冰区航行模拟器三维视景系统的关键技术研究

发布时间：2020-10-21 23:20

　　 近年来随着航海技术的不断发展,且温室效应的加剧导致全球气温升高,冰川快速融化,使得原来被冰川覆盖水域出现了可航行区域,让冰区航行成为可能,有关冰区航行的研究也成为时下热门研究方向。对于我国来说,在发展中国航海事业方面,对冰区航行模拟器关键技术进行研究可以极大促进我国冰区航行事业。针对极地航道的特殊性,运用冰区航行模拟器可以专门培训冰区航行相关船员,并且可以更加快速的培训出参与冰区航行的人员,其中冰区航行模拟器中三维视景系统是整个技术研究的重点。冰区航行模拟器三维视景系统中海冰破碎模型是研究的关键之一,而弯曲破坏是海冰在破冰船前进过程中的主要破碎形式。海冰弯曲破碎模型的建立需要结合破冰船舶的破冰前进速度、海冰厚度、碰撞位置等因素的变化,很好的反映了冰区航行中破冰的实时性和真实性。本文最终选用弯曲破碎方法对海冰进行几何建模,在破冰船舶与海冰碰撞过程中对数据和场景进行优化,以实现冰区航行中船-冰连续碰撞的视景仿真,最终运用冰区航行模拟器对船员进行相应的冰区航行操作培训。本文的主要研究内容如下:(1)对海冰的类型分类情况进行归纳整理,并对海冰的基本物理特性和力学特性进行分析,确定海冰的几种主要破碎模式。通过对破冰船前进过程中与海冰接触方式的几何图形分析,确定船-冰碰撞中海冰的主要破碎方式为弯曲破碎模式。(2)为了便于几何破碎模型的建立,对海冰的弯曲破碎模式进行理想化假设。运用海冰破碎半径的经验公式对船冰碰撞阶段的海冰破碎范围进行几何建模,对破冰船与海冰进行碰撞的图形化分析。对船冰碰撞接触阶段进行综合受力分析,从而得出船舶在破冰航行过程中在六自由度的受力公式。(3)在三维仿真实验中,基于包围盒理论实现船-冰碰撞检测。通过对海冰的场景管理运用四叉树空间索引方法,提高海冰场景的利用效率,对海冰模块进行Voronoi图算法预破碎处理,提高船-冰碰撞检测时间效率。最后将弯曲破碎几何模型运用到船冰碰撞仿真过程中,对破碎范围内的海冰进行破碎处理,提高视景的真实性和实时性。
【学位单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U666.158
【部分图文】：

洋沿岸的圣劳伦斯湾，格陵兰岛水域，波罗的海波斯尼亚湾，里加湾和芬兰湾；北太洋东部王子港以北的海岸及其河流；北太平洋西部的日本海北部、鄂霍次克海和白领岸；北极地区和南极地区[2-3]。在我国境内的渤海、黄海北部部分海域也存在冬季的结期或常年结冰现象，尤其是长江以北及山东以北的海域。随着近年来温室效应的加剧，全球气温升高、冰川融化，导致某些水域出现了浮冰冰排，使得极地新能源的发展成为可能。据美国冰雪数据中心预测结果显示，冰川在极地区的面积每十年以 3.5%的速度在减少，这种现象为北极航道的开通提供了有利的件[4]。北极航道由“西北航道”以及“东北航道”构成[5]，如图 1-1 所示。“西北航”由荷兰西南部鹿特丹港市开始，穿过加拿大北极群岛的水域，最终到达美国的旧金市；“东北航道”，也被称为北方航道，指的是由鹿特丹港口城市开始，通过西伯利，北冰洋和白令海峡抵达日本横滨[6]。“西北航道”相对于好望角航线航程缩短近0%[7]，然“东北航道”相比于现在的航线航程缩短了 30%-40%，航行时间平均缩短 8，最多缩短时间为 21 天，大大节约了航行成本，所以越来越多的大型冰区航行船舶开航行于北极航道[8]。

图 1-2 冰区航行模拟器系统架构版的 DNV GL 文件认证中，参考《STCW78/95 公约》B-V/g 节中的船舶进行船长和高级船员培训的指导意见，对冰区航行模拟器为真实感和环境真实感三个方向对认证标准进行了补充。补充内容表 1-1 DNV GL 对冰区航行模拟器认证标准的补充功能感1、用于速度和距离测量的两种装置。依据不同的工作原理，的分工不同，至少有一个装置应能在海洋和地面模式下稳定2、探照灯可在控制台上进行控制。3、手动操作可以从船尾看见的闪烁红灯，用来指示船舶何时4、VDR(Voyage Date Recorder，航行数据记录仪)或在教练站船舶历史轨迹和船员操作日志。5、能够接收海冰、冰区警告和天气信息的海图设备。6、锚泊和拖曳操作装置。1、本船模型应真实模拟与实心冰缘作用下的流体动力学运动

集美大学硕士学位论文 冰区航行模拟器三维视景系统的关键技术研究面取得了显着成果。一些相关研究成果被英国的船商公司（Transas Marine）、挪威的康斯 伯 格 海 事 （ Kongsberg Maritime ） 、 芬 兰 的 阿 克 北 极 科 技 公 司 （ Aker ArcticTechnology）等公司进行商业化并加入到新型的冰区航行模拟器中，航海和海事领域以及海员培训评估的科学研究得到了极大的促进。在国内，冰区视景仿真方面起步较晚，且主要研究方向集中在海冰的数值模拟分析、海冰物理特性、冰载荷对结构体的作用力分析及结构体研究方面，关于冰区航行视景的研究比较少，目前主要有大连海事大学在冰区航行模拟器方面进行研究。由于国内相关研究内容较少，国外研究成果中的大部分相关视景算法很难在公开的文献中查阅到，本文在现有的冰区航行模拟器视景基础上做进一步的研究完善。图 1-3 为挪威科技大学海洋工程研究组和大连海事大学冰区航行模拟器中冰区视景。图 1-4 为现实情况中的冰区航行视景。
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本文编号：2850736