CN109752165A - 一种针对船舶碎冰阻力实验的冰场布放和数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对船舶碎冰阻力实验的冰场布放和数据处理方法，本发明中每次船舶碎冰阻力实验前将碎冰均匀分布在碎冰域中，并消除相互重叠的碎冰，使之与实验设计工况接近，对每次船舶碎冰阻力实验进行独立重复实验减少偶然性因素的影响；在实验结束后，对实验数据进行区间划分处理，基于数理统计的方法剔除不合理的子区域所对应的实验数据，并进行不确定性分析；对实验前数据中的碎冰域照片进行图像校正，并按子区域分割，得到子区域图片，计算子区域的实际覆盖率，对每个剩余子区域对应的实验数据中的碎冰阻力进行修正，从而使实验数据更具可靠性。

Description

一种针对船舶碎冰阻力实验的冰场布放和数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种针对船舶碎冰阻力实验的冰场布放和数据处理方法

背景技术

由于全球变暖，北极航道通航正日渐成为现实。对于极地船舶设计来说，碎冰阻力是必须要考虑的因素。因此船舶碎冰实验的开展显得极有价值。但当前关于船舶碎冰实验的指导方法，尤其是关于实验中碎冰域的处理流程的方法还比较匮乏。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种针对船舶碎冰阻力实验的冰场布放和数据处理方法。本发明针对船舶碎冰阻力实验的冰场布放和数据处理流程来解决实验时碎冰流域的实际情况与设计工况有所出入的情况，并计算冰阻力测量不确定度，使得碎冰实验测量数据更具可靠性，为其它碎冰实验及类似实验提供了参考。本发明采用的技术手段如下：

一种针对船舶碎冰阻力实验的冰场布放和数据处理方法，具有如下步骤：

S1、将碎冰均匀分布在碎冰域中，并消除相互重叠的碎冰，记录实验前数据；

在碎冰域中进行船舶碎冰阻力实验，并记录实验数据；

S2、重复步骤S1至少三次；

船舶碎冰阻力实验的碎冰是均匀分布的，但是实际上由于各种因素导致的水面扰动，碎冰域中的碎冰分布与设计中的均匀分布有所出入。故为减小此影响，船舶碎冰阻力实验至少重复三次，每次船舶碎冰阻力实验前将碎冰均匀分布在碎冰域中，并消除相互重叠的碎冰，之后尽快开始船舶碎冰阻力实验，以确保船舶在碎冰域中进行实验时，碎冰处于一种均匀分布的状态，这样就能减少实际碎冰分布与设计均匀分布有所出入的误差所带来的影响。

S3、基于ITTC冰实验指导文件中的分割假设及稳定状态要求将碎冰域分割成多段子区域；

S4、对每个子区域对应的实验数据进行离群数据点判断，舍弃异常子区域对应的实验数据，对剩余子区域对应的实验数据进行不确定分析；

S5、对实验前数据中的碎冰域照片进行图像校正，并按子区域分割，得到子区域图片，计算子区域图片所对应的子区域的实际覆盖率；

S6、根据子区域的实际覆盖率和子区域的设计覆盖率，对每个剩余子区域对应的实验数据中的碎冰阻力进行修正，得到每个剩余子区域对应的最终碎冰阻力。

船舶碎冰阻力实验时，船舶以恒定速度穿过碎冰域，所述碎冰为厚度均匀的聚乙烯板。

所述步骤S3中将碎冰域分割成多段子区域的原则如下：

子区域长度为1.5～2.5倍的船舶长度；

船舶在子区域内至少发生10次与碎冰的碰撞；

子区域对应的实验数据应能表明其普遍变化趋势(时历曲线)，若该子区域趋势不具合理性和可重复性则该子区域分割不能被视为一个独立的实验。

所述步骤S3中子区域的个数为10～15个。

所述步骤S4的具体步骤如下：

由于实际实验情况存在偶然性事件，故并不是每个子区域都是合理的结果，因此需要对每个子区域进行离群数据点判断，以此进行筛选。

从每个子区域对应的实验数据选取一种数据并根据公式(1)进行判断；

其中：F_{T_mean}为每个子区域的选取数据的平均值，Mean_F_{T_mean}是所有子区域的选取数据的平均值的平均值，STD_F_{T_mean}是所有子区域的选取数据的平均值的方差；

若子区域的(Chauv#)_Mean值不在1.96～2.13的范围内，则该子区域异常，对应的实验数据被舍弃，对剩余子区域对应的实验数据进行不确定分析：

其中，U(F_{T_mean})为剩余子区域对应的实验数据中某一种数据的不确定性，t为经验系数，(STD`_F_{T_mean})为所有剩余子区域对应的实验数据中某一种数据的平均值的方差，N为剩余子区域的数量；

将U(F_{T_mean})表示为百分比形式如下：

其中，Mean`_F_{T_mean}为是所有剩余子区域对应的实验数据中某一种数据的平均值的平均值。

所述步骤S5的具体步骤如下：

由于实验前数据中的碎冰域照片很难将狭长的整个碎冰域涵盖进去，并且存在透视变形等诸多影响因素，因此其不能直接进行覆盖率的计算。

采用matlab对实验前数据中的碎冰域照片进行几何校正以消除透视变形，并按子区域分割，得到子区域图片，使之接近真实碎冰域情况；

计算子区域图片的实际覆盖率：

实验时，某个子区域的实际覆盖率总是与设计覆盖率有所出入，且由于子区域图片中碎冰较亮、水域背景较暗，采用matlab将子区域图片进行图像二值化处理，并将阈值尽可能调高(0～255)，以尽可能的剔除子区域图片中其它较亮因素的影响；

对二值化处理后的图片进行实际覆盖率的计算：

实际覆盖率＝二值化处理后的图片中白色像素点数量/二值化处理后的图片中总像素点数量；

得到的实际覆盖率等于子区域图片所对应的子区域的实际覆盖率。

其中，二值化处理后的图片中白色像素点数量可代指碎冰面积，在将之除以二值化处理后的图片中总像素点数量便能得到该子区域图片的实际覆盖率。

所述步骤S6中，每个剩余子区域对应的最终碎冰阻力通过以下公式得到：

其中，F_{ice_final}为每个剩余子区域对应的最终碎冰阻力，F_{ice_test}为每个剩余子区域对应的实验数据中的碎冰阻力，coverage_design为子区域的设计覆盖率，coverage_modificed为子区域的实际覆盖率。

与现有技术相比，本发明中每次船舶碎冰阻力实验前将碎冰均匀分布在碎冰域中，并消除相互重叠的碎冰，使之与实验设计工况接近，对每次船舶碎冰阻力实验进行独立重复实验减少偶然性因素的影响；在实验结束后，对实验数据进行区间划分处理，基于数理统计的方法剔除不合理的子区域所对应的实验数据，并进行不确定性分析；对实验前数据中的碎冰域照片进行图像校正，并按子区域分割，得到子区域图片，计算子区域的实际覆盖率，对每个剩余子区域对应的实验数据中的碎冰阻力进行修正，从而使实验数据更具可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中针对船舶碎冰阻力实验的冰场布放和数据处理方法的流程图。

图2是本发明的具体实施方式中对实验前数据中的碎冰域照片进行图像校正、按子区域分割、二值化处理和实际覆盖率计算的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，一种针对船舶碎冰阻力实验的冰场布放和数据处理方法，具有如下步骤：

S1、将碎冰均匀分布在碎冰域中，并消除相互重叠的碎冰，记录实验前数据；

在碎冰域中进行船舶碎冰阻力实验，并记录实验数据；

S2、重复步骤S1至少三次；

S3、基于ITTC冰实验指导文件中的分割假设及稳定状态要求将碎冰域分割成多段子区域；

S4、对每个子区域对应的实验数据进行离群数据点判断，舍弃异常子区域对应的实验数据，对剩余子区域对应的实验数据进行不确定分析；

S5、对实验前数据中的碎冰域照片进行图像校正，并按子区域分割，得到子区域图片，计算子区域图片所对应的子区域的实际覆盖率；

S6、根据子区域的实际覆盖率和子区域的设计覆盖率，对每个剩余子区域对应的实验数据中的碎冰阻力进行修正，得到每个剩余子区域对应的最终碎冰阻力。

船舶碎冰阻力实验时，船舶以恒定速度穿过碎冰域，所述碎冰为厚度均匀的聚乙烯板。

所述步骤S3中将碎冰域分割成多段子区域的原则如下：

子区域长度为1.5～2.5倍的船舶长度；

船舶在子区域内至少发生10次与碎冰的碰撞；

子区域对应的实验数据应能表明其普遍变化趋势。

所述步骤S3中子区域的个数为10～15个。

所述步骤S4的具体步骤如下：

从每个子区域对应的实验数据选取一种数据并根据公式(1)进行判断；本实施例选取的数据为拖曳力；

其中：F_{T_mean}为每个子区域的拖曳力的平均值，Mean_F_{T_mean}是所有子区域的拖曳力的平均值的平均值，STD_F_{T_mean}是所有子区域的拖曳力的平均值的方差；

若子区域的(Chauv#)_Mean值不在1.96～2.13的范围内，则该子区域异常，对应的实验数据被舍弃，对剩余子区域对应的实验数据进行不确定分析：

本实施例选取的数据为拖曳力；

其中，U(F_{T_mean})为剩余子区域对应的实验数据中拖曳力的不确定性，t为经验系数，本实施例中t＝2，(STD`_F_{T_mean})为所有剩余子区域对应的实验数据中拖曳力的平均值的方差，N为剩余子区域的数量；

将U(F_{T_mean})表示为百分比形式如下：

其中，Mean`_F_{T_mean}为是所有剩余子区域对应的实验数据中拖曳力的平均值的平均值。

所述步骤S5的具体步骤如下：

采用matlab对实验前数据中的碎冰域照片进行几何校正以消除透视变形，并按子区域分割，得到子区域图片；

计算子区域图片的实际覆盖率的计算：

采用matlab将子区域图片进行图像二值化处理，并将阈值尽可能调高；

对二值化处理后的图片进行实际覆盖率：

实际覆盖率＝二值化处理后的图片中白色像素点数量/二值化处理后的图片中总像素点数量；

得到的实际覆盖率等于子区域图片所对应的子区域的实际覆盖率。

所述步骤S6中，每个剩余子区域对应的最终碎冰阻力通过以下公式得到：

其中，F_{ice_final}为每个剩余子区域对应的最终碎冰阻力，F_{ice_test}为每个剩余子区域对应的实验数据中的碎冰阻力，coverage_design为子区域的设计覆盖率，coverage_modificed为子区域的实际覆盖率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种针对船舶碎冰阻力实验的冰场布放和数据处理方法，其特征在于具有如下步骤：

S1、将碎冰均匀分布在碎冰域中，并消除相互重叠的碎冰，记录实验前数据；

在碎冰域中进行船舶碎冰阻力实验，并记录实验数据；

S2、重复步骤S1至少三次；

S3、基于ITTC冰实验指导文件中的分割假设及稳定状态要求将碎冰域分割成多段子区域；

S4、对每个子区域对应的实验数据进行离群数据点判断，舍弃异常子区域对应的实验数据，对剩余子区域对应的实验数据进行不确定分析；

S5、对实验前数据中的碎冰域照片进行图像校正，并按子区域分割，得到子区域图片，计算子区域图片所对应的子区域的实际覆盖率；

S6、根据子区域的实际覆盖率和子区域的设计覆盖率，对每个剩余子区域对应的实验数据中的碎冰阻力进行修正，得到每个剩余子区域对应的最终碎冰阻力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：船舶碎冰阻力实验时，船舶以恒定速度穿过碎冰域，所述碎冰为厚度均匀的聚乙烯板。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S3中将碎冰域分割成多段子区域的原则如下：

子区域长度为1.5～2.5倍的船舶长度；

船舶在子区域内至少发生10次与碎冰的碰撞；

子区域对应的实验数据应能表明其普遍变化趋势。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤S3中子区域的个数为10～15个。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤S4的具体步骤如下：

从每个子区域对应的实验数据选取一种数据并根据公式(1)进行判断；

其中：F_{T_mean}为每个子区域的选取数据的平均值，Mean_F_{T_mean}是所有子区域的选取数据的平均值的平均值，STD_F_{T_mean}是所有子区域的选取数据的平均值的方差；

若子区域的(Chauv#)_Mean值不在1.96～2.13的范围内，则该子区域异常，对应的实验数据被舍弃，对剩余子区域对应的实验数据进行不确定分析：

其中，U(F_{T_mean})为剩余子区域对应的实验数据中某一种数据的不确定性，t为经验系数，(STD`_F_{T_mean})为所有剩余子区域对应的实验数据中某一种数据的平均值的方差，N为剩余子区域的数量；

将U(F_{T_mean})表示为百分比形式如下：

其中，Mean`_F_{T_mean}为是所有剩余子区域对应的实验数据中某一种数据的平均值的平均值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤S5的具体步骤如下：

采用matlab对实验前数据中的碎冰域照片进行几何校正以消除透视变形，并按子区域分割，得到子区域图片；

计算子区域图片的实际覆盖率：

采用matlab将子区域图片进行图像二值化处理，并将阈值尽可能调高；

对二值化处理后的图片进行实际覆盖率的计算：

实际覆盖率＝二值化处理后的图片中白色像素点数量/二值化处理后的图片中总像素点数量；

得到的实际覆盖率等于子区域图片所对应的子区域的实际覆盖率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤S6中，每个剩余子区域对应的最终碎冰阻力通过以下公式得到：

其中，F_{ice_final}为每个剩余子区域对应的最终碎冰阻力，F_{ice_test}为每个剩余子区域对应的实验数据中的碎冰阻力，coverage_design为子区域的设计覆盖率，coverage_modificed为子区域的实际覆盖率。