道寬度最寬可達(dá)數(shù)千米，而最窄處僅有百米左右，航道水深最深處可達(dá)數(shù)十米，而最淺處僅有2~3米。（2）航段沿（跨）江建筑物眾多，船舶通航受限。航段屬長江上游重慶至江津段，全長約78公里，沿江已有10余座跨江大橋，包括朝天門大橋、大佛寺長江大橋、鵝公巖大橋、江津長江大橋、菜園壩大橋等，平均每隔不到10公里就有一座大橋，橋梁數(shù)量大，密度高，對船舶通航將產(chǎn)生較大影響。另外航段沿江還有許多大型的內(nèi)河港口與豐富的助航設(shè)施，包括重慶港碼頭、李家沱碼頭、皇家碼頭以及各式燈塔、浮標(biāo)與船標(biāo)等，雖然交通部對沿（跨）江建筑物的通航選址論證做了許多硬性要求，但是由于規(guī)劃、設(shè)計不當(dāng)造成的沿（跨）江建筑物對船舶通航安全產(chǎn)生的影響的事故也時有發(fā)生。（3）航段彎曲河段較多，蜿蜒多變，受泥沙的沖淤變化以及水流與河床之間的相互作用影響下，易形成如江心洲、淺灘、沙嘰等礙航物，在重慶至江津段主干道上就存在著大大小小數(shù)十個江心洲以及淺灘，對航運安全產(chǎn)生了較大影響。（4）航段屬于長江三級航道，航道航行的船舶尺度、噸位不大，現(xiàn)代化與專業(yè)化的程度普遍不高，內(nèi)河航運管理仍有待完善。、航道通航能力及其影響因素研究船舶（隊）在航道上航行，影響其通航能力與航行安全的因素有許多，如航道等級、航道環(huán)境、氣象條件、航行方式、人為因素等，通航水流判別標(biāo)準(zhǔn)在不同的國家，不同的河段與航段以及船舶技術(shù)發(fā)展的不同階段都有與之相應(yīng)的通航水流條件判別標(biāo)準(zhǔn)。由于航行條件是受水流流態(tài)、流速、波浪、水面比降等多種要素共同作用產(chǎn)生的綜合效應(yīng)，很難硬性統(tǒng)一規(guī)定。本文主要以四個方面的內(nèi)容來探討內(nèi)河船舶通航影響的因素，分別是航道水深、航道寬度、航道曲率半徑、橋區(qū)航段跨河建筑物。1、航道水深對船舶通航的影響航道水深是保障船舶安全航行的基本條件也是影響船舶通航能力的主要因素。所謂航道水深即指從航道水位線至河床底部的垂直距離，也是在設(shè)計最低通航水位條件下航道寬度范圍內(nèi)淺灘上的最小水深。其值可以用下式來表示：（1）式中：H表示航道水深（m）；t為船舶吃水（m）；△H表示航道富裕水深（m）。其中，航道富裕水深是指船舶龍骨板外緣最低點至相應(yīng)河床底部之間的垂直距離，其作用就是讓船底與河底保持一定的安全距離，避免船舶出現(xiàn)觸底等事故。富裕水深值的計算需要考慮的因素有很多，如:（1）船舶在航行時，由于自身載重與壓力差，船舶將會產(chǎn)生一定量的下沉，這個下沉的水深通常占整個富裕水深值的三分之二以上，比較通用的有Huuska公式、Eryuzlu公式與Ankudinov公式，不同的公式有不同的使用范圍，應(yīng)根據(jù)船型特點、航道特點以及通航密度等因素進(jìn)行選擇，結(jié)合上述公式的計算方法，經(jīng)過實踐經(jīng)驗修正，論文以下述船舶在寬敞淺水域中的下沉量（（））估算公式為例進(jìn)行分析：（2）式中：表示船舶下沉量，即船舶動吃水量（m）；為船舶自身寬度；L為船舶自身長度；為船舶方形系數(shù)（與船速有關(guān)）；為船速（船舶上行時取，下行時取）。（2）船舶在航行時需要考慮推進(jìn)器的安全而預(yù)留一部分水深值，一來可以使船舶的操縱更加靈活，二來可以保證推進(jìn)器的安全避免觸底損壞；通常，對船舶航行時推進(jìn)器的安全有影響的水深吃水比為，對船舶航行時推進(jìn)器的安全有十分明顯影響的水深吃水比為。根據(jù)經(jīng)驗，在考慮船體固定下沉量之后，保持0.5~1.0m的船底預(yù)留水深即可保證船舶推進(jìn)器的安全運行。（3）由于波浪等自然氣象原因的影響，通常也需要預(yù)留一定的水深。各個因素的值都有許多計算的方法，其中有一些計算結(jié)果精度較高，但對數(shù)據(jù)源精度與質(zhì)量要求也很高，且各種計算公式與經(jīng)驗公式的適用范圍十分有限，很難進(jìn)行十分精確的定量化計算。主要從應(yīng)用的角度去分析，依據(jù)長江航道局及相關(guān)部門分析，長江主要航道的水深H與船舶吃水t的比值通常在1.2～1.3之間，即H/t=1.2～1.3，由公式可以得出，富裕水深△H=（0.2～0.3）t，以此作為本文研究區(qū)域設(shè)計航道水深閾值的計算參考，重慶至江津段為三級航道，船舶吃水依據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，可以得出該航段航道水深與富裕水深的設(shè)計參考值，如下表所示：表1：級航道航道水深相關(guān)參數(shù)值航道等級船舶噸級（t）設(shè)計吃水（m）富裕水深（m）航道水深10002.0～2.40.4～0.72.4～3.12、航道寬度對船舶通航的影響航道寬度與內(nèi)河航道運輸經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)，直接影響到內(nèi)河航道的通航能力與船舶航行的安全，而航道寬度對船舶通航能力的影響有許多方面的因素，如船舶在航行時自身需要一定的航跡帶寬度并且受水流與風(fēng)浪等的外力影響會產(chǎn)生一定的偏移，另外在航行的過程中還可能會發(fā)生岸吸與互吸等情況以及在彎曲航段曲率半徑對航道寬度的影響等等，依托《內(nèi)河航道標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定并結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，從以下幾個方面來討論分析：（1）船舶航跡帶寬度船舶航跡帶的寬度與船舶自身寬度、長度以及航行時的偏航角有關(guān)[48]，可以根據(jù)下式計算：（3）式中：為船舶在航行時的偏航角，三級航道通常偏航角取3°。（2）航道預(yù)留富裕寬度航道預(yù)留富裕寬度（）是指在保證船舶可以安全航行的前提下，不產(chǎn)生岸吸、互吸的現(xiàn)象所需要的最小富裕寬度，所謂岸吸即船舶與河岸之間的水流有推動船首離岸與吸引船尾靠岸的趨勢現(xiàn)象，而互吸即兩船交匯時由于船舶兩側(cè)存在著流速與水位差，從而形成壓力差而產(chǎn)生的互吸現(xiàn)象。影響航道安全富裕寬度的因素有很多，比如船型、航行方式、水流流速、流態(tài)等，通?？砂聪率龇绞接嬎悖捍芭c河岸間的的安全富裕寬度（）：（4）船間安全富裕寬度（）：（5）航道預(yù)留富裕寬度（）：（6）（3）水流致船舶偏移量船舶在航行時由于受水流與風(fēng)浪等的作用會產(chǎn)生垂直于航行方向的偏移，內(nèi)河航道通常受風(fēng)浪影響較小，其值可以忽略，因此主要考慮水流致船舶偏移量的值。其值可以通過下式進(jìn)行計算：（7）式中：為船舶沿航道中心線航行的距離（船舶上行取S=2.5L，下行取S=3.0L）；為流向角，三級航道通常流向角不超過5°；為水流流速；為航速；（4）彎曲航段加寬增量在彎曲航段，船舶的運動情況比較復(fù)雜，船舶要根據(jù)航道的彎曲情況時刻調(diào)整航向順彎航行，還要繞其本身中心不停轉(zhuǎn)動，以避免與河岸或者來船相撞，或者進(jìn)入到靠近岸邊水深較低的地方發(fā)生擱淺。因此，船舶在彎曲航段航行的過程中，相比于順直航段航寬要有所增加，其值受船舶長度、航道曲率半徑、水流流速、流態(tài)、風(fēng)速以及船舶性能等因素影響[61]。通常，當(dāng)R>6L時，航寬增量可以忽略不計；當(dāng)3L<R<6L時，可根據(jù)水流條件等具體情況分析是否需要加寬；當(dāng)R<3L時，航寬增量可按下式計算：（8）式中：為彎曲航段加寬增量；為彎曲航段航道曲率半徑；為直線段航道標(biāo)準(zhǔn)航寬。綜上所述，船舶航行所需航道寬度計算方法可以用下式表示：順直航段中單線：（9）雙線：（10）彎曲航段中單線：（11）雙線：（12）3、航道曲率半徑對船舶通航的影響航道曲率半徑即航道曲度半徑、彎曲半徑，是指航道彎曲處，航道中心線所在圓半徑的長度。通常在彎曲河段處，常伴有背腦水、掃彎水、斜流與回流等不正常水流，航道水深分布不均勻，凹岸一側(cè)水深比凸岸一側(cè)水深要大，凸岸處常有沙嘴、沙腳等淤積物，有的潛伏水下并延伸至河中，上行船舶沿岸航行容易發(fā)生吸淺，另外，航道轉(zhuǎn)彎不能太急，曲率半徑不能過小，以免在彎曲處發(fā)生碰岸或者擱淺等事故。因此，在保證船舶能夠安全通過的情況下，分析航道最小曲率半徑顯得十分重要。但是，影響航道曲率半徑的因素有許多，航道曲率半徑的計算過程比較復(fù)雜，除了受船舶長度（成正比）影響之外，還與航向角、流向角、船寬、航速、流速、流態(tài)以及舵面積等因素有關(guān)，可以用下式表示：(13)式中：K為有效系數(shù)，內(nèi)河航道通常取0.038~0.041；a為與流速有關(guān)的系數(shù)；S為舵面積；通過上述方法可以計算出某一船舶尺度的船型可以通過的最小航道曲率半徑。當(dāng)然，對計算結(jié)果要求不是很高的情況下，可以通過幾何的方法在航道圖上量取出航道的曲率半徑，當(dāng)知道某一彎曲航段的航道曲率半徑后，就可以知道該彎曲航段所能通過的最大船舶尺度，為計算方便，根據(jù)經(jīng)驗可用式子來確定。4、橋區(qū)航段跨河建筑物對船舶通航的影響在長江航段上，隨著交通的快速發(fā)展與河流的綜合開發(fā)利用，航段上出現(xiàn)了越來越多的跨河建筑物，如橋梁、渡槽、過江電纜與過江索道等。為了保障船舶通行的安全，使船舶能夠順利通過這些跨河建筑物，尤其是在高水位時期能夠安全順利的通過，必須使這些建筑物下具有一定的安全航行空間，即具有足夠的凈空尺度。凈空尺度包括了凈跨（）與凈高（）兩個部分。凈跨是指橋梁或其它跨河建筑物的兩墩之間內(nèi)側(cè)表面間的水平最小距離，通常按照單行船只所需要求的航寬來計算，不需要考慮兩船交匯的情形，但是需要預(yù)留一定的富裕寬度確保船舶航行的安全，即在順直航道按照式(9)與式(10)計算，在彎曲航道按照式(11)與式(12)來計算。凈高是指設(shè)計最高通航水位到跨河建筑物的下緣的垂直最小距離，主要受水面波浪起伏、水位高低變化等的影響，因此在跨河建筑物的下方需要預(yù)留一定的富裕寬度避免船舶在航行時與跨河建筑物下緣相撞，保障船舶航行的安全。通?？梢杂檬?14)來表示：（14）式中：表示在最高航道通航水位時，船舶在空載的情況下水面以上部分的高度；表示預(yù)留的安全富裕高度，通常該值在山區(qū)地區(qū)取，在平原地區(qū)取?！秲?nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》對于跨河建筑物通航凈空尺度也做了相應(yīng)規(guī)范，如下表所示，在計算的過程中可以進(jìn)行參考與對比：表4-3級航道跨河建筑物通航凈空尺度標(biāo)準(zhǔn)航道等級船舶噸級（t）凈跨（m）凈高（m）100030～758～103、通航能力分析輔助決策模塊基于上述分析，研究航道尺度與通航能力的關(guān)系，可以結(jié)合實際需求建立內(nèi)河通航能力判定模型，判定船舶是否能夠通過某一航段。在實際應(yīng)用中，由于模型涉及的參數(shù)很多，需要進(jìn)行大量復(fù)雜的計算，基于上述原理與方法設(shè)計并開發(fā)了通航能力分析輔助決策模塊，提高船舶安全預(yù)警的時效性與實用性。該系統(tǒng)以面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言C++為基礎(chǔ)，使用SQLite作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合Qt進(jìn)行系統(tǒng)界面設(shè)計。在進(jìn)行通航能力分析時，可以通過選取數(shù)據(jù)庫中的目標(biāo)船舶，利用GPS實時獲取該船的位置、船速、航向角等信息，結(jié)合該船所在位置的實時水流情況進(jìn)行計算，分析得出通過該船所需的最小的航道尺度，以此作為航道安全航行的閾值，輔助船舶操作者進(jìn)行船舶安全航行預(yù)判，并將其作為后續(xù)安全預(yù)警分析平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，輔助安全預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，具體操作流程如下：（1）選擇船舶航行的方向，不同的航行方向?qū)Υ巴ê侥芰Γㄈ绱昂桔E帶寬度等）有一定的影響，當(dāng)船舶上行（逆行）時，需要保證船舶航速大于流速，而當(dāng)船舶下行（順行）時，相比上行需要至少擴(kuò)大兩公里的預(yù)警范圍，以確保船舶可以在控制范圍內(nèi)及時進(jìn)行調(diào)整；（2）選擇船舶，選擇船舶可以有兩種方式，一種是從數(shù)據(jù)庫中選擇已備案的船舶，點擊“選擇船舶”按鈕，可以從數(shù)據(jù)庫中選擇一條需要船舶，選擇好后該船舶的參數(shù)信息（船長、船高、船寬與吃水）自動錄入系統(tǒng)船舶參數(shù)欄中；另一種是針對數(shù)據(jù)庫中缺乏的船舶信息，手動進(jìn)行船舶參數(shù)輸入，輸入的信息主要包括船長、船寬、船高與吃水；（3）實時數(shù)據(jù)獲取。GPS衛(wèi)星不間斷的向外發(fā)送星歷信息與時間信息，船舶終端接收到這些信息并經(jīng)過計算，可以得到船舶的三維坐標(biāo)、航速與航向，船載終端通過GPS接收機(jī)獲取實時定位信息（經(jīng)緯度，航速，航向角），并將信息發(fā)送并存儲至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。當(dāng)監(jiān)控端向網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫發(fā)送請求時，數(shù)據(jù)庫就可以向監(jiān)控端返回選中船舶的實時定位信息。然后，根據(jù)獲得的位置信息（經(jīng)緯度），在數(shù)值流場網(wǎng)格數(shù)據(jù)中尋找節(jié)點，若該位置信息沒有節(jié)點，則尋找離當(dāng)前位置信息最近的節(jié)點信息作為當(dāng)前位置的節(jié)點信息，該過程實現(xiàn)方式如下：首先讀入流場的網(wǎng)格文件與流速文件，獲得流場中每個節(jié)點的位置信息與流速信息。位置信息包括x，y，流速信息包括u，v，h。其中x表示節(jié)點的經(jīng)度，y表示節(jié)點的緯度，u表示沿緯度方向的流速，v表示沿經(jīng)度方向的流速，h表示水深。其次，根據(jù)獲得的船舶位置計算船舶與每個節(jié)點的距離，取最近節(jié)點的水流流速u，v，作為該船舶所處位置的水流流速u，v。那么該船舶所在位置的流速信息（）則可以通過下式（15）進(jìn)行計算：（15）而流向角（）則是船舶所在位置節(jié)點的水流流向與航道中心線之間的夾角，自此，可以獲得選中船舶所處位置的水流條件（流速，流向角）；（4）獲取當(dāng)前水情信息，根據(jù)船舶位置，從數(shù)據(jù)庫中獲取當(dāng)前位置的水情信息（水位、流量等），水情信息是在不斷更新中，因此不同的時間段即使是同一位置，水情信息也會不同，水情信息的更新頻率隨水文站點信息的更新頻率而變化；以寸灘站點為例，本地預(yù)警系統(tǒng)平臺水文數(shù)據(jù)分析模塊向服務(wù)器申請水文數(shù)據(jù)，通過本地數(shù)據(jù)庫與服務(wù)器的聯(lián)系，可以得到目標(biāo)站點規(guī)定時間段內(nèi)的水文水情數(shù)據(jù)信息，寸灘水文站點在2013年1月1日至2014年9月16日期間，共存儲了4557條水文數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)包含時間信息、站點信息、水位、流量、所屬區(qū)域與河流等信息；（5）獲得上述數(shù)據(jù)之后，就可以進(jìn)行船舶通航能力分析，得出在當(dāng)前條件下船舶所能通過的最小通航尺度，通常包括水深、凈高（跨）、流速、航寬與曲率半徑，以此作為后續(xù)船舶安全預(yù)警的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過上述水文數(shù)據(jù)分析，其一，上述方式獲得的水文水情數(shù)據(jù)是最新的實時數(shù)據(jù)，因此，可以用來計算在該日水文水情條件下航道的通航能力，作為航道適航區(qū)劃分的判斷條件之一，提高航道適航區(qū)劃分的科學(xué)性與時效性；其二，通過對歷史的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出水文數(shù)據(jù)的趨勢分析圖，以對將來的水文水情形勢進(jìn)行科學(xué)預(yù)報，降低航道運行的風(fēng)險系數(shù)。、三維數(shù)字航道平臺的集成利用本發(fā)明的上述三維電子航道圖，可以從水文水情信息實時獲取與監(jiān)測、水流模擬并行計算及其可視化以及基于GPS的航道船舶預(yù)警子系統(tǒng)這三個方面來構(gòu)建航運預(yù)警平臺。預(yù)警指的是在災(zāi)害以及其它需要提防的危險發(fā)生之前，根據(jù)以往的總結(jié)規(guī)律或觀測得到的可能性前兆，向相關(guān)部門發(fā)出緊急信號，報告危險情況，以避免危害在不知情或準(zhǔn)備不足的情況下發(fā)生，從而最大程度的減低危害所造成的損失的行為。將預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用于航運上，即構(gòu)成航運預(yù)警平臺，其主要內(nèi)容就是對航運系統(tǒng)各方面信息進(jìn)行監(jiān)測與綜合分析，評價其安全狀況，對可能出現(xiàn)的危害進(jìn)行預(yù)判，并采取一定的措施進(jìn)行控制，以達(dá)到減小甚至消除危害的目的。主要從水文水情的角度出發(fā)，結(jié)合水流模擬科學(xué)可視化的應(yīng)用，通過GPS實時監(jiān)測船舶情況構(gòu)建船舶預(yù)警子系統(tǒng)，實時分析航道信息，并針對單船計算與顯示其適航區(qū)域，實現(xiàn)三維數(shù)字航道仿真平臺的監(jiān)控預(yù)警功能。、水文水情信息實時獲取與監(jiān)測水文水情信息主要是指各水文站點的水位、流量、警戒水位、保證水位等信息，是船舶航行的重要指示標(biāo)志，也是航運預(yù)警分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。水情信息通常是由水文監(jiān)測部門進(jìn)行測量與整理，并在網(wǎng)站上公開發(fā)布。通過獲取公共網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的水情信息并整理匯總，存儲于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，根據(jù)水情數(shù)據(jù)發(fā)布頻率對數(shù)據(jù)庫中的水文水情信息進(jìn)行更新，從而保證航運監(jiān)控水文水情信息的準(zhǔn)確性與時效性。水文水情信息數(shù)據(jù)庫可通過編程的方式對網(wǎng)站監(jiān)測水文站點水文數(shù)據(jù)實時監(jiān)測與接收入庫，在監(jiān)控端上的三維數(shù)字航道平臺集成了水文數(shù)據(jù)分析模塊，可以實現(xiàn)訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，查詢歷史和實時水情信息。其基本步驟為：（1）編寫程序按數(shù)據(jù)獲取源更新頻率，自動從水文站點發(fā)布網(wǎng)站獲取源數(shù)據(jù)，并傳輸至服務(wù)器端；（2）在服務(wù)器端編寫程序進(jìn)行源數(shù)據(jù)解析；（3）將解析后的水文數(shù)據(jù)存入服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫；（4）本地預(yù)警系統(tǒng)平臺的水文數(shù)據(jù)分析模塊，通過向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)申請，獲取需要的數(shù)據(jù)。通過上述水文數(shù)據(jù)分析，其一，上述方式獲得的水文水情數(shù)據(jù)是最新的實時數(shù)據(jù)，因此，可以用來計算在該日水文水情條件下航道的通航能力，作為航道適航區(qū)劃分的判斷條件之一，提高航道適航區(qū)劃分的科學(xué)性與時效性；其二，通過對歷史的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出水文數(shù)據(jù)的趨勢分析圖，以對將來的水文水情形勢進(jìn)行科學(xué)預(yù)報，降低航道運行的風(fēng)險系數(shù)。、水流模擬科學(xué)可視化河道水流模擬不僅可以為船舶提供水位水深信息，而且還提供了影響船舶航行的另一個重要因素--水流流態(tài)?；诤恿鞫S水動力學(xué)數(shù)值模型計算，首先需使用合適的離散方式對研究區(qū)域進(jìn)行劃分，分解成多邊形網(wǎng)格；然后，基于水動力學(xué)的河流數(shù)值模型進(jìn)行河道水流模擬，模擬結(jié)果包括整個研究區(qū)域內(nèi)各個多邊形節(jié)點處的水流流速場、水深；最后，根據(jù)河流模擬采用的多邊形網(wǎng)格與計算的各個節(jié)點的水流流速與水深信息，通過等深線、紋理流場和粒子系統(tǒng)的方式實時的進(jìn)行繪制和展現(xiàn)，具體內(nèi)容如下：（1）等深線(面)：在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，可以對結(jié)果進(jìn)行各類的模擬科學(xué)可視化，等深線（面）就是其中具有代表性的一類，它不僅可以顯示地形的高低起伏，而且還能根據(jù)其疏密等判斷地形地貌的類型以及坡降陡緩等。等深線(面)的顯示主要是通過多個固定水深值的面去切割已有的網(wǎng)格地形（通常將四邊形網(wǎng)格分成四個三角形網(wǎng)格，方便計算），再根據(jù)不同的水流方案計算對其進(jìn)行矢量化顯示，不同的水深值可以切割出不同的等深線，顏色梯度采用標(biāo)準(zhǔn)的航道等深線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行顯示。與傳統(tǒng)的二維等深線不同的是，該等深線是一個具有三維效果的等深線，依據(jù)實際的水面高程進(jìn)行顯示，在灘地等無水地區(qū)將灘地裸露，更逼真的展示了等深線的三維效果。（2）基于紋理圖像的流場可視化:無論是水面高精度影像貼圖還是水深分布圖，都只能表達(dá)河流的形態(tài)，但是河流的水流流態(tài)卻沒有得到體現(xiàn)，在水流流動的模擬方面顯得生硬，因此，水流流態(tài)的模擬成為提高水流可視化方面的重點研究對象，通過基于紋理圖像的流場可視化（IBFV）方式模擬動態(tài)水流，與以往的以流場網(wǎng)格離散數(shù)據(jù)點為研究對象的可視化方法不同，其將整個流場作為研究對象并以圖像的變形流動替代質(zhì)點的平流，核心思想是基于流場中質(zhì)點的運動，以背景圖像的運動變形替代以往的質(zhì)點運動來展示流場狀態(tài)，是一種宏觀圖形表現(xiàn)微觀粒子運動的方法。繪制步驟如下：1）根據(jù)當(dāng)前的流速值計算網(wǎng)格節(jié)點的移動量，繪制變形后的流場網(wǎng)格，通過紋理映射使背景圖像隨網(wǎng)格的變形而變形；2）加入噪聲紋理使其與背景圖像相融合以保持流場動態(tài)顯示的細(xì)膩性與可持續(xù)性，共同承擔(dān)流場示蹤的作用，形成新的流場狀態(tài)圖像；3）將新生產(chǎn)的圖像作為背景圖像進(jìn)行新一輪的循環(huán)，并采用不同的顏色（RGB顏色）表現(xiàn)不同的流速大小分布，實現(xiàn)流場的動態(tài)顯示效果。（3）基于粒子系統(tǒng)的流場可視化：粒子系統(tǒng)是一種應(yīng)用較多的模擬不規(guī)則模糊物體的方法，能模擬物體隨著時間變化的動態(tài)性與隨機(jī)性。其基本思想是將許多簡單的微小粒子作為基本元素來表示不規(guī)則物體。因此，可以將流體質(zhì)點看做粒子，那么整個流場的變化過程就可以看做是粒子的出生、運動與消亡的過程，其運動規(guī)律可以由數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果控制，而其出生與消亡的規(guī)律可以按照模擬效果的需求進(jìn)行定制，所以其對流場的模擬具有良好的適應(yīng)性。另外，如果需要表現(xiàn)粒子的流動特性，需要涉及空間位置、矢量大小、方向等參數(shù)，并采用鏈表結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲以減少循環(huán)的判斷，通常采用移動的箭頭表示，箭頭的長短代表流速的大小（紅色箭頭表示流速較大，綠色箭頭表示流速較?。^的指向代表流速方向，不但從視覺上表現(xiàn)力獨特，而且可以與物體的受力運動等物理機(jī)制相結(jié)合，逼真的模擬出水流的運動狀態(tài)。、基于GPS的船舶預(yù)警體系構(gòu)建航道船舶預(yù)警系統(tǒng)是整個三維數(shù)字航道仿真平臺的重要組成部分與核心內(nèi)容，主要包括船舶監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸模塊、航道信息實時查詢模塊與適航區(qū)分布模塊，通過這三個模塊的有機(jī)結(jié)合，形成三維數(shù)字航道仿真平臺船舶預(yù)警體系的構(gòu)建，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)控船舶的航行狀態(tài)，再將獲得的信息反饋至監(jiān)控終端，讓船舶操作員了解船舶航行狀態(tài)，能夠及時對可能出現(xiàn)的危險進(jìn)行有效預(yù)判，發(fā)揮監(jiān)控預(yù)警與應(yīng)急處理的功能，從而避免安全事故的發(fā)生。（1）船舶監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸模塊船舶監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸模塊主要由船載終端、中心服務(wù)器與監(jiān)控終端船舶信息管理系統(tǒng)組成。船載終端包括GPS接收機(jī)、GPRS模塊、天線與電源四個部分。船載終端通過GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，再通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆?wù)器。服務(wù)器端軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將其存儲在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控終端基于C++開發(fā)程序接口，通過WebService訪問中心服務(wù)器，接收經(jīng)過解析的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。其主要功能具體有：1）接收GPS衛(wèi)星定位信息；2）通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)將定位信息發(fā)送至服務(wù)器端；3）將獲得的定位信息發(fā)送到指定的IP；4）接受來自監(jiān)控終端的命令；5）監(jiān)控終端遠(yuǎn)程設(shè)置船舶終端的發(fā)送時間間隔，通常為1次/s。中心服務(wù)器是數(shù)據(jù)傳輸模塊的核心，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接收并解析來自船舶終端的定位信息，再將所得的定位數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，然后通過WebService服務(wù)，任何一臺可以訪問網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)都可以與服務(wù)器建立連接，從而獲得定位數(shù)據(jù)。主要包括無線串口程序與數(shù)據(jù)庫兩個部分。①無線串口程序通過GPRSDTU的配合使用，可以建立GPS接收機(jī)與中心服務(wù)器的無線通信信道。它的主要功能包括數(shù)據(jù)接收與解析、連接狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)發(fā)送與存儲三部分。②數(shù)據(jù)庫主要是用來存儲接收的定位數(shù)據(jù)（包括位置信息、航速、航向等），根據(jù)用戶的需求可以進(jìn)行選擇，論文采用SQLite數(shù)據(jù)庫作為儲存定位信息的數(shù)據(jù)庫，其主要優(yōu)點就是輕巧、使用方便、結(jié)構(gòu)緊湊與高效可靠。GPS定位數(shù)據(jù)傳輸格式采用的是GPGGA格式語句，該格式是一種常用的GPS數(shù)據(jù)傳輸格式，格式語句共包括17個字段，分別是語句標(biāo)識頭（DTUID）、世界時間（UTC時間）、緯度、緯度半球（北緯N或南緯S）、經(jīng)度、經(jīng)度半球（北緯N或南緯S）、GPS狀態(tài)（0初始化，1單點定位，2碼差分）、使用衛(wèi)星數(shù)量、水平精確度（0.5到99.9）、海拔高度、高度單位、大地水準(zhǔn)面高度、高度單位、差分GPS數(shù)據(jù)期限、差分參考基站標(biāo)號、校驗與結(jié)束標(biāo)記(用回車符<CR>與換行符<LF>)，分別用14個逗號進(jìn)行分隔。該數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)及各字段釋義如下：$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*xx<CR><LF>通過對GPGGA數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，可以實時的獲得船舶的位置信息與時間信息等，因此可以對船舶的航行信息進(jìn)行實時更新，對于船舶航行的其它信息（如航速、航向等），可以通過已獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得出。在船舶導(dǎo)航定位應(yīng)用中，GPS所提供的連續(xù)、高精度的定位對船舶導(dǎo)航定位，保證船舶安全等方面有著十分重要的作用。監(jiān)控終端軟件主要包括客戶端程序與船舶監(jiān)控預(yù)警程序兩個部分。其中，客戶端程序用于訪問中心服務(wù)器，通過發(fā)送請求命令，向中心服務(wù)器請求發(fā)送數(shù)據(jù)并實時接收中心服務(wù)器發(fā)出的數(shù)據(jù)；船舶監(jiān)控預(yù)警主要負(fù)責(zé)對接收的實時定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，并結(jié)合可視化開發(fā)工具，實現(xiàn)船舶基于GPS數(shù)據(jù)航行的可視化，進(jìn)而從監(jiān)控端對船舶進(jìn)行有效的監(jiān)控。（2）航道信息實時查詢模塊航道信息實時查詢模塊是用戶了解航道信息最直觀、最方便與體驗性最佳的方式，用戶可以在航道場景中隨時隨地的了解任何一個實體的信息，在整個航道船舶預(yù)警體系中，航道信息實時查詢?yōu)橛脩籼峁┝艘环N非常好的操作體驗和獲取航道信息的方式，兼具可視性和實用性。航道信息實時查詢功能的實現(xiàn)原理就是：1）鼠標(biāo)點擊（移動至）某一實體，通過OSG提供的交運算中的一個類（osgUtil：：Intersector）可以拾取鼠標(biāo)與場景的交點（場景節(jié)點），而類osgUtil：：LineSegmentIntersector繼承自類osgUtil：：Intersector，該類提供了一種定義射線的方法，測試該射線與被測物體之間的交點并執(zhí)行相應(yīng)的一些操作，實現(xiàn)方法如下表所示：2）每一個三維場景節(jié)點都有一個標(biāo)識號，通過該標(biāo)識號與數(shù)據(jù)庫中的實體標(biāo)識號進(jìn)行對應(yīng)，使用Qt中的QSqlQuery類建立三維場景與數(shù)據(jù)庫之間的連接，從而獲得船舶節(jié)點的屬性信息以及空間信息等通過在三維場景中添加一個Lable窗口并通過GRID類顯示獲得的船舶屬性信息以及空間信息等，并且該Lable窗口隨著場景節(jié)點的移動而隨之移動，從而實現(xiàn)航道信息實時查詢的可視化效果。（3）適航區(qū)分布模塊船舶監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸模塊與航道信息實時查詢模塊為預(yù)警系統(tǒng)建立了GPS實時數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與實時可視化平臺，基于此開發(fā)了通航能力分析輔助決策子系統(tǒng)船舶適航區(qū)分布功能模塊，結(jié)合已有的水流計算方案，通過三維可視化技術(shù)，對船舶可能遇到的危險進(jìn)行預(yù)判，并描繪出適合船舶航行的適航區(qū)域以供參考，實現(xiàn)思路如下：1）根據(jù)當(dāng)前水位、流量信息并結(jié)合已有的水流計算方案進(jìn)行插值，得出該水位、流量下的航道水流狀態(tài)；2）選擇需要預(yù)警的船舶（船舶屬性信息可以直接從船舶數(shù)據(jù)庫中選擇，水情實時數(shù)據(jù)可以從水流方案中進(jìn)行提取，而船速、航向角等船舶空間信息可以從GPS數(shù)據(jù)庫中得到），并選擇船舶的航行方向（分為船舶上行與船舶下行）；3）根據(jù)上述信息以及通航能力分析輔助決策子系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，可以計算出針對當(dāng)前船舶適航條件的各項參數(shù)閾值，結(jié)合該閾值以及當(dāng)前的水流狀態(tài)可以繪制出船舶的適航區(qū)域。與二維電子航道圖不同的是，三維電子航道圖不僅能夠表達(dá)二維電子航道圖所能表達(dá)的幾乎所有內(nèi)容，還能夠?qū)⑷绲匦巍⒌孛?、地物等三維實體逼真的體現(xiàn)在電子航道平臺中，實現(xiàn)如漫游、定位、查詢等三維交互瀏覽功能，給用戶一種身臨其境的畫面感與真實感，為用戶提供了更直觀、更有效的交互體驗。使得用戶可以更容易地掌控當(dāng)前水流條件下適合該船航行的區(qū)域，幫助船舶確定是否航行在適航區(qū)域內(nèi)，是否有撞船、擱淺等危險，系統(tǒng)通過發(fā)出警報聲與危險信號提醒船舶操作人員，及時調(diào)整航向并采取合理有效的措施減少危險發(fā)生的幾率，從而降低船舶事故發(fā)生的幾率，進(jìn)而實現(xiàn)船舶預(yù)警的功能。、平臺功能與應(yīng)用1航道要素三維可視化（1）航道地形：為滿足區(qū)域、航段可視化效果，且盡量減小機(jī)器運行負(fù)荷的要求，平臺通過分層加載的方式載入不同精度的地形數(shù)據(jù)，航道地形作為最內(nèi)層數(shù)據(jù)用2.5m精度的DEM加載和渲染，能夠滿足平臺對航道地形可視化的要求。因此，通過航道三維地形的載入使得平臺場景能夠滿足對三維視覺的要求。（2）航道影像：航道影像數(shù)據(jù)的載入是為了使得平臺虛擬場景能夠更加貼近實際，通過earthfile文件以靜態(tài)圖像的方式進(jìn)行載入，并且，可以將影像數(shù)據(jù)分層切片以及緩存處理，通過該方式可以在不影響可視化效果的基礎(chǔ)上，加快航道影像渲染與顯示的效率。（3）航道內(nèi)助航設(shè)施與典型建筑：作為航道平臺的開發(fā)與應(yīng)用，航道內(nèi)要素的三維可視化是重中之重，其表達(dá)的信息將作為航道管理、預(yù)警等的主要依據(jù)，航道內(nèi)要素是否齊全、準(zhǔn)確與規(guī)范也將影響整個航運體系的構(gòu)建。航道內(nèi)要素主要包括助航設(shè)施（浮標(biāo)、岸標(biāo)、燈船、燈塔等）和跨江建筑（橋梁、索道等），跨江建筑通過調(diào)研與收集數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)比例進(jìn)行構(gòu)建，而助航設(shè)施需要參照《電子航道圖表達(dá)規(guī)范》，無論在形狀、顏色還是尺寸等方面需按規(guī)范要求嚴(yán)格構(gòu)建。通過典型建筑物的三維可視化可以提高平臺場景的可識別度，并且，通常典型建筑物都含有一些特殊信息，這些信息對航運管理能夠起到提醒和幫助的作用。因此，航道內(nèi)助航設(shè)施與典型建筑的三維可視化，不僅可以豐富航道三維場景的內(nèi)容，還能增強(qiáng)平臺的交互性與可識別性。（4）航道外沿江建筑：航道外沿江建筑的三維可視化可以輔助展現(xiàn)除航道內(nèi)要素外的航道場景內(nèi)容，通常其數(shù)據(jù)量較大，但精度要求不高，因此采用批量建構(gòu)的方式，一方面可以豐富整個航道場景周邊的內(nèi)容，另一方面方便了解航道周邊情況，對輔助通航起到了一定的幫助。（5）船舶可視域：可視域功能的應(yīng)用通過結(jié)合船舶所在位置的水流情況及其周邊情況，根據(jù)視點高程設(shè)置一個船舶在航行時可以看到的一個周邊情況范圍（綠色區(qū)域表示可見，紅色區(qū)域表示不可見），以提高船舶在航行時對其周圍信息的預(yù)判。（6）水流可視化：航道水流可視化是為了結(jié)合水流信息（包括流速、流向等）通過科學(xué)的方式進(jìn)行水流信息與狀態(tài)表達(dá)，以科學(xué)、直觀的方式展現(xiàn)航道內(nèi)水流情況的變化，主要通過等深線、紋理流場和粒子系統(tǒng)三個方面進(jìn)行繪制和描述。等深線的可視化展示了航道水深的分布情況，紋理流場的可視化展現(xiàn)了航道水流流態(tài)的變化過程，粒子系統(tǒng)的可視化展現(xiàn)了水流流向和流速的大小，三者相輔相成，共同構(gòu)建了水流可視化平臺功能，豐富了系統(tǒng)對水流模擬內(nèi)容的表達(dá)方式。、航道綜合信息管理（1）船舶、橋梁信息數(shù)據(jù)庫管理平臺：船舶（橋梁）信息數(shù)據(jù)庫管理可以方便平臺數(shù)據(jù)庫的操作（包括增減信息、修改信息與提交信息等），通過平臺中對話框的操作并提交信息可以與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行同步更新，從而提高了數(shù)據(jù)庫信息管理的效率。（2）船舶搜索與定位：在船舶管理中，平臺可以與船舶數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建基于船舶數(shù)據(jù)庫的船舶搜索系統(tǒng)。該功能可以實現(xiàn)快速查找目標(biāo)船舶的信息（包括船舶編號、名稱、類型等）并且迅速鎖定目標(biāo)船舶在航道中的位置。（3）航道信息查詢：航道信息查詢功能增強(qiáng)了平臺的交互性，通過該功能可以迅速了解在航道場景中任一實體的信息（包括空間位置信息和屬性信息等），幫助船舶了解其附近周邊的實體動態(tài)信息（船舶信息）和靜態(tài)信息（橋梁、建筑等）。（4）航道距離測量：通過航道距離測量功能可以得到航道場景中兩點或者多點之間的距離，與二維距離測量不同的是，該距離指的是三維情景下的距離測量，其測量時如遇地形起伏，其測量線也將隨地形起伏，更真實的反應(yīng)了所測點之間的真實長度，以幫助了解三維航道場景下真實所測航段長度。、針對單船的航行預(yù)警（1）水流信息提取：基于二維水動力學(xué)模型對航道通航水流條件進(jìn)行模擬，通過對模型計算結(jié)果的科學(xué)分析，可以得到航道內(nèi)如水深、流速、流向等水流信息，使這些信息成為船舶航行預(yù)警的一部分。（2）水情信息獲取與顯示：通過獲取公共網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的水情信息并進(jìn)行整理匯總，存儲于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，并根據(jù)水情數(shù)據(jù)發(fā)布頻率對數(shù)據(jù)庫中的水情信息進(jìn)行更新與現(xiàn)實，通過該功能來保證航運監(jiān)控水情信息的準(zhǔn)確性與時效性。（3）船舶信息提?。貉芯炕贕PS的船舶定位信息獲取、傳輸、存儲等技術(shù)，將船舶實時位置坐標(biāo)存儲于后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過船舶真實信息與航道三維場景的有機(jī)結(jié)合，用于船舶監(jiān)控。通過計算分析區(qū)域內(nèi)船舶間的空間位置關(guān)系，結(jié)合水流條件，輔助顯示安全會船。（4）通航能力分析：通過對通航水流條件的研究，重點從航道水深、航道寬度、航道曲率半徑、跨江橋梁高度等幾個方面探討了內(nèi)河船舶通航的影響因素，開發(fā)了通航水流條件預(yù)警計算模塊，為船舶預(yù)警提供科學(xué)可靠的依據(jù)。（5）適航區(qū)繪制：基于科學(xué)的水流信息和通航能力分析，在通航水流條件預(yù)警計算模塊的基礎(chǔ)上，可以計算出對航道航行有較大影響的參數(shù)閾值（包括水深值、航寬值、凈高凈跨值、航道曲率半徑），通過該閾值的設(shè)定繪制出在當(dāng)前水流條件下的船舶適航區(qū)域。（6）單船預(yù)警提示：單船預(yù)警系統(tǒng)是平臺航道預(yù)警中最重要的部分，平臺通過獲取監(jiān)測站點的水情信息，采用二維水動力學(xué)模型對航道通航水流條件進(jìn)行模擬，獲取當(dāng)前水情狀態(tài)下的水深、流速等水流條件；根據(jù)特定船舶的船舶參數(shù)與裝載情況，計算分析船舶適航區(qū)域，并結(jié)合船舶實時定位信息，判斷船舶與船舶、船舶與橋梁之間的安全行駛距離，對船舶行駛中可能出現(xiàn)的危險情況進(jìn)行實時預(yù)警，并針對單船繪制適合該船航行的路線，保證船舶行駛安全。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以作出適當(dāng)改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3