基于OGRE的三维内河航行仿真中船舶碰撞检测方法

摘要

本发明涉及一种基于OGRE的三维内河航行仿真中船舶碰撞检测方法，该方法包括：基于真实内河的河道数据使用特定点提取方法提取离散数据并转换，实现地形建模，构建三维河床漫游仿真系统；在所述三维河床漫游仿真系统下实现船舶与船舶间碰撞的检测方法，实现船舶之间的碰撞预警；在所述三维河床漫游仿真系统下实现船舶与河底碰撞的检测方法，实现船舶的搁浅预警。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶碰撞的检测，具体地指一种基于OGRE的三维内河航行 仿真中船舶碰撞检测方法。

背景技术

随着内河航运的发展，内河运输具有低成本的特性，船舶数量日益增 多，吨位日益增大与速度的提升，船舶在航行状态则会有船舶的碰撞 ，现实内河河道中经常出现重大交通事故，船舶的碰撞事故不仅给国 家与个人带来巨大的经济损失。此外，由于内河运输航线是在大江的 主线上面，大江同时也是居民用水的主要来源，所以发生碰撞事故对 水质的影响直接威胁到城镇居民的饮水安全。

内河三维船舶航行仿真系统中场景的是由河床地形、河水平面、航行 的船舶以及岸边树木与建筑物所组成。随着虚拟现实技术的发展，碰 撞检测成为一个热点的研究领域。碰撞检测是指一对或者一组物体在 给定时刻内是否占有相同的区域。其在三维仿真系统中碰撞检测的实 时性与精确性是至关重要的二个因素。如何使船舶避碰或者减少碰撞 事故是国家十分关注的问题，同时结合内河通航的特殊性，所以急需 要一种将OGRE（Object-Oriented Graphics Rendering Engine，  面向对象图形渲染引擎）中三维仿真技术与实际避碰规则、算法相 结合，构造出基于OGRE对于内河船舶航行的避碰算法。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供一种基于OGRE的三维内河航行 仿真中船舶碰撞检测方法，该方法能够将内河通航中船舶与船舶之间 碰 撞检测和船舶与航道河床碰撞（搁浅）检测的三维可视化仿真。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种基于OGRE的三维内河航行仿 真中船舶碰撞检测方法，包括：

（1）基于真实内河的河道数据提取离散数据并转换为网格数据，通过 所述网格数据实现地形建模，并结合地形模型构建三维河床漫游仿真 系统；

（2）在所述三维河床漫游仿真系统下通过船舶与船舶间碰撞的检测， 实现船舶之间的碰撞预警；

（3）在所述三维河床漫游仿真系统下通过船舶与河底碰撞的检测，实 现船舶的搁浅预警。

在上述技术方案中，步骤（1）具体包括：

（1-1）选用内河河道的CAD数据作为DEM数据源，所述CAD数据为*.dw g格式的数据，将所述.dwg格式的数据向*.dxf格式数据转换，然后根 据DXF文件规则使用数据点提取算法提取高程点坐标，得到离散点数据 ，使用离散点插值方法surfit得到规则网格GRID数据，进而转换得到 高位图数据，通过镜像处理得到最终高位图数据以及地形高程灰度图 ；

（1-2）利用OGRE渲染引擎框架读入所述地形高程灰度图，根据构建的 地形模型，使用OGRE中地形场景管理器对所述地形高程灰度图和地形 纹理、细节纹理进行确定与着色，设置所述地形高程图边长大小为2ⁿ+1的正方形，实现地形建模。

在上述技术方案中，步骤（２）具体包括：

（2-1）基于遗传算法选择最佳避碰路径建立船舶与船舶间碰撞检测方 法，使用随机搜索过程，得到全部最优解，从而确定最优化的避碰路 径；

（2-2）使用包装盒查询来模拟船舶领域，设定航行船舶的优先级，对 航行船舶设定包装盒查询，然后利用返回的查询结果集来判定本船是 否与其它船有达到危险的邻域，若达到了危险的邻域，则触发船舶根 据优先级采取不同的动作，对处于危险距离的船舶进行转向或者减速 从而达到避碰的效果。

在上述技术方案中，步骤（3）具体包括：

（3-1）根据实际航行条件设定一个报警水深，采用球体查询，球心设 在 船头，通过球体查询返回与河床的触点，算出前面路径中水深的平均 值，当前方航道达到需要报警的水深时，利用以下公式计算出船舶所 处位置到离搁浅的时间并显示：

t =davg/sdown

式中，davg 是船头球心位置距离河床的水深的平均值，sdown是单位 时间内船舶离河床距离的下降米数；

（3-2）使用球体查询，先在船头设置球心的位置与球的半径，再执行 球体查询，最后得到返回的查询结果集，对结果集中的值进行求平均 值，即是前方航道的水深。

本发明方法的优点，本发明方法可以在根据真实数据构建三维河床漫 游系统的基础上，合理选择最佳避碰路径实现船舶之间的碰撞预警， 用包装盒查询方法模拟领域使用球体查询实现船舶的搁浅预警。此外 ，本方法应用于三维内河仿真中，将遗传算法和内河通航规则相结合 ，使用球体查询模拟实际船舶搁浅判断方法，可以在PC机上三维仿真 中有效实现船舶碰撞的检测。

附图说明

图1为本发明基于OGRE的三维内河航行仿真中船舶碰撞检测方法流程图 ；

图2为建立船舶与船舶间碰撞检测方法的流程图；

图3为图1中根据DXF文件规则使用特定点提取流程图；

图4为图1中船舶碰撞检测时处理本船动作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。 

如图1所示，基于OGRE的三维内河航行仿真中船舶碰撞检测方法包括以 下步骤：

步骤S100、将原始的dwg格式的内河河道CAD数据信息作为DEM （Digital Elevation Model，数字高程模型)数据源，转换为dxf格 式数据信息，根据DXF文件规则使用数据点提取算法提取相应点的x,y 坐标以及高程数据，得到离散的数据信息，使用离散点插值方法surf it得到规则网格GRID数据，并转换得到高位图数据，通过镜像处理得 到最终高位图数据以及地形高程灰度图。 

本实施例中内河河道CAD数据信息为现有的河道地形数据，如《河道地 形数据GIS入库方法》（水利水电科技进展，第30卷第2期 2010年4月 ）中所用的河道地形数据。步骤S200、使用OGRE中地形场景管理器对 高程灰度图和地形纹理、细节纹理进行读取确定与着色，设置高程图 边长大小为2ⁿ+1的正方形，实现三维地形的快速建模，并通过在OGRE 中加载地形得到构建三维河床漫游仿真系统。

步骤S300、在上述构建三维河床漫游仿真系统下建立船舶与船舶间碰 撞检测方法。如图2所示，具体包括以下两个步骤：

步骤S301、基于遗传算法选择最佳避碰路径，使用随机搜索过程，得 到全部最优解。最初开始随机产生初始的避碰路径，当遗传代数没有 达到最大值时，进行选择、交叉、变异的进化过程，并且通过排序来 选择最优化路径，同时确定最优化的路径点，进而得到进化后的下一 代群体，直至达到一定代数为止。最后进行最优化路径的选择，确定 路径点。

其中，该步骤中基于遗传算法，使用随机搜索过程，得到全部最优解 具体包括：

a）最初开始随机产生初始的避碰路径，遗传代数为0；

b）判断遗传代数是否到达最大值，若为否，进行步骤c），若为是， 进行步骤f）；

c）进行选择、交叉、变异的进化过程；

d）通过排序来选择最优化路径，同时确定最优化的路径点；

e）进化得到下一代的群体，遗传代数增加一代，进行步骤b）；

f）选择最优化路径，确定路径点，结束。

步骤S302、设定航行船舶的优先级，对航行船舶设定包装盒查询，然 后利用返回的查询结果集来判定本船是否与其它船有达到危险的邻域 。若达到了危险的邻域，则触发船舶根据优先级采取不同的动作，对 处于危险距离的船舶进行转向或者减速从而达到避碰的效果。

步骤S400、在上述构建三维河床漫游仿真系统下实现船舶与河底碰撞 （搁浅预警）检测方法。根据实际航行条件设定一个报警水深，采用 球体查询，将球心设在船舶的船头，通过球体查询返回球心与河床的 触点，算出前面路径中水深的平均值。当前方航道达到需要报警的水 深时，利用以下公式粗略计算出离搁浅的时间并显示，方便采取动作 来避碰船舶发生搁浅事故。

t =davg/sdown

其中davg是船头球心位置距离河床的水深的平均值，sdown是单位时间 内船舶离河床距离的下降米数，本实施例中单位时间为1秒。通过上式 计算出船舶航行时距离搁浅的时间，最后当达到船舶搁浅的距离时将 船舶航行速度置零。

步骤S500、船舶若进入碰撞或搁浅预警阶段，则将船舶边缘设置为绿 色高亮，以便于其他船舶区别，若某船舶被选中，则将船舶边缘设置 为红色高亮，便于与其他船舶区别；对于高亮显示的船舶，在界面中 显示选择船舶的相关信息以及船舶距离河床的水深距离。采用画中画 技术来实现全局性视图与漫游场景处于同一画面中，实现视口对船舶 的跟踪画面。

如图3所示，上述步骤S100中根据以下方法对DXF文件使用特定点提取 ：首先选中指定的源文件，然后打开指定文件并准备提取数据：根据 文件字符串提取，判断字符串信息是要表示读点信息还是读图元信息 ；若为读点信息，则先读取其组码和码值，然后进行关键字匹配，若 匹配成功，则依次提取数据信息并输出保存，然后进行下一步的读取 组码和码值，若匹配失败，依然进行下一次读取组码和码值，直到字 符串判断为实体段结束为止；若为读图元信息，则依次进行关键字匹 配，并提取特定点信息，然后将数据输出到指定文件中，直到实体段 结束为止。源文件读取完毕后，对输出的数据根据x坐标的值进行排序 ，便于后续的离散插值计算。

如图4所示，上述步骤S302中船舶碰撞检测时处理本船动作的判断分 为以下几种：

（1）只有两船处于碰撞域，且两船为同类型船舶，如果本船创建优先 于另一船舶，则本船在危险域内加速航行。

（2）只有两船处于碰撞域，且两船为同类型船舶，如果本船创建不优 先于另一船舶，则本船在危险域内减速航行。

（3）只有两船处于碰撞域，但两船不为同类型船舶，如果本船创建优 先于另一船舶，则本船在危险域内加速航行。

（4）只有两船处于碰撞域，但两船为同类型船舶，如果本船创建不优 先于另一船舶，则本船在危险域内减速航行。

（5）如果不是只有两船处于碰撞域，那么就需要在查询集中选中至高 优先级的船舶与本船比较。通过查询集的方法，将问题分治为两船处 于碰撞域的情况，此时结合（1）、（2）、（3）、（4）判断方法进 行判断。