疏浚航迹剖面显示软件（DTPM）的开发与应用

杨波，戴文伯，周雨缪

（中交疏浚技术装备国家工程技术研究有限公司，上海　201208）

疏浚航迹剖面显示软件（DTPM）的开发与应用

杨波，戴文伯，周雨缪

（中交疏浚技术装备国家工程技术研究有限公司，上海201208）

建立疏浚船舶运动和剖面显示算法模型，采用面向对象的Visual C++编程语言和OpenGL图形显示技术，开发出疏浚航迹剖面显示软件，实现疏浚船舶施工作业实时船位和剖面显示、水下地形3D动态挖掘显示、历史施工过程的回放和分析功能，在上海航道局有限公司的多艘大型挖泥船上成功应用，取得了良好的成效。

疏浚；航迹；剖面；软件；3D地形显示

0　引言

疏浚船舶施工作业时，船舶位置和剖面的精确显示，对疏浚施工质量控制非常重要，尤其是3D水下地形显示，实现三维可视化挖泥施工，对提高边坡和扫浅施工效率和精度，指导现场施工，提高管理水平提供了有力的工具。

目前，国内外疏浚企业使用的施工定位软件均为多年前开发，存在的主要问题有:当加载较大的施工背景文件和水深测量文件时性能不佳，运行不畅，对CPU、内存等系统资源占用较大；历史数据文件没有压缩，读取效率低，占用磁盘空间较大；三维显示功能较弱，绘制剖面操作复杂，需要将测深文件（XYZ）转化为HYPACK的色块文件（MTX），转换过程耗时长，转换存在精度误差，造成剖面显示存在误差等。

本文开发的新版疏浚航迹剖面显示软件（Dredging Tracking and Profile Monitor Software）基于可视化开发工具VC++2010开发，图形渲染和3D显示模块采用OpenGL图形开发技术，软件界面采用流行的ribbon风格设计，具有界面友好、功能丰富、计算精度高、性能高及水下地形3D显示效果。

1　相关技术

1.1构建Delaunay三角网的算法

在绘制剖面、等深线和三维地形时，一个非常重要的过程就是根据测量得到的水深文件（XYZ）进行数字地形建模，根据散点还原地形曲面，进行三角剖分，构建Delaunay三角网，如图1所示。采用这种算法绘制剖面，无需再将测深文件转化为MTX文件，减少不必要的操作，提升了软件性能。

图1　散点构建三角网Fig.1　Scattered points to build a triangular network

根据Delaunay三角网构建过程的不同，当前应用较多的算法有逐点插入法和分治法[1-3]。这两种算法各有优劣:逐点插入法虽然实现比较简单，占用内存较小，但复杂度较高，运行速度慢；分治法构网速度快，缺点是需要较大的内存空间。随着计算机硬件的迅速发展，存储空间已不再是算法实现的瓶颈问题，而效率才是真正衡量算法好坏的关键。本文采用的是分治法构建Delaunay三角网。

1.2插件式开发技术

本文软件开发采用抽象工厂模式的插件化架构设计。串口/网络通信模块、施工文件解析模块、参数设置模块、剖面显示模块、航迹管理模块等单独开发编译，放入应用程序的plugin目录，主程序可自动调用模块功能。软件的升级、维护比较方便。

1.3实时数据库

本文软件开发基于实时数据库的设计原理，对实时数据进行压缩[4-5]，历史数据存储占用磁盘空间大大减少，历史数据存储精确到毫秒级，当出现紧急情况时，可以精确调出当时的工况数据，便于分析问题。每天的历史数据保存为一个独立文件，便于历史数据的保管。

1.4Hash表

Hash是一种索引表，它使用一种特别的散列数据结构，在进行大量数据处理时，可以极大加快数据查找和处理。

2　需求分析

DTPM软件分为耙吸挖泥船版本、绞吸挖泥船版本和抓斗挖泥船版本，由工程设计程序、施工建设程序和历史回放程序3个模块组成，包含以下主要功能。

2.1通用功能

WGS84坐标系与当地施工坐标系之间的坐标转换计算，满足全球范围内施工定位。

文件操作具有导入、显示水深文件和背景文件，包括XYZ文件、DXF文件、DIG文件。

根据水深文件生成三维泥面地形，三维地形显示支持纹理填充和颜色填充，支持正交投影和透视投影。

图形操作具有旋转、缩放、平移、移动、测量距离和动态观察等方式。

双服务器冗余备份。

用户权限管理，分为管理员用户和普通用户，管理员用户可以修改施工参数如定位参数、加载施工文件等，普通用户仅可浏览。

通过序列号对DTPM软件进行加密和授权。

具有与第三方软件通信接口——OPC服务器接口。

潮位数据的获取方式有接收潮位站信号、预置潮汐表、RTK计算潮位和临时手动输入4种方式，潮位站站号可屏蔽，潮位数据有多站就近取用、多站线性内插、定站取用3种计算方式。

船舶定位方式有双套卫星定位设备定位和单套卫星定位设备与电罗经组合定位2种方式。

水深数据的过滤显示，不同深度的水深数据以不同颜色显示，可同时导入2套水深数据进行比对。

船位居中、船位锁定、标记位置、选取工作线操作。

通过以太网，串口接入GPS、潮位遥报仪、电罗经等硬件设备。

信号的平滑处理。

白昼、黑夜两种背景模式。

显示模式有真北方向朝上、艏向朝上两种显示模式。

设计、编辑、绘制和管理工作线、挖槽剖面和船型。

设置疏浚机具相关参数。

工程管理:新建、打开、关闭、保存工程文件，同时读取和保存相应工程的参数配置文件，包括定位参数计算配置、硬件配置、施工文件配置文件等。

绘制和保存Dig文件，包含直线、多段线、矩形圆、圆弧、多边形、文本、填充色块等。

2.2绞吸挖泥船专有功能

2D视图显示船位及运动轨迹、绞刀/斗轮平面位置、深度及运动轨迹、定位桩平面位置及运动轨迹、三缆柱位置、剖面位置、绞刀横移值、定位桩横移值、锚位等。

3D视图显示绞刀在水下三维地形中的姿态位置，实现绞刀切削后三维地形的实时更新，显示船体在挖槽内的状态。

设置显示当地绞刀/斗轮位置的挖槽设计剖面、浚前剖面。

横移超宽报警，超深报警，走锚报警，船位区域报警。

2.3耙吸挖泥船专有功能

显示船位、航迹、航向、航速、偏航角、富余水深、锚位等。

显示耙臂、耙头三视图，耙头平面位置、深度及运动轨迹，显示耙头在挖槽内的位置及耙头至船舷和船底的距离。

3D模式时显示耙臂和耙头在三维地形中的姿态，根据耙头轨迹实时更新三维地形。

设置显示施工区域内任意位置的挖槽设计剖面、浚前剖面。

耙头轨迹记录和查询，可设置记录条件。

耙头超深、超宽时报警，走锚、偏离工作线时报警。

设备连接故障报警。

抛锚和起锚锚位记录、保存。

2.4抓斗挖泥船专有功能

显示船位及运动轨迹、抓斗平面位置、抓斗开口度及运动轨迹、深度等。

3D显示抓斗在水下三维地形中的状态，根据过抓斗中心点实现三维地形更新，显示船体在挖槽内的状态。

设置显示当地抓斗位置的挖槽设计剖面、浚前剖面。

2.5软件结构图

编制完成工程设计程序软件结构图、施工监视程序软件结构图（图2）。

图2　施工监视程序软件结构图Fig.2　Structure diagram of construction monitoring program software

3　软件设计与实现

3.1开发与运行环境

1）开发环境

开发工具:Visual studio 2010。

开发语言:C++。

操作系统:windows 7。

数据库:实时数据库。

2）运行环境

操作系统:不低于Windows XP/Windows 2003 Server/Windows 7的windows操作系统。

3.2软件架构

软件采用C/架构和插件式开发设计。软件开发使用OpenGL实现三维功能。

OpenGL可以显示三维模式，同时其加权分量可以实现透视投影。

使用XML定义将要显示的图形元素，如点、圆、线等。配置软件运行需要的信息，包括项目配置、数据配置、环境配置等。

4　软件创新点

1）性能提升

采用OpenGL硬件加速技术，提高图形显示速度，采用hash表加速数据处理，实现图形的快速捕捉和选取。历史数据查询使用索引表，极大提高大量数据查找速度。

2）软件界面

采用交互性更强的Ribbon界面替代传统的菜单栏、工具栏和下拉菜单，使功能项垂直分布，交互性更强，界面更友好。

3）可以接入多波束实时测深数据

由于多波束测深仪输出数据量大，使用专门技术模块，接入安装在耙吸挖泥船上的多波束测深仪数据，在新海马轮、新海虎5号轮上进行应用测试，取得了较好的效果。

4）三维地形可视化

优化测深文件（XYZ）中散点生成不规则三角形的算法，快速生成三维地图，采用光照纹理等技术，取得了较好的三维地形效果（图3），为水下可视化施工创造条件。

图3　3D纹理模式地形图Fig.3　The terrain map of 3D texture pattern

5　结语

本文DTPM软件基于新的技术框架设计开发，通过安装在多条大型挖泥船上应用测试，已经获得成功。三维功能的实现，使得疏浚作业从传统的精确定位的平面施工，进入到全新的三维立体作业，多维视角将施工死角暴露无疑，为精细化施工提供新的技术平台。

软件分析功能可以分析航速、波浪补偿器、高压冲水、浓度和产量之间的关系曲线，帮助施工人员寻找合适的航速，较佳的波浪补偿器压力和高压冲水压力，后续将继续对DTPM软件进行升级，增强分析施工效率方面的功能，引入土质分布信息，为疏浚作业辅助决策提供技术手段。

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Development and application of software for dredging tracking and profile monitor

YANG Bo,DAI Wen-bo,ZHOU Yu-miao
（CCCC National Engineer Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

To establish the dredging vessel movement and profile display algorithm models,we used object-oriented programming language Visual C++and OpenGL graphics technology to develop a dredging tracking and profile monitor software to achieve the real-time vessel position and profile display,underwater topography 3D dynamic mining display,and playback and analysis of the history of the construction process for the dredging vessel construction works.The software was successful applied in many large dredger vessels of CCCC Shanghai Dredging Co.,Ltd.,and has achieved good results.

dredging;tracking;profile;software;3D terrain display

U616.1

A

2095-7874（2016）02-0042-04

10.7640/zggwjs201602010

2015-10-15

杨波（1981— ），男，河南南阳市人，工程师，工程测量专业。E-mail:eusboy@qq.com