孫昱浩， 尹 勇， 金一丞， 高 帥

(大連海事大學 航海動態(tài)仿真和控制交通部重點實驗室， 遼寧 大連 116026)

SUN Yuhao, YIN Yong, JIN Yicheng, GAO Shuai

冰區(qū)航行模擬器中海冰場景研究綜述

孫昱浩， 尹 勇， 金一丞， 高 帥

(大連海事大學 航海動態(tài)仿真和控制交通部重點實驗室， 遼寧 大連 116026)

為完善航海模擬器的多功能性，使其滿足培訓冰區(qū)船舶操縱人員和科學試驗評估的要求，需研發(fā)適用于海上冰區(qū)船舶操作、達到國際機構認證標準的航海模擬器，其中科學和實時海冰場景的冰區(qū)視景效果是衡量模擬器真實感的重要指標。海冰模型的建立主要有基于物理的建模和基于幾何的建模2種手段。從這2個方面入手，全面、系統(tǒng)地闡述海冰建模的研究現(xiàn)狀，討論和分析這2種方法的優(yōu)缺點，并對進一步的研究方向提出相關建議。

水路運輸； 海冰建模； 冰區(qū)視景系統(tǒng)； 航海模擬器； 綜述

SUNYuhao,YINYong,JINYicheng,GAOShuai

Abstract: For training ice region sea men and conducting scientific researches, it is necessary to expend the function of the marine simulator and develop the ice region ship handling simulator which complies with the international class society certification. Developing ice region scene system is of highest priority, and the successfulness of the system depends on real time scientific modeling of sea ice scenes. At present, there are two kinds of methods for sea ice modeling: the physical-based modeling and the geometric-based modeling. Here, the research work on sea ice modeling is reviewed, and the advantages and disadvantages of physical-based method and geometric-based method are discussed. The future trend of research is put forward.

Keywords: waterway transportation; sea ice modeling; ice region scene system; marine simulator; review

全球海洋中，約有10%的海域被海冰覆蓋，包括極地冰區(qū)海域及低緯度溫帶地區(qū)的季節(jié)性海冰區(qū)域。近年來，全球氣候變暖導致的極地冰雪融化為極區(qū)石油、天然氣及其他礦藏的開發(fā)提供了可能。人類發(fā)展對資源的日益依賴必將富含資源的極區(qū)海域推向世界的焦點[1]，開辟極地新航道逐漸成為現(xiàn)實。此外,北極航道可縮短中國至歐美的海上航程，進而使遠洋運輸成本大幅降低，對我國航運事業(yè)及對外貿易具有重要意義。[2]

圖1為冰區(qū)水域相關的海上活動。對于船舶操縱人員而言，船舶在冰區(qū)中的操縱與普通海域相比有很大區(qū)別?！逗T培訓、發(fā)證和值班標準國際公約(STCW 78/95)》馬尼拉修正案[3]明確規(guī)定了冰區(qū)水域航行船舶的船長和駕駛員的最低適任標準。2011年，挪威船級社(Det Norske Veritas, DNV)給出航海模擬器的最新認證標準，對意圖從事冰區(qū)航行培訓的船橋模擬器提出了附加要求[4-6]。上述冰區(qū)航行相關的國際公約及認證標準均對從事冰區(qū)船舶航行操作的駕駛員提出進行科學、系統(tǒng)和嚴格的相關訓練的要求，因此在現(xiàn)有的航海模擬器中添加相關冰區(qū)航行視景刻不容緩。

a) 冰區(qū)航行

b) 冰區(qū)作業(yè)

大規(guī)模冰區(qū)航行場景的視景仿真一直是國內外研究的熱點,目前國外相關學者已在該領域進行很多前瞻性研究。加拿大國家研究院海洋技術研究所[7]、挪威科技大學海洋工程研究組[8]及芬蘭阿爾托大學海事技術研究所[9]在海冰的動態(tài)觀測、數(shù)值仿真及冰與船之間交互作用的仿真研究等方面進行了較為深入的研究，一些成果已集成應用。例如，船商公司[10]和康斯伯格海事[11]已將冰區(qū)場景的模擬集成到新的航海模擬器中，以便進行海事領域的人員培訓、海事評估及科學研究(見圖2)。

圖2 國外研究組織冰區(qū)海冰場景模擬效果

國內的相關研究[12-13]主要集中在工程海冰數(shù)值模型的分析和應用上(如海冰生成移動特征和物理力學性質、冰與結構相互作用的理論和試驗方法及抗冰結構和海冰設計作業(yè)條件等),對海冰動態(tài)仿真的研究較少，與其他國家相比存在很大差距。為進一步提高我國航海模擬器的功能，研發(fā)具有自主知識產權并能通過國際認證的冰區(qū)船舶操縱模擬器十分必要。

科學、高效的海冰建模方法是冰區(qū)航行視景仿真，甚至整體冰區(qū)航行模擬器建立的重要基礎。這里介紹冰區(qū)航行中的海冰場景，并從基于物理的建模和基于幾何的建模2個方面全面、系統(tǒng)地闡述海冰建模的研究現(xiàn)狀?；谖锢砟Ｐ偷暮１７椒ㄖ饕獊碓从诤１こ虒W中的數(shù)值分析和相關學者在海冰模型中對彈性薄板理論的應用；基于幾何建模的方法主要闡述Koch分形和Voronoi圖在海冰建模中的應用。此外，討論和分析基于物理建模和幾何建模2種方法的優(yōu)缺點，明確進一步研究的方向。

1 海冰場景分類

圖3為現(xiàn)實中的自然海冰，根據其運動狀態(tài)分為流冰和固定冰2類[14],其中：流冰是指可漂浮在海面上，能自由隨風和流漂移流動的海冰;固定冰是指與大陸架或島嶼等陸地結構冰結在一起，不受風、浪、流等水文氣象因素的影響而移動的海冰。根據生長過程(冰厚)的不同，可將流冰分為初生冰、餅冰(表面直徑多在3 m以下，厚度一般≤5 cm)、皮冰(表面直徑多在3 m以上，厚度一般≤5 cm)、板冰(厚度為5～15 cm)、薄冰(厚度為15～30 cm)及厚冰(厚度>30 cm)。根據外貌特征的不同，將固定冰分為沿岸冰(與海岸凍結在一起)、擱淺冰(散落在海岸、淺灘或礁石上，多孤立)和冰腳(與海岸凍結在一起，不與海水接觸)等3種類型。此外，根據海冰形狀的不同，可將其分為平整冰、重疊冰、堆積冰、冰丘和冰山。

圖3 現(xiàn)實中的自然海冰

冰況中海冰的冰量信息是對船舶冰區(qū)航行影響最大的因素之一。冰量是指海冰在船舶航行海域中的覆蓋率。在冰情警告和冰區(qū)天氣預報中，常用海冰覆蓋率來描述冰區(qū)海域的冰量情況，有時也將覆蓋率轉換為度數(shù)來描述航行海域中的冰量；同時，根據船舶在冰區(qū)海域航行時的難易程度，以一定的名稱來代表冰量情況(見表1)[15]。

表1 冰量情況

對不同海況的海冰場景進行分類后，在冰區(qū)場景建模過程中，可針對不同的分類對海冰模型應用不同的建模方法，其中自然條件下海冰的形狀、厚度及冰量等具體參數(shù)也是冰區(qū)場景中海冰模型可視化的重要參考依據。

2 海冰場景建模研究綜述

海冰場景既是冰區(qū)視景的重要組成部分，也是船冰效應中必須重點研究的內容。海冰模型有別于航海模擬器中現(xiàn)存的船舶、海岸建筑及碼頭堆場等固定模型。這些固定模型可提前離線建好，其表現(xiàn)形式在視景系統(tǒng)中不發(fā)生變化，只需正常顯示即可；而海冰則不同，因為冰區(qū)航行中船舶和海冰會交互作用，現(xiàn)實中的海冰會發(fā)生破碎、漂浮及堆積等現(xiàn)象，且海冰本身也會隨氣溫的變化呈現(xiàn)出冰凍、融化等不同狀態(tài)。模擬器中的海冰建模仿真包括海冰的物理建模和海冰場景的三維可視化2個方面的內容。目前對航海模擬器冰區(qū)航行的視景仿真尚處于起步階段。2011年以前的DNV認證標準[4,6]均未對冰區(qū)航行提出相關要求，冰區(qū)航行模擬器相關研究[15-17]只有少量的歐洲國家進行?，F(xiàn)有的關于冰區(qū)海冰的文獻多集中在海冰成因預測的數(shù)值分析[18-21]、破冰船航行[16,22-23]等內容上，在模擬器中冰區(qū)場景的可視化方面只有少數(shù)相關單位有部分公開資料或產品的介紹可供參考，在相關技術交流上仍處于保密階段。

2.1海冰的物理建模方法綜述

根據DNV最新的航海模擬器認證標準[4]，冰區(qū)航行模擬器的視景系統(tǒng)中需包含以下與海冰相關的功能。

1) 本船與海冰邊緣碰撞、固態(tài)冰對船體的壓力作用及由破冰過程產生的船體失速效應等，這些內容的仿真需借助水動力模型的支持。

2) 動態(tài)地模擬海冰的形狀、聚集度及厚度。

3) 能顯示不同厚度聚集度的大海冰和碎冰。

4) 能顯示破冰過程和航道形成過程。

5) 能顯示破冰產生的船舶失速效應。

上述要求中，影響船舶冰區(qū)運動的海冰實際物理參數(shù)[24]有：海冰的厚度、強度(壓縮、拉伸、彎曲及剪切)、斷裂韌度、溫度、表面雪的厚度、摩擦因數(shù)及融化和冰凍的速度；浮冰的大小、邊緣形狀、漂浮方向和速度;浮冰之間的密集程度。

此外，海冰與海洋、大氣之間不斷的相互耦合極為復雜地傳遞著質量、鹽度、動量和熱量。在自然條件下，海冰受風、浪、流和潮汐的影響不斷地發(fā)生斷裂、破碎、重疊和堆積等非穩(wěn)定過程。因此，科學合理并行之有效地在冰區(qū)航行視景中表現(xiàn)海冰模型是整個冰區(qū)場景建模及可視化的重點和難點。

對適用于冰區(qū)航行視景的海冰物理模型進行分析，首先需參考海冰工程學[12-13]等相關內容。

極區(qū)海冰數(shù)值分析模擬等相關問題研究[13]主要包括：海冰的生成、融化、漂浮和移動的數(shù)學模型及其計算方法;海冰與大氣、海洋之間的相互作用及海冰的動力破壞等。此外,相關研究人員分別在歐拉坐標、拉格朗日坐標及兩者相耦合的條件下對上述相關數(shù)值計算方法進行深入、具體的研究。

目前應用最廣泛的有限差分法(FDM)是海冰數(shù)值計算方法[25-27]，該方法建立在歐拉坐標下。為提高海冰數(shù)值模擬中的計算效率，對有限差分法作進一步的發(fā)展，線性超松弛迭代法(LSOR)、交替方向隱式法(ADI)及適用于并行計算的共軛梯度法逐漸被應用到海冰動力學的數(shù)值計算[28-29]中。有限差分法將海冰視為連續(xù)介質，在網格內描述海冰的平均狀態(tài)，其缺點是不能精準地模擬出海冰遇到動力破壞時的區(qū)域性特點，且在計算海冰連續(xù)方程平流項時可能出現(xiàn)數(shù)值擴散的現(xiàn)象，尤其是對海冰邊緣線的計算處理具有較大誤差[30]。因此，研究人員在使用有限差分法進行海冰動力學數(shù)值模擬的同時，一直在尋找其他能精確模擬海冰動力學特征的計算方法。

FLATO[31]在Beaufort海冰動力學模擬中建立的質點網格法(PIC)在歐拉坐標和拉格朗日坐標的耦合方法中最有影響力。雖然該方法沒有考慮氣象中的熱力作用對海冰的影響，在冰邊緣線位置的計算上與實際測量有一定的差異，但其精度與有限差分法相比有明顯的提高。這里可結合LSOR差分方法，在每個網格內放置更多的海冰質點進行海冰動量方程計算，以提高PIC計算方法的精度[32]。

目前拉格朗日坐標下的海冰動力學計算方法也已得到較快發(fā)展，其中最有代表性的是光滑質點流體動力學方法(SPH)。該方法最早被應用于河冰動力學數(shù)值模擬[33](如河冰的運輸和冰塞過程)中,最近開始在渤海的海冰動力學數(shù)值模擬[34]中應用。在計算海冰間相互作用時，SPH方法需不斷搜索相鄰質點進行大量計算，其工作效率限制了其在海冰數(shù)值預測和模擬中的適用性。因此，想要進一步促進SPH方法在海冰動力學中的應用，提高其計算效率是首要問題。上述算法的優(yōu)缺點對比見表2。

表2 海冰數(shù)值模擬方法優(yōu)缺點對比

除了自然因素對海冰的影響需要考慮之外，船舶運動對海冰的作用在冰區(qū)視景中的體現(xiàn)更為重要。船、冰的相互作用主要體現(xiàn)在船舶破冰過程中，從海冰狀態(tài)的角度可將其劃分為海冰破碎階段、碎冰在水中翻滾階段、碎冰劃過船體階段和碎冰在航道內趨于穩(wěn)定平衡狀態(tài)[35]。海冰的破碎情況是由冰厚、船速、船冰接觸面積及海冰彎曲應力等參數(shù)的不同決定的，彎曲破壞發(fā)生與接觸點的距離及冰厚成反比，與船速成正比。碎后的冰塊(根據形狀分為cusps或wedges )沿著船體翻滾破碎，直到平行于船體。這其中水位瞬間下降，船舶所受阻力上升，大量碎冰塊的產生對船舶沖擊力上升。

應用于冰區(qū)航行視景的海冰運動模塊可根據側面面積與冰厚平方的關系簡單劃分為剛體運動模塊和破冰模塊，其中剛體運動模塊可參考牛頓運動力學。破冰模塊中應用較為廣泛的是由NEVEL[36]提出的半無限彈性薄板理論和半無限彈性楔形梁理論，近年來經過KERR等[37]的簡化總結已逐漸成熟。

在自然因素和船舶作用2種外界條件下，結合相關文獻對海冰模型的物理分析，可對海冰的生消漂移等自然狀態(tài)及運動情況進行物理建模，為冰區(qū)航行模擬器提供海冰場景的物理基礎，使其方便應用于冰區(qū)場景仿真中。

2.2海冰幾何建模方法綜述

在海冰場景可視化研究中，除了要適當考慮海冰模型的物理準確性之外，視景系統(tǒng)的實時性也是模擬器可用性的關鍵。這就要求在海冰建模階段，不僅要考慮海冰的物理特性，還要簡化模型，適當添加相關預處理手段，提高系統(tǒng)的效率?；趫D形的海冰建模方法在視景表現(xiàn)上無需完全符合物理實際，可在預處理階段對海冰模型采用某種圖形劃分，或設定某種固定的破碎模式對規(guī)定條件下海冰的破碎現(xiàn)象進行可視化,其好處是可避免大量精細的網格劃分帶來的復雜物理計算，提高實時性。

文獻[38]將改良后的Koch分形算法和Cohen-Sutherland算法應用于海冰建模及船冰碰撞檢測中，用以提高視景的真實性和系統(tǒng)效率。這2種算法所表現(xiàn)出的建模實現(xiàn)相對簡單，但形成的航道邊緣三角化明顯，比較粗糙，真實感稍差，生成算法適用性比較單一，且局限性明顯。

現(xiàn)階段已有很多學者在物體破碎模擬階段應用幾何建模方法，Voronoi圖相關算法是其中的熱點之一。SATY[39]應用Voronoi圖算法對原始物體模型表面進行多邊形結構劃分，以劃分后的多邊形結構為基礎來動態(tài)表現(xiàn)物體的破碎和裂紋。具體方法是：在物體表面隨機撒播種子點以構造Voronoi多邊形結構并作為破碎后的碎片基礎,得到自然無序的碎片模型。該方法中構造Voronoi多邊形的過程可離線完成，優(yōu)點是可在線使用物體表面多邊形結構而無需再細分。但是，隨著場景中多邊形數(shù)目逐漸增多，物體總體繪制的效率會變得越來越低。一種解決辦法是只動態(tài)處理發(fā)生碰撞并產生碎片的區(qū)域，然后根據條件使用Voronoi細分的物體代替原始模型。例如，MOULD[40]使用一種圖像濾波器轉換輸入線條為模型破裂表面的圖像結構。該方法的基礎是應用加權的Voronoi圖算法，將其控制的區(qū)域邊界作為裂紋走向映射到發(fā)生碰撞破碎的原物體模型表面，從而構造成較為真實的裂紋。該方法的缺點是裂紋形成后產生的碎片及其運動規(guī)律沒有在算法中體現(xiàn)出來。為提高仿真效率，減少場景中需要計算模擬的四面體數(shù)目，ODA等[41]提出一種基于八叉樹的多級動態(tài)重分方法，該方法具有較好的仿真效果，但其代價一定程度上犧牲了可視化效果的真實感。EBERLE等[42]基于Havok引擎，在比較高效的情況下實現(xiàn)物體對象受到沖擊時的局部破碎特效。MARTINET等[43]采用基于過程的方法對玻璃、金屬及石頭等固體材料的開裂和破碎情況進行模擬。表3為Koch分形算法與Voronoi圖算法的優(yōu)缺點對比。

表3 Koch分形算法與Voronoi圖算法的優(yōu)缺點對比

如上所述，將已相對成熟的適用于普通脆性物體破碎模擬的Voronoi圖算法引入到海冰圖形建模中，無需對海冰模型進行過于精細的網格劃分，可減少系統(tǒng)的計算負擔、優(yōu)化海冰整體模型、提高實時性，且算法相對成熟，較高的移植性和魯棒性使原海冰模型的建立更加便利和安全。

基于幾何建模的海冰模型可在外觀上逼真地表現(xiàn)出海冰的厚度、形狀和聚集度等自然屬性，建模過程甚至可離線完成，對航海模擬器這類實時性要求較高的仿真系統(tǒng)而言是不錯的選擇，但其物理性較差，若要提高海冰模型的真實感，與科學高效的物理模型結合必不可少。

3 結束語

冰區(qū)航行相關視景是全任務航海模擬器的重要組成部分，這里綜述目前國內外用于冰區(qū)航行視景海冰建模的主要理論和方法。在歸納海冰場景的自然分類之后，針對海冰模型的可視化，分別介紹基于物理模型的建模方法和基于幾何的建模方法?；谖锢砟Ｐ偷慕７椒芨鼫蚀_地描述船冰之間的相互效應，其缺點是模型相對復雜、計算量大，很難達到實時繪制的目的；基于幾何的建模方法能減少計算量，易達到實時繪制的目的，且可視化后場景相對逼真，但因精度不夠，無法完全體現(xiàn)模擬器的物理真實感。因此，在具體研發(fā)冰區(qū)視景系統(tǒng)時，需綜合考慮海冰模型的物理性和實時性，結合上述2種建模方法的優(yōu)勢，簡化模型，最終使整個航海模擬器適用于海上冰區(qū)船舶操作，并符合國際標準。

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ReviewonModelingofSeaIceSceneinIceNavigationSimulator

(Laboratory of Marine Simulation and Control, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

U666.158

A

2016-02-25

國家高技術研究發(fā)展計劃(“八六三”計劃)課題(2015AA016404)；交通運輸部應用基礎研究項目(2014329225370)

孫昱浩(1986—)，男，遼寧莊河人,博士生，主要研究方向為虛擬現(xiàn)實技術、航海仿真技術。E-mail:sun.yuhao@outlook.com

1000-4653(2016)02-0096-05