一种峡谷型半封闭水域危岩失稳涌浪下船舶分级管控方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及船舶通行管控，具体设计一种峡谷型半封闭水域危岩失稳涌浪下船舶分级管控方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、峡谷型半封闭库区（以三峡奉节—巫山河段为典型代表）岸坡陡峻、库水位常年在145m防洪限制水位、175m正常蓄水位间周期性涨落，库岸发育大量欠稳定危岩。危岩失稳高速入水后依靠动量传递生成高强度瞬时涌浪，受狭窄河谷岸壁反射、波浪叠加效应影响，涌浪能量衰减缓慢、远距离致灾显著，极端工况下0.5m预警波高传播距离可达13km以上。该河段是长江黄金水道核心通航段，通航载体包含客运游轮、货船、油轮、工程船舶等多类船型。危岩涌浪作用下极易造成船舶稳性丧失，诱发横摇超限、甲板上浪、操纵失控甚至倾覆险情，对库区船舶航行安全构成重大威胁。

2、国内外围绕涌浪对通航安全影响已开展大量研究：路鼎等提出船舶航行限制范围计算方法，基于涌浪沿程衰减规律划定危险水域；王平义等通过模型试验明确不同吨位船舶具备差异化安全极限涌浪波高；李昕等针对三峡库区船舶建立涌浪航行安全阈值。但现有技术尚未明确定义船舶通航、减速预警半径概念，且存在明显短板：一方面，现有船舶航行限制范围研究均采用统一涌浪阈值划定静态禁航边界，未结合不同船型抗浪能力差异求解差异化预警距离；另一方面，现有成果大多独立研究船舶安全判据，缺少将涌浪全域波场、船舶安全极限涌浪波高耦合求解动态的船舶通航、减速预警半径，并直接输出分船型双层管控半径的轻量化成套方法，无法满足峡谷库区危岩险情发生后海事部门现场快速分级管控的工程需求。

3、同时，现有涌浪测算所采用的危岩参数采集与数据处理手段存在显著缺陷：其一，传统全站仪、人工罗盘测量存在消落带高陡崖测量盲区，常规无人机航测缺少适配库区水位变动的仿地自适应飞行模块；其二，现有商用点云软件、公开文献算法均为边坡形变、岩体稳定性通用处理流程，数据处理逻辑仅做基础去噪、三维建模，无面向涌浪动力学的分层解算框架，整套处理链路与涌浪管控计算完全割裂，如需提取入水尺寸、危岩运动参数必须人工手动量取换算，相当于通用流程仅做基础地形还原，无法实现原始点云到管控计算参数全自动输出，勘察、建模、涌浪评估多环节人工介入多，险情快速管控难以落地。

4、例如，路鼎等在滑坡涌浪影响下船舶航行限制范围试验研究[j]中即提出一种基于滑坡涌浪沿程衰减规律，开展物理模型试验，提出船舶航行限制范围确定思路，具体如下：根据《内河船舶法定检验技术规则》的相关规定，内河a级航区的波高范围为1.5~2.5m，b级航区的波高范围为0.5~1.5m，c级航区波高在0.5m以下。从偏安全角度考虑，分别选取1.5和0.5m作为a区和b，c区船舶航行的极限波高。另外航道中船闸泄水波高限定标准为0.5~0.6m，当航道中有船闸时，取0.5m作为极限波高。该方法以统一的极限波高作为控制条件，结合涌浪传播衰减公式，求解滑坡源周边禁止船舶航行的水域边界，实现由涌浪波高指标向空间管控范围的转化，初步建立涌浪危险水域的划定方法。

5、然而，该文献提出的船舶航行限制范围采用统一涌浪阈值进行划定，未考虑不同船型差异化的安全极限涌浪波高，无法得到各类船舶对应的独立通航、减速预警半径；仅能输出单一静态禁航界线，缺乏依托多船型独立危险边界统计分级风险距离、输出文字预警区间的轻量化实现思路，管控方式一刀切，无法实现分船型精细化距离管控。

6、因此，有必要提出一种峡谷型半封闭水域危岩失稳涌浪下船舶分级管控方法、系统、设备及介质，以克服现有船舶管控研究多采用统一涌浪阈值划定静态禁航边界，不区分各类船舶抗浪极限，无分层缓冲管控逻辑；以及未生成分级管控距离报表，致使海事部门难以快速获取各船型对应的风险管控距离，无法及时开展分级管控工作等缺陷。

技术实现思路

1、本发明提供一种峡谷型半封闭水域危岩失稳涌浪下船舶分级管控方法、系统、设备及介质，能够克服现有技术无分层缓冲管控逻辑以及无法及时开展分级管控工作的缺陷。

2、第一方面，本发明提出一种峡谷型半封闭水域危岩失稳涌浪下船舶分级管控方法，包括如下步骤：

3、步骤1、采集目标水域的危岩数据、水域参数以及待管控船舶参数；

4、步骤2、基于危岩数据解算涌浪几何与动力学参数；

5、步骤3、将目标水域网格化处理，并将步骤2获得的涌浪参数作为边界输入参数，完成基础波场生成前置计算；

6、步骤4、基于步骤3计算获得的全域涌浪波场数据集，利用基于涌浪波高衰减公式的管控半径计算公式进行分船型双层管控半径量化求解；

7、步骤5、以危岩入水原点为中心，基于步骤4求解的双层管控半径以及船舶参数生成不同船型的双层管控预警信息。

8、进一步的，步骤1中所述危岩数据包括lidar激光点云、边坡影像、厘米级北斗pos多源原始测绘数据；

9、所述水域参数包括航道网格静水水深、水体密度、重力加速度常量；

10、所述待管控船舶参数包括船型型深、满载吃水。

11、进一步的，步骤2所述基于危岩数据解算涌浪几何与动力学参数的过程包括：

12、步骤2.1、对采集的多源危岩数据进行配准和涌浪导向的滤波处理；

13、步骤2.2、对滤波后纯危岩点云数据逐点计算局部曲面法向量，识别邻域点法向量夹角突变位置作为岩体分割界线；沿边界划分相互独立的欠稳定危岩单体，生成各危岩独立点云子集与三维闭合边界包络；

14、步骤2.3、基于分割后的独立危岩点云子集，生成无孔洞封闭三角网格实体，进行封闭三角网格建模与涌浪几何参数批量积分反演；

15、步骤2.4、基于点云重建完整三维临空滑动剖面，输入岩体天然重度、结构面摩擦系数，进行三维临空地形耦合失稳运动参数数值反演。

16、进一步的，步骤2.3所述基于分割后的独立危岩点云子集，生成无孔洞封闭三角网格实体，进行封闭三角网格建模与涌浪几何参数批量积分反演的过程包括：

17、输入分割后的独立危岩点云子集，采用泊松曲面重建生成无孔洞封闭三角网格实体；

18、遍历全部三角面片，对每个三角面片构造四面体微元，积分求解危岩总体积；

19、基于防洪限制水位与正常蓄水位建立两个水平基准平面，提取入水厚度、入水宽度，求解初始波阵面总静水压力梯度的影响系数；

20、基于网格曲面曲率阈值，进行临空面平面拟合，求解临空面与水平面夹角。

21、进一步的，步骤2.4所述基于点云重建完整三维临空滑动剖面，输入岩体天然重度、结构面摩擦系数，进行三维临空地形耦合失稳运动参数数值反演的过程包括：

22、确定临空面—河道轴线联动定向滑动剖面截取规则，分别生成和防洪限制水位与正常蓄水位相对应的两套独立滑动剖面；

23、确定水上干岩段和水下浸水段的摩擦阻力修正机制，获得干湿分区下的摩擦系数；

24、基于基础能量微分方程、临空面与水平面夹角与微元高差以及干湿分区下的摩擦系数，分段式迭代求解不同水位下危岩体滑坡入水时的峰值速度；

25、计算初始波峰峰值断面与入水原点水平距离、波峰峰值断面与未受涌浪扰动静水分界断面之间的水平距离；

26、对单级水位进行参数归集，分别计算近场涌浪生成区初始波峰振幅、防洪限制水位与正常蓄水位下危岩入水原点至初始波峰截面的径向距离。

27、进一步的，步骤3所述将目标水域网格化处理，并将步骤2获得的涌浪参数作为边界输入参数，完成基础波场生成前置计算的过程包括：

28、步骤3.1、将研究水域划分为二维均匀离散计算网格，每个网格节点对应一组径向距离、传播方位角；

29、步骤3.2、将步骤2求解得到的近场涌浪生成区初始波峰振幅、危岩入水原点至初始波峰截面的径向距离作为边界输入参数，代入公知涌浪波高衰减公式，求解每个网格节点对应的涌浪波高；

30、步骤3.3、完成全部网格节点涌浪波高赋值，输出附带坐标的全域涌浪波场数据集。

31、进一步的，步骤5所述以危岩入水原点为中心，基于步骤4求解的双层管控半径以及船舶参数生成不同船型的双层管控预警信息的过程包括：

32、步骤5.1、以危岩入水原点为中心，将步骤4求解得到的双层管控半径作为管控边界，将目标水域划分三类水域：内层扇形禁航区、外层减速缓冲环形带、外围安全航行区；

33、步骤5.2、依托危岩体入水原点对应的航道里程，将管控半径转换为航道里程；

34、步骤5.3、逐船型汇总管控指标，生成不同船型的双层管控预警信息。

35、第二方面，本发明提出一种基于第一方面所述方法的峡谷型半封闭水域危岩失稳涌浪下船舶分级管控系统，包括：

36、参数采集模块，用于采集目标水域的危岩数据、水域参数以及待管控船舶参数；

37、数据处理模块，用于基于危岩数据解算涌浪几何与动力学参数；还用于将目标水域网格化处理，并将获得的涌浪参数作为边界输入参数，完成基础波场生成前置计算；以及用于根据计算获得的全域涌浪波场数据集，利用基于涌浪波高衰减公式的管控半径计算公式进行分船型双层管控半径量化求解；

38、预警信息生成模块，用于以危岩入水原点为中心，基于数据处理模块求解的双层管控半径以及船舶参数生成不同船型的双层管控预警信息。

39、第三方面，本发明提出一种计算机终端，所述计算机终端包括处理器、存储器和通信接口；所述存储器和所述通信接口与所述处理器耦合，所述存储器用于存储计算机程序指令；其中，当所述处理器执行所述计算机程序指令时，使得所述计算机终端实现如第一方面所述方法的步骤。

40、第四方面，本发明提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。

41、有益效果：

42、（1）本发明建立了近场初始波峰振幅及近场初始波峰径向距离的自动求解流程，实现了理论涌浪模型全部输入参数由危岩三维点云直接反演获得，无需人工测量或数值模拟标定，提高了理论模型的自动化程度及工程适用性。

43、（2）本方法输出了船舶通航预警半径、减速预警半径两组距离指标；区别于路鼎等人采用单一统一涌浪阈值划定全域静态禁航边界的粗放方式，以“核心禁航+外围减速缓冲”两级管控模式实现分船型精细化通航管控；通过对数逆推得到管控半径显式解析通解，摒弃传统迭代插值试算，大幅提升多船型批量测算效率；进一步将管控半径转换为可直接用于现场管制的航道里程，结构化输出标准化预警报表。既严控高风险扇形区域禁止船舶驶入，又对临近危险水域设置减速预警措施，克服一刀切管控弊端，避免无差别全线封航造成航运经济损失，同时消除风险预判不足带来的船舶水上安全隐患，险情突发场景下便于海事现场快速执行，工程落地实用性强。