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技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。拟现实平台的问题。拟现实平台的问题。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于船舶航行安全管理系统
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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)。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]本专利技术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。
[0008]为实现上述目的，本专利技术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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]本专利技术的技术效果为：
[0022]本专利技术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。
[0023]本专利技术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
[0024]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：
[0025]图1为本专利技术实施例中的船上硬件设备示意图；
[0026]图2为本专利技术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；
[0027]图3为本专利技术实施例中的北极航行路线途径海域与海峡示意图；
[0028]图4为本专利技术实施例中的航道及船型数据库示意图；
[0029]图5为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：师桂杰，王德禹，罗文俊，李春通，蒋嘉奇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：