方案，对航海领域的高科技应用具有重要作用。
关键词：船舶三维导航系统;三维可视化;数据融合;Unity 3D
中图分类号：U666.11
文獻标识码：A
文章编号：2095-8412（2018）03-098-04
引言
随着信息化与工业化深度融合，GPS、AIS、电子海图、雷达和智能化等技术的应用，保障了航海安全、可靠、逐步实现自动化和智能化成为可能，也为船岸信息交互带来了极大的方便。
雷达是最主要的主动监控手段，其扫描结果实时性好、精确度高，但是无法判断扫描出来的船舶种类、型号、名称等具体属性[1]; AIS和卫星监控得到的是来自船舶的回传数据，较为准确，但需要船舶的配合，同时也受传输频率、信号衰减、物理盲区等因素的制约[2]。为了提高船舶监控力度和导航系统的安全性，相关人员必须结合各类监控信息的优势，互相佐证，达到监控系统整体性能的提升。
当前的船用导航与避碰设备都是基于二维平面的，与实际场景不相符。此外，传统多传感器系统易产生信息爆炸和信息拥堵，使操作员在联想转换的过程中容易发生信息迷茫。在这种情况下，本文关注船舶三维导航系统研究进展，关注了船岸信息互动的安全可靠问题。
1 船舶三维导航系统的组成
船舶三维导航系统包括船舶信息采集系统、船舶信息数据融合处理系统和船舶三维可视化系统，如图1所示。系统利用先进的信息化手段，为船舶提供更方便、更形象、更逼真的导航服务平台。
在船舶信息采集系统中，雷达、AIS等常规船用感知设备是重要的工具。数据采集模块将采集到的数据发到后台，船舶信息数据融合处理系统首先使用卡尔曼滤波方法对数据进行预处理，然后利用证据理论（推广的贝叶斯定理）对获取的多源异构数据进行融合[3-9]，以提出数据的交互方案。这一方案实现了数据类型的筛选、清洗和甄别，以较小的带宽进行数据的高效交互。最后，通过船舶三维可视化系统，以三维状态对航道和船舶进行呈现。
2
船舶三维导航系统的关键技术
2.1 信息交换和共享支撑平台
信息交换和共享支撑平台架构图如图2所示。中心方框内为系统数据服务中心，该中心获得航道图数据、海图数据、水文气象信息等，与各已建的业务系统进行数据共享、流转，实现高效管理和监控。中心负责数据交换、加密、传输标准和访问控制策略的定义，提供高效的数据传输和管理控制机制，从而实现各数据报文和文件的集成、共享和交换。本平台的建设既满足了当前的监测与服务需求，也考虑了平台的可扩展性和应变性（如图2中心方框以外所示）。
2.2 海量数据存储和处理技术
在船舶运行过程中，由于船舶数量众多，每一艘船舶都需要发送持续的AIS数据信号，产生持续的海量数据。在海量数据的实时处理过程中，若数据获取或传送不及时，在电子海图中显示出来的船舶位置信息将因滞后而不准确[10]，对于操作员而言，将无法查看船舶实时位置信息。
为解决上述问题，需要对船舶行驶过程中产生的实时状态数据进行实时采集并快速处理。本系统在实现过程中利用实时数据库技术，通过扩展现有数据库的查询语言，使得连续实时海量数据的连续存储和处理成为可能。
2.3 电子航道图管理和应用技术
系统需在电子航道图中显示船舶动态位置信息，并且在电子海图上快速更新所有船舶动态位置，使其具有大容量动态目标的显示跟踪能力。此外，系统需在电子航道图中添加水深等信息。
为解决上述问题，主要采用分层处理技术，即添加图层，利用OpenGL技术对海图物标数据进行渲染，再使用GTK消息机制对封装在STL中的数据进行分类，以实现基础、标准、全部显示三种模式。这一方案每次显示不同层次的电子航道图，减少了数据传输。
2.4 三维虚拟仿真技术
三维虚拟仿真技术的建立是一个系统工程。简单而言，整个工程可分成两部分，一是三维视景数据库的建立，二是高级优化平台的开发。为确保实时三维性能和交互性的逻辑关系，以及较快的响应速度，应采用实时三维视景数据库和优化工具平台（如MultiGenCreator、Vega等）构建模型，而不是采用普通的建模工具（如3DS MAX）。由三维视景管理系统实现数据库的各种调用、硬件资源的优化、各种效果的显示和各种操作的实现。
3 船舶三维导航系统搭建
3.1 三维仿真建模
船舶三维导航系统搭建的前提是三维仿真建模。建模采用Unity 3D，步骤如下：
（1）统一单位和比例;
（2）确定模型规范;
（3）确定材质贴图规范;
（4）确定贴图文件格式和尺寸;
（5）确定贴图材质应用规则;
（6）进行模型烘焙及导出;
（7）进行模型绑定及动画制作;
（8）再次进行模型导出;
（9）提交文件备份标准;
（10）进行项目命名。
以海河口部分区域为示范区，现场采集环境信息，对海河航道周围环境、典型地标建筑以及桥梁等作为对象进行三维仿真建模，如图3所示。
3.2 航道船只的识别与生成
雷达目标识别与处理系统通过软硬件的结合，利用C#编程语言、MySQL数据库实现多任务处理。通过多线程及线程间的通信，实现数据的实时通信和处理，实时以图形化界面显示雷达目标[11]，实现雷达目标数据的数据库存储。识别系统主要分为数据通信模块、雷达目标点迹航迹处理模块和显示存储模块。将识别的雷达数据传入Unity 3D中，Unity 3D再根据所得到的数据在系统中生成船只。
3.3 三维图层解析与显示
海图数据层显示系统通过SQL Server与Unity 3D的连接实现海底三维动态数据的可视化显示。用SQLServer接收數据，再利用Unity 3D读取数据进行本地解析，并直观地显示在用户界面。
以Unity 3D为建模工具，构建一个还原海底地形原貌的三维海底地形图层。构建出来的模型具有真实的三维立体感。根据所给的地形信息、海底环境信息等逐步构建示范区海底三维模型，然后生成坐标信息等地理数据信息，即完成了系统构建。
4 船舶三维导航系统测试
船舶三维导航系统建立完成后，对其进行测试。步骤与结果如下：
（1）系统待机。不做任何操作时，视角处于自由漫游状态，显示当时的船舶自身信息以及船舶外部环境信息，如航向、船长、船宽、吃水、水深、气象、障碍物分布等。
（2）航线设定。将出发点和目的地之间的航线进行手动设定，引导船舶按照航线行驶，如图4所示。
（3）可行性验证。对设定航线的可行性进行验证，检查航线中水深是否足够，并对水底形状进行显示，如图5所示。如果水深不够，会发出提醒。
（4）航行开始。实时对实际航线与设定航线进行比对，得到航向偏离与轨迹偏离，如图6所示。
（5）过程监控。航行过程中，实时显示船舶状态及航道状况，如船舶航向、航速、首向、与目的地的距离和预计到达时间，以及天气、风速、风向、水深等。此外，对桥梁等障碍物高亮显示，如图7所示。
测试结果表明，船舶三维导航系统成功将三维虚拟仿真等关键技术应用到船舶导航中。在系统中，实时展现了船舶信息，并具有航线设计、航线跟踪、障碍物显示等功能，具有较好的应用推广价值。
5 结束语
在信息化与工业化深度融合的背景下，本文将海量数据存储和处理、电子航道图管理和应用、三维虚拟仿真等关键技术应用到船舶导航中，建设了船舶三维导航系统。系统通过信息的场景重构，使得原本复杂的信息集中地展示在驾驶人员面前，达到了预期的系统集成效果。
参考文献
[1]Ma F- ChenY W， HuangZ C，et al.A novel approach of collisionassessment for coastal radar surveillance [J]. Reliability Engineering&System Safety， 2016， 155： 179-195
[2]陆悦铭，翟久刚船舶自动识别系统（AIS）的局限性和设计中的不足[C]∥中国航海学会2008年度学术交流会2008
[3]张延龙，王俊勇多传感器数据融合技术概述[J]舰船电子工程，2013， 33（2）： 41-44
[4]Girgis A A Application of Kalman filtering in computer relaying ofpower systems [J]. Power Apparatus& Systems IEEE Transactions，1981，PAS-100（7）： 3387-3397
[5]Girgis AA. A New Kalman Filtering Based Digital Distance Relay[J].IEEE Transactions on Poxver Apparatus& Systems， 1982， PAS-101（9）3471-3480
[6]于九祥.卡尔曼滤波技术在距离保护上的应用[J]电力系统保护与控制，1998（4）： 20-24
[7]Kalman R E A New Approach to Linear Filtering and PredictionProblems [J]. Joumal of Basic Engineering Transactions， 1960， 82： 35-45
[8]ShaferG A mathematical theory of evidence [M]. Princeton universitypress， 1976
[9]FrancisBA Convergence in the boundary layer for singularly perturbedequations[J]. Automatica， 1982， 18（1）： 57-62
[10]曹芳芳.基于海量数据的实时查询处理[D]武汉：武汉理工大学，2013
[11]Ma F， ChenY W Probabilistic Assessment ofVessel Collision Risk： AnEvidential Reasoning and Artificial Potential Field-Based Method [M]Intemational Series in Operations Research& Management Sciencebook series （ISOR， Volume 260）. 2018