本技術(shù)屬于船舶航行仿真，具體涉及一種基于數(shù)字孿生的船舶安全航行可視化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，我國(guó)的船舶行業(yè)不斷發(fā)展，在真實(shí)的船舶運(yùn)行環(huán)境中，存在許多復(fù)雜且難以預(yù)料的工況，及時(shí)了解船舶航行環(huán)境是保障船舶安全航行作業(yè)的基礎(chǔ)。同時(shí)船體本身的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，并且體積相對(duì)龐大，對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)相對(duì)較難，尤其是海航的船舶，更因海況等的多變性及變化隨機(jī)性等因素，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的檢測(cè)將更加困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于上述問(wèn)題，本技術(shù)通過(guò)構(gòu)建模擬海洋環(huán)境模型，通過(guò)數(shù)字孿生的虛擬環(huán)境，船舶可以模擬不同的航行路線，分析風(fēng)浪、洋流、氣象等多重因素對(duì)航行的影響，提高航行安全性和效率。其技術(shù)方案為：

2、一種基于數(shù)字孿生的船舶安全航行可視化方法，包括以下步驟：

3、s1.采集海洋氣象數(shù)據(jù)、船舶主機(jī)數(shù)據(jù)和船舶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，建立船舶數(shù)據(jù)庫(kù)；

4、s2.建立模擬海洋環(huán)境模型，運(yùn)用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和物理模型驅(qū)動(dòng)兩種方式模擬海洋水體環(huán)境；

5、s3.基于數(shù)字孿生技術(shù)以船舶數(shù)據(jù)生成船舶的三維模型，模擬航行狀態(tài)；將采集海洋氣象數(shù)據(jù)、船舶主機(jī)數(shù)據(jù)和船舶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)引入三維模型進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)，利用實(shí)船采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)行可視化輸出。

6、優(yōu)選的，步驟s1中，采用氣象傳感器和波浪傳感器采集海洋環(huán)境中的風(fēng)向、海流、海浪信息，同時(shí)通過(guò)船舶主機(jī)傳感器、攝像頭和應(yīng)力應(yīng)變傳感器形成船舶主體數(shù)據(jù)，并對(duì)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理服務(wù)器中，形成船舶主體和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。

7、優(yōu)選的，建立模擬海洋環(huán)境模型，步驟如下：

8、s21.船舶的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型基于模塊化概念和時(shí)域統(tǒng)一模型理論構(gòu)建，公式如下：

9、；

10、式中：表示船體受的總力，、、分別代表船體、螺旋槳、舵產(chǎn)生的作用力；、、、分別代表風(fēng)、海流、一階波浪、二階波浪引起的環(huán)境干擾力；船體力中包含由附加質(zhì)量矩陣ａ、阻尼系數(shù)矩陣ｂ和脈沖響應(yīng)函數(shù)矩陣計(jì)算的船體輻射力、靜水恢復(fù)力矩陣以及黏性水動(dòng)力系數(shù)計(jì)算的非線性黏性力；為時(shí)間，為變化的時(shí)間常數(shù)，為時(shí)間常數(shù)，表示偏態(tài)系數(shù)；

11、s22.基于回歸方法構(gòu)建水動(dòng)力系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，在時(shí)域仿真中利用數(shù)據(jù)庫(kù)插值計(jì)算不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的船舶水動(dòng)力系數(shù)；

12、s23.通過(guò)數(shù)值求解海洋環(huán)境矢量場(chǎng)來(lái)重現(xiàn)真實(shí)海洋信息,公式如下：

13、?；

14、式中：n為波作用密度譜；是二維哈密頓算子；是波群速度；為流速；和為波數(shù)和波向； s是方向的一個(gè)坐標(biāo)；是垂直于s方向的坐標(biāo)；是波譜的源項(xiàng)，通過(guò)線性輸入項(xiàng)、風(fēng)輸入項(xiàng)、非線性波浪相互作用項(xiàng)，耗散項(xiàng)和海底摩擦項(xiàng)組合而成；

15、s24.建立實(shí)海域數(shù)據(jù)庫(kù)和水動(dòng)力數(shù)據(jù)庫(kù)，以用于真實(shí)海洋環(huán)境重現(xiàn)和船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)。

16、優(yōu)選的，步驟s22中，船舶在航行中所受的環(huán)境作用主要來(lái)自于風(fēng)、海流和海浪，分別對(duì)應(yīng)上式中的、、、，其中海浪有船舶在航行中受到的風(fēng)力作用可用風(fēng)載荷系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，表達(dá)式如下：

17、；

18、式中為空氣密度；為是視風(fēng)速度；、分別為x、y方向的風(fēng)載荷系數(shù)，為任一方向的風(fēng)載荷系數(shù)、為單位面積所受的風(fēng)載荷系數(shù)；為船舶側(cè)向投影面積；從船舶前向投影面積；為船舶全長(zhǎng)；由于海流對(duì)船體的黏性非線性力已在船體力中予以計(jì)算,因此船舶受到海流的干擾簡(jiǎn)化為隨著海流的平移運(yùn)動(dòng)，如下：

19、?；

20、式中和表示原始海流的速率分量；為原始海流的速率；為原始流向；為船舶艏向；和為經(jīng)過(guò)矢量勻算后的相對(duì)船速，為橫向海流速率、分別為縱向海流速率。

21、優(yōu)選的，波浪激勵(lì)力的計(jì)算根據(jù)一階波浪載荷響應(yīng)因子和波浪譜進(jìn)行計(jì)算，可得：

22、；

23、式中表示6個(gè)自由度；為不同自由度下對(duì)應(yīng)的一階波浪載荷系數(shù)；為船速，為波浪離散頻率;為波浪遭遇角；為波高并利用波浪譜、波浪離散頻率和波浪擴(kuò)散角計(jì)算；為不規(guī)則波浪中的隨機(jī)相位；為波浪載荷系數(shù)的相位值并通過(guò)波浪載荷系數(shù)的實(shí)部和虛部進(jìn)行計(jì)算，為波浪離散頻率增量，為擴(kuò)散角增量。

24、優(yōu)選的，二階波浪對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生緩慢的漂移作用，波浪漂移力利用二階波浪載荷系數(shù)和波浪譜根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

25、；

26、?；

27、式中：為平均二階波浪載荷系數(shù)；為x軸方向的平均船速、?為y軸方向的平均船速、為任一方向的平均船速、為離散波浪頻率和波浪遭遇角對(duì)應(yīng)的頻域二階載荷系數(shù)；是有義波高；為海水密度；為重力加速度；為船舶垂線間長(zhǎng)。

28、優(yōu)選的，步驟s3中，構(gòu)建數(shù)字孿生模型：

29、?；

30、 ps為物理船舶參數(shù)；

31、 vs為虛擬船舶參數(shù)；

32、 ss為數(shù)據(jù)仿真：將采集物理船舶參數(shù)，對(duì)虛擬船舶進(jìn)行仿真，輸出物理船舶和虛擬船舶數(shù)據(jù)至前端；并將仿真結(jié)果發(fā)送至歷史數(shù)據(jù)庫(kù) dd；

33、 dd為歷史數(shù)據(jù)庫(kù)：為仿真提供數(shù)據(jù)源；

34、 fd為前端展示：對(duì)物理船舶和虛擬船舶航向動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)展示；

35、 cn為數(shù)據(jù)交互。

36、優(yōu)選的，數(shù)據(jù)交互關(guān)系 cn表達(dá)式如下：

37、；

38、通過(guò)數(shù)據(jù)采集方式實(shí)時(shí)采集 ps數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳輸至vs對(duì)應(yīng)模型;

39、通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軟件接口實(shí)現(xiàn) ps與 ss的雙向通信,數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ);

40、利用多種傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)/非標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議實(shí)時(shí)采集 ps數(shù)據(jù),并傳輸至 dd;

41、通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軟件接口實(shí)現(xiàn) vs與 ss的雙向通信，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的模型驅(qū)動(dòng);

42、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn) vs與 fd的實(shí)時(shí)同步和動(dòng)態(tài)交互;

43、通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)接口將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 dd中,同時(shí) ss通過(guò)對(duì) dd中歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和常用算法、數(shù)學(xué)模型的調(diào)用支持 ss的運(yùn)行;

44、通過(guò)?tcp/ip、udp等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在 ss的支持下實(shí)現(xiàn) fd與 dd之間的數(shù)據(jù)交互;

45、通過(guò)接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、前端開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn) fd與 ss間的數(shù)據(jù)交互, ss為 fd提供界面集成服務(wù)、數(shù)據(jù)交互服務(wù),并定義 fd人機(jī)交互響應(yīng)決策規(guī)則。

46、一種基于數(shù)字孿生的船舶安全航行可視化系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)可視化模塊；

47、所述數(shù)據(jù)采集模塊：利用傳感器獲取物理船舶的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)；構(gòu)建歷史數(shù)據(jù)庫(kù)；

48、所述數(shù)據(jù)處理模塊：利用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)虛擬船舶進(jìn)行仿真，輸出物理船舶和虛擬船舶數(shù)據(jù)至前端；

49、數(shù)據(jù)可視化模塊：物理船舶和虛擬船舶可視化輸出。

50、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)可視化模塊：將船舶航行路線及海洋水體環(huán)境同步展示，能直觀準(zhǔn)確展示船舶的經(jīng)緯度、艏向、姿態(tài)以及航速、水溫、水深、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)信息，以及船體本身隨不同海況所呈現(xiàn)出的不同幅度的搖擺狀況，并通過(guò)建立的海洋環(huán)境模型進(jìn)一步模擬船舶航行姿態(tài)，進(jìn)行輔助決策。

51、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)有益效果如下：

52、1）運(yùn)用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和物理模型驅(qū)動(dòng)兩種方式模擬海洋水體環(huán)境，最大化的模擬海洋多變的環(huán)境，更接近現(xiàn)實(shí)狀況，為仿真提供精確的環(huán)境模型。

53、2）通過(guò)數(shù)字孿生的虛擬環(huán)境，船舶可以模擬不同的航行路線，分析風(fēng)浪、洋流、氣象等多重因素對(duì)航行的影響，提高航行安全性和效率。

54、3）通過(guò)數(shù)字孿生模型可以通過(guò)傳感器和物聯(lián)網(wǎng)將船舶的各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與虛擬模型進(jìn)行同步。