近浅海环境监测系泊系统的设计研究

金伟锋, 吴思佳, 章春豪, 徐嘉琦, 徐俊康, 金书玉



近浅海环境监测系泊系统的设计研究

金伟锋, 吴思佳, 章春豪, 徐嘉琦, 徐俊康, 金书玉

(浙江中医药大学, 杭州310053)

为了有效开展近浅海环境调查监测, 本文建立了监测网传输系统中系泊系统的运动方程. 根据受力平衡与力矩平衡分析, 得到了基于差分方程的系泊系统状态变量的表达式. 在满足系统正常工作的前提下, 根据所选择的锚链型号可数值计算出在极端天气下所需锚链长度与挂件重物球的质量. 结果显示, 本方法能确保整个系统可抗强台风、正常运行与海上安全.

系泊系统; 差分方程; 静力平衡; 力矩平衡

近浅海环境监测传输节点的系泊系统的稳定性对于获取海洋水文、气象、水质等参数, 与海洋资源开发、港口建设、船舶航行等都具有重要作用[1,2]. 海洋传输节点的发展已有几十年的历史, 相关技术得到了很大发展. 随着我国海洋战略的实施, 港口数量增多, 小型化、多学科多参数网络化海洋环境监测, 已越来越受到国家的重视[3,4]. 它可在恶劣天气下进行无人值守的全天候长期定域监测, 可立体式获取浅海不同深度的剖面实时数据; 网络化耦合式布放, 使得测量数据可信度高, 对风浪影响程度较小. 同时, 由于其功耗低、效率高、使用方便, 因此实用性很强[5, 6].

目前, 国内外学者对传输节点系泊系统进行了很多研究[7]. 有些采用经验式条文, 并未提供具体计算方案[8]; 有些采用悬链线理论进行数学建模[9~12]. 然而, 由于在系泊系统中还装配了信号传输装置, 以及现实中系统是用一节一节的锚链以及浮筒设计的, 因此本文采用分段式差分方程对系统进行受力分析与力矩分析, 以便提高设计精度. 在此基础上, 本文考虑了系统的可靠性, 确保整个系统能抗强台风、正常运行, 减少经济损失.

1 系泊系统描述

近浅海环境监测传输节点由浮标系统、系泊系统与水声通讯系统组成. 其中, 浮标系统可简化为圆柱体; 系泊系统由数个圆柱形钢管、一个圆柱形钢桶、一个重物球、数个电焊锚链以及特制的抗拖移锚组成; 水声通讯设备放置于钢桶内, 如图1所示. 系泊系统的设计要求是选择锚链的型号、长度和重物球的质量, 使系统满足以下条件: (1)钢桶的倾斜角度(钢桶与竖直线的夹角)不超过某个角度, 保证通讯设备正常工作; (2)锚与锚链的链接处的切线方向与海床的夹角不超过某个角度, 保障整个系统的稳定性; (3)在系统正常工作的前提下, 尽可能使浮标的吃水深度、游动区域、以及钢球重量小.

2 系统状态的数学模型

为确保整个系统在恶劣环境下能正常工作, 可建立直角坐标系: 以锚链和锚的连接点为原点, 海面风的风向为轴, 垂直于海床指向海平面的方向为轴, 如图1所示. 随后, 自上而下对系统的每个构件进行局部分析, 得到每个构件所受力和力矩的平衡方程. 根据上述差分方程, 由构件的平衡状态可推导出各构件的受力方向与倾斜方向的关系式. 最后, 利用整个系统吃水深度的限制条件, 可求得浮标的吃水深度以及其他系统状态参数. 具体分析如下:

2.1 浮标的受力与力矩分析

为了保证系统安全, 可采取倍增回复力矩、降低重心、减少摇摆、降低挂链点等措施, 使浮漂具有较强的抗倾覆能力. 因此, 本文将忽略浮标的倾覆角度对其进行受力分析, 这包括风载荷、水流力、自身重力、自身浮力以及第一根钢管对浮标的拉力. 由受力分析可知,

2.2 钢管的受力与力矩分析

2.3钢桶的受力与力矩分析

钢桶的受力在钢管的基础上增加了重物球对钢桶的拉力, 等于重物球重力. 钢桶所受到的其它力为钢桶的浮力, 钢桶的重力. 由此可知, 其受力平衡与力矩平衡方程分别为

2.4 锚链的受力与力矩分析

3 模型的数值求解

3.1 参数确定

为了检验模型的可行性和准确性, 本文选取宁波港近浅海相关数据, 其中海面风速与海水流速是浙江省气象台公布的宁波港最强台风下的数据, 见表1.

3.2 求解思路

本文采取迭代法进行计算, 具体步骤为: 先设定浮漂的吃水深度, 由式(1)~(3)可求得第一节钢管的状态变量; 由此, 从上向下分析, 由式(4)~(14)可求得系统其余各构件的状态变量. 在此过程, 我们根据构件与竖直方向的夹角可累计计算系统的整个高度. 若此高度与环境参数的航道水深不一致, 则根据高度差调整吃水深度, 直至系统高度与水深误差在允许范围内. 最后, 由此列举出系统的关键性状态参数.

3.3 求解结果

采用表1提供的构件参数与环境参数, 根据上节的求解思路, 本文通过matlab编程, 在不同的型号锚链与钢球重量的情况下, 求得系统的关键性状态参数, 见表2. 结果显示, 为使系统正常工工作, 应该选择单位质量大的锚链型号, 并调整重物球的重量.

3.4 模型优化

为了优化系泊系统的设计, 以锚链单位重量和钢球重量为最小作为目标函数, 以钢桶的倾斜角度(钢桶与竖直线的夹角)不超过某个角度和锚与锚链的链接处的切线方向与海床的夹角不超过某个角度作为约束条件, 建立双目标优化模型:

为求解该模型, 将其转化成单目标模型, 即在确定锚链型号下, 求解系统正常工作的钢球最小重量. 本文计算得到三套宁波港近浅海传输节点系泊系统的设计方案, 见表3.

4 总结

本文根据数值模拟, 验证了由受力分析和力矩分析的差分方程建立的系统状态数学模型, 并对其进行敏感性分析, 得到各个系统参数对系统状态的影响情况, 基于所得结果, 仅考虑环境参数的极端情况, 建立系统设计的多目标优化模型, 该模型对于任意给定的自然环境参数组合, 均可给出相应的近浅海传输节点的系泊系统设计方案.

[1] 刘 宾. 福州港罗源湾港区可门作业区1#泊位港池灯浮标设计[J]. 福建交通科技, 2016(4): 133~135

[2] 赵聪蛟, 周 燕. 国内海洋浮标监测系统研究概况[J]. 海洋开发与管理, 2013, 30(11):13~18

[3] 王 波, 李 民, 刘世萱, 等. 海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势[J]. 仪器仪表学报, 2014(11): 2401~2414

[4] 刘长华, 王春晓, 贾思洋, 等. 基于10米浮标载体的锚链式剖面观测系统实践之一——自容式采集方式[J]. 海洋科学, 2016, 40(8)

[5] 刘长华, 王春晓, 贾思洋, 等. 锚泊式海洋剖面观测浮标系统[J]. 海洋科学, 2014, 38(8): 99~102.

[6] 吴自然. 潜标系统的可靠性研究[J]. 海洋技术学报, 1985(3): 22~32

[7] 赵聪蛟, 孔 梅, 孙笑笑, 等. 浙江省海洋水质浮标在线监测系统构建及应用[J]. 海洋环境科学, 2016, 35(2): 288~294

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[9] MATHISEN J P.[C]. DeepWind 2013, Norway: 2013: 1~10

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[12] VRIES J J.[J]. International Ocean Systems, 2007, 11(3): 20

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

金伟锋(1983− ), 男, 浙江诸暨人, 博士, 浙江中医药大学讲师. 主要研究方向: 数学建模、动力系统