CN116011255A - 基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统，包括虚拟现实交互操作模块，用于基于VR手柄和VR头盔与虚拟现实场景进行交互；三维虚拟可视化集成模块用于采用全局视角观察虚拟现实场景；北极航线环境三维模拟模块用于模拟航线环境场景；北极航行虚拟场景模块用于建立航行虚拟场景；北极航行窗口期评估模块用于评估船舶在不同航线的航行窗口期；系统存储与输出模块用于存储交互操作信息、虚拟现实场景信息以及窗口期评估结果信息，并以曲线图和数据表的形式输出。本发明的评估系统工作原理简单、场景真实有效、应用场景多样，解决了极地航行安全分析缺乏虚拟现实平台的问题。
Description
技术领域
本发明属于船舶航行安全管理系统技术领域，特别是涉及一种基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统。
背景技术
随着北极夏季海冰消融加速，北极东北航线季节性通航逐步成为现实。虽然北极东北航线夏季海冰总体上呈现减小趋势，但是每年冰情变化很大，导致北极东北航线航行船舶面临较大安全风险，难以准确判断通航窗口期。此外，北极东北航线航行商船以低冰级或无冰区加强船型为主，抗冰能力相对较弱，一旦发生冰困或冰损事故将会引起严重事故。
北极航行窗口期评估是选择北极航线的关键环节，需考虑冰情变化、船舶抗冰能力、海冰下船舶性能等多种因素。但是，目前缺乏直观、沉浸式、有效的辅助决策系统支持，我国北极航行经验积累也相对较少。在北极复杂海冰环境下，北极航行窗口期评估不当，将对航运经济效益、海事安全等带来不利后果。
北极航行窗口期评估的原理是，掌握航行途径区域的冰情现状与未来变化趋势，借助海冰下船舶航行安全的风险分析方法，评估航行速度、航线选择、船舶类型等因素，考虑可能的破冰引航与独立航行两种情形，得到船舶进入北极东北航线的最早时间与离开北极东北航线的最晚时间，形成北极东北航线通航窗口期的数学表达(如，多少天)。
现有的北极航行窗口期评估存在以下问题：(1)偏向于建立复杂的理论分析模型，但是很难掌握分析模型与实际冰情的有效关联；(2)海冰下船舶力学响应分析与北极航行窗口期评估处于分离状态，忽视了不同海冰作用下船舶力学响应的显著差异；(3)北极航行窗口期评估缺乏船冰作用过程三维场景模拟，缺乏沉浸式的逼真体验感；(4)采用常规仿真软件，可得到局部区域的船冰作用效果，但是该种方法耗时耗力，很难拓展到大范围船冰快速模拟。
因此，亟需提出一种基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统，包括依次连接的虚拟现实交互操作模块、三维虚拟可视化集成模块、北极航线环境三维模拟模块、北极航行虚拟场景模块、北极航行窗口期评估模块和系统存储与输出模块；
所述虚拟现实交互操作模块用于基于VR手柄和VR头盔与虚拟现实场景进行交互，所述虚拟现实场景包括船体内部视景、航线环境场景以及航行虚拟场景；
所述三维虚拟可视化集成模块用于采用全局视角观察虚拟现实场景；
所述北极航线环境三维模拟模块用于设置航线层、海冰层、波浪层、风场层和浓雾层，模拟航线环境场景；
所述北极航行虚拟场景模块用于建立海冰破碎过程、船冰碰撞作用、海冰下船舶阻力与结构响应、海冰下船体六自由度运动的航行虚拟场景；
所述北极航行窗口期评估模块用于根据海冰分布信息和海冰预报信息，评估船舶在不同航线的航行窗口期；
所述系统存储与输出模块用于存储交互操作信息、虚拟现实场景信息以及窗口期评估结果信息，并以曲线图和数据表的形式输出。
可选地，所述极地航行窗口期评估系统还包括数据库模块，所述数据库模块用于基于北极地理信息，建立航道数据库；基于空中遥感、船上监测以及海/陆监测措施，建立海冰数据库、波浪数据库与风场数据库；基于船舶设计信息，建立船型数据库；基于船舶性能及安全分析，建立不同海冰作用下船舶性能与结构响应变化的数据库。
可选地，所述虚拟现实交互操作模块用于通过VR手柄改变船舶在北极航线的时间节点与空间位置，实现航行场景实时动态调整；通过VR头盔显示极地船舶的航行虚拟场景，所述航行虚拟场景包括但不限于三维全局视景、左舷船冰视景、右舷船冰视景、船艏船冰视景、船体内部视景、超过阈值报警以及航行窗口期。
可选地，所述北极航线环境三维模拟模块用于通过调取所述数据库模块中对应的数据，设置航线层、海冰层、波浪层、风场层和浓雾层模拟航线环境场景，并获取海冰形状信息、海冰分布信息、海冰密集度信息以及冰厚信息，建立海冰三维分布场景。
可选地，所述航线层用于根据北极东北航道途径经纬度范围，建立航道水深分布图；所述海冰层用于根据时间与空间的变化，模拟波浪、海冰、风场与浓雾的环境变化；所述波浪层用于通过波高、波浪周期以及不同波浪的组合，模拟波动效果；所述风场层用于通过标示风速与风向信息，使船舶上旗帜随风飘动；所述浓雾层用于增加浓雾，通过能见度指标获得船舶上人员的有效视距。
可选地，所述北极航行虚拟场景模块用于调取所述数据库模块中对应的数据，基于船体外壳与海冰接触点，结合船冰相对速度获得海冰碰撞载荷，基于所述海冰碰撞载荷和冰强指标生成海冰破碎形状，并通过环向裂纹与径向裂纹随机生成若干块碎冰，进而建立海冰破碎过程；基于海冰的物理属性，建立船冰碰撞作用；基于船舶仿真模型，分析海冰下船舶阻力与结构的响应；基于波浪载荷、海冰载荷以及船舶重量载荷，评估船舶在冰水混合物中的运动响应，建立海冰下船体六自由度运动的航行虚拟场景。
可选地，所述北极航行窗口期评估模块用于规划船舶的航行路线，并解析船舶的AIS数据，获取船舶的经度、纬度、航速、航向、船舶类型、MMSI、冰级以及推进功率信息；基于海冰密度、海冰厚度、船舶抗冰能力以及船舶推进功率，评估冰域中的综合航行风险；基于海冰分布与海冰预报信息，评估船舶在不同航线的航行窗口期，并基于机器学习对航行窗口期进行智能判断。
本发明的技术效果为：
本发明有效融合了海冰遥感信息与实测数据，提升了海冰识别准确性；利用机器学习方法与历史数据，实现海冰变化的短期预报，为船舶极地安全航行提供数据；展现了海冰形态与船冰作用过程的模拟过程，真实呈现碰撞作用下海冰破碎的三维效果；极地航行窗口期评估模块，提升了北极航道通行的智能判断能力；设置虚拟现实场景方便用户沉浸式体验极地冰区航行过程。
本发明的评估系统工作原理简单、设备布置简便、场景真实有效、应用场景多样，方便开展极地航行安全评估与模拟训练，解决极地航行安全分析缺乏虚拟现实平台的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的船上硬件设备示意图；
图2为本发明实施例中的基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统架构图；
图3为本发明实施例中的北极航行路线途径海域与海峡示意图；
图4为本发明实施例中的航道及船型数据库示意图；
图5为本发明实施例中的虚拟现实交互操作原理图；
图6为本发明实施例中的北极航线环境三维模拟原理图；
图7为本发明实施例中的北极航行虚拟场景模拟原理图；
图8为本发明实施例中的北极航行窗口期评估原理图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1所示，本实施例中提供一种基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统，该系统平台包括船舶AIS系统、电脑、显示器、虚拟现实(VR)头盔、VR操纵手柄、摄像机、雷达、网线、路由器、电源等硬件设备，还包括船型数据库、航道数据库、海冰数据库、海冰识别程序、海冰模拟程序、海冰预报程序、船冰作用模拟程序、航行窗口期评估程序、三维可视化集成程序等软件平台。
所述船舶AIS数据提供船舶航行经度、纬度、航速、航向、船舶类型、船厂、船宽和MMSI等信息；电脑与显示放置在实验室或者船上，通过网络收集海冰遥感产品信息，获得北极航线沿途大范围海冰分布；通过网线与路由器，接收来自的摄像机拍摄信息与雷达监测信息，获得船舶周边航行区域的海冰实时信息。船型、航道、海冰等信息以数据库的方式分类存储在电脑中，方便数据的快速查询、读取与传递。通过开发海冰识别程序，几何大范围海冰遥感数据、船舶周边拍摄图片与雷达监测数据，识别船舶航行区域的海冰密集度、海冰厚度等几何信息；通过开发海冰模拟程序，采用数字化方法模拟海冰形状、分布与厚度，通过真实度指标评价海冰模拟与实际海冰之间的差异；通过来访船冰预报程序，结合历史数据与现场观测数据，利用机器学习预报未来数天或数周内海冰变化情况；通过开发船冰作用程序，模拟船冰碰撞、海冰翻转、船冰作用载荷、船体结构响应等效果；通过开发航行窗口期评估程序，通过航行安全速度-海冰密集度曲线与安全航行阈值，评估特定海冰场景下船舶通航能力风险水平；通过开发三维可视化集成程序，集成数据库、程序模块与可视化平台，利用VR头盔与VR操纵手柄实现极地航行场景的沉浸式交互虚拟操作及评估。
如图1所示的船上硬件设备布置，主要目的是获得船舶附近实际航行环境资料。通过船舶自动识别(AIS)系统，确定船舶物理位置、航行状态、船舶属性等信息。通过摄像机拍摄船舶周边海域的海冰影像，为海冰识别提供数据。通过雷达(如配置)监测船舶周边大块危险海冰信息，包括海冰速度、冰山/冰脊轮廓等。船舶监测信息通过路由器与网络连接，传递到船上控制电脑系统。船上配备的VR头盔与VR手柄用于本系统虚拟场景的体验。
如图2所示的基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统架构，包括虚拟现实交互操作模块、北极航线环境三维模拟模块、北极航行虚拟场景模块、北极航行窗口期评估模块、三维虚拟可视化集成模块、系统存储与输出模块等。
如图3所示的北极航行路线途径海域与海峡，基本上涵盖近年来北极东北航线国际过境通航路线情况，选取航线上的样本点(包括海峡与海域)确定经度与纬度坐标(LOi,LAi)，在平面或者球形地图信息文件上标注航行路线，建立北极航线与北极海域及海峡的关联。
如图4所示的航道及船型数据库示意图。基于地图信息文件，建立北极东北航道数据库，以经纬度为坐标，实现北极海域范围、关键海峡位置、水深分布等资料结构化存储；根据国内外主流信息来源，梳理北极航线的海冰、波浪、风场的环境资料的历史数据、监测数据与预报数据，按时间分类，以经纬度的变量，建立包括海冰密集度、海冰厚度、海冰速度、冰山冰脊外形等物理量的海冰数据库，建立包括风向和风力等物理量的风场数据库，建立包括波高、周期、相关海域的波浪预报模型等参数的波浪数据库；基于船舶设计信息，建立包括船舶三维模型、船舶主尺度、推进功率、冰级、设计航速等信息的船型数据库。基于船舶性能及安全分析，形成不同海冰作用下船舶性能与结构响应变化的计算数据及可读取的结果模型文件，建立海冰下船舶响应快速的预报模型。
如图5所示的虚拟现实交互操作原理图。通过VR手柄，通过模拟鼠标单击、键盘输入与语音输入等方式，动态调整航行场景，改变船舶在北极航线的时间节点、空间位置、航行海域/海峡、航行速度等信息；利用电脑屏幕或VR头盔显示极地航行的虚拟场景，包括三维全局视景、左舷船冰视景、右舷船冰视景、船艏船冰视景、船体内部视景、超过阈值报警、航行窗口期等信息。
如图6所示的北极航线环境三维模拟原理图。在地图基础数据的基础上，设置航线层、海冰层、波浪层、风场层、浓雾层等，模拟航道环境场景。根据北极东北航道途径经纬度范围，建立航道水深分布图，采用不同蓝色表示水深场景变化；以时间与空间(经纬度)为主要变量，模拟波浪、海冰、风场与浓雾等环境变化；波浪环境层通过波高、波浪周期及不同波浪的组合，实现波动效果的三维模拟；风场环境层标示风速与风向信息，能够实现船上旗帜随风飘动；雾气环境层增加浓雾效果，通过能见度指标表达船上人员有效视距；海冰参数识别程序，通过图片、表格等输入信息，自动识别出海冰形状、分布、密集度与冰厚等参数信息；结合机器学习，完成海冰密集度随时间空间变化的短期预报；结合海冰形状、海冰密集度、冰厚等信息，建立海冰三维分布场景，提供海冰密集度显示的RGB图例表征方法。
如图7所示的北极航行虚拟场景模拟原理图。判断船体外壳与海冰接触点，结合船冰相对速度计算海冰碰撞载荷，基于冰强指标生成海冰破碎形状，通过环向裂纹与径向裂纹随机生成3～5块碎冰；设置海冰密度、体积等物理属性，建立船冰碰撞下碎冰在水中的运动方程，实现海冰在水中漂浮、翻转、静止等过程；结合船舶仿真软件，分析海冰作用下船舶阻力与船体结构响应，建立不同海冰密集度作用下船体性能快速预报的代理模型；在波浪、海冰、船舶重量等多种载荷下，评估船舶在冰水混合物中的运动响应，建立船体六自由度运动的快速预报模型；采用虚拟现实软件，开发软件插件，建立船冰碰撞作用、海冰破碎过程、海冰下船舶阻力与结构响应、海冰下船体六自由度运动的虚拟场景。
如图8所示的北极航行窗口期评估原理图。根据北极东北航线途径海峡，建立北极航行路线的不同规划；结合船舶AIS数据，明确船舶所处经度、纬度、航速、航向、船舶类型、MMSI、冰级、推进功率等信息；建立影响极地安全航行的海冰风险表达方式，以海冰密集度、海冰厚度、船舶抗冰能力、船舶推进功率等因素为指标，评估某一给定冰域中的综合航行风险；结合海冰分布与海冰预报信息，评估给定船型在不同航线的通航窗口期，基于机器学习算法开发窗口期智能判断程序。
RIOV＝ΣCT×RSV,T+ΣCT×RPV,T
式中，CT为某区域内T类型冰情，RSV,T为V类船在T类型海冰区航行的结构抗冰风险等级，RPV,T为V类船在T类型海冰区航行的结构推进风险等级。
进一步的，系统存储与输出模块采用标准数据的方式，自动保存模型文件信息，以时间为序列存在的对应文件夹中，方便后续直接调用虚拟场景；所有互动交互操作保存在特定文件中，采用脚本文件方式记录操作时间、操作命令、反馈结果等信息；本系统平台的识别、预报、评估等结果提供输出结果的曲线图与数据表。
本实施例有效融合了海冰遥感信息与实测数据，提升了海冰识别准确性；利用机器学习方法与历史数据，实现海冰变化的短期预报，为船舶极地安全航行提供数据；开发了海冰形态与船冰作用过程的模拟程序，真实呈现碰撞作用下海冰破碎的三维效果；研发了极地航行窗口期评估程序，提升北极航道通行的智能判断能力；设置虚拟现实场景方便用户沉浸式体验极地冰区航行过程。
本评估系统平台工作原理简单、设备布置简便、场景真实有效、应用场景多样，方便开展极地航行安全评估与模拟训练，解决极地航行安全分析缺乏虚拟现实平台的问题。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统，其特征在于，包括依次连接的虚拟现实交互操作模块、三维虚拟可视化集成模块、北极航线环境三维模拟模块、北极航行虚拟场景模块、北极航行窗口期评估模块和系统存储与输出模块；
所述虚拟现实交互操作模块用于基于VR手柄和VR头盔与虚拟现实场景进行交互，所述虚拟现实场景包括船体内部视景、航线环境场景以及航行虚拟场景；
所述三维虚拟可视化集成模块用于采用全局视角观察虚拟现实场景；
所述北极航线环境三维模拟模块用于设置航线层、海冰层、波浪层、风场层和浓雾层，模拟航线环境场景；
所述北极航行虚拟场景模块用于建立海冰破碎过程、船冰碰撞作用、海冰下船舶阻力与结构响应、海冰下船体六自由度运动的航行虚拟场景；
所述北极航行窗口期评估模块用于根据海冰分布信息和海冰预报信息，评估船舶在不同航线的航行窗口期；
所述系统存储与输出模块用于存储交互操作信息、虚拟现实场景信息以及窗口期评估结果信息，并以曲线图和数据表的形式输出。
2.根据权利要求1所述的基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统，其特征在于，
所述极地航行窗口期评估系统还包括数据库模块，所述数据库模块用于基于北极地理信息，建立航道数据库；基于空中遥感、船上监测以及海/陆监测措施，建立海冰数据库、波浪数据库与风场数据库；基于船舶设计信息，建立船型数据库；基于船舶性能及安全分析，建立不同海冰作用下船舶性能与结构响应变化的数据库。
3.根据权利要求1所述的基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统，其特征在于，
所述虚拟现实交互操作模块用于通过VR手柄改变船舶在北极航线的时间节点与空间位置，实现航行场景实时动态调整；通过VR头盔显示极地船舶的航行虚拟场景，所述航行虚拟场景包括但不限于三维全局视景、左舷船冰视景、右舷船冰视景、船艏船冰视景、船体内部视景、超过阈值报警以及航行窗口期。
4.根据权利要求2所述的基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统，其特征在于，
所述北极航线环境三维模拟模块用于通过调取所述数据库模块中对应的数据，设置航线层、海冰层、波浪层、风场层和浓雾层模拟航线环境场景，并获取海冰形状信息、海冰分布信息、海冰密集度信息以及冰厚信息，建立海冰三维分布场景。
5.根据权利要求4所述的基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统，其特征在于，
所述航线层用于根据北极东北航道途径经纬度范围，建立航道水深分布图；所述海冰层用于根据时间与空间的变化，模拟波浪、海冰、风场与浓雾的环境变化；所述波浪层用于通过波高、波浪周期以及不同波浪的组合，模拟波动效果；所述风场层用于通过标示风速与风向信息，使船舶上旗帜随风飘动；所述浓雾层用于增加浓雾，通过能见度指标获得船舶上人员的有效视距。
6.根据权利要求2所述的基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统，其特征在于，
所述北极航行虚拟场景模块用于调取所述数据库模块中对应的数据，基于船体外壳与海冰接触点，结合船冰相对速度获得海冰碰撞载荷，基于所述海冰碰撞载荷和冰强指标生成海冰破碎形状，并通过环向裂纹与径向裂纹随机生成若干块碎冰，进而建立海冰破碎过程；基于海冰的物理属性，建立船冰碰撞作用；基于船舶仿真模型，分析海冰下船舶阻力与结构的响应；基于波浪载荷、海冰载荷以及船舶重量载荷，评估船舶在冰水混合物中的运动响应，建立海冰下船体六自由度运动的航行虚拟场景。
7.根据权利要求1所述的基于船冰作用三维可视化模拟的极地航行窗口期评估系统，其特征在于，
所述北极航行窗口期评估模块用于规划船舶的航行路线，并解析船舶的AIS数据，获取船舶的经度、纬度、航速、航向、船舶类型、MMSI、冰级以及推进功率信息；基于海冰密度、海冰厚度、船舶抗冰能力以及船舶推进功率，评估冰域中的综合航行风险；基于海冰分布与海冰预报信息，评估船舶在不同航线的航行窗口期，并基于机器学习对航行窗口期进行智能判断。
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