多体系协同集成的智能航运关键技术研究——“十二五”国家科技支撑计划课题成果

2017-05-24

截至2014年底，我国内河航道通航总里程达到12.63万公里，内河航运网已经形成。但由于通航任务繁重，水情复杂，对通航管理造成了很大压力，致使水运效率低下，水运事故时有发生，严重威胁船舶航行安全。在保障船舶安全、提高航运效率方面，当前虽然有二维电子航道图、航标系统、GPS/AIS系统以及各类通航水流数学模型等导航助航设施和系统，但由于缺乏对通航水流条件与航道情况的实时详细的了解掌控以及临跨江建筑物造成的视线遮挡碍航等问题，在水流条件复杂的陌生航段仍存在很大的安全隐患。

由华北电力大学承担完成的“十二五”国家科技支撑计划课题“多体系协同集成的智能航运关键技术研究”，通过对多体系协同集成的智能航运关键技术的科技攻关和技术创新，形成了三维数字航道构建关键技术、水动力学并行计算与显示关键技术，开发了智能航道综合仿真平台。基于课题研究工作，获得“船舶适航预警系统”（专利号：ZL201520367181.1）实用新型专利。获得“三维数字航道综合仿真系统V1.0”（登记号：2015SR080698）、“三维数字航道预警系统V1.0”（登记号：2015SR080870）、“三维数字航道信息管理系统V1.0”（登记号：2015SR080695）、“二维流场可视化系统V1.0”（登记号：2013SR088534）等7项软件著作权。发表科技论文28篇，其中SCI收录论文10篇，出版专著1部。培养研究生10名。

一、三维数字航道平台

基于虚拟现实技术、网络数据库技术、二维水动力学模型与GPS定位技术，开发了三维数字航道平台。（1）实现了航道要素三维可视化，包括航道内地形、水深分布、航标灯塔等助航设施以及跨江桥梁、港口码头、两岸地形与标志性建筑物、地名信息标注等。（2）提供了实时详细的通航水流状况，平台通过集成水情信息采集模块与二维水动力学并行计算模型，获取了当前上游来流情况下航道内实时的水深与流速分布状况，为船舶通航提供详细的水流条件信息。（3）结合详细的通航水流信息、通航规范与GPS定位技术提供航运预警功能，通过设置虚拟航标提高通航效率；根据船舶参数与装载情况，从航道水深、航道宽度、航道曲率半径、桥区航段跨河建筑物及通航流速分布等方面计算分析船舶适航范围；通过虚拟航标区分不同的通航区域，使各类船舶可以各行其道，充分利用航道资源。平台开发的目的在于提高通航预警能力与通航效率，可以为不同特性船舶通航提供导航预警，同时为通航管理提供三维可视化管理平台，提高航道管理智能化水平与通航效率。

平台在二维电子航道图基础上应用三维可视化技术，建立了三维数字航道模型，提高了电子航道图的易读性，可以缩短培训周期，易于推广使用；通过三维视通分析可以有效模拟船舶航行中视线遮挡问题，有利于分析发现临跨江建筑物视线遮挡碍航问题，从而指导关键航段航标设置，增强船舶会遇安全度。

在以水深分布与航标显示为主的导航系统基础上，通过监测与并行计算技术，增加了航道内实时详细的水深与流场分布信息，并针对船舶特定的船舶参数、装载情况与定位信息，提供船舶适航范围与预警信息，可以提高复杂水流条件下陌生航段船舶航行安全度，同时提高夜航或能见度不佳条件下的航行安全，增加航运效益。

航道管理部门可以根据平台提供的实时通航水流情况与水流预测结果，快速动态地划分航行区域，使不同船舶各行其道，从而充分利用航道资源，提高通航效率，促进航道资源的精细化管理。

二、水动力学并行计算体系

为实现基于实时水动力学模型计算的航运预警功能，建立了江津至重庆河段二维水动力学模型、三峡与葛洲坝河段二维水动力学模型，对通航水流条件进行模拟。分别采用共享内存模式（OpenMP）和GPU模式（OpenACC）对水动力学模型进行了改进，实现了并行算法，并对并行计算实现方案进行了对比研究。结果表明，模型计算量越大模型的加速效果越明显、性能越优异；实现的两种并行模式均具有较好的可扩展性。基于共享内存技术实现数学模型在多核处理器上的并行计算，加速比随着计算核心数量的增加而提升，能够充分利用已有的计算机硬件资源，建模过程简单、高效，使通航水流条件的实时模拟成为可能。建立的并行计算模型在20核的计算机上获得了17.8的加速比，结合水流模拟方案库建设，可以更进一步提高通航水流模拟效率，解决了二维水动力数学模型在通航水流条件模拟预警中计算时间过长的问题。

通航水流的高速模拟一方面可以为极端水文条件或应急事件下的船舶通航提供及时的预警与详细的水流条件辅助导航，另一方面特定船舶可以根据详细水流条件有针对性地选择相应的安全区域航行，从而进一步增强通航安全性，提高航道利用率。该成果在单机多核计算机上实现了较好的并行计算方法，具有较好的可移植性和效率，可以应用于河道水流模拟的相关领域。

三、基于实时水流条件的通航预警与管理技术

从航道水深、航道宽度、航道曲率半径、桥区航段跨河建筑物、航道流速分布等几个方面探讨了内河船舶通航的影响因素，开发了定量化通航水流条件预警计算模块。在航运预警技术方面，平台通过获取监测站点的水情信息，采用二维水动力学模型对航道通航水流条件进行模拟，获取当前水情状态下的水深、流速等水流条件；根据特定船舶的船舶参数与装载情况，计算分析船舶适航区域，并结合船舶实时定位信息，为船舶提供实时预警。对基于GPS的船舶定位信息获取、传输、存储等技术进行了研究，将船舶实时位置坐标存储于后台数据库系统用于船舶监控，通过计算分析区域内船舶间的空间位置关系，结合水流条件，辅助实现安全会船。平台提供了航道水深分布图、流速分布图、适航区域分布图等图形显示模式，直观动态地显示通航水流条件与适航范围。基于实时航道水流信息的监测与模拟，通过分析计算不同船舶安全通航对水流条件的要求，采用设置虚拟航标的管理模式，可以有效提高航道的通航能力，使长江航道维护管理与运营更为高效与智能。

四、电子航道图的生产与发布方法

提出了基于数据交换共享平台的内河电子航道图生产与发布流程以及基于数据交换共享平台的电子航道图生产模式，以便跨行业跨部门协同作业，提高内河电子航道图的生产效率。基于IHO S-57标准，在EPS软件平台基础上，利用VBScript语言开发了针对内河电子航道图生产的脚本工具，以提高测绘数据的处理效率和规范性。利用上述工具，生产出了示范航道电子航道图产品。按照IHO S-63标准以及长江电子航道图数据保护规范（CJ-63），研究了适合我国内河航运特点的电子航道图数据保护及发布方案，提出了我国内河电子航道图数据保护方案。电子航道图的发布主要体现了数据服务方和数据客户之间的交互过程，因此，结合航道图数据保护方案的要求，数据发布主要完成三大功能：（1）用户管理，以便数据服务方获取用户的用户权证，并进行验证；（2）数据交换平台建设，便于数据的统建共享；（3）数据发布实现，以便数据服务方加密电子航道图数据和创建单元权证，提供给数据客户。整个发布过程符合国家保密规定，遵循相关的政策法规和标准规范，做到数据的安全发布。

五、三维数字航道建模与水流动态可视化方法

解决了三维数字航道构建中的关键技术问题，完成了长江上游航段的三维数字航道建模与可视化工作。从航道影像、航道地形、航道内外建筑物以及船舶模型等方面进行了三维数字航道构建技术的研究与探讨，重点研究了影像数据、地形数据与地物数据的获取、处理与优化方法，提出了海量数据切片处理与存储的方式，解决了建模过程中海量数据实时载入与渲染效率等关键环节的问题。建立了长江上游（三峡大坝以上）的航道地理环境，重点构建了江津至重庆航段为示范段的三维数字航道模型，实现了航道内外多种信息的融合显示。

研究了粒子系统动态模拟法和基于纹理的流场模拟法两种水流模拟方法，在粒子系统模拟法中有效地解决了粒子分布不均匀的问题。基于VisualC++和OpenSceneGraph开发了基于纹理的流场动态可视化模块，实现了流场数据坐标转换、网格变形与背景图像映射绘制、噪声图像生成与融合、标量场颜色绘制等关键技术。将开发模块集成到三维数字航道平台中，用以显示流场分布与动态变化过程。所开发流场可视化模块的数据适应性好，为流场动态可视化提供了实用的工具模块，可应用于流场动态显示的多个领域。

相对二维系统而言，三维系统最大的优势在于信息量更丰富、更直观，省去了二维系统符号解读的问题，易于掌握。另外三维系统具有高度信息，可以采用多种视角观察场景，可以观察由于视线遮挡所引起的船舶驾驶问题。将流场科学可视化与三维数字航道相结合，解决了航道中详细水流信息的动态直观表达问题，有利于船舶驾驶员全面了解通航水流条件。

六、成果推广应用

项目研究成果应用于长江干线数字航道兰家沱至鳊鱼溪段建设工程、三峡与葛洲坝两坝间通航管理中，为数字航道建设提供了重要的技术支撑。智能航道综合仿真平台的应用可以降低航运事故风险，充分利用航道资源，提升通航效率。项目研究成果为保障长江黄金水道的通航能力提供了技术支撑，对长江经济带建设具有积极的推动作用，将产生巨大的社会效益与经济效益。

随着我国船舶数量和水域交通密度的不断增加，通航任务繁重，通航安全监管的压力很大，急需通过智能航运关键技术研究提高通航安全监管能力，提升航运效率，因此，该项目实施后所形成的关键技术与智能航道综合仿真平台具有广阔的推广应用前景。