0 引　言

船舶的航行安全尤为重要，就必须对所处的航行环境进行全面分析，及时发现其中存在的危险隐患，通过改变航向等方法，规避风险，为航行安全提供保障^[1-3]。基于此，可依托虚拟现实技术，开发船舶航行环境仿真系统，用该系统帮助驾驶员辨识航道情况，给航行策略的制定提供依据。

1 船舶航行环境虚拟现实仿真系统框架 1.1 系统构建思路

在船舶中，二维电子海图的应用非常广泛，通过对各种抽象符号的运用，定义环境要素。由于二维电子海图无法展现船舶航行环境的真实面貌，使得船舶驾驶员应用二维电子海图识别航行风险、制定安全航行方针时，存在困难，不利于船舶航行安全性的提升。三维航行环境是除了船舶本身外其他的客观环境，在一些较为复杂的水域内，三维航行环境对于船舶安全航行尤为重要。因此，开发一种三维航行环境显示方式对船舶驾驶员的航行进行辅助显得尤为必要。船舶的航行环境中包含地理和水文气象环境，因这部分环境的空间形态具有多维性的特点，因此在船舶行驶的过程中需要加强这方面的关注。船舶航行环境虚拟现实仿真系统，能够依托虚拟现实技术的可视化功能，将与船舶航行环境相关的地形数据，全部表现在三维空间上，依托运动仿真，模拟真实场景，再现船舶的航行环境，从而使船舶的驾驶员能获取到更多对航行有用的信息。如航道的尺度、航道内浅滩及礁石所在的位置等^[4-6]。

1.2 航行环境数据库结构

船舶航行环境模型采用的是数据库管理方式，通过数据库可以对航行环境进行直接操作，数据库反映的是与真实环境相对应的虚拟环境细节。依托虚拟现实技术构建船舶航行环境模型前，要按照虚拟环境中，模型的关系及实体的空间位置，对航行环境中，实体模型的层次结构加以确定。与船舶三维航行环境相关的模型有船体模型、航道场景模型以及流场模型等。其中船体模型包括航行的船舶、停靠的船舶等；航道场景模型包括航道所在地的地形地貌、两岸的建筑物、助航设施以及天空远景等；流场模型包括不同水位期航道的数值流场。对于船舶航行环境虚拟现实仿真系统而言，三维对象的拓扑结构虽然复杂，但却并不是系统构建的关键，真正的重点是选择适宜的三维虚拟场景数据结构，为可视化目标的实现奠定基础。结合船舶航行环境的特点，可以采用树形结构，根节点可直接与组节点或是节点相连，其特点是便于操作和管理，当获取到根节点后，就能追踪到每个节点。操作组节点时，会对该组下的子节点产生一定程度的影响。树形结构的优化调整更加方便，可使输出的航行环境图像质量得到显著改善^[7-8]。

1.3 地形建模

在船舶航行环境虚拟现实仿真系统构建过程中，地形建模是较为重要的环节之一，地形除了涉及航道的地形外，还包含两岸的地形条件，这样才能组成一个相对完整的场景。与航行环境相关的物标均可在仿真系统中显示。构建地形模型时，可引入三维地形生成技术。

DEM是地面特征属性的数字化模型，该模型能够描述地面空间特征，该特征分布具有n维向量序列，表达式如下：

$ {{f}}=\{(x,y),P_1,P_2\cdots,P_n\} 。$

式中：（x，y）为地面某个点的二维坐标；P₁P₂…P_n为与二维坐标关联的地面特征信息，包括高程、坡度等地理要素。设地表类型为i，则DEM模型可用下式表达：

$ {{f}}=\{(x,y),p_i\} , $

式中：x和y为地面某点的平面坐标位置；P_i为相应点的高程值。其中x和y既可为大地经纬度坐标（投影前），也可为直角平面坐标（投影后），DEM是它的表达模型。

1.4 图像纹理校正

三维仿真中，要求地形图像的纹理具有较高的精度，这样能够提高图像的分辨率，对于不同的纹理图像而言，要选择不同的地面控制点。通常情况下，控制点应选择在如下位置处：标志明确、易于辨认等。为增强航行环境仿真模拟的真实感，要在模型中对物体做相应的处理，通过纹理技术，使模型的真实感达到照片级别，由此能够大幅增强视觉效果。

2 基于虚拟现实的三维实体模型构建 2.1 船舶仿真模型

在水面上的船舶处于正常航行状态时，因受到风浪等外力的作用，船舶会呈现为六自由度的运动状态，为对这种运动状态加以表现，要采用2种坐标系统，即第一坐标和第二坐标，前者为惯性坐标系统，后者为附体坐标系统。当以附体坐标系统作为参照系，对船舶的运动过程用刚体力学分析时，可将船体的运动视作为两部分运动叠加在一起后产生的效应，这两部分运动分别为平行运动和沿坐标系转动。用u、v和w表示船舶的前进、横移和垂荡速度，以V表示船舶中心的速度向量，则V为：

$ V=u+v+w \text{，} $

用p，q和r表示船舶的横摇角、纵摇角及首摇角的速度，以Ω表示船舶转动角的速度向量，则Ω可用下式描述：

$ \varOmega=p+q+r \text{。} $

船舶正常航行状态下的X-Y-Z方向三维受力分布图如图1所示。

2.2 静态三维模型

在船舶航行环境构建过程中，要建立静态三维模型，模型的质量直接关系到航行环境仿真系统的性能。这是因为三维静态模型是地形场景构建的前提和基础。确定实体模型时，物体的点线面是不可或缺的要素，同时还包括材质、纹理等.根据物体的构成情况，可以用相关的建模软件作为基本单元，以不同的操作方式，如旋转、变形等，对形状复杂的模型进行构建。制作船舶航行环境仿真系统时，需要用到几何形状完全相同的实体，最具代表性的是航标、码头等，在三维场景中，形状相同实体最大的差别在于位置、尺寸和方向不同，如果把所有实体模型全部存储起来，需要容量非常大的数据库，由此会导致内部存储资源浪费。为使这一问题得以解决，可在开发航行环境虚拟现实仿真系统时，利用三维场景化技术，实现在完全相同的三维模型只存储一个实例，借助矩阵将该模型安放在不同的位置，通过对模型进行相应的操作，如旋转、平移等，获得所需的实体模型。

3 基于虚拟现实的船舶航行环境仿真

在条件复杂的航行环境中，水位涨落会对船舶的航行造成一定影响，这是因为随着水的涨落，航道的形态会发生改变，通航水流随之变化。当航道内的水位下降时，浅滩和礁石会出现，若是船舶仍然按照之前的航线行驶，则可能导致搁浅或是触礁等情况，不利于船舶安全航行，各类事故的发生几率显著提高。船舶航行环境虚拟仿真系统能够为驾驶员提供某个区域内的航行辅助，选取一段长度为20 km的区域作为航行环境仿真对象，通过建模技术，构建流场及通航环境，据此开展仿真模拟分析。航道模型构建的过程中，为简化分析过程，假定其在某个时间段内航道状况固定不变，航道环境的主要影响因素为水位和水流变化。

3.1 航行视景仿真

船舶航行环境中的三维视景仿真，需要构建如下模型：三维地形、三维航道、船舶、助航设施、码头、岸上建筑物等。同时还要对以下数据收集：水域的DEM数据、卫星图片等，随后运用地形建模工具，建立DEM三角网，以卫星图片作为地形纹理，将之映射到三角网中，据此生成与航行环境相对应的三维地形及航道。在场景构建中，三维实体建模是重点，可先对地形地貌进行构建，以此作为基础，完成其他实体的几何建模。依托虚拟现实技术的可视化功能，将航行环境的三维视景逼真的模拟出来，利用虚拟现实技术的交互功能，进行显示和漫游等操控。

在航行环境中，地形文件的保存也非常重要，由航道地形和陆域地形组成。采用相应的算法，生成地形数据，在确保地形数据不丢失的前提下，提升地形显示的实时性。从航道图中，对用于仿真的航道空间属性数据加以提取，经投影变换后，配准到陆域地形中，这样便可以形成既包含航道信息，又包括陆域地形的综合性文件。

3.2 航道水流模拟

对选择的航道进行区域断面数据分析，在开展流速统计后得出的结果如图2所示。

由水流模拟分析可知，流态不良的水域多出现在上游位置处，水位低时，航道较宽，此时通航水流的条件比较好。对流场数值拟合分析后发现，航道断面流速分布的优化前后拟合曲线如图3所示。

经过迭代后，目标函数区域收敛，结果如图4所示，该仿真结果能够为船舶驾驶员在航道内航行时，提供参考。

在航道水流模拟的过程中，要全面收集航道水位、实测流量、航道CAD图等，构建相应的运动方程，以此来模拟河道流畅数值，进而得出简易的三维场景分布图。驾驶员运用模拟结构，能够对航行中的风险加以识别。不同状态下的航道水位变化曲线如图5所示。不同状态下的航道水流量变化曲线如图6所示。

3.3 仿真系统交互

在整个航行环境中，航道的水流数值对船舶航行的影响较大，因此，水流数值的模拟结果要在仿真系统中进行可视化。通过显示，使计算结果更加有利于表达，并将流场以更为直观的形式呈现在驾驶员眼前，为船舶的航行安全提供保障。水流数值模拟可以依托先进的程序语言，对数学模型进行编写，选用的是Fortran语言，作为一款功能强大的计算机编程语言，Fortran在流体力学方程解算中的执行效率非常高。

3.4 航行环境分析

对航道航行环境进行三维仿真模拟分析后，得出如下结果：航道内的水位处于较高程度时，航道条件比较好的区域为回水变动区，此时通航水流呈现出较好的条件。当水位降低后，部分航道变窄，浅滩出现，对通航水流条件造成影响；航道水位由高到低变化时，被高水位淹没的浅滩随着水位下降逐步显现，航道的弯曲度增大，水位下降时使水深变浅，给航道正常维护带来不便；水位从低向高变化时，露出水面的浅滩和礁石被水淹没，一些明礁变为暗礁，航道的宽度增加，完全半径变小，航道条件得到明显改善；当航道的水位变化比较频繁时，岸形会发生较大幅度的变化，船舶驾驶员通过系统呈现的可视化图像，可以对航行方法加以调整，把握船舶的转向时机，规避浅滩和礁石，避免碰撞事故的发生，提高船舶航行的安全性。

4 结　语

船舶航行要利用航行环境仿真系统提供的直观图像，辨别水位、水流等因素对航行操作的影响，从而为安全驾驶提供支撑。在航行环境仿真系统的构建中，虚拟现实技术的应用，使系统具备了可视化和交互功能，可以满足使用需要。