【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于船舶自动化与三维视景仿真交叉领域，具体而言是涉及一种挖泥船水上水下三维可视化显示系统及方法。
技术介绍
1、挖泥船尺寸大、受控设备多，疏浚过程涉及水下作业，施工监视要求高难度大。如何通过直观有效的监视方法，实现疏浚作业过程中船舶航行、疏浚机具体运行状态、水下作业形态和水下地形状态的可视化监视与作业状态预测控制，将会直接影响到疏浚效能和施工安全保障。cn201810020668.0公开了一种基于gpu的动力定位船舶三维视景仿真系统及方法，其采用3d max建立动力定位船舶行驶环境的三维实体模型，通过三维仿真引擎vegaprime进行仿真渲染，在gpu上进行渲染加速处理，采用c#语言实现场景驱动；最终实现了船舶动力定位模拟器视景仿真系统中所需要的真实场景的仿真，但其并不能对水下的环境进行建模监测，无法运用到挖泥船来监测疏浚过程。cn101338573a公开了一种耙吸挖泥船施工过程显示三维耙臂、三维测深图方法，包括耙臂指示系统信息的采集，通过与测深文件的接口获得测深数据，通过船体配置文件的接口获得船体和耙臂参数数据，并实时接入定位和耙臂数据，采用opengl进行三维建模，实时地在系统中的计算机中显示三维模型。但该方法仅显示了耙吸船耙臂的三维模型，不适用于挖泥船水上水下全角度、全场景的三维可视化显示。
技术实现思路
1、为了更好的构建挖泥船船体、关键疏浚机具和航行环境三维模型，运用双向数据驱动技术实现模型与实船的同步联动，通过大范围数字地形三维渲染和基于挖掘效果的地形重构技术
2、一种挖泥船水上水下三维可视化显示系统，包括信号采集模块、数据传输模块、水上场景渲染模块，还包括船舶结构模块、水下地形构建模块、以及疏浚效果展示模块，其中：
3、所述信号采集模块包括用于采集挖泥船外部环境数据以及实船施工参数的传感器单元以及处理采集数据的信号处理单元；
4、所述数据传输模块用于将信号采集模块所采集的数据传输至水上场景渲染模块、船舶结构模块、水下地形构建模块、以及疏浚效果展示模块；
5、所述水上场景渲染模块根据采集数据并通过实时3d互动引擎,进行船舶水上场景三维渲染；
6、所述船舶结构模块包括用于建立船体和疏浚机三维模型的模型建立单元以及将船体和疏浚机的实际物理动作与三维模型动作相匹配的模型动作单元；
7、所述水下地形构建模块包括向海底发射测量声波的第一波束测深单元、接收测量声波并给出被测点水深值的第一接收换能器阵列，处理测量结果的数据计算单元，以及依据处理后的数据构建水下地形的地形构建单元；
8、所述疏浚效果展示模块包括对疏浚机耙头建立参数化模型的参数模型生成单元、对耙头内流场进行数值模拟的流场模拟单元、拟合分析各种实船施工参数的数据拟合分析单元、以及根据数据拟合分析单元输出的数据进行地形重构的地形重构单元。
9、进一步的，所述挖泥船水上水下三维可视化显示系统，所述传感器单元包括安装在挖泥船上的gps、潮位仪、测波仪、船载ais、疏浚plc，用于采集船舶位置、船舶航速、吃水、挖深、波浪、潮位潮流、ais和实船施工参数等。
10、进一步的，所述挖泥船水上水下三维可视化显示系统，所述模型建立单元通过建模工具根据船舶全船布置图建立船舶以及疏浚机模型；所述模型动作单元通过ai神经网络模型，将信号采集模块所采集的数据与模型建立单元建立的船舶及疏浚机模型进行相应动作匹配。
11、进一步的，所述挖泥船水上水下三维可视化显示系统，所述模型动作单元使用animation controller状态机优化模型的动作流程。
12、进一步的，所述挖泥船水上水下三维可视化显示系统，所述水上场景渲染模块根据信息采集模块接收的ais、波浪潮流数据和施工背景图等信息，基于实时3d互动引擎，对船舶施工环境水域场景进行三维渲染，显示场景包括有：水面、波浪、周围船只信息、航道信息、港口信息等。
13、进一步的，所述挖泥船水上水下三维可视化显示系统，所述疏浚效果展示模块在加载重构地形时，采用地形处理插件在地形数据处理完成后，采用动态分页的方式实时生成当前区域的动态地形并着色，并根据视场远近动态调整lod层次，以提高大场景下的加载速度。
14、进一步的，所述挖泥船水上水下三维可视化显示系统，还包括数据存储模块，所述数据存储模块采用关系型数据库，用于实现数据的分类存储和记录。
15、进一步的，所述挖泥船水上水下三维可视化显示系统，还包括历史回放模块；所述历史回放模块解析数据存储模块中的历史数据，按照自定义时间和倍速，实现挖泥船水上水下三维可视化的历史场景、动作、地形重构历史再现。
16、进一步的，所述挖泥船水上水下三维可视化显示系统，还包括用户交互模块；所述用户交互模块用于提供人机交互界面和菜单，支持键盘鼠标传统操作和触摸操作两种方式。
17、一种挖泥船水上水下三维可视化显示方法，其实施步骤包括：
18、步骤1:信号采集
19、传感器单元采集船舶位置、船舶航速、吃水、挖深、波浪、潮位潮流、ais和实船施工参数等；
20、步骤2：信号处理
21、信号处理单元处理传感器单元采集的数据并传输至数据传输模块；
22、步骤3：数据传输
23、数据传输模块将信号采集模块所采集的数据传输至船舶结构模块、水上场景渲染模块、水下地形构建模块、疏浚效果展示模块、以及数据存储模块；
24、步骤4：模型建立
25、模型建立单元根据船舶全船布置图，建立船舶及疏浚机的模型；
26、步骤5：模型动作
27、模型动作单元根据信号采集模块的数据，驱动船体和疏浚机模型动作，实现船舶和疏浚机动作的双向映射和虚实联动；
28、步骤6：数据存储
29、数据存储模块将接收到的数据，存储在关系数据库中；
30、步骤7：水上场景渲染
31、水上场景渲染模块基于接收的ais、波浪潮流数据和施工背景图等信息，进行船舶施工环境水域场景三维渲染；
32、步骤8：水下地形构建
33、步骤8.1：第一波束测深单元和接收换能器阵列测量船舶工作水域水深值；
34、步骤8.2：数据计算单元将船舶工作水域依照设定的拟合精度，线性划分为一系列矩形网格，并根据矩形网络中的每一个网格点确定一个局部邻域，对该局部邻域内的所有水深值进行加权最小二乘拟合，得到该领域的局部曲面函数，计算出该网格交点处的拟合水深值；
35、步骤8.3：地形构建单元将所有网格交点处的拟合水深值相连，得到高精度、平滑的原始地形曲面；
36、步骤9：疏浚效果展示
37、步骤9.1：参数模型生成单元建立疏浚机的耙头参数化模型，所述耙头参数化模；...
【技术保护点】
1.一种挖泥船水上水下三维可视化显示系统，包括信号采集模块、数据传输模块、水上场景渲染模块；其特征在于：还包括船舶结构模块、水下地形构建模块、以及疏浚效果展示模块，其中：
2.根据权利要求1所述的挖泥船水上水下三维可视化显示系统，其特征在于，所述传感器单元包括安装在挖泥船上的GPS、潮位仪、测波仪、船载AIS、疏浚PLC，用于采集船舶位置、船舶航速、吃水、挖深、波浪、潮位潮流、AIS和实船施工参数等。
3.根据权利要求1所述的挖泥船水上水下三维可视化显示系统，其特征在于，所述模型建立单元通过建模工具根据船舶全船布置图建立船舶以及疏浚机模型；所述模型动作单元通过AI神经网络模型，将信号采集模块所采集的数据与模型建立单元建立的船舶及疏浚机模型进行相应动作匹配。
4.根据权利要求3所述的挖泥船水上水下三维可视化显示系统，其特征在于，所述模型动作单元使用Animation Controller状态机优化模型的动作流程。
5.根据权利要求1所述的挖泥船水上水下三维可视化显示系统，其特征在于，所述水上场景渲染模块根据信息采集模块接收的ais、波
6.根据权利要求1所述的挖泥船水上水下三维可视化显示系统，其特征在于，所述疏浚效果展示模块在加载重构地形时，采用地形处理插件在地形数据处理完成后，采用动态分页的方式实时生成当前区域的动态地形并着色，并根据视场远近动态调整LOD层次，以提高大场景下的加载速度。
7.根据权利要求1所述的挖泥船水上水下三维可视化显示系统，其特征在于，还包括数据存储模块，所述数据存储模块采用关系型数据库，用于实现数据的分类存储和记录。
8.根据权利要求7所述的挖泥船水上水下三维可视化显示系统，其特征在于，还包括历史回放模块；所述历史回放模块解析数据存储模块中的历史数据，按照自定义时间和倍速，实现挖泥船水上水下三维可视化的历史场景、动作、地形重构历史再现。
9.根据权利要求8所述的挖泥船水上水下三维可视化显示系统，其特征在于，还包括用户交互模块；所述用户交互模块用于提供人机交互界面和菜单，支持键盘鼠标传统操作和触摸操作两种方式。
10.一种挖泥船水上水下三维可视化显示方法，其实施步骤包括：
...【技术特征摘要】
1.一种挖泥船水上水下三维可视化显示系统，包括信号采集模块、数据传输模块、水上场景渲染模块；其特征在于：还包括船舶结构模块、水下地形构建模块、以及疏浚效果展示模块，其中：
2.根据权利要求1所述的挖泥船水上水下三维可视化显示系统，其特征在于，所述传感器单元包括安装在挖泥船上的gps、潮位仪、测波仪、船载ais、疏浚plc，用于采集船舶位置、船舶航速、吃水、挖深、波浪、潮位潮流、ais和实船施工参数等。
3.根据权利要求1所述的挖泥船水上水下三维可视化显示系统，其特征在于，所述模型建立单元通过建模工具根据船舶全船布置图建立船舶以及疏浚机模型；所述模型动作单元通过ai神经网络模型，将信号采集模块所采集的数据与模型建立单元建立的船舶及疏浚机模型进行相应动作匹配。
4.根据权利要求3所述的挖泥船水上水下三维可视化显示系统，其特征在于，所述模型动作单元使用animation controller状态机优化模型的动作流程。
5.根据权利要求1所述的挖泥船水上水下三维可视化显示系统，其特征在于，所述水上场景渲染模块根据信息采集模块接收的ais、波浪潮流数据和施工背景图等信息，基于实时3d互动引...
【专利技术属性】
技术研发人员：庞景墩，林直，吴易，瞿代佳，郑昊乐，黄宗锐，童荣彬，
申请(专利权)人：中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：
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