一种基于船舶航行三维仿真的内河航道通航特性评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于船舶航行三维仿真的内河航道通航特性评估方法，包括以下步骤：针对不同季节下水流速度存在的季节差异性，构建不同水位的内河航道三维仿真场景；分别建立考虑水流干扰和浅水效应的船舶航行操纵性模型；构建超实时仿真控制平台，对船舶在航道内航行的场景进行超实时仿真；在超实时仿真控制平台设计生成内河航道通航特性评估方法，实时计算船舶运行状态和船舶在可行航道的运动轨迹；考虑多种船舶会遇场景，判断本船舶与他船之间的最短横向距离。本发明专利技术能解决人为经验评估时缺乏数据支撑、评估准确性不能保证等问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于船舶航行三维仿真的内河航道通航特性评估方法


[0001]本专利技术属于交通航道通航模拟及安全评估
，具体涉及一种基于船舶航行三维仿真的内河航道通航特性评估方法。

技术介绍

[0002]内河航运在综合交通运输体系中发挥重要作用。随着内河船舶大型化发展和货物运输量逐年增长，船舶通行对航道的要求愈来愈高，既有航道也面临进一步改造。航道改造后，航道地形、航道尺度、流速分布等通航特性都与之前不同，且在不同水位、航道流量条件下，航道通航特性也会发生改变。因此，有必要对改造后的航道通航特性进行重新计算，评估其能否满足当前航道等级下船舶安全通行要求。航道通航特性评估一般依赖于通航标准和人为经验判断，这种评估方式主观性较强，缺乏对水下的地形，风、流等自然环境因素，以及船舶操纵性的综合分析。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于，提供一种基于船舶航行三维仿真的内河航道通航特性评估方法，解决人为经验评估时缺乏数据支撑、评估准确性不能保证等问题。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种基于船舶航行三维仿真的内河航道通航特性评估方法，包括以下步骤：
[0005]S1、针对不同季节下水流速度存在的季节差异性，构建不同水位的内河航道三维仿真场景；
[0006]S2、分别建立考虑水流干扰和浅水效应的船舶航行操纵性模型；
[0007]S3、构建超实时仿真控制平台，对船舶在航道内航行的场景进行超实时仿真；
[0008]S4、在超实时仿真控制平台设计生成内河航道通航特性评估方法，实时计算船舶运行状态和船舶在可行航道的运动轨迹；考虑多种船舶会遇场景，判断本船舶与他船之间的最短横向距离。
[0009]S1具体为：
[0010]收集航道区域基本资料，航道区域资本资料至少包括通航区域平面图、航道地形数据、航道可航行区域和不同季节的水文数据；
[0011]将通航区域平面图和航道地形数据进行插值处理，然后导入三维建模软件，生成初始三维地形图；
[0012]将初始三维地形图导入Unity3D软件，生成三维仿真地形；
[0013]将水文数据进行分析，得出代表季节性变化的水流场数据；
[0014]导入水流场数据，水流场数据至少包括水位、水深、X方向流速和Y方向流速，对水流场数据进行插值处理，得到不同水位的内河航道三维仿真场景。
[0015]S2中船舶航行操纵性模型的建立，使用三自由度分离型模型作为基础模型，三自由度分离性模型描述为：
[0016][0017]式中，u、v和r分别表示附体坐标系下船舶前进、横漂和首摇速度；m为船舶质量；m
x
和m
y
分别为x和y轴方向上的附加质量；I
ZZ
和I
ZZ
为z轴方向上的惯性矩和附加惯性矩，X、Y和N表示作用于船体的前进、横漂和艏摇力与力矩，下标H、P和R分别表示裸船体、桨和舵受到的力和力矩。
[0018]考虑水流干扰的船舶航行操纵性模型的建立过程为：
[0019]假设流速V
c
恒定且与真正真北方向夹角为β
c
，则流速在附体坐标系上的分量为：
[0020][0021]船舶运动对相对于水流速度的投影u
r
、v
r
表示为：
[0022][0023]将式(2)代入式(3)，得到水流干扰的船舶航行操纵性模型：
[0024][0025]式中，X
HPR
，Y
HPR
和N
HPR
分别表示作用在船体、桨和舵上的流体力和力矩，ψ为艏向角。
[0026]考虑浅水效应的船舶航行操纵性模型具体为：
[0027][0028]式中，m
x∞
、m
y∞
、J
zz∞
分别为深水中附加质量及惯性矩；H为水深；B为船宽；d为吃水。
[0029]考虑浅水效应的船舶航行操纵性模型至少包括纵向水动力导数浅水修正模型、横向水动力导数浅水修正模型、螺旋桨水动力导数浅水修正模型和舵水动力导数浅水修正模型。
[0030]纵向水动力导数浅水修正模型、横向水动力导数浅水修正模型、螺旋桨水动力导数浅水修正模型和舵水动力导数浅水修正模型分别为：
[0031]①
纵向水动力导数浅水修正模型：
[0032][0033]浅水域X
′
uu
的修正方法为：
[0034][0035]式中，X
′
uu
为浅水中的直航阻力，x
′
uu∞
为深水中的直航阻力；C
th
为浅水域船舶直航总阻力系数；C
t∞
为深水域船舶直航总阻力系数；A、B均为船舶试验系数，求取方法为：
[0036][0037]式中，为傅汝德数；
[0038]对X
vr
的修正为：
[0039][0040]②
横向水动力导数浅水修正模型为：
[0041]D
shallow
＝f(H)
×
D
deep
ꢀꢀ
(10)
[0042]式中，D
shallow
为浅水中的水动力导数；D
deep
为深水中的水动力导数；f(H)为水深修正函数；H＝d/h；
[0043]对水动力导数Y
′
v
、Y
′
vv
、Y
′
vvr
、N
′
v
、N
′
r
有：
[0044]f(H)＝1/(1
‑
H)
n
‑
H
ꢀꢀ
(11)
[0045]对于水动力导数Y
′
r
‑
(m
′
+m
′
x
)、Y
′
rr
、Y
′
vrr
、N
′
vv
、N
′
rr
、N
′
vvr
、N
′
vrr
有：
[0046]f(H)＝1+a1H+a2H2+a3H3ꢀꢀ
(12)
[0047]式中，a1、a2、a3均为常系数；
[0048]③
螺旋桨水动力导数浅水修正模型：
[0049]浅水的影响主要表现在船体伴流系数ω
p
和推力减额系数t
p
这两个系数上，需要加以修正；
[0050][0051][0052]式中，C
b
为方形系数；
[0053]④
舵水动力导数浅水修正
[0054]浅水对舵上的水动力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于船舶航行三维仿真的内河航道通航特性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、针对不同季节下水流速度存在的季节差异性，构建不同水位的内河航道三维仿真场景；S2、分别建立考虑水流干扰和浅水效应的船舶航行操纵性模型；S3、构建超实时仿真控制平台，对船舶在航道内航行的场景进行超实时仿真；S4、在超实时仿真控制平台设计生成内河航道通航特性评估方法，实时计算船舶运行状态和船舶在可行航道的运动轨迹；考虑多种船舶会遇场景，判断本船舶与他船之间的最短横向距离。2.根据权利要求1所述的一种基于船舶航行三维仿真的内河航道通航特性评估方法，其特征在于，S1具体为：收集航道区域基本资料，航道区域资本资料至少包括通航区域平面图、航道地形数据、航道可航行区域和不同季节的水文数据；将通航区域平面图和航道地形数据进行插值处理，然后导入三维建模软件，生成初始三维地形图；将初始三维地形图导入Unity3D软件，生成三维仿真地形；将水文数据进行分析，得出代表季节性变化的水流场数据；导入水流场数据，水流场数据至少包括水位、水深、X方向流速和Y方向流速，对水流场数据进行插值处理，得到不同水位的内河航道三维仿真场景。3.根据权利要求1所述的一种基于船舶航行三维仿真的内河航道通航特性评估方法，其特征在于，S2中船舶航行操纵性模型的建立，使用三自由度分离型模型作为基础模型，三自由度分离性模型描述为：式中，u、v和r分别表示附体坐标系下船舶前进、横漂和首摇速度；m为船舶质量；m
x
和m
y
分别为x和y轴方向上的附加质量；J
zz
和J
zz
为z轴方向上的惯性矩和附加惯性矩，X、Y和N表示作用于船体的前进、横漂和艏摇力与力矩，下标H、P和R分别表示裸船体、桨和舵受到的力和力矩。4.根据权利要求3所述的一种基于船舶航行三维仿真的内河航道通航特性评估方法，其特征在于，考虑水流干扰的船舶航行操纵性模型的建立过程为：假设流速V
c
恒定且与真正真北方向夹角为β
c
，则流速在附体坐标系上的分量为：船舶运动对相对于水流速度的投影u
r
、v
r
表示为:将式(2)代入式(3)，得到水流干扰的船舶航行操纵性模型：
式中，X
HPR
，Y
HPR
和N
HPR
分别表示作用在船体、桨和舵上的流体力和力矩，ψ为艏向角。5.根据权利要求3所述的一种基于船舶航行三维仿真的内河航道通航特性评估方法，其特征在于，考虑浅水效应的船舶航行操纵性模型具体为：式中，m
x∞
、m
y∞
、J
ZZ∞
分别为深水中附加质量及惯性矩；H为水深；B为船宽；d为吃水。6.根据权利要求5所述的一种基于船舶航行三维仿真的内河航道通航特性评估方法，其特征在于，考虑浅水效应的船舶航行操纵性模型至少包括纵向水动力导数浅水修正模型、横向水动力导数浅水修正模型、螺旋桨水动力导数浅水修正模型和舵水动力导数浅水修正模型。7.根据权利要求6所述的一种基于船舶航行三维仿真的内河航道通航特性评估方法，其特征在于，纵向水动力导数浅水修正模型、横向水动力导数浅水修正模型、螺旋桨水动力导数浅水修正模型和舵水动力导数浅水修正模型分别为：
①
纵向水动力导数浅水修正模型:浅水域X
′
uu
的修正方法为：式中，X
′
uu
为浅水中的直航阻力，X
′
uu∞
为深水中的直航阻力；C
th
为浅水域船舶直航总阻力系数；C
t∞
为深水域船舶直航总阻力系数；A、B均为船舶试验系数，求取方法为：式中，为傅汝德数；对X
vr
的修正为：
②
横向水动力导数浅水修正模型为：D
shallow
＝f(H)
×
D
deep
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)式中，D
shallow
为浅水中的水动力导数；D
deep
为深水中的水动力导数；f(H)为水深修正函数；H＝d/h；
对水动力导数Y
′
v
、Y
′
vv
、Y
′
vvr
、N

【专利技术属性】
技术研发人员：柳晨光，赖龙华，李松龙，初秀民，贺治卜，吴文祥，张康，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：