0 引　言

目前很多大型远洋商用集装箱、散货船均已开发使用无人驾驶功能。2016年，国外研究机构提出无人驾驶船队远程监控控制构想，支持驾驶员远程监控船舶航行状态，并远程控制船舶航行^[1-3]。船舶航行状态远程监控的核心功能，是通过传感器感知船舶航行环境信息，并从空间、时间的角度全面显示。所以，船舶航行状态远程监控过程中，驾驶员对航行内容的认知特别关键。

周毅^[4]设计智能船舶船岸一体视频远程管理系统，此系统从视频监控效果优化角度，优化船舶远程监控视频流畅度，完成智能船舶船岸一体视频远程监控。但此系统的人机交互界面内容仅以视频、图像为主，不能提供航行状态的三维仿真可视化视觉效果。胡勤友^[5]研究基于AIS移动的海上船舶自动监控系统，此系统在交通繁忙海域中，可实现船舶连续式监控。但其系统侧重于监控信号传输方面的性能研究，针对航行状态监控内容的优化，仍需深入探究。

除此之外，当下很多船舶监控系统的研究，均以航行位置、航向监控为主，不能更为真实地显示船舶航行环境信息^[6]。为此，本文分析3D可视化设计在船舶航行状态监控系统中的应用，设计基于3D可视化的船舶航行状态监控系统，主要使用Unity3D 引擎，设计具备3D可视化能力的船舶航行状态监控系统，为驾驶员提供沉浸式、仿真式的人机交互界面场景服务，全面显示船舶的三维航行环境信息。

1 基于3D可视化的船舶航行状态监控系统 1.1 舰船航行状态监控系统结构

基于3D可视化的船舶航行状态监控系统结构如图1所示。系统结构分为传感、通信、数据融合、3D可视化显示模块，3D可视化显示模块用于显示电子海图、航行状态信息。数据融合处理模块收到多种传感器感知的导航数据后，对其进行融合、存储等管理。传感、通信模块分别用于感知船舶航行环境信息、监控信息传输。传感模块采集航行环境信息后，由以太网发送至数据融合处理模块，计算船舶碰撞风险度后，将航行状态信息，全方位显示于3D可视化显示模块的界面之中。

3D可视化显示模块主要使用Unity3D 软件完成航行场景三维设计，此软件属于一种具备增强现实能力的三维设计引擎。其使用交互式图形界面，打造船舶航行状态的三维式信息监控场景。图2为Unity3D 软件的功能结构框图。逻辑单元功能是管理船舶航行状态监控信息的逻辑关系。AI单元用于管理船舶航行状态监控场景的物体、角色，为用户提供沉浸式交互体验。持久性数据管理单元可管理多种航行状态数据，主要分为数据保存、数据更新管理。指导单元可在系统界面为用户提供操作提示。图形用户界面与渲染单元的功能分别是监控场景图形设计、场景像素与着色设计。

1.2 基于3D可视化设计的航行状态显示模型

当下常用的三维可视化引擎包含OpenGL、DIRECT3D、VRML 、JAVA3D图形库。此类3D引擎主要通过矩阵坐标转换的方式，完成可视化设计，此类转换也叫做集合管道、转换管道。为降低航行状态3D可视化显示的操作难度，本文采用3D可视化设计方法，转换模型仅包含模型空间设计、世界坐标系设计、投影面坐标系设计3种内容。3D可视化设计原理如图3所示。

船舶航行状态监控时，世界坐标系、投影面坐标系、投影中心分别为xyz、xoy、R。世界坐标系中实体点、投射线分别为 $ F $ 、视线 $ \sigma $ ， $ \sigma $ 为船舶航行状态视点 $ R $ 和实体点 $ F $ 之间连线， $ \sigma $ 和船舶航行状态投影面的交点设成 $ Q $ 。那么视线的直线方程为：

$ \left( {\begin{array}{*{20}{c}} x \\ y \\ z \end{array}} \right) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {x'} \\ {y'} \\ {z'} \end{array}} \right) + H\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {x'' - x'} \\ {y'' - y'} \\ {z'' - z'} \end{array}} \right) 。$

(1)

其中： $ \left( {x,y,z} \right) $ ， $ \left( {x',y',z'} \right) $ 分别为 $ Z $ 中某点坐标、 $ R $ 坐标； $ \left( {x'',y'',z''} \right) $ 为船舶航行状态监控的实体坐标； $ H $ 是常数。

设船舶航行状态监控时，视线、可视化设计投影面的交点位置是Q(x,y,z)，因投影面和 $ xoy $ 位置相同，这时 $ z = 0 $ ，则

$ 0 = z' + H\left( {z'' - z} \right)，$

(2)

$ H = \frac{{z'}}{{z' - z''}}，$

(3)

把式(2)、式(3)代入式(1)，则

$ x = \frac{{x'z'' - z'x''}}{{z'' - z'}}，$

(4)

$ y = \frac{{y'z'' - z'y''}}{{z'' - z'}} 。$

(5)

其中， $ y'' $ 为船舶航行状态监控时地物的伪高程。

基于2D矢量地图数据中，针对点状、线状、面状地物而言，设置 $ y'' = 0 $ ，则

$ x = \frac{{x'z'' - z'x''}}{{z'' - z'}}，$

(6)

$ y = \frac{{y'z''}}{{z'' - z'}}。$

(7)

针对 $ z $ 数值小于0的点，船舶航行状态投影过程中，均不处于投影面 $ xoy $ 之内，因此，透视投影之前必须将其裁剪。此处理在删除 $ z $ 数值小于0的点时，会同时删除 $ z < z' $ (视点位置)、 $ z = z' $ (视点后端)的点。3D转换时，使用式(4)、式(5)可完成航行环境的三维转换，打造体视效果。使用式(6)式(7)转换点状、线状、面状地物。透视投影转换时，调节视点R(x,y,z)坐标，能够变换船舶航行状态3D场景的俯视角度。

1.3 舰船航行状态碰撞风险可视化处理方法

为保证船舶航行状态不出现危险，首先运算船舶航行状态碰撞风险度，把船舶航行状态碰撞风险度计算结果，以三维可视化的方式，从时间变化、空间变化的角度，动态呈现于操作界面中。船舶航行状态碰撞风险可视化处理方法的运行流程如图4所示。此模型能够动态运算船舶碰撞风险度，运算过程中，需要运算船舶附近船舶的会遇距离最小值、会遇时间最小值，并结合经纬度地理坐标，运算所监控船舶与附近障碍物的距离，构建风险度运算模型，系统根据风险度的警示颜色，对航行信息进行颜色处理，展示船舶的三维航行状态。

2 结果与分析

以表1所示的船舶作为实验对象。

船舶航行状态监控画面效果如图5所示。从图5可知，本文系统可由3D可视化设计的方式，全面显示船舶的三维航行环境信息。可直接在此界面进行远程式航行状态监控，且航行环境信息清晰可见。

测试本文系统利用基于3D可视化设计的航行状态地图显示模型，打造船舶航行状态地图3D显示效果时的操作速度，设置航行状态地图显示比例尺分别是1:5000、1:10000、1:15000、1:20000，测试本文系统对不同比例尺的地物可视化速度，结果如表2所示。从表2可知，航行状态地图显示比例尺逐渐增大时，本文系统利用基于3D可视化设计的航行状态显示模型，打造船舶航行状态3D显示效果时，操作速度逐渐变慢，由此可知，船舶航行状态3D显示效果的设计，与投影对象存在直接联系，但在实验测试中，船舶航行状态地图比例尺为1∶20000时，本文系统对地物可视化操作的耗时均值仅有561 ms，操作速度较快。

为深度测试本文系统的应用优势，以表3所示的2种障碍物为例，使用本文系统，计算船舶航行状态监控时碰撞风险度。

设置表3所示的2种障碍物，测试本文系统在监控船舶航行状态时防碰撞效果。首先计算2种障碍物与所监控船舶目标之间会遇距离、会遇时间，并结合经纬度地理坐标，运算所监控船舶与附近障碍物的距离，从而计算碰撞风险度。计算结果如表4所示。从表4可知，本文实验所监控船舶目标与障碍物之间的碰撞风险度，随着航行时间增长，风险度数值逐渐增大，表示碰撞的概率增大。

测试本文系统使用3D可视化设计前后，船舶航行状态变化，结果如图6所示。从图6可知，本文系统使用3D可视化设计前，船舶仅航行至位置(8 km，3 km)，便因障碍物碰撞问题结束航行。本文系统使用3D可视化设计后，船舶正常运行至终点。这是因为这本文系统能够将船舶航行的碰撞风险度信息，以3D可视化的状态呈现，及时全面地显示预警信息，从而协助船舶避障，优化船舶的航行状态监控效果。

3 结　语

基于3D可视化的船舶航行状态监控系统全面、立体展示了船舶航行状态监控信息，并标注船舶航行状态的碰撞风险信息，为实现船舶航行状态监控提供有力支持，及时全面地显示预警信息。