湄洲湾LNG船监管方案仿真系统设计与实现

1、湄洲湾LNG船舶监管方案仿真系统设计与实现周世波 熊振南（集美大学航海学院，福建 厦门 ）摘 要：为保障LNG船舶到港航行安全，利用地理信息系统、虚拟现实等技术构建LNG船舶监管方案仿真系统，该系统借助GIS、VR等手段采集基础数据，构建湄洲湾三维地形和船舶、助航设施等三维模型，并基于MFC构架利用Vega驱动三维场景和模型。海事监管部门可在系统中制定、演练LNG船舶监管方案，并根据模拟演练效果找出方案中的不足，进行调整和优化。实际应用表明，LNG实际监管过程和仿真过程基本一致，该系统为LNG船舶监管方案的优化和实施提供了科学的辅助和支持。关键词：LNG船舶；三维仿真系统；水路运输；系统设计中

2、图分类号：U661.33 文献标识码：ADesign and Implementation of Simulation SupervisionSystem for LNG Vessels Navigating in Mei Zhou WanZhou Shibo, Xiong Zhennan(Navigation Institute, Jimei University, Xiamen Fujian , China)Abstract: In order to ensure navigation safety of LNG vessels, the constructing measure of s

3、imulation supervision system for LNG vessels is set up by means of geographical information system (GIS ) and virtual reality(VR). Basic data is aquired by GIS and VR to constructerd terrain, ships, navigation-aid equipments 3D models which are drived by Vega based on MFC frame. Marine officers can

4、frame,drill, adjust and optimize the supervision measure previous designed through the system. The application result shows that the suopervision process of actual and simulation was almost identiacl and the simulation system provides scientific assistant and support for designing and implementating

5、 the supervision measure. Key Words: LNG vessel; simulation system; waterway transpartation; system design0 引 言湄洲湾北岸莆田秀屿港区的LNG码头属于福建LNG接收站的配套工程，是我国第二个投入使用的LNG码头。LNG船舶由湄洲湾航道经入LNG码头，航道两侧散布着许多大小岛屿和暗礁，涨落潮时流速较大，最大可达3.5节，并且夏、冬两季风力较大，船舶在航道内航行受风、流影响大，操纵比较困难。为保障LNG船舶的航行安全，海事监管部门必须针对LNG船舶的特点，制定详细的通航安全监管措施，确保船

6、舶航行和靠离泊作业的安全。因此，构建“湄洲湾LNG船舶监管方案仿真系统”，以模拟试验来代替实际监管方案的演练，降低经济成本和实际演练的风险，并且在试验过程中不断优化监管方案，为LNG船舶监管提供强有力的、科学的辅助支持。本文结合“湄洲湾LNG船舶监管方案仿真系统”的研究与开发，提出利用GIS、VR和数据库管理系统（DBMS）等技术构建系统，并探讨了GIS、VR和DBMS等技术在船舶监管方案制定中的应用。1 系统结构和功能设计系统的建设目标是以GIS、VR和DBMS等技术为手段，建设LNG船舶监管方案仿真系统，验证监管方案的可操作性，并且通过在三维仿真系统上对监管方案的演练，找出设计监管方案中的

7、不足，进一步改进和优化，不断在演练中调整监管方案，为LNG船舶安全进港监管提供方案制定、分析和评价提供强有力的辅助决策平台，从而提高工作效率，减少实际演练的费用和风险，强化安全监管水平。系统的逻辑结构如图1所示。图1 系统逻辑结构图根据LNG船舶监管的实际需要，系统实现的主要功能如下：（1）监管方案设计：利用湄洲湾水域遥感影像数据、水工设施设计CAD数据以及湄洲湾水域电子海图、码头及岸上建筑物现场图片等数据，创建湄洲湾水域三维地形场景，并叠加码头、助航设施、岸上建筑物等三维模型，搭建湄洲湾虚拟三维场景。监管方案设计人员可在三维场景中根据需要进行浏览、数据查询等操作，并可以根据湄洲湾航道、锚地、

8、助航设施以及碍航物等具体位置和分布特点，设计LNG船舶进出港航线，在航行环境比较复杂的水域配布监管海巡艇等监管设施。（2）监管方案演练：根据事先制定的监管方案，在三维场景中模拟LNG船舶进出港和靠离码头的航行监管过程，包括海巡艇的配置、清障船的活动、目标船舶的航行、拖轮的应用等。并且实现自动报警功能，如在富裕水深小于设定的值、偏航角超过预定的角度、其他物标距离本船太近等情况时，自动给出声光报警。（3）水文气象设置：监管方案设计人员可根据需要或实际情况，设置LNG船舶进出港时的航行环境，主要包括风况、流况、能见度情况，、潮汐以及船舶进出港的时间等自然环境条件。（4）分析和评估：监管方案的演练过程

9、可以在系统中保存下来，并进行回放。保存的数据包括LNG船舶的轨迹、船速、航向、车舵使用情况以及船舶与危险物标或者事先设置物标船的最近距离等。通过回放LNG船舶轨迹并分析这些数据，可以找出监管方案设计中的不足和缺陷，对监管方案的效果进行评估，并做经一步的调整和优化。2 系统实现与运用2.1 总体技术路线根据系统建设的功能要求，确定系统建设的技术路线是运用GIS、VR、DBMS等先进技术，结合船舶操纵和避碰等相关专业知识，构建湄洲湾LNG船舶监管方案仿真系统。在系统建设时，首先利用ARCGIS、PCI等专业GIS和遥感影像数据处理软件，进行数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DOM)数据处理，建

10、立湄洲湾水域基础地形数据。然后进行水利工程、码头、建筑物等地类数据的处理，这些数据经过优化后，选用Mutigen Creator三维建模工具创建湄洲湾三维场景。在构建好的三维场景中，集成水文气象、船舶、助航设施、码头等数据和监管方案，实现船舶动态、水文气象、助航信息等数据在三维仿真系统中的实时关联。场景驱动采用VEGA3.7平台开发，实现三维场景中的漫游、查询、航行过程的记录和回放、监管方案设计演练和报警等功能1。2.2 三维场景的构建Creator是MultiGen-Paradigm公司推出的高逼真度、最佳优化的实时三维建模工具，因此本系统选用此软件对湄洲湾的地形屿、港湾、船舶、助航设施等三

11、维物体进行建模。建模时采用层次结构视图、纹理映射、层次细节、实例化等技术。层次结构视图使数据库模型非常直观、逻辑层次分明，方便了建模工作；纹理映射技术不仅可以大大减少渲染的多边形数目，而且在某种程度上可增强模型的真实性；层次细节技术可以减少渲染的多边形数目，以提高场景的渲染速度；实例化技术可以减少模型占用的磁盘空间，从而提高运算速度23，其建模的基本流程如图2所示。图2 三维建模基本流程根据以上三维建模流程和相关地形、船舶以及助航设施等数据，构建湄洲湾三维真实感场景，图3所示即为首航湄洲湾的LNG船舶“SERIALAM”的三维模型和湄洲湾秀屿LNG码头及其附近三维地形。图3 三维模型实例2.3

12、模型数据库的优化和处理三维仿真系统运行是否流畅的一个重要标准是人机交互响应的能力，当交互响应达到实时时，在视觉上就表现为场景随交互过程而连续平滑地变化。当交互响应有明显延时时，在视觉上就表现为场景的停滞和抖动变化。显然，影响交互能力的因素除了计算机硬件对于场景数据处理和显示的性能外，还与模型数据的组织结构以及场景的数据量有关。在系统构建过程中，由于湄洲湾水域面积大，码头和沿岸建筑物多，因此，构建三维模型的基础数据量大。在系统实现时，数据的简化和处理是保证系统运行流畅的重要一环，所以必须对海量的数据进行优化组织和简化处理。（1）优化模型数据库的层级结构 在构建湄洲湾三维场景时，使用Creator

13、创建OpenFlight格式三维模型构成该区域的场景，这些模型按照一定的层级结构组织各种节点描述和存储场景信息。所以，模型数据库中节点的层级结构组织方式对系统的实时应用性能有很大的影响。常用的模型数据的层级组织形式有三种方式：线性结构把所有构成场景的节点都做为一个单独组节点的子节点，整个模型数据库只有一个组节点；逻辑结构构成场景的所有节点按照某种逻辑规则分类，将他们分别放置在相应的逻辑组节点下；空间结构根据模型在场景中的具体位置来组织节点。若采用线性结构，由于所有的节点在同一个组节点下，系统在渲染模型时需要依次检测各个节点是否在当前可视范围之内，数据量大时速度较慢；若采逻辑结构，由于系统中船舶

14、、助航设施、码头等分布是随机的，按照模型的类型分组之后，系统在渲染模型时还是必须对每组下的每个节点进行遍历，判断他们是否在当前的可视范围之内；空间结构是这三种方式中最优的，渲染模型时，只需要对指定区域的节点进行遍历，判断其是否在当前可视范围之内4。根据以上模型数据组织结构的优缺点，系统在组织数据时采用逻辑结构结合空间结构的组织方式，将湄洲湾水域分为16个小的区域，在每个区域内，按照模型的类型将模型分为地形、助航设施、码头及其附属建筑物、岸上建筑物、船舶、其他六类，以加快系统处理的速度。（2）减少模型数据量4为减少系统的数据量，加快系统的运行速度，采用了两种方法：使用LOD（Levels of

15、Detail，细节层次）技术和用纹理取代模型细节。LOD是一组代表三维模型数据库中同一物体而又具有不同的细节程度的模型对象，不同细节程度版本模型的多边形复杂程度也不一样，细节程度越高的模型对象所包含的多边形数量也越多。系统运行时，以当前视点到到所包含区域中心点距离作为切换依据，对场景中的不同物体或者物体的不同部分，采用不同的细节描述方式，减少实时渲染的开销，有效增加仿真系统的绘制效率和视觉效果。在不增加更多三角形的情况下，使用纹理可以从视觉上极大丰富模型的细节，特别对于一些比较方正的物体，在构成物体模型的每个面上映射适当的纹理后，建筑物就显得比较真实了。此外，三维模型中一些多孔洞的模型，例如船

16、舶甲板上的栏杆等，可以使用带透明通道的纹理映射到相应的多边形上来实现， 这样就可以很好地模拟这些物体的视觉效果，同时又节省了大量的三角形的数量。2.4 三维场景的显示各个三维模型建好后，是一个个单独的文件，要建立三维船舶航行场景，需要动态地调用这些模型，把它们加入到场景中相应的位置上，并控制模型或视点按指定方式运动。另外，要把三维场景投影到二维平面上，才能在平面显示器显示出来，这要经过一系列的三维变换。在三维场景中生成一张视图的过程类似于照相机对物体拍照。每个模型建立时有它自己的一个坐标系，称为模型坐标；把模型放入场景时，经过模型变换，每个模型的坐标变为整个场景的世界坐标；通过观察映射，模型的

17、坐标变为观察坐标；按某种投影方式将模型投影到二维观察平面上，模型的坐标变为投影坐标；最后经过工作站变换，把投影坐标变换为显示器的设备坐标。图4表明了一般的三维变换流程图2。图4 三维变换流程图2.5 三维场景的驱动和应用系统采用Vega3.7平台结合MFC实现三维场景和模型的驱动。Vega是美国Multigen Paradim公司用于实时视景仿真及其它可视化领域的应用软件工具，它将易用的工具和高级仿真功能巧妙地结合起来，使用户以简单的操作迅速创建、编辑和运行复杂的仿真应用程序。Visual C+60的MFC包含了强大的窗口和事件管理函数，已经成为Vega的主要工作平台。结合两者的优点，系统三维

18、场景驱动流程如图5所示5。图5 仿真程序流程图在三维场景驱动过程中，三维物体之间的碰撞检测对于增强三维场景的沉浸感和真实感致关重要。系统采用轴向包围盒AABB(axis a 1igned bounding boxes)检测算法来实现碰撞检测。一个物体的AABB被定义为包含该碰撞体、各边平行于坐标轴的最小六面体。因此，描述一个AABB，仅需六个标量。构造AABB时，需沿物体局部坐标系的轴向(X，Y，Z)构造，即所有的AABB具有一致的方向。两个AABB间的相交测试比较简单，采用投影区间测试的方法，仅当它们在三个坐标轴上的投影区间均相交时，两个AABB才相交。由于AABB是由物体的六个最大最小值确

19、定的，因此，AABB问的相交测试最多只需6次比较运算即可67。其计算流程如图6所示。图6 碰撞检测流程图7是根据LNG船舶航行安全监管要求在系统上模拟实现的LNG船舶航行监管仿真示意图，在仿真过程中，湄洲湾的地形、LNG船舶、助泊拖轮、监管海巡艇的配置等都严格按照湄洲湾的实际情况和泉州海事局现有的监管设施进行设置。图8是首艘靠泊湄洲湾LNG码头船舶“SERIALAM”驶进湄洲湾水域，安全靠码头实景和三维仿真效果对比图，对该船舶从湄洲湾LNG锚地到靠泊的整个监管过程，都严格按照在仿真系统上演练并最终确定下来的监管方案进行，船舶实际航行和仿真效果基本一致。图7 监管方案仿真示意图图8 LNG船舶靠泊实景和仿真效果对比3 结 语船舶航行安全的监管是海事监管的重要内容，本文针对湄洲湾LNG船舶监管的实际需求，借助GIS、VR等技术建立了湄洲湾的三维地形，实现了LNG船舶航行监管方案仿真系统，LNG船舶实际靠泊的成功表明，该系统为LNG船舶监管方案的制定和实施提供了科学的辅助和支持，由此确定的监管方案符合LNG船舶航行安全监管要求。