一种港区通航能力判断方法及系统与流程

本发明涉及港口航道工程领域，特别是涉及一种港区通航能力判断方法及系统。

背景技术：

现在对新建港口、航道方案的通航能力研究是支持港口设计、建设与运营管理及维护决策的重要课题。港口航道的实际营运过程是个复杂的系统工程，受到泊位、航道性能、水文气象等众多因素的影响，具有很强的随机性。现有的技术中，除常规的潮汐、波浪、流场与泥沙冲淤等水动力模拟计算外，对船舶进出港条件以及码头系泊等问题的需求也日益增多，尤其是滨海电站项目，对于口门、防波堤、取排水口的布置经常需要配合船舶进出港风险的影响评价与分析问题。用常规方法很难把这些因素放到一个整体中进行通盘考虑，而目前已有的操船试验，主要通过操船模拟器进行，其报价相对较高、周期较长、对硬件设施的基础条件要求又高，且运算时需导入特定格式的波、流条件，特别是随工程方案调整时极为不便。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种港区通航能力判断方法及系统，能够快速、准确的判断港区布局是否满足船舶的通航。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种港区通航能力判断方法，包括:

获取当前船舶对应的船舶参数和环境参数；所述船舶参数包括船舶主尺度及系数、桨尺度、舵尺度、受风面积、主机参数以及船舶类型；所述环境参数包括当前船舶进入港区的位置风场、波浪场、流场、水深数据以及港区航道数据；

根据所述当前船舶的船舶参数和环境参数及船舶的操纵模型确定当前船舶的运行状态；所述运行状态包括当前船舶的轨迹和龙骨下富余水深；

根据当前船舶的运行状态判断当前船舶是否能安全通过港区，得到第一判断结果；

当第一判断结果表示当前船舶能够安全通过港区，则返回获取当前船舶对应的船舶参数和环境参数的步骤，判断待测船舶是否能安全通过港区；

当第一判断结果表示当前船舶不能够安全通过港区，则判断所述当前船舶类型是否为所述港区设定的船舶类型，得到第二判断结果；

当第二判断结果表示当前船舶类型不是所述港区设定的船舶类型，则返回获取当前船舶对应的船舶参数和环境参数的步骤，判断待测船舶是否能安全通过港区；

当第二判断结果表示当前船舶类型是所述港区设定的船舶类型，则重新对所述港区进行规划，直到所述港区设定的船舶类型能够安全通过所述港区。

可选的，在所述获取当前船舶对应的船舶参数和环境参数之前，还包括：

获取所述港区设定的船舶类型。

可选的，所述根据当前船舶的船舶参数和环境参数及船舶的操纵模型确定当前船舶的运行状态，具体包括:

根据所述船舶参数和所述环境参数及商业cfd软件计算船舶水动力；所述船舶水动力为所述当前船舶的船体、螺旋桨及舵在所述环境参数影响下的各个方向的外力；

根据船舶水动力、所述船舶参数以及船舶的操纵模型计算船舶的航速、航向以及船舶在水中的位置；

根据所述船舶的航速和航向确定船舶的轨迹；

根据船舶在水中的位置确定船舶的龙骨下富余水深。

可选的，所述根据所述船舶参数和所述环境参数及商业cfd软件计算船舶水动力，具体包括：

根据所述船舶参数和所述环境参数获取所述当前船舶的螺旋桨受到的各个方向的外力和所述当前船舶的舵受到的各个方向的外力；

根据所述船舶参数和所述环境参数及所述商业cfd软件计算所述当前船舶的船体受到的各个方向的外力；

根据所述当前船舶的螺旋桨受到的各个方向的外力和所述当前船舶的舵受到的各个方向的外力以及所述当前船舶的船体受到的各个方向的外力计算所述船舶水动力。

可选的，在所述根据所述船舶参数和所述环境参数及所述商业cfd软件计算当前船舶的船体受到的各个方向的外力之前，还包括：

预先将各个船舶参数和所述环境参数输入到商业cfd软件计算得到每一船舶在不同环境参数环境下的船体受到的各个方向的外力。

可选的，所述根据所述当前船舶的螺旋桨受到的各个方向的外力和所述当前船舶的舵受到的各个方向的外力以及所述当前船舶的船体受到的各个方向的外力计算所述船舶水动力，具体为：

其中，σx、σy、σn、σk为所述船舶水动力，xh、yh、nh、kh为所述当前船舶的船体受到的各个方向的外力，xp、yp、np为所述当前船舶的螺旋桨受到的各个方向的外力，xr、yr、nr、kr为所述当前船舶的舵受到的各个方向的外力。

可选的，所述根据船舶水动力、所述船舶参数以及船舶的操纵模型计算所述当前船舶的运行状态，具体为：

其中，m为船舶的总质量，izz为船舶对z轴的转动惯量，jzz为船舶对x轴的转动惯量,σx、σy、σn、σk为所述船舶水动力，是横摇角加速度，r为转首角速度，为转首角加速度，u为纵荡速度，为纵荡速度加速度，v为横荡速度，为横荡加速度。

一种港区通航能力判断系统，应用于所述的港区通航能力判断，包括:

当前船舶对应的船舶参数和环境参数获取模块，用于获取当前船舶对应的船舶参数和环境参数；所述船舶参数包括船舶主尺度及系数、桨尺度、舵尺度、受风面积、主机参数以及船舶类型；所述环境参数包括当前船舶进入港区的位置风场、波浪场、流场、水深数据以及港区航道数据；

当前船舶运行状态获取模块，用于根据所述当前船舶的船舶参数和环境参数及船舶的操纵模型确定当前船舶的运行状态；所述运行状态包括当前船舶的轨迹和龙骨下富余水深；

第一判断模块，用于根据当前船舶的运行状态判断当前船舶是否能安全通过港区；

第二判断模块，用于当第一判断结果表示当前船舶不能够安全通过港区时，判断所述当前船舶类型是否为所述港区设定的船舶类型。

可选的，所述港区通航能力判断系统还包括：

港区设定的船舶类型获取模块，用于获取所述港区设定的船舶类型。

可选的，所述当前船舶运行状态获取模块包括：

船舶水动力计算模块，用于根据所述船舶参数和所述环境参数及商业cfd软件计算船舶水动力；所述船舶水动力为所述当前船舶的船体、螺旋桨及舵在所述环境参数影响下的各个方向的外力；

船舶的航速、航向以及船舶在水中的位置计算模块，用于根据船舶水动力、所述船舶参数以及船舶的操纵模型计算船舶的航速、航向以及船舶在水中的位置；

船舶的轨迹确定模块，用于根据所述船舶的航速和航向确定船舶的轨迹；

船舶的龙骨下富余水深确定模块，用于根据船舶在水中的位置确定船舶的龙骨下富余水深。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的一种港区通航能力判断方法，通过当前船舶对应的船舶参数和环境参数以及船舶的操纵模型确定当前船舶的运行状态，根据当前船舶的运行状态判断当前船舶是否能安全通过港区。本发明还提供一种港区通航能力判断系统，能够快速、准确的判断港区布局是否满足船舶的通航。进而，可实现对港口、航道的船舶通航能力研究、评估通航风险以支持港口选址、设计和工程建设以及运营管理决策。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种港区通航能力判断方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种港区通航能力判断系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种港区通航能力判断软件启动界面图；

图4为本发明实施例提供的一种港区通航能力判断软件主操作界面图；

图5为本发明实施例提供的一种港区通航能力判断软件新建工程界面图；

图6为本发明实施例提供的一种港区通航能力判断软件设置模块界面图；

图7为本发明实施例提供的一种港区通航能力判断软件参数模块界面图；

图8为本发明实施例提供的一种港区通航能力判断软件海洋参数模块界面图；

图9为本发明实施例提供的一种港区通航能力判断软件的操纵控制模块界面图；

图10为本发明实施例提供的一种港区通航能力判断软件的船舶进港航迹示意图；

附图说明：1-当前船舶对应的船舶参数和环境参数获取模块，2-当前船舶运行状态获取模块，3-第一判断模块，4-第二判断模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种港区通航能力判断方法及系统，能够快速、准确的判断港区布局是否满足船舶的通航。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例提供一种港区通航能力判断方法方法，图1为为本发明实施例提供的一种港区通航能力判断方法流程示意图，如图1所示，一种港区通航能力判断方法，包括如下步骤:

s100：获取当前船舶对应的船舶参数和环境参数；所述船舶参数包括船舶主尺度及系数、桨尺度、舵尺度、受风面积、主机参数以及船舶类型；所述环境参数包括当前船舶进入港区的位置风场、波浪场、流场、水深数据以及港区航道数据；

s101：根据所述当前船舶的船舶参数和环境参数及船舶的操纵模型确定当前船舶的运行状态；所述运行状态包括当前船舶的轨迹和龙骨下富余水深；

s102：根据当前船舶的运行状态判断当前船舶是否能安全通过港区，得到第一判断结果；

当第一判断结果表示当前船舶能够安全通过港区，则返回获取当前船舶对应的船舶参数和环境参数的步骤，判断待测船舶是否能安全通过港区；

s103：当第一判断结果表示当前船舶不能够安全通过港区，则判断所述当前船舶类型是否为所述港区设定的船舶类型，得到第二判断结果；

当第二判断结果表示当前船舶类型不是所述港区设定的船舶类型，则至s105：获取待测船舶对应的船舶参数和环境参数；

s104：当第二判断结果表示当前船舶类型是所述港区设定的船舶类型，则重新对所述港区进行规划；

s105：获取待测船舶对应的船舶参数和环境参数；

直到所述港区设定的船舶类型能够安全通过所述港区。

在所述获取当前船舶对应的船舶参数和环境参数之前，还包括获取所述港区设定的船舶类型。港区的规划过程中主要涉及港区设定的船舶类型，即每一个港区会有固定的船舶类型，只要判断港区设定的船舶类型能够安全通过港区，则所述港区的通航能力就符合要求。

在实施例中根据当前船舶的船舶参数和环境参数及船舶的操纵模型确定当前船舶的运行状态，具体包括:

根据所述船舶参数和所述环境参数及商业cfd软件计算船舶水动力；所述船舶水动力为所述当前船舶的船体、螺旋桨及舵在所述环境参数影响下的各个方向的外力；

根据船舶水动力、所述船舶参数以及船舶的操纵模型计算船舶的航速、航向以及船舶在水中的位置；

根据所述船舶的航速和航向确定船舶的轨迹；

根据船舶在水中的位置确定船舶的龙骨下富余水深。

其中，船舶的轨迹和船舶的龙骨下富余水深叠加得到相应港区的通航要求安全余量(安全系数)，结果超过港区布局及水深条件允许的话，则不可以通行。

在实施例中，根据所述船舶参数和所述环境参数及商业cfd软件计算船舶水动力，具体包括：

根据所述船舶参数和所述环境参数获取所述当前船舶的螺旋桨受到的各个方向的外力和所述当前船舶的舵受到的各个方向的外力；

根据所述船舶参数和所述环境参数及所述商业cfd软件计算所述当前船舶的船体受到的各个方向的外力；

根据所述当前船舶的螺旋桨受到的各个方向的外力和所述当前船舶的舵受到的各个方向的外力以及所述当前船舶的船体受到的各个方向的外力计算所述船舶水动力。

在所述根据所述船舶参数和所述环境参数及所述商业cfd软件计算当前船舶的船体受到的各个方向的外力之前，还包括：

预先将各个船舶参数和所述环境参数输入到商业cfd软件计算得到每一船舶在不同环境参数环境下的船体受到的各个方向的外力。

在本实施例中，通过预先得到每一船舶在不同环境参数环境下的船体受到的各个方向的外力，在实际的测试过程中，能够快速的得到港区通航能力的判断。

所述根据所述当前船舶的螺旋桨受到的各个方向的外力和所述当前船舶的舵受到的各个方向的外力以及所述当前船舶的船体受到的各个方向的外力计算所述船舶水动力，具体为：

其中，σx、σy、σn、σk为所述船舶水动力，xh、yh、nh、kh为所述当前船舶的船体受到的各个方向的外力，xp、yp、np为所述当前船舶的螺旋桨受到的各个方向的外力，xr、yr、nr、kr为所述当前船舶的舵受到的各个方向的外力。

所述根据船舶水动力、所述船舶参数以及船舶的操纵模型计算所述当前船舶的运行状态，具体为：

其中，m为船舶的总质量，izz为船舶对z轴的转动惯量，jzz为船舶对x轴的转动惯量,σx、σy、σn、σk为所述船舶水动力，是横摇角加速度，r为转首角速度，为转首角加速度，u为纵荡速度，为纵荡速度加速度，v为横荡速度，为横荡加速度。

实施例2

本实施例提供一种港区通航能力判断系统，如图2本发明实施例提供的一种港区通航能力判断系统结构示意图可知，本发明提供的一种港区通航能力判断系统包括当前船舶对应的船舶参数和环境参数获取模块1、当前船舶运行状态获取模块2、第一判断模块3和第二判断模块4。

其中，所述当前船舶对应的船舶参数和环境参数获取模块1用于获取当前船舶对应的船舶参数和环境参数；所述船舶参数包括船舶主尺度及系数、桨尺度、舵尺度、受风面积、主机参数以及船舶类型；所述环境参数包括当前船舶进入港区的位置风场、波浪场、流场、水深数据以及港区航道数据；

所述当前船舶运行状态获取模块2用于根据所述当前船舶的船舶参数和环境参数及船舶的操纵模型确定当前船舶的运行状态；所述运行状态包括当前船舶的轨迹和龙骨下富余水深；

所述第一判断模块3用于根据当前船舶的运行状态判断当前船舶是否能安全通过港区；

所述第二判断模块4用于当第一判断结果表示当前船舶不能够安全通过港区时，判断所述当前船舶类型是否为所述港区设定的船舶类型。

进一步的，所述港区通航能力判断系统还包括港区设定的船舶类型获取模块，所述港区设定的船舶类型获取模块用于获取所述港区设定的船舶类型。

具体的，所述当前船舶运行状态获取模块2包括船舶水动力计算模块、船舶的航速、航向以及船舶在水中的位置计算模块、船舶的轨迹确定模块和船舶的龙骨下富余水深确定模块。

所述船舶水动力计算模块用于根据所述船舶参数和所述环境参数及商业cfd软件计算船舶水动力；所述船舶水动力为所述当前船舶的船体、螺旋桨及舵在所述环境参数影响下的各个方向的外力；

所述船舶的航速、航向以及船舶在水中的位置计算模块用于根据船舶水动力、所述船舶参数以及船舶的操纵模型计算船舶的航速、航向以及船舶在水中的位置；

所述船舶的轨迹确定模块用于根据所述船舶的航速和航向确定船舶的轨迹；

所述船舶的龙骨下富余水深确定模块用于根据船舶在水中的位置确定船舶的龙骨下富余水深。

实施例3

本实施例提供一种港区通航能力判断方法方法，采用港区通航能力判断软件实现上述过程。

图3-图10为所述港区通航能力判断软件的操作界面，如图3-图10所示，所述港区通航能力判断软件的操作界面左侧是海图，显示船舶航行的轨迹、海洋地理环境等，右侧是参数修改、船舶操控界面，可以修改船舶主尺度、海洋环境、操纵控制等参数，实现不同船舶的通航仿真，并得到最终的评估报告。

操作用户可以设置船舶参数、海洋环境参数(包括风、流等)、电子海图等，程序将自动计算出船舶在所设定的自然环境中的运行速度、轨迹、风险区域及估算出船舶航行时的运行状态。操作用户可以通过“操纵控制”界面，修改发动机转速、舵角等控制参数，实现船舶操纵仿真控制，还可以了解到船舶的经纬度、航速、航向、水深、富余水深、报警等信息。操作用户通过海图，可以看到船舶操纵过程中的航迹。在船舶即将进港时应根据海图上船舶的位置信息、航向角速度来对船舶发动机转速和舵角进行实时调整，以确保船舶顺利进港靠泊。在入港过程中，操作用户需特别注意应结合船舶运动信息以及其位置姿态显示来对其舵角和发动机转速的实时调整，以确保船舶入港后的姿态和位置。

进一步的，为了实现上述软件的操作本发明还包括如下步骤：

界面设计包含主体窗体显示程序标题、三维地图，上方显示风浪流数值大小与方向，下方显示船舶表盘信息、右侧显示数据参数设置界面。

界面交互包含右侧参数设置交互、底侧仪表盘交互、三维地图鼠标交互功能，工具栏交互。

其中，右侧窗参数设置交互包含：系统设置、船舶参数、海洋参数、操纵控制四个模块。实现参数与求解器进行通讯交互，加载指定格式的数据文件进行解析功能以及实时响应求解器传递参数数据。

底侧仪表盘交互包含7个表盘分别为：转速、舵角、航向、航速、操作方向舵、发动机转速手舵、水深信息。实时显示数据信息以及实现键盘控制方向舵与发动机转速手舵功能。

三维地图鼠标交互包含：地图移动/随动、打开数据文件、显示航点、保存航线、保存航迹、清除/显示航迹、清除指定层、清理全部层、删除航线、测距、图层管理功能。

工具栏交互包含：新建工程、打开工程、保存工程、初始化船舶位置、移动船舶位置、设置地图原点、开始/暂停船舶仿真、截图功能、录像功能、显示程序信息、显示使用说明书。

三维地图实现显示google在线地图,加载bmp自定义地图，显示船舶当前位置,以及船舶轨迹、轨迹线、轨迹点。

程序与求解器通过socket进行通讯采用udp以及自定义协议方式进行交互。程序将用户设定信息传递给求解器进行求解，程序实时响应求解器返回船舶数据信息，反应到地图界面上，以展示船舶运动情况。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。