航道工程三维辅助疏浚设计系统的实现研究

吉增光

摘 要：为了能够对航道疏浚工作的设计效率和统计精度有效提升，本文引入了航道工程的三维辅助疏浚设计系统，实现了三维CAD、地质模型、数据库技术相结合，能够满足计算航道的尺度、三维建模与实时修改，还包括了估算疏浚量和投资预估，优选方案等功能。经应用本次航道工程三维辅助疏浚设计系统，结果证明了此系统在应用过程中具备的智能交互性，能够辅助航道规划设计提供决策参考。

关键词：航道工程;三维辅助;系统设计

中图分类号：U61        文獻标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）07-0081-02

在航道工程设计中包括了航道工程建设标准、规模、航道选线、布设航道平面与尺度工程整治线与建筑物布设、疏浚工程项目等[1]。由于航道工程的工作量较大，需要十分繁琐的计算步骤，再加上涉及多方面资料，所以国内外多数学者为了对航道设计工作效率有所提升，设计了多种航道辅助设计系统，例如目前广泛应用的GIS航道辅助设计系统、海港航道辅助设计系统等[2-3]。本文以航道疏浚工程为研究重点，该辅助设计技术研究领域历经了从最初CAD至如今比较前沿的BIM技术，此外也有多数研究者开发航道疏浚辅助设计系统。结合以往研究成果经验综合航道疏浚工程的工作需求，提出将三维CAD、数据库、地质模型等技术结合，设计实现了航道工程三维辅助疏浚设计系统。

1关键技术概述

1.1数据库

航道疏浚设计中由于需要多样数据来源，再加上信息数据的种类较多涉及数据类型较多，例如空间尺度、海洋水文、气象与地质等自然条件，以及三维模型数据等[4-5]。对于这些数据想要科学设计就要依照一定规则进行分类存储，这样来提升整个航道疏浚设计系统的运行效率。并且保证系统数据库设计中的科学稳定性、系统性，主要组织架构包括了航道港区信息、基础地理信息、三维模型数据（见图1）。

1.2三维建模

航道三维场景可视化作为交互式操作，满足系统动态化浏览的重要前提，因为整个三维场景内涉及多方复杂要素，要支持三维航道查询信息、运算实时更新，所以需要保证三维建模的高效、迅速、便捷、可操作性。主要运用技术如下：

（1）Processing。Processing自提出后便被用于视觉、动画、交互设计领域，作为Java语言的技术延伸，基于OpenGL三维图形引擎能够支持Java架构，保证系统操作的功能集成性与通用性。简化编程语法，设计偏向人性化赋予Processing适用于图形编程的特点，在应用中可以协同第三方程序共同开发建模[6]。

（2）Toxiclibs。Toxiclibs作为独立运行的计算机图形设计开源库集合，基于Processing和Java编程语言，能够用于动画、生产、交互设计、建模可视化等各领域。

（3）类结构。通过建立基于Processing、Toxiclibs的三维航道疏浚辅助系统建模类结构，主界面包括了参数设置（类SettingsPanel）、航道疏浚三维建模（类ChannelPanel）、航道疏浚设计方案（类SchemsPanel）。其中航道疏浚三维建模作为类结构的核心组成，能够满足用户在系统操作中查询、计算并且可以实时更新航道疏浚相关信息[7]。主要包括了Terrain、Channel 3D，前者类组成早包括了土质信息、等值线、纹理、顶点，后者类组成包括了计算航道尺度疏浚三维模型。

2 系统架构

为了确保设计系统的功能可拓展性与可用性，基于三层系统架构（见图1），包括了表现层、应用层、数据层共同组成了三维航道疏浚辅助设计系统。

在表现层作为该辅助设计系统的顶层，主要负责为系统用户提供可操作交互页面，在图形界面可以让用户经手机或电脑客户端，向系统中输入或导入航道疏浚工程基本设计参数;

在应用层集合了该辅助设计系统的全部服务功能，包括了业务逻辑层、流程层，能够计算航道尺度、疏浚成本以及优选航道方案。在业务逻辑层中包括了一系列可重用业务逻辑单元，例如计算航道有效宽度、疏浚量、通航水深、预估疏浚成本以及优选方案。

在业务流程层主要负责对逻辑单元的具体功能进行重构，例如优选航道方案就包括了计算航道尺度、数均成本与优选方案算法;在数据层负责了航道属性、船舶至离港的具体数据以及航道设计方案。

为了提高航道疏浚设计工作效率与统计精度，设计该系统能够满足探索、实验、优化以上三种智能模式。探索模式作为基于最小航道尺度，结合自身实践经验对设备及方案进行修改;实验模式作为设计人员采集的航道疏浚设计方案，能够经系统自动得出最优选;优化模式作为基于输入条件自动化设计。

3 系统应用

以某航道扩建一期工程项目为例，该航道项目达10.624km总长，南段、大榄坪分别为380m的通航宽度取值，三墩航道为400m的通航宽度取值，-13.5m的航道底高程。与前期勘测当地的实际情况，根据搜集资料掌握了航道疏浚的地质分类，均是1～2级的淤泥质土，4级硬黏土，6、7、8级砂土。在大榄坪航道段主要存在中风化岩、强风化岩，对此计划炸礁。底层按照1：1比例的炸礁边坡，中层、砂层按照1：5比例的边坡，上层按照1：7比例的边坡，其他按照1：10比例的边坡。确定后运用本次设计的航道疏浚三维辅助设计系统。

设计操作人员通过在系统内输入前期掌握的各类基本参数，经系统对输入相关参数的完整准确性进行校验核实，保证能够满足本次航道通航工程的尺度标准与工程费用，绘制了三维航道疏浚模型。之后拖拽鼠标进行人机交互，宏观可视的全方位观察航道尺度与土层细节问题，对航道设计的相关参数不断调整，包括轴线、线数、船舶的航速等影响因素，最终明确了本工程的航道设计，（见表1）得出航道三维建模疏浚费用，能够发现本次设计的航道工程三维辅助疏浚系统，合理设计简单操作达到较好的设计交互性，与项目设计标准规范相符，能够智能判断提升了航道疏浚系统设计的工作效率。

4 结语

综上，通过在本文设计了航道工程疏浚三维辅助系统，基于三维CAD、数据库、航道模型等技术，能够在前期掌握航道项目所在地区的地质基础资料，以不同的土质来选择不同的边坡开挖坡比、不同的宽度、深度参数完成航道疏浚断面设计。设计了三层架构在Processing、Toxiclibs、类结构关键技术基础上，将该系统应用于航道扩建项目，发现本次设计的航道工程三维辅助疏浚系统，合理设计简单操作达到较好的设计交互性，与项目设计标准规范相符，能够智能判断提升了航道疏浚系统设计的工作效率，证明了此系统在应用过程中具备的智能交互性，能够辅助航道规划设计提供决策参考。

参考文献：

[1] 王天祥， 田会静， 李光裕，等. BIM技术在港航疏浚设计中的应用[J]. 水运工程， 2020， No.576（S1）：200-203+207.

[2] 赵跃. 基于SuperMap的三维规划辅助系统设计与实现[J]. 北京测绘， 2019， v.33（11）：112-115.

[3] 王磊， 李达锋， 武梦园，等. 基于三维可视化的智能变电站辅助支持系统设计[J]. 湘潭大学学报（自然科学版）， 2019， v.41;No.151（02）：122-130.

[4] 李锐， 李正， 王飞. BIM正向设计在内河航道疏浚工程中的应用[J]. 水运工程， 2019， No.564（12）：132-135.

[5] 田赫男. 环保理念下的港口航道疏浚工程研究[J]. 建筑技术开发， 2020， v.47;No.428（02）：29-30.

[6] 王晓刚， 王晓华， 陈孝阳，等. 基于三维地理信息系统的输电线路张力放线辅助施工系统的分析与研究[J]. 电力系统装备， 2019（4）：31-32.

[7] 贺电， 曾斌， 罗斌，等. 基于Creo二次开发的三维液压管路智能设计系统研究[J]. 现代商贸工业， 2019， 040（004）：188-188.