CN101403910B - 一种重力式深水网箱预测式控制方法及专用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重力式深水网箱预测式控制方法及专用装置，其具有重力式深水网箱设有能控制网箱升降的网箱升降控制装置；计算机连接网箱升降控制装置；计算机还连接有水文采集装置，计算机能对水文采集装置采集的水文数据进行处理并根据处理结果控制网箱升降控制装置。计算机通过数值模拟预测绳索受理情况，当预测值大于警戒值时，控制网箱升降控制装置使网箱下沉躲避风浪。由于采用了计算机数值模拟技术，能有效提高本发明监测和预报的功能。计算机程序能根据水文情况和多参数耦合结果准确测试网箱固泊系统绳索受力状况，起到预报绳索受力的作用，并且做出决策，控制网箱升降以减小网箱固泊系统负荷、保证生产安全，并且节约能源。

Description

一种重力式深水网箱预测式控制方法及专用装置

技术领域

本发明涉及一种重力式深水网箱预测式控制系统，尤其涉及一种重力式深水网箱预测式控制方法及专用装置。

背景技术

由于过度的海洋捕捞和近海海洋环境的破坏，野生海产品产量逐年萎缩。为满足人们对高质量海产品日益增长的需求，海洋牧场一直扮演着重要的角色。

根据世界权威专家估计，到2035年全世界养殖年产量将达到6200万吨。但如果按年消费提高1％计，则养殖年产量必须达到12400万吨才能满足新世纪人类对动物蛋白质的需求。根据FAO 1996年世界养殖产量的分类统计表明：海水鱼类养殖产量仅占养殖总产量的4％，显示出海水鱼类养殖具有良好的发展前景。深海地区水质优良，污染少，自净能力也比较好，鱼类生长迅速。在国内外，基于可持续发展的战略角度出发，海洋渔业的发展正在进行结构性的调整，即从捕捞转向养殖，尤其是网箱养殖。网箱养殖是高产出、高效益的水产集约化养殖方式之一。目前我国沿海网箱大部分分布在沿海港湾，现有网箱技术科技含量低，抗风浪能力差，使得网箱养殖集中在近岸的港湾水域和半封闭型海湾，既污染了环境，也制约了新养殖水域的开拓。发展集约化深海网箱养殖业，符合生态环保要求，已成为世界各国的共识。因此，因而有关深水网箱的研究得到了越来越多的关注，具有非常重要的实际意义。近年来，深水网箱养殖产业在国内发展迅速，但基础理论研究相对落后。作为一种高投入、高产出、高风险的深水养殖设备，网箱的安全性将决定着整个生产的成败。目前，我国的深水网箱虽然已进入产业化自主生产，但网箱的技术指标往往借鉴于国外引进产品，系统的基础性研究工作较少，网箱设计、改型缺乏依据。另外，网箱整体结构虽然庞大，但其组成部件，如浮架、网衣相对而言仍属于小尺度漂浮柔性结构物，这类结构物与波浪和水流的相互作用机理的研究亟需发展。深水网箱在近海风浪条件下的安全可靠性缺乏可靠的理论依据和实际预警手段。由于网箱的破损的因素非常复杂，一般是由多个水文参数耦合的综合作用所导致的结果。现有技术采用的是在风浪达到一定强度时通过单片机自动控制网箱下潜，单纯凭借风浪作为控制参数会造成下潜不及时或错误的下潜命令，所以此种方法具有一定的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能根据水文情况，根据多参数耦合结果准确测试网箱固泊系统绳索受力状况的方法，并且使用该方法根据受力的状况做出决策，控制网箱升降以减小网箱固泊系统的负荷、保证生产的安全。

一种重力式深水网箱预测式控制专用装置，包括重力式深水网箱和计算机，其中：重力式深水网箱设有能控制网箱升降的网箱升降控制装置；计算机连接网箱升降控制装置；计算机还连接有水文采集装置，计算机能对水文采集装置采集的水文数据进行处理并根据处理结果控制网箱升降控制装置。

计算机与网箱升降控制装置之间的连接方式包括线缆连接或无线电连接或光耦合连接；计算机对所属的水文采集装置采集的水文数据的处理包括模拟固泊系统绳索的受力情况。

水文采集装置包括波高仪和盐度计。

一种重力式深水网箱预测式控制方法，其包括如下步骤：

①输入深水网箱及其固泊系统的三维模型；输入深水网箱的材料参数和固泊系统绳索的材料参数；

②计算机读取水文采集装置采集的水文数据；

③根据步骤②的水文数据，计算机模拟出测试时段波浪，计算水体对重力式深水网箱及其固泊系统的作用力和相应的加速度；根据加速度，通过迭代计算出测试时段深水网箱及其固泊系统的运动状态、空间位置和绳索的张力；

④计算机根据步骤③所得的张力决策对重力式深水网箱采取上浮或下沉或保持原状态的操作，并且计算机向网箱升降控制装置发送相应的操作信号。

深水网箱的材料参数包括浮框材料密度；固泊系统绳索的材料参数包括绳索的材料类型和绳索的编织方式。

水文数据包括波浪波高、波浪波速、波浪周期、波浪波长、水深、水的盐度。

三维模型包括三维空间模型和三维受力模型；测试时段为0个至20个波浪周期。

与现有技术相比，由于本发明采用了计算机数值模拟技术，能有效提高本技术方案的监测和预报的功能。采用本方法编制的计算机程序能根据水文情况和根据多参数耦合结果准确测试网箱固泊系统绳索受力状况，起到预报绳索受力的作用。并且能根据受力的状况做出决策，控制网箱升降以减小网箱固泊系统的负荷、保证生产的安全。能够减少由于普通方法在探头偶然接收到一个大波浪值的时候而下潜，造成很大的浪费。

附图说明

图1是本发明实施例浮管入水深度计算模型示意图；

图2是本发明实施例绳索单元波浪力示意图；

图3是本发明实施例绳索轴向张力模拟结果；

图4是本发明实施例计算机程序简要流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：参照图1至图4，一种重力式深水网箱预测式控制专用装置，包括重力式深水网箱和计算机，其具有：重力式深水网箱设有能控制网箱升降的网箱升降控制装置；计算机连接网箱升降控制装置；计算机还连接有水文采集装置，计算机能对水文采集装置采集的水文数据进行处理并根据处理结果控制网箱升降控制装置。

计算机与网箱升降控制装置之间的连接方式为线缆连接连接；计算机对所属的水文采集装置采集的水文数据的处理包括模拟固泊系统绳索的受力情况。水文采集装置为波高仪和盐度计。

一种重力式深水网箱预测式控制方法，其包括如下步骤：

①输入深水网箱及其固泊系统的三维空间模型和三维受力模型：主要是输入计算所需的一系列参数，包括整个模型的总单元数、固定点位置、每个单元的直径、单位长度重量(或单位长度水中重量)、材料的弹性参数、流体密度、波浪的波长、波高、周期等，以及网箱结构的初始形状(包括初始时刻各单元的位置坐标以及各个单元的方向余弦)。输入深水网箱的材料参数和固泊系统绳索的材料参数。

②计算机读取水文采集装置采集的水文数据：水文数据包括波浪波高、波浪波速、波浪周期、波浪波长、水深、水的盐度；从波高仪读入波浪波高、波浪波速、波浪周期、波浪波长直接输入计算机；从盐度计得到的水体盐度换算成密度；水深由人为输入。

③根据步骤②的水文数据，计算机模拟出测试时段波浪，计算水体对重力式深水网箱及其固泊系统的作用力和相应的加速度；根据加速度，通过迭代计算出测试时段深水网箱及其固泊系统的运动状态、空间位置和绳索的张力；测试时段为20个波浪周期。该步骤计算各个单元所受到的外力，求解结构系统各单元位移和张力，求出每次迭代的结点位置坐标及单元张力。基于欧拉法求解位移，利用每次迭代求得的节点位移和张力的增量大小，根据预先所设定的计算精度，判断计算结果是否收敛或满足实际工程需要，如此反复迭代计算，直到在该外荷载下位移增量满足预设精度要求为止。由于网箱绳索的运动变形的尺寸较大和单元自身的大小不在一个数量量级上，所以只考虑水对绳索的单方面的影响。通过不断反复的迭代运算，直到绳索的形状和负荷变化满足所设定的精度要求为止。最后将每一步的计算结果存入临时数据文件，用于下一迭代计算。整个计算过程的迭代次数和计算所耗费的时间与模型初始的形状、开始张力的预加值、达到平衡时所限制的精度、计算机的硬件配置、所采用的数值算法、编程时的语句效率都有关系，在本文的计算过程中，程序使用Fortran编写，版本为6.5。

④计算机根据步骤③所得的张力决策对重力式深水网箱采取上浮或下沉或保持原状态的操作，并且计算机向网箱升降控制装置发送相应的操作信号。

深水网箱的材料参数包括浮框材料密度；固泊系统绳索的材料参数包括绳索的材料类型和绳索的编织方式。

浮架结构在波浪作用下大部分情况处于漂浮状态，浮架受到竖直方向的重力G和水体的浮力F_f，在波浪场中会受到波浪力，对于和固泊系统相连的浮架单元还会受到绳索等的弹性张力。

重力：对浮架模型进行简化，浮架系统中扶手等附属结构的受力忽略，将其重量计入模型中，因此这里的重力是浮管及附属结构重量的总和。

G＝Mg＝∑mg，其中m为浮管及各个附属结构的质量。

浮力：漂浮及潜入水中的物体，由于上下表面压力差会产生浮力，在浮架的运动过程中大部分处于漂浮状态，其浸水体积随时变化，故浮力是随时间改变的量，需在各时刻更新计算。

F_f＝ρ_wgV_f(t)，其中F_f为浮力，ρ_w为水的密度，V_f为t时刻浸水体积。重力和浮力的作用方向都为竖直方向，定义z轴向上为正，重力始终为负，浮力为正。

波浪力：由于浮管结构的直径相对波长较小(D/L<<0.1)，可以应用适用于小直径桩柱的Morison经验公式对浮管单元的波浪力进行计算。Morison方法是一个半经验半理论方法，波浪场将基本不受单元的影响而传播，亦即波浪速度及加速度仍可按原来的波浪尺度并由所拟采用的波浪理论来加以计算。所产生的波浪力包括速度力和惯性力两部分。拖曳力可分为形状阻力及摩擦阻力，形状阻力是因为单元与水质点的相对速度产生压力差而造成的正向应力，而摩擦阻力则是因为单元本身不光滑当流体流过单元时会产生边界层效应而造成侧向剪应力。惯性力是因为单元与水质点的相对加速度造成，惯性力包含Froude-Krylov力和附加质量力。

浮架单元与水质点同时运动，产生的拖曳力是波浪力的重要部分也是比较复杂的部分，针对这种情况可用对静态Morison经验公式改进后的公式进行计算。这里将各个浮管单元看作细长的圆柱体，按其法向、切向和垂向选取系数，因此求出流阻力之后还需要作简单的变换以转换到固定坐标系中。

当网箱浮管与流体质点同时运动时，则依据Brebbia和Walker的建议，将一般流体动力公式稍作改写，使之体现相对运动。

${\stackrel{\&RightArrow;}{F}}_D=\mathrm{\&rho;}{C}_{D}A\frac{{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_R\left|{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_R\right|}{2}$

${\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_R=\stackrel{\&RightArrow;}{V}-\stackrel{\&RightArrow;}{R}$

其中

为单元与水质点的相对速度，

为单元的运动速度，A为投影面积。在计算中，因为单元具有长度，因此波流场中水质点速度取单元中点即质点处水质点的速度，单元运动速度取单元质心的速度。

将相对速度沿构件的切向、法向和垂向分解为

和

面积A_τ、A_n和A_s，则可求出构件上三个方向的流阻力分量

和

。具体符号标识见图1。

A_n＝Δh*dl

A_n＝Ld*dl

$A_{\mathrm{\&tau;}}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{D}^2*\mathrm{dl}& \mathrm{\&Delta;h}\&GreaterEqual;D\\ [\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{D}^2-\frac{1}{8}{D}^2(\mathrm{\&theta;}-\sin \mathrm{\&theta;})]*\mathrm{dl}& D/2\&le;\mathrm{\&Delta;h}<D\\ \frac{1}{8}{D}^2(\mathrm{\&theta;}-\sin \mathrm{\&theta;})*\mathrm{dl}& 0<\mathrm{\&Delta;h}\&le;D/2\\ 0& \mathrm{\&Delta;h}\&le;0\end{array}\right.$

Morison经验公式中惯性力表达式为：

${\stackrel{\&RightArrow;}{F}}_I=\mathrm{\&rho;}{C}_M{V}_f\frac{\&PartialD;\stackrel{\&RightArrow;}{V}}{\&PartialD;t}$ ，C_M＝1+K_M，针对单元与水质点同时运动的情况，则静态Morison经验公式可改写为：

${\stackrel{\&RightArrow;}{F}}_I=\mathrm{\&rho;}{K}_M{V}_f\frac{\&PartialD;(\stackrel{\&RightArrow;}{V}-\stackrel{\&RightArrow;}{R})}{\&PartialD;t}+\mathrm{\&rho;}{V}_f\frac{\&PartialD;\stackrel{\&RightArrow;}{V}}{\&PartialD;t}$ ，其中

为惯性力，C_M为惯性力系数，K_M为浮架质量系数，对于圆形截面的浮架单元取1.0，V_f称为计算浮力中提到过的浸水体积。

在整个固泊系统中起主导作用的物理量是绳索的弹性，所以必须对绳索进行弹性建模。根据Wilson关于尼龙绳弹性伸长关系式：

$T={\mathrm{AC}}_1{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;S}}{S_0}\right)}^{C_2}$ ，其中S₀为原始长度，ΔS为t时刻长度与原始长度S₀的差，A为锚绳截面积，T为张力，C₁、C₂为锚绳单元弹性系数。

三维刚体关于质心的运动可以通过六个运动分量来描述ξ＝(ξ_x，ξ_y，ξ_z，α_x，α_y，α_z)，前三个分量分别表示纵荡、横荡和垂荡的平动位移，后三个分量分别表示横摇、纵摇和首摇的角位移。浮框的运动由刚体运动方程控制

$M\stackrel{..}{\mathrm{\&xi;}}=F*,$ 式中：M为广义质量矩阵；F^*＝(F，M)＝(F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z)为合外力分量和力矩分量。

时域求解质点运动微分方程，由各个时刻浮框整体加速度求得浮架的速度和位移，进而得到与锚绳相连单元的瞬时位置，以供锚绳单元计算锚绳张力。

固泊系统受力：

单元的划分基于集中质量法的思想方法，将绳索沿轴向分成足够小的若干端，称之为单元。由于假设绳索是质量均匀分布的，所以绳索的质量将平均分配到每一个单元。每一个单元所收到的重力、浮力、波浪力等都集中作用到质心，单元之间的距离体现绳索的张力。利用以上方法，将固泊绳索和力纲分别进行单元的划分，以便对每个单元进行受力分析和理论计算，直到计算结果的输出和结果图形的表达。

一般的，波浪经过绳索时，水流与绳索单元的轴线之间存在一非直角的夹角，而对于图2的绳索，根据聂武等的研究，可将公式改写为

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{Dxi}}\\ F_{\mathrm{Dyi}}\\ F_{\mathrm{Dzi}}\end{array}\right\}=\frac{D}{2}{C}_D{\mathrm{\&rho;}}_w{W}_{\mathrm{ni}}\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{nxi}}-{\stackrel{.}{x}}_i\\ v_{\mathrm{nyi}}-{\stackrel{.}{y}}_i\\ v_{\mathrm{nzi}}-{\stackrel{.}{z}}_i\end{array}\right\}$ ，v_nxi，v_nyi，v_nzi分别为水质点在X，Y，Z轴上的速度，

为绳索单元在X，Y，Z轴上的速度，W_ni为垂直与绳索单元的速度，C_D为水阻力系数。设e为沿绳索单元轴线的单位矢量

e＝e_xi+e_vj+e_zk，其中i，j，k为沿X，Y，Z轴的单位矢量，并有

式中Z轴与单元的夹角

、单元在XOY平面的投影与x轴的夹角ψ_i，图2。这样，则垂直于绳索单元的速度W_ni为

W_ni＝iv_nxi+jv_nyi+kv_nzi＝e_i×[(iv_xi+jv_zi)×e_i]

雷诺系数和K—C数可由下式求得

$\mathrm{Re}=\frac{\left|W_n\right|D}{\mathrm{\&upsi;}},$ $K=\frac{\left|W_n\right|T}{D}$

上式中D为绳索直径，υ为流体粘滞系数。从而可以求出C_D

$C_{\mathrm{Dn}}=\left\{\begin{array}{cc}0.0& {\mathrm{Re}}_n\&le;0.1\\ 0.45+5.93/{\left({\mathrm{Re}}_n\right)}^{0.33}& 0.1<{\mathrm{Re}}_n\&le;400\\ 1.27& 400<{\mathrm{Re}}_n\&le;{10}^5\\ 0.3& {\mathrm{Re}}_n>{10}^5\end{array}\right.$ 和

$C_{\mathrm{Dt}}=\left\{\begin{array}{cc}1.88/{\left({\mathrm{Re}}_t\right)}^{0.74}& 0.1<{\mathrm{Re}}_t\&le;100.55\\ 0.062& {\mathrm{Re}}_n>100.55\end{array}\right.$

波浪力的另一部分——惯性力，可写为如下形式。

${\stackrel{\&RightArrow;}{F}}_{\mathrm{Ii}}=\frac{\mathrm{\&pi;}{D}^2}{4}{\mathrm{\&rho;}}_w(1+K_m)(\stackrel{.}{v}-\stackrel{..}{x}),$ 其中

为绳索单元质心处的加速度，为水质点加速度。相邻两个质心之间的距离用于体现弹性力。对任一绳索的单元i，利用单元相关质点之间的位置关系，可以计算出受张力后相邻两质点间的的长度l_i，由原始长度S₀，可以求出伸长量ΔS_i，从而得到绳索第i个单元质点与其相邻两个单元的张力

${\stackrel{\&RightArrow;}{T}}_i=\{{\mathrm{AC}}_1{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}{S}_i}{S_0}\right)}^{C_2}$

$\mathrm{\&Delta;}{S}_i=\sqrt{{(x_i-x_{i-1})}^2+{(y_i-y_{i-1})}^2+{(z_i-z_{i-1})}^2}$

将以上理论依据应用于编制计算机程序，以实现对重力式深水网箱及其固泊系统的力学数值模拟，预测出绳索张力，并且实现提前预警提前下潜避开风浪的控制操作。图3中，计算机模拟现有水文条件下，若干个周期后的绳索受力状况，其中颜色浅的绳索段为张力较小处，而颜色深的为张力较大处。根据实际采用的绳索类型设定警戒值，当预测到警戒值的时候，计算机控制网箱下潜避开风浪。

计算机程序控制步骤如下：

步骤1：根据深水网箱实际设置情况输入深水网箱及其固泊系统的三维模型；输入深水网箱的材料参数和固泊系统绳索的材料参数；

步骤2：计算机读取水文采集装置采集的水文数据；

步骤3：计算机程序预测：读入步骤1和步骤2取得的数据和参数作为相关计算的参数，对三维模型进行网格初始化，利用前述波浪理论计算各网格所受外力，再迭代计算各网格的运动参数，然后计算网格的位移和张力，直到满足精度后，输出计算结果存入数据文件；对时间进行累加，并对下一时刻运动状态做同样的计算，直到时间累加大于20个波浪周期为止，即满足结束条件。其流程示意见图4。

其目的在于根据步骤1的三维模型和步骤2的水文数据，计算机模拟出测试时段波浪，计算水体对重力式深水网箱及其固泊系统的作用力和相应的加速度；根据加速度，通过迭代计算出测试时段深水网箱及其固泊系统的运动状态、空间位置和绳索的张力；

步骤4：计算机根据步骤3所得的张力决策对重力式深水网箱采取上浮或下沉或保持原状态的操作，并且计算机向网箱升降控制装置发送相应的操作信号。

尽管已结合优选的实施例描述了本发明，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够对在这里列出的主题实施各种改变、同等物的置换和修改，因此本发明的保护范围当视所提出的权利要求限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种重力式深水网箱预测式控制专用装置，包括重力式深水网箱和计算机，其特征是：所述的重力式深水网箱设有能控制网箱升降的网箱升降控制装置；所述的计算机连接所述的网箱升降控制装置；所述的计算机还连接有水文采集装置，所述的计算机能对所述的水文采集装置采集的水文数据进行处理并根据处理结果控制所述的网箱升降控制装置。

2.根据权利要求1所述的一种重力式深水网箱预测式控制专用装置，其特征是：所述的计算机与所述的网箱升降控制装置之间的连接方式包括线缆连接或无线电连接或光耦合连接；所述的计算机对所属的所述的水文采集装置采集的水文数据的处理包括模拟固泊系统绳索的受力情况。

3.根据权利要求2所述的一种重力式深水网箱预测式控制专用装置，其特征是：所述的水文采集装置包括波高仪和盐度计。

4.一种重力式深水网箱预测式控制方法，其特征是包括如下步骤：

①输入深水网箱及其固泊系统的三维模型；输入深水网箱的材料参数和固泊系统绳索的材料参数；

②计算机读取水文采集装置采集的水文数据；

③根据步骤②的水文数据，计算机模拟出测试时段波浪，计算水体对重力式深水网箱及其固泊系统的作用力和加速度；根据加速度，通过迭代计算出测试时段深水网箱及其固泊系统的运动状态、空间位置和绳索的张力；

④计算机根据步骤③所得的张力决策对重力式深水网箱采取上浮或下沉或保持原状态的操作，并且计算机向网箱升降控制装置发送相应的操作信号。

5.根据权利要求4所述的一种重力式深水网箱预测式控制方法，其特征是：所述的深水网箱的材料参数包括浮框材料密度；固泊系统绳索的材料参数包括绳索的材料类型和绳索的编织方式。

6.根据权利要求4所述的一种重力式深水网箱预测式控制方法，其特征是：所述的水文数据包括波浪波高、波浪波速、波浪周期、波浪波长、水深、水的盐度。

7.根据权利要求6所述的一种重力式深水网箱预测式控制方法，其特征是：所述的三维模型包括三维空间模型和三维受力模型；所述的测试时段为0个至20个波浪周期。

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