一种基于图像实时生成的集装箱船舶风荷载快速预报方法与流程

本发明涉及船舶，尤其涉及一种基于图像实时生成的集装箱船舶风荷载快速预报方法。

背景技术：

1、当前，船舶引航技术正处于由传统“经验驱动”向“数据与规则融合智能化”转型的关键阶段，精准、高效的船舶环境荷载分析已成为智能化引航作业的核心技术支撑。集装箱船舶具有上层建筑体量庞大、受风面集中的结构特征，在港口通航环境中受风荷载干扰极为明显；同时，该类船舶满载吃水深度大，港内低速航行、靠离泊作业过程中极易受浅水效应叠加影响，船舶操纵状态复杂多变，对风荷载的实时、精准快速分析预报提出了严苛的技术要求。

2、现阶段船舶风荷载分析主要依托计算流体动力学、有限元仿真建模等传统技术手段，在实际引航工程应用中存在显著的技术短板与场景适配缺陷。从作业时效性来看，传统仿真方法需依托精细化船舶几何建模、高密度网格划分开展数值迭代计算，流程繁琐、计算周期长，无法满足引航现场秒级实时响应的作业需求，难以适配动态变化的港口通航场景。从工程实用性来看，该类方法对计算硬件平台算力依赖度极高，随着船舶模型网格数量增加，计算耗时呈指数级攀升，运算成本高、落地难度大，无法规模化部署于港口引航实操场景，难以实现船舶风荷载状态的动态监测与实时预判。

3、综上，现有风荷载计算技术的时效性、实用性短板，严重制约了智能化引航的安全决策与精准作业。因此，研发一种适配集装箱船舶作业场景、可实现风荷载实时快速计算的新型技术方法，对补齐引航技术短板、实现船舶风荷载状态实时感知、提升港口引航作业安全性与智能化水平具有重要的工程应用价值与现实意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术方案是：提供一种基于图像实时生成的集装箱船舶风荷载快速预报方法，以解决现有技术中船舶风荷载分析时效性差、计算资源消耗大、难以满足引航场景实时预报需求的问题。

2、本发明所采用的技术方案是：一种基于图像实时生成的集装箱船舶风荷载快速预报方法，它包括以下步骤：

3、s1、采集船舶信息，同时采集船舶附近的风速与风向信息；

4、s2、拍摄船舶照片，然后调用生成式三维大模型基于拍摄到的船舶照片生成船舶的三维模型；

5、s3、根据步骤s1的船舶信息调整步骤s2生成的船舶三维模型，然后根据调整后的船舶三维模型以及步骤s1采集到的风向信息计算船舶的受风投影面积；

6、s4、根据步骤s3得到的受风投影面积以及步骤s1采集到的风速与风向信息计算船舶的风荷载；

7、s5、将步骤s4计算得到的风荷载输出。

8、作为优选，步骤s1采集的所有信息均需要通过统一的边缘网关进行汇聚与时间戳对齐，形成时空一致的输入数据流。

9、作为优选，步骤s2中拍摄船舶照片包括拍摄船舶的多视角照片，并且拍摄完毕后还需要对照片进行预处理，然后再通过调用腾讯混元3d模型基于预处理后的多视角船舶照片生成船舶的三维模型。

10、作为优选，步骤s3具体包括以下步骤：

11、s31、将三维模型进行坐标系对齐，使得船体的纵轴与x轴重合，甲板面与xoy平面平行；

12、s32、根据步骤s1采集到的船舶信息对三维模型的比例尺进行调整；

13、s33、根据三角面片投影求和法得到船舶的横向受风投影面积、纵向受风投影面积以及总受风投影面积。

14、作为优选，步骤s33具体包括以下步骤：

15、s331、对三维模型进行离散剖分，得到由若干三角形面片构成的三角网格模型，并且记录每个三角形面片三个顶点的三维空间坐标；

16、s332、根据步骤s1采集到的风向构建投影基准平面；

17、s333、遍历三角网格模型内全部三角形面片，对每个三角形面片执行顶点投影运算，得到每个三角形面片的投影三角形；

18、s334、计算所有投影三角形在投影基准平面上覆盖的总面积，作为总受风投影面积，然后将0°~180°范围内的投影面积作为纵向受风投影面积，将90°~270°范围内的投影面积作为横向受风投影面积。

19、作为优选，步骤s334在计算受风投影面积时还需要采用深度测试法剔除被遮挡的三角面片。

20、作为优选，步骤s4中计算风荷载是采用以下公式：

21、

22、其中：f为风力，ch为受风构件高度因数；

23、p为风压，，其中

v

0为步骤s1采集到的风速；

24、s为受风面积

25、

26、其中a1为纵向受风投影面积，a2为横向受风投影面积，为步骤s1采集到的风向与船体纵轴轴线的夹角，；

27、这样可以得到总的风荷载为：；

28、纵向风荷载为：；

29、横向风荷载为：。

30、采用以上方法与现有技术相比，本发明具有以下优点：

31、一、实时性强：通过图像实时生成技术快速构建船舶三维模型，结合简化的风荷载物理计算模型（单步计算小于0.5秒），实现了风荷载的秒级快速预报，能够满足引航场景对时效性的严苛要求，相较于传统cfd方法（几十分钟甚至数小时）具有数量级的效率提升。

32、二、计算资源消耗低：本发明不依赖于高密度网格划分与大规模并行计算，对计算平台运算能力要求低，可在普通工控机或边缘计算设备上稳定运行，便于在引航船舶或港区现场部署。

33、三、精度可靠：采用基于三维模型的投影面积计算方法，精确获取船舶在任意风向下的受风面积，避免了传统经验估算带来的误差。通过合理物理简化，计算得到的风荷载数值与cfd仿真结果相比，相对误差控制在工程可接受范围内，保证了预报的准确性。

34、四、适应性强：对于不同尺度的集装箱船舶，只需通过图像采集即可快速生成对应模型，无需预先建立精细化的有限元网格，能够灵活适应船型变化与不同风向条件。

35、五、方法简单、易于实现：本发明不涉及复杂的流场求解与迭代收敛过程，算法结构清晰，易于编程实现与工程化应用，具有良好的推广价值。

1.一种基于图像实时生成的集装箱船舶风荷载快速预报方法，其特征在于，它包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于图像实时生成的集装箱船舶风荷载快速预报方法，其特征在于：步骤s1采集的所有信息均需要通过统一的边缘网关进行汇聚与时间戳对齐，形成时空一致的输入数据流。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像实时生成的集装箱船舶风荷载快速预报方法，其特征在于：步骤s2中拍摄船舶照片包括拍摄船舶的多视角照片，并且拍摄完毕后还需要对照片进行预处理，然后再通过调用腾讯混元3d模型基于预处理后的多视角船舶照片生成船舶的三维模型。

4.根据权利要求3所述的一种基于图像实时生成的集装箱船舶风荷载快速预报方法，其特征在于，步骤s3具体包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种基于图像实时生成的集装箱船舶风荷载快速预报方法，其特征在于：步骤s33具体包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种基于图像实时生成的集装箱船舶风荷载快速预报方法，其特征在于：步骤s334在计算受风投影面积时还需要采用深度测试法剔除被遮挡的三角面片。

7.根据权利要求4所述的一种基于图像实时生成的集装箱船舶风荷载快速预报方法，其特征在于：步骤s4中计算风荷载是采用以下公式：