CN106570146B - 一种船体冰载荷精细测试数据的动态历程可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船体冰载荷精细测试数据的动态历程可视化方法，包括：在船模的目标测试区域上安装触觉传感器；确定水线处冰载荷作用区域；对冰载荷作用区域内的测试单元进行编号；将每一帧数据中相同编号的测试单元载荷做加和处理，将每一帧数据得到的数组，按照时间排列，其中每个数组中的元素编号即为X轴，帧数即为Y轴，每个数组中每个元素的大小即为Z轴；从颜色色谱选择一条颜色带，将数值最小值和最大值之间按照颜色带RGB颜色值用分段函数进行切割，获得数值对应的RGB颜色值并绘出，即可完成冰载荷动态历程的可视化模型图。

Description

一种船体冰载荷精细测试数据的动态历程可视化方法

技术领域

本发明涉及船体冰载荷动态分布试验数据的可视化方法。

背景技术

对于极地航行船舶来讲，船体上经受的冰载荷成为影响船舶快速性与安全性的控制载荷，因此现实中的冰-船物理模型试验多对冰载荷造成的航行阻力与局部冰压力进行研究。其中，船体整体航行阻力决定了船舶的快速性特征，而局部冰压力的水平则决定了船体的强度特征。

随着测量技术的发展，国际上已开展大量使用触觉式传感器的模型试验，试验中重点测量局部冰载荷在船体的空间分布，以期达到解析整体航行阻力与局部冰压力的目的。然而，尽管触觉传感器能够对结构表面的压力分布形成精细的测量，但其测试数据形式却是以固定的时间间隔记录载荷在三维空间分布情况的模式形成的。这样一来，试验中的数据信息就呈现出一种四维特征。面对这样的测试数据，尽管可以直接获得任意时刻下载荷的空间分布-视觉信息，但以如此方法形成的仅仅是一系列离散的载荷影像。冰与船体的作用是一个随时间连续变化的动态过程，在现实分析中，研究人员更希望获得关键区域载荷信息随时间变化的直观表象。这样的数据信息即称为载荷的动态历程可视化。

显然，当四维的精细化测试数据形成上述动态历程的可视化信息后，就可以根据载荷波动特征进一步锁定关键载荷出现位置与时刻，已达到准确定位载荷空间分布片段的目的。同时，还可依据对相关可视化信息的分析，解析冰与船体的作用过程，进而从纷繁的数据中提取能够准确反映关键物理进程的信息序列，这对解析船体整体阻力构成是极为关键的。

目前，针对船体精细化测试数据的分析还停留在针对离散数据影像的分析上，缺乏建立动态历程信息的有效方法。因此，不论是科学界还是工程界，均亟需一种精细化载荷测试数据的动态历程可视化方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，结合冰与船体作用过程的特点，提供一种船体冰载荷精细测试数据的动态历程可视化方法，使冰载荷沿船体分布的时变行为可以通过影像的方式精确展示出来。本发明适用于冰区航行船舶冰载荷精细化测试数据的处理分析。本发明的技术方案如下：

一种船体冰载荷精细测试数据的动态历程可视化方法

1)在船模的目标测试区域上安装触觉传感器，触觉传感器中的测试单元以m行n列的阵列形式布置，同时获得测试区域与触觉传感器测试单元的对应关系，按照预设时间间隔采集冰排破坏期间的载荷数据，触觉传感器每一时间间隔记录的数据即为离散载荷影像中的一帧。

2)确定水线处冰载荷作用区域，定义冰排-空气交界面为冰载荷作用区域的上边界，上边界通过计算触觉传感器每个测试单元所测得载荷的平均值得到；

3)通过计算水线上边界线处的测试单元,与沿水线上边界线法线方向向下的测试单元在所有帧载荷的协方差，来确定冰载荷作用区域的下边界；

4)对冰载荷作用区域内的测试单元进行编号：以水线处的第一个测试单元为基准，将载荷作用区域内，沿第一个测试单元水线法向的所有测试单元统一编号为1；同样，将水线处第二个测试单元及其沿水线法向的所有测试单元编号为2；将水线处第三个测试单元即其沿水线法向的所有测试单元编号为3…，最终将所有水线处的测试单元及其沿水线法向的测试单元均做这样的编号；

5)将每一帧数据中相同编号的测试单元载荷做加和处理，得到一组数组，数组每个元素即为编号为1，2，3…的所有测试单元载荷值的总和；

6)将每一帧数据得到的数组，按照时间排列，其中每个数组中的元素编号1，2，3…即为X轴，帧数1，2，3…t即为Y轴，每个数组中每个元素的大小即为Z轴；

7)为更清楚展示载荷的大小，从颜色色谱选择一条颜色带，将数值最小值和最大值之间按照颜色带RGB颜色值用分段函数进行切割，获得数值对应的RGB颜色值并绘出，即可完成冰载荷动态历程的可视化模型图；

8)利用可视化模型进行局部冰压力分析：可视化模型中将会出现许多载荷峰值，将水平较高的峰值对应的帧数提取出来，可做后续的结构安全性研究；

9)利用可视化模型进行整体阻力构成的分析：可视化模型中，载荷的时变行为会因为区域的不同而展现出不同的时变特征，将相同时变特征的区域中的载荷作加和处理，即可得到与时变行为对应物理进程的载荷序列。

本发明根据冰在船体前破坏过程的特点，采取以上技术方案对测试数据进行可视化，其具有以下优点：

1.首先，可以将测试数据形式从离散的载荷影像，还原为随时间连续放映的动态历程。在此基础上，对整个时域过程中，船体载荷的波动特征形成宏观认识与评价，进而对载荷水平较高的关键区域进行锁定，筛选出局部冰压力较高的时刻，为后续船舶安全性分析提供数据基础。

2.其次，冰载荷动态历程的可视化，使得研究人员可以根据船体冰载荷的时变信息解析冰与船体的作用过程，进而提取关键物理进程所反映的载荷序列。相较于离散的载荷影像和简单罗列在一起的整体阻力序列，本发明可以结合物理进程，从阻力构成上更为精细地解析船体整体阻力，为后续船舶快速性分析提供数据基础。

附图说明

图1是本发明的一具体实施例中冰载荷作用区域示意图

图2是本发明的一具体实施例中可视化模型图

图3是本发明的一具体实施例中某时刻下高压载荷示意图

图4是本发明一具体实施例中不同物理进程的载荷序列图，其中，a)为艏柱区域冰载荷序列，b)为船肩区域冰载荷序列

具体实施方式

本发明根据冰在船体前破坏过程的特点，采取以上技术方案对测试数据进行可视化，具体实施方法如下：

1.进行冰-船物理模型试验前，在船模的目标测试区域上安装触觉式传感器，同时获得测试区域与传感器测试单元的对应关系。试验开始后，按照预设时间间隔采集冰排破坏期间的载荷数据。数据采集时间间隔一般设置为0.02s或0.01s(可根据需要进行调整)，传感器每一时间间隔记录的数据即为离散载荷影像中的一帧。

2.确定水线处冰载荷作用区域。首先，定义冰排-空气交界面为冰载荷作用区域的上边界，其确定方法可通过计算触觉传感器每个测试单元所测得载荷的平均值得到，即：

其中，m,n分别为测试单元在传感器中的坐标行列数；t为测试帧数；

为第m行第n列测试单元载荷的平均值；f_m，n(t)为第m行第n列测试单元在第t帧的载荷值。由于与空气接触的测试单元的载荷平均值基本为零，而冰-空气交界面处由于冰的部分作用，载荷平均值较大，因此可根据二者的显著差异来确定水线处冰载荷作用区域的上边界，进而可以在触觉传感器测试阵列中勾勒出水线的上边界线。

然后，在确定水线处冰载荷作用区域上边界的基础上，对下边界进行确定，确定方法需要计算选定两个测试单元载荷的协方差：

其中，(m,n)为水线上边界线处单个测试单元在触觉传感器测试阵列中的坐标；(m+i,n+j)为沿水线上边界线法线方向向下的单个测试单元的坐标，i,j＝1,2,3…；cov((m，n)，(m+i，n+j))为以上两个测试单元的协方差。当cov((m，n)，(m+i，n+j))接近于零时，第m+i行n+j列的测试单元所在的位置即为冰载荷作用区域的下边界。统计所有(m+i,n+j)测试单元所在位置即可构成冰载荷作用区域下边界。

3.为了将试验中冰载荷分布的四维特征可视化，需要进行必要的降维手段。在冰与船体的相互作用过程中，冰排自由边缘在与船体接触后发生挤压，并受到行进船体的作用发生下压弯曲，并最终促成冰排的弯曲断裂。在这一过程中，冰排对船体的作用仅表现为接触位置沿水线法线方向上的下移，对于分析整体阻力与局部冰压力来说，冰载荷沿水线面的分布受到船体型线与多种物理进程的共同控制而表现出极大的差异性，因此本发明选择对数据进行沿水线法向的降维并建立可视化模型：

①针对每一帧数据，将冰载荷作用区域中的各测试单元沿水线法向进行累加，得到一组数组γ_t，数组每个元素即对应不同的水线位置(编号为1,2,3…)处的冰载荷大小；②将每一帧数据得到的γ₁，γ₂...γ_t按照时间排列，即可构成可视化模型中的XY平面，其中X轴为水线位置，Y轴为时间；③将冰载荷大小用高度表示，构成可视化模型的Z轴；④从颜色色谱选择一条颜色带，将数值最小值和最大值之间按照颜色带RGB颜色值用分段函数进行切割，获得数值对应的RGB颜色值并绘出即可完成三维可视化模型。

下面以一具体实例来说明。

某次试验针对一艘以船艏破冰航行的运输船。触觉传感器的测试区域长宽为464.8mm×464.8mm。传感器内呈阵列形式分布了32行32列共1024个测试单元，每一个测试单元长宽为14.5mm×14.5mm。为测量船艏冰载荷，将触觉式传感器沿船肩-艏柱-船肩安装在整个船艏区域，传感器时间间隔设置为0.01s。

按照本发明步骤计算冰载荷作用区域如图1所示,每一个方格表示传感器的每一个测试单元，彩色区域表示冰载荷作用区域，传感器水线位置包含56个测试单元，每个测试单元沿水线法向方向用相同颜色标注。将冰载荷作用区域中测试单元载荷沿水线法向累加并按时间排列(累加之后进行了压强转换为压力的处理)，并用高度和颜色标注即可得到图2所示的冰载荷动态历程的可视化模型，模型中X轴为水线位置，Y轴为时间，Z轴为载荷值大小。下面说明如何利用本发明提供的可视化信息进行局部冰压力和整体阻力分析。

·定位局部高压冰压力的区域时刻

从图2中可以较为清晰的观察船体冰载荷随时间变化的整个过程，并对船体冰载荷的整体水平形成宏观认识与评价。冰载荷较高的区域出现在艏柱和船肩，其中极值载荷出现船肩区域；水平较低的区域为艏柱至船肩的中间地带。取船肩处出现载荷峰值的某一帧载荷影像如图3所示，从图中可以看到船肩处沿水线附近的测试单元均测量到了较高的冰载荷，其中第28行第3列的测试单元的测量到的载荷值为324.21kPa。试验整个过程中，冰载荷出现局部高压冰压力帧数有很多，利用可视化信息可以准确地将这些帧数从数千帧数据中筛选出来，以便进行后续的结构安全性研究。

·关键物理进程的提取

从图2展现的冰载荷动态历程中，可以观察船体不同区域冰载荷的时变行为。其中，艏柱区域的冰载荷的时变特征表现为一定水平上快速的抖动，而船肩区域的冰载荷的时变特征为表现为单次加载-卸载的过程，其卸载通常是彻底地。将两种波动特征对应的区域进行加和，得到的载荷序列如图4所示，由冰力学相关知识可知，艏柱区域载荷序列为冰排发生挤压-压屈破坏的特征，在船肩的载荷序列为弯曲破坏的特征，后续可进行针对挤压-压屈、弯曲破坏的相关分析。

可以看到，相较于离散地数据影像，或简单罗列在一起的载荷序列，本发明可以提供一种可以将关键物理提取出来的方法。对实际应用中整体阻力构成的分析，进而进行整体阻力地经验-半经验公式的建立有很高的适用性。

Claims (1)

1.一种船体冰载荷精细测试数据的动态历程可视化方法，包括下列步骤：

1)在船模的目标测试区域上安装触觉传感器，触觉传感器中的测试单元以m行n列的阵列形式布置，同时获得测试区域与触觉传感器测试单元的对应关系，按照预设时间间隔采集冰排破坏期间的载荷数据，触觉传感器每一时间间隔记录的数据即为离散载荷影像中的一帧；

2)确定水线处冰载荷作用区域，定义冰排-空气交界面为冰载荷作用区域的上边界，上边界通过计算触觉传感器每个测试单元所测得载荷的平均值得到；

3)在确定水线处冰载荷作用区域上边界的基础上，对下边界进行确定，确定方法需要计算选定两个测试单元载荷的协方差：

其中，f_(m,n)(t)为第m行n列测试单元在第t帧的载荷值，m,n为水线上边界线处单个测试单元在触觉传感器测试阵列中的坐标；

为第m行n列的测试单元在整个时间历程下的均值；(m+i,n+j)为沿水线上边界线法线方向向下的单个测试单元的坐标；cov((m,n),(m+i,n+j))为以上两个测试单元的协方差，当cov((m,n),(m+i,n+j))接近于零时，第m+i行n+j列的测试单元所在的位置即为冰载荷作用区域的下边界；统计所有使cov((m,n),(m+i,n+j))接近于零的第m+i行n+j列的测试单元的所在位置，并将上述位置构成冰载荷作用区域的下边界；

4)对冰载荷作用区域内的测试单元进行编号：以水线处的第一个测试单元为基准，将载荷作用区域内，沿第一个测试单元水线法向的所有测试单元统一编号为1；同样，将水线处第二个测试单元及其沿水线法向的所有测试单元编号为2；将水线处第三个测试单元即其沿水线法向的所有测试单元编号为3…，最终将所有水线处的测试单元及其沿水线法向的测试单元均做这样的编号；

5)将每一帧数据中相同编号的测试单元载荷做加和处理，得到一组数组，数组每个元素即为编号为1，2，3…的所有测试单元载荷值的总和；

6)将每一帧数据得到的数组，按照时间排列，其中每个数组中的元素编号1，2，3…即为X轴，帧数1，2，3…t即为Y轴，每个数组中每个元素的大小即为Z轴；

7)为更清楚展示载荷的大小，从颜色色谱选择一条颜色带，将数值最小值和最大值之间按照颜色带RGB颜色值用分段函数进行切割，获得数值对应的RGB颜色值并绘出，即可完成冰载荷动态历程的可视化模型图；

8)利用可视化模型进行局部冰压力分析：可视化模型中将会出现许多载荷峰值，将水平较高的峰值对应的帧数提取出来，可做后续的结构安全性研究；

9)利用可视化模型进行整体阻力构成的分析：可视化模型中，载荷的时变行为会因为区域的不同而展现出不同的时变特征，将相同时变特征的区域中的载荷作加和处理，即可得到与时变行为对应物理进程的载荷序列。

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