三峡回水变动区船舶航行路径优化及三维环境仿真研究

摘要

根据三峡水库运行规则，每年汛期前水位将消落至145m，枯水期前蓄水至175m。通常将库区水位蓄涨和消落称为回水变动，受回水变动影响的航段称为回水变动区。通过近几年三峡水库的运行情况来看，根据回水变动区的水文特征，将重庆涪陵李渡长江大桥至长江重庆江津段白沙沱之间的水域称为回水变动区，航道里程的范围为长江上游547.8km至704.0km。
　　 三峡水库蓄水后，库区水面变宽变深，通航条件总体明显改善，但其回水变动区既具有库区航道特征又具有山区天然航道特征，回水变动区河道弯曲、跨江桥梁林立、浅滩暗礁较多，船舶通航环境较为复杂，尚不具备实行船舶航路改革的条件，船舶航行路径有待优化，船舶助导航设施或方法有待进一步提高。本文通过对三峡水库回水变动区船舶航行环境的分析和评价，得出通航水流条件是影响该区域船舶航行安全的关键因素之一，通过对三峡水库回水变动区在消落期的水流流场进行数值模拟，分析了典型河段的碍航水流特征，并运用人工智能的方法对船舶在复杂通航水流条件下的航行路径进行了优化，构建了融合数值流场的内河船舶三维航行虚拟现实系统。本文的主要研究内容有：
　　 (1)通过对回水变动区海事事故险情数据的时空特性进行研究，对影响船舶航行安全的关键因素进行了提取，得出了通航水流条件是影响回水变动区船舶航行安全的关键因素之一。
　　 (2)考虑内河航道岸线的不规则性，建立了正交曲线坐标系下二维水流数学模型并进行了验证。
　　 (3)利用经验证的水流数学模型对典型的桥区河段、弯曲河段、支流河口河段流场进行了数值模拟，并对各河段的通航水流条件进行了研究。
　　 (4)基于水流数值模拟，综合运用人工智能优化算法对内河船舶航行路径进行优化，并对内河船舶过河过程中的航行路径进行优化控制。
　　 (5)应用三维建模与仿真技术，建立三维船舶航行环境仿真模型，在此基础上实现水流数值模拟与三维仿真系统的交互，构建融合数值流场的三维船舶航行环境虚拟现实系统。
　　 本论文的创新主要体现在以下几点：
　　 (1)构建了三峡水库回水变动区航行环境风险评价指标体系和评价模型，并提取了回水变动区通航安全的关键因素；
　　 (2)综合运用水流数值模拟技术和人工智能算法，构建了航道断面的流速分布函数和符合船舶航行路径优化目标的适应度函数及控制函数，提出了一种复杂通航水流条件区域的船舶航行路径优化方法；
　　 (3)构建了三峡库区回水变动区融合数值流场的三维通航环境虚拟现实系统。
　　 优化的船舶航行路径及融合数值水流的船舶航行三维环境可为船舶驾驶员和航运管理部门提供决策参考。通过船舶航行路径的优化找出最佳的过河方案，在融合数值水流的船舶航行三维环境里直观的判断主流、缓流以及碍航水流和浅滩，使船舶航行更安全。本文的研究为实现三峡库区回水变动段船舶安全、经济的航行提供良好的技术保障，在一定程度上促进三峡库区航运事业的蓬勃发展。