近淺海環(huán)境監(jiān)測(cè)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

金偉鋒, 吳思佳, 章春豪, 徐嘉琦, 徐俊康, 金書(shū)玉

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近淺海環(huán)境監(jiān)測(cè)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

金偉鋒, 吳思佳, 章春豪, 徐嘉琦, 徐俊康, 金書(shū)玉

(浙江中醫(yī)藥大學(xué), 杭州310053)

為了有效開(kāi)展近淺海環(huán)境調(diào)查監(jiān)測(cè), 本文建立了監(jiān)測(cè)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)中系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程. 根據(jù)受力平衡與力矩平衡分析, 得到了基于差分方程的系泊系統(tǒng)狀態(tài)變量的表達(dá)式. 在滿(mǎn)足系統(tǒng)正常工作的前提下, 根據(jù)所選擇的錨鏈型號(hào)可數(shù)值計(jì)算出在極端天氣下所需錨鏈長(zhǎng)度與掛件重物球的質(zhì)量. 結(jié)果顯示, 本方法能確保整個(gè)系統(tǒng)可抗強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、正常運(yùn)行與海上安全.

系泊系統(tǒng); 差分方程; 靜力平衡; 力矩平衡

近淺海環(huán)境監(jiān)測(cè)傳輸節(jié)點(diǎn)的系泊系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)于獲取海洋水文、氣象、水質(zhì)等參數(shù), 與海洋資源開(kāi)發(fā)、港口建設(shè)、船舶航行等都具有重要作用[1,2]. 海洋傳輸節(jié)點(diǎn)的發(fā)展已有幾十年的歷史, 相關(guān)技術(shù)得到了很大發(fā)展. 隨著我國(guó)海洋戰(zhàn)略的實(shí)施, 港口數(shù)量增多, 小型化、多學(xué)科多參數(shù)網(wǎng)絡(luò)化海洋環(huán)境監(jiān)測(cè), 已越來(lái)越受到國(guó)家的重視[3,4]. 它可在惡劣天氣下進(jìn)行無(wú)人值守的全天候長(zhǎng)期定域監(jiān)測(cè), 可立體式獲取淺海不同深度的剖面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù); 網(wǎng)絡(luò)化耦合式布放, 使得測(cè)量數(shù)據(jù)可信度高, 對(duì)風(fēng)浪影響程度較小. 同時(shí), 由于其功耗低、效率高、使用方便, 因此實(shí)用性很強(qiáng)[5, 6].

目前, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)傳輸節(jié)點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行了很多研究[7]. 有些采用經(jīng)驗(yàn)式條文, 并未提供具體計(jì)算方案[8]; 有些采用懸鏈線理論進(jìn)行數(shù)學(xué)建模[9~12]. 然而, 由于在系泊系統(tǒng)中還裝配了信號(hào)傳輸裝置, 以及現(xiàn)實(shí)中系統(tǒng)是用一節(jié)一節(jié)的錨鏈以及浮筒設(shè)計(jì)的, 因此本文采用分段式差分方程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行受力分析與力矩分析, 以便提高設(shè)計(jì)精度. 在此基礎(chǔ)上, 本文考慮了系統(tǒng)的可靠性, 確保整個(gè)系統(tǒng)能抗強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、正常運(yùn)行, 減少經(jīng)濟(jì)損失.

1 系泊系統(tǒng)描述

近淺海環(huán)境監(jiān)測(cè)傳輸節(jié)點(diǎn)由浮標(biāo)系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)與水聲通訊系統(tǒng)組成. 其中, 浮標(biāo)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為圓柱體; 系泊系統(tǒng)由數(shù)個(gè)圓柱形鋼管、一個(gè)圓柱形鋼桶、一個(gè)重物球、數(shù)個(gè)電焊錨鏈以及特制的抗拖移錨組成; 水聲通訊設(shè)備放置于鋼桶內(nèi), 如圖1所示. 系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是選擇錨鏈的型號(hào)、長(zhǎng)度和重物球的質(zhì)量, 使系統(tǒng)滿(mǎn)足以下條件: (1)鋼桶的傾斜角度(鋼桶與豎直線的夾角)不超過(guò)某個(gè)角度, 保證通訊設(shè)備正常工作; (2)錨與錨鏈的鏈接處的切線方向與海床的夾角不超過(guò)某個(gè)角度, 保障整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性; (3)在系統(tǒng)正常工作的前提下, 盡可能使浮標(biāo)的吃水深度、游動(dòng)區(qū)域、以及鋼球重量小.

2 系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型

為確保整個(gè)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下能正常工作, 可建立直角坐標(biāo)系: 以錨鏈和錨的連接點(diǎn)為原點(diǎn), 海面風(fēng)的風(fēng)向?yàn)檩S, 垂直于海床指向海平面的方向?yàn)檩S, 如圖1所示. 隨后, 自上而下對(duì)系統(tǒng)的每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行局部分析, 得到每個(gè)構(gòu)件所受力和力矩的平衡方程. 根據(jù)上述差分方程, 由構(gòu)件的平衡狀態(tài)可推導(dǎo)出各構(gòu)件的受力方向與傾斜方向的關(guān)系式. 最后, 利用整個(gè)系統(tǒng)吃水深度的限制條件, 可求得浮標(biāo)的吃水深度以及其他系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù). 具體分析如下:

2.1 浮標(biāo)的受力與力矩分析

為了保證系統(tǒng)安全, 可采取倍增回復(fù)力矩、降低重心、減少搖擺、降低掛鏈點(diǎn)等措施, 使浮漂具有較強(qiáng)的抗傾覆能力. 因此, 本文將忽略浮標(biāo)的傾覆角度對(duì)其進(jìn)行受力分析, 這包括風(fēng)載荷、水流力、自身重力、自身浮力以及第一根鋼管對(duì)浮標(biāo)的拉力. 由受力分析可知,

2.2 鋼管的受力與力矩分析

2.3鋼桶的受力與力矩分析

鋼桶的受力在鋼管的基礎(chǔ)上增加了重物球?qū)︿撏暗睦? 等于重物球重力. 鋼桶所受到的其它力為鋼桶的浮力, 鋼桶的重力. 由此可知, 其受力平衡與力矩平衡方程分別為

2.4 錨鏈的受力與力矩分析

3 模型的數(shù)值求解

3.1 參數(shù)確定

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目尚行院蜏?zhǔn)確性, 本文選取寧波港近淺海相關(guān)數(shù)據(jù), 其中海面風(fēng)速與海水流速是浙江省氣象臺(tái)公布的寧波港最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下的數(shù)據(jù), 見(jiàn)表1.

3.2 求解思路

本文采取迭代法進(jìn)行計(jì)算, 具體步驟為: 先設(shè)定浮漂的吃水深度, 由式(1)~(3)可求得第一節(jié)鋼管的狀態(tài)變量; 由此, 從上向下分析, 由式(4)~(14)可求得系統(tǒng)其余各構(gòu)件的狀態(tài)變量. 在此過(guò)程, 我們根據(jù)構(gòu)件與豎直方向的夾角可累計(jì)計(jì)算系統(tǒng)的整個(gè)高度. 若此高度與環(huán)境參數(shù)的航道水深不一致, 則根據(jù)高度差調(diào)整吃水深度, 直至系統(tǒng)高度與水深誤差在允許范圍內(nèi). 最后, 由此列舉出系統(tǒng)的關(guān)鍵性狀態(tài)參數(shù).

3.3 求解結(jié)果

采用表1提供的構(gòu)件參數(shù)與環(huán)境參數(shù), 根據(jù)上節(jié)的求解思路, 本文通過(guò)matlab編程, 在不同的型號(hào)錨鏈與鋼球重量的情況下, 求得系統(tǒng)的關(guān)鍵性狀態(tài)參數(shù), 見(jiàn)表2. 結(jié)果顯示, 為使系統(tǒng)正常工工作, 應(yīng)該選擇單位質(zhì)量大的錨鏈型號(hào), 并調(diào)整重物球的重量.

3.4 模型優(yōu)化

為了優(yōu)化系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 以錨鏈單位重量和鋼球重量為最小作為目標(biāo)函數(shù), 以鋼桶的傾斜角度(鋼桶與豎直線的夾角)不超過(guò)某個(gè)角度和錨與錨鏈的鏈接處的切線方向與海床的夾角不超過(guò)某個(gè)角度作為約束條件, 建立雙目標(biāo)優(yōu)化模型:

為求解該模型, 將其轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)模型, 即在確定錨鏈型號(hào)下, 求解系統(tǒng)正常工作的鋼球最小重量. 本文計(jì)算得到三套寧波港近淺海傳輸節(jié)點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案, 見(jiàn)表3.

4 總結(jié)

本文根據(jù)數(shù)值模擬, 驗(yàn)證了由受力分析和力矩分析的差分方程建立的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)學(xué)模型, 并對(duì)其進(jìn)行敏感性分析, 得到各個(gè)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響情況, 基于所得結(jié)果, 僅考慮環(huán)境參數(shù)的極端情況, 建立系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多目標(biāo)優(yōu)化模型, 該模型對(duì)于任意給定的自然環(huán)境參數(shù)組合, 均可給出相應(yīng)的近淺海傳輸節(jié)點(diǎn)的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.

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A Design Study of Mooring System in Monitoring Network Transmission System

JIN Weifeng, WU Sijia, ZHANG Chunhao, XU Jiaqi, XU Junkang, JIN Shuyu

(Zhejiang Chinese Medical University, Hangzhou 310053, China)

The motion equations of mooring system in monitoring network transmission system are established in this paper in order to conduct the environmental observation in shallow sea. Based on the analysis of load balance and moment balance, an expression of finite-difference equations of mooring-system variables is obtained. Under the premise of normal work of the system, the length of chain and the mass of sinker can be evaluated in the extreme weather. It is shown that the method proposed in this work can ensure the safety and normal operation of the system following a super-typhoon.

mooring system, difference equation, static force balance, moment balance

O313.7; O242.2; X859

A

1672-5298(2017)01-0007-04

2016-12-10

金偉鋒(1983? ), 男, 浙江諸暨人, 博士, 浙江中醫(yī)藥大學(xué)講師. 主要研究方向: 數(shù)學(xué)建模、動(dòng)力系統(tǒng)