基于i4ocean平台的南海内孤立波与潜水器交互式可视化融合及三维运动轨迹分析

《Journal of Ocean Engineering and Science》：Interactive visualization fusion and three-dimensional trajectory analysis of internal solitary waves and submersible in the South China Sea

　　

基于i4ocean平台，本研究实现了南海内孤立波（Internal Solitary Waves, ISWs）与潜水器的可视化融合及运动轨迹分析。研究提出了一种基于等密度面（Isopycnal Surface）深度纹理的动态波面重建方法。该方法采用视角依赖的自适应层次细节（Level of Detail, LOD）策略，按需生成和细化局部几何细节，避免了预先生成和存储大规模时间分辨波面网格的需求。该框架还支持基于交互式传递函数（Transfer Function）的颜色映射，可在动画过程中实时调整基于深度的颜色分布，增强了ISWs结构的可视化效果，并实现了波谷位置的快速识别。研究实现了从局部站心坐标系（East-North-Up, ENU）到地心地固坐标系（Earth-Centered Earth-Fixed, ECEF）的映射，有效避免了在大尺度海洋区域使用局部坐标系所引入的地球曲率误差。此外，针对内波跃层（Pycnocline）的水下航行器运动仿真算法被集成到可视化框架中。通过引入螺旋桨控制接口调节潜水器的前向推力，实现了ISWs与自推进潜水器的耦合运动仿真和融合可视化。本研究填补了ISWs与潜水器耦合运动集成可视化研究的空白，为潜水器操纵、导航和规避决策提供了有意义的支持。

**论文解读**

**一、研究背景与问题**

内波是海洋内部因稳定密度分层而产生的波动现象。作为非线性内波的典型形式，内孤立波（Internal Solitary Waves, ISWs）在传播过程中可显著扰动密度界面结构，在安达曼海其振幅可达60 m，相速度超过1.8 m/s，并在跃层（Pycnocline，海水密度随深度急剧变化的层）上下产生强烈的剪切效应。这些动力学特征对潜水器安全构成严重威胁，可能导致姿态失稳、结构载荷剧变甚至"掉深"事故。2021年4月21日，印度尼西亚海军KRI Nanggala-402号潜艇在龙目海峡附近失事，53名船员全部遇难，事后推断其极可能被经过的强ISWs波包压入超过其极限深度而沉没。

当前海洋内波可视化研究主要集中于二维剖面的能量传播与结构特征描述，通过温盐剖面和速度场等物理量来描述传播过程。尽管这些研究有效揭示了内波的传播规律和典型结构，但二维空间分辨率的局限性使其难以全面刻画内波的三维传播特征及多波系间的非线性耦合过程。另一方面，ISWs与潜水器耦合运动的物理实验和数值模拟方法普遍受尺度效应制约，且多采用两相或三相流理想化波模型，与真实海洋连续层化密度结构差异显著。因此，发展面向真实大尺度ISWs场的三维可视化方法，并将其与潜水器运动仿真相融合，具有重要的科学意义和应用价值。

**二、研究内容与意义**

基于i4ocean平台，本研究实现了南海ISWs与潜水器的可视化融合及运动轨迹分析。研究提出了基于等密度面深度纹理的动态波面重建方法，采用视角依赖的自适应层次细节（Level of Detail, LOD）策略按需生成局部几何细节，避免了预先生成和存储大规模时间分辨波面网格。框架支持基于交互式传递函数的颜色映射，可实时调整深度颜色分布，增强波谷位置的快速识别。研究还实现了ENU-ECEF坐标映射以消除地球曲率误差，并集成了针对内波跃层的水下航行器运动仿真算法，通过螺旋桨控制接口调节推力。该研究填补了ISWs与潜水器耦合运动集成可视化领域的空白，为潜水器操纵与规避决策提供了有意义的支撑。

**三、关键技术方法**

本研究采用的技术方法主要包括：（1）基于非静力海洋环流模式MITgcm（MIT General Circulation Model，麻省理工学院通用环流模式）对南海区域（116°E~123°E，18°N~23°N）进行数值模拟，水平分辨率0.0036°×0.0072°，82层自适应垂向分层，模拟时段为2021年11月7日至8日共24小时，引入TPXO7.2全球潮汐模型的八大主要分潮和HYCOM（Hybrid Coordinate Ocean Model，混合坐标海洋模式）背景流场，依据TEOS-10（Thermodynamic Equation of Seawater 2010，2010年海水热力学方程）国际标准利用GSW（Gibbs SeaWater，吉布斯海水）工具箱计算密度场，并以Sentinel-2A MSI光学影像进行验证；（2）基于等密度面深度纹理的动态波面重建，结合GPU着色器处理与视角依赖的自适应LOD策略，在曲面细分着色器中动态重构ISWs三维几何结构；（3）构建交互式传递函数实现等密度面颜色映射的实时更新；（4）基于高斯-克朗罗德（Gauss-Kronrod）数值积分法计算潜水器所受总水动力，结合ENU-ECEF坐标映射降低大尺度位置误差；（5）基于开源场景图OSG（Open Scene Graph）构建层次化场景树，实现ISWs节点与潜水器节点的独立管理与同步渲染。

**四、研究结果**

**4.1 潜水器运动算法验证**：采用与已有文献相同的工况，构建包含密度和速度空间分布的内孤立波背景场（上层流体密度995 kg/m³，下层1023 kg/m³），对两个不同潜深（E1: -0.1 m, E2: -0.45 m）进行验证。结果显示，x轴和z轴位移及绕y轴俯仰角的变化趋势与已有文献结果吻合良好，证明了所提潜水器运动模型的可靠性与准确性。

**4.2 不同初始深度的运动比较分析**：设置初始位置117.18°E、20.683°N，模拟时长36 min，时间步长1 s，进行三组实验（E3: -100 m, E4: -200 m, E5: -300 m），潜水器密度与周围流体密度一致以实现中性浮力。结果表明，不同初始深度下x轴位移方向因ISWs上层与下层水平流速反向而发生反转；三组实验均发生明显的垂向振荡，E3最大垂向位移约-131.02 m；绕y轴最大俯仰角幅度约24°，俯仰力矩主要由跃层引发的浮力不平衡和局部密度梯度空间分布决定。

**4.3 不同初始速度的比较分析**：初始深度-100 m，设置三组实验（E6: 0 m/s, E7: 5 m/s, E8: 10 m/s）。结果显示，初始动能主导早期水平运动，随动能逐渐耗散，水平速度由初始运动主导转为由背景流场控制，最终趋近局部水平流速。初始速度从0增至10 m/s时，潜水器更早达到最大下潜深度，但无初速情况下潜水器与ISWs耦合时间更长，导致下潜位移更大。初始速度增大使姿态响应更为显著，绕y轴最大俯仰角较无初速情况增加约23°。

**4.4 不同螺旋桨转速的比较分析**：初始深度-100 m，设置三组实验（E9: 0 rpm, E10: 60 rpm, E11: 120 rpm），螺旋桨最大转速200 rpm。结果表明，持续推进可有效缓解ISWs引起的负向水平位移，60 rpm时潜水器仍出现短时负位移，120 rpm时最大下潜位移约-124.67 m。最大下潜深度并非随螺旋桨转速单调增加，而与潜水器穿越密度过渡区的时长密切相关。螺旋桨转速增加使潜水器在空间非对称密度场中承受更大的恢复俯仰力矩，绕y轴最大俯仰角增至约36°。

**4.5 ISWs等密度面与潜水器轨迹融合可视化**：将ISWs振幅和潜水器位移放大60倍，以E9为例展示了三维实时可视化效果。潜水器共经历三个完整的垂向振荡过程：初始阶段潜水器位于与自身密度相等的等密度面上，ISWs向潜水器传播；穿越跃层后出现显著的"掉深"运动，船首向海底俯转；到达最大下潜深度后开始上升，俯仰角由正转负；随后围绕等密度面经历阻尼振荡直至恢复稳定。整个过程直观揭示了潜水器与ISWs等密度面之间的动态耦合及其时空演变特征。系统性能评估表明，平均帧率约1 FPS，CPU和GPU利用率分别约5%和12%，内存消耗约18 GB，传递函数实时调整响应时间约23 ms，连续运行24小时无异常，验证了系统的长期运行稳定性。

**五、总结与结论**

本研究首次提出了基于等密度面的ISWs三维建模方法，克服了二维剖面可视化的技术局限；构建了专用于ISWs的交互式传递函数，实现了南海ISWs的时空连续可视化与颜色映射。通过三组对比实验揭示了初始深度、初始速度和螺旋桨转速对潜水器在振幅150 m、波长2000 m的连续层化ISWs中位移与姿态的影响规律。主要结论如下：（1）ISWs连续密度分层中上下层水平流速方向相反，不同初始潜深下x轴运动方向随局部水平流速变化而反转，最大垂向位移可达约-131.02 m；（2）初始速度越高，惯性效应越显著，但无初速时潜水器与ISWs耦合时间更长，下潜位移更大；（3）螺旋桨推进可有效缓解ISWs引起的负向水平位移，最大下潜深度与潜水器穿越密度过渡区的时长密切相关，120 rpm时最大俯仰角约36°。该算法框架适用于真实大尺度ISWs场，突破了实验尺度的限制，为分析大尺度海洋内波环境中潜水器运动机制提供了新的技术途径。当前研究将从细化阻力与附加质量力经验公式、优化水动力参数两方面进行改进；未来将发展兼容虚拟现实头戴设备的算法，并引入操纵杆实现压载水舱和主舵驱动力的实时控制，开发海洋内波中潜水器危险规避与紧急制动的最优算法。