CN108362424B - 适用于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能现场监测系统及方法，包括：待监测深海浮标弹性紧绷式锚系、锚系运动监测单元和上位机；待监测深海浮标弹性紧绷式锚系上设置若干监测节点，所述监测节点上安装所述锚系运动监测单元；锚系运动监测单元安装在待监测深海浮标弹性紧绷式锚系上实现对待监测深海浮标弹性紧绷式锚系运动的现场监测；所述锚系运动监测单元连接上位机，将采集的数据上传到所述上位机。本发明有益效果：解决深海浮标弹性紧绷式锚系运动的现场监测问题，获取一手现场监测数据，捕捉深海浮标弹性紧绷式锚系在布放、回收、恶劣天气等特殊时期的真实运动过程。

Description

适用于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能监测系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋资料监测领域，特别是涉及一种适用于深海弹性紧绷式锚系的锚系性能监测系统及方法。

背景技术

深海浮标是全球监测的重要手段，可以监测海面风、湿、温、压，水下温、盐、流等诸多海洋资料要素，然而对深海浮标本身的监测却仅停留在对海面浮标位置的卫星定位，对深海弹性紧绷式锚系的锚系性能一直缺少现场的直接监测。我们可以通过卫星看到海面上的浮标围绕锚定点在一个直径达数千米的圆形海域内浮动，却对水下同样数千米的锚系的运动一无所知。对于深海领域，维护一个深海浮标，除了设备自身的价值超过100万，浮标往往远离陆地，船队出海一次的成本也非常高，每天高达25万元船费。考虑到深海浮标维护成本巨大，为了监测锚系性能而更改锚系结构，会增加额外的风险，正因如此，仅有少数学者尝试过在锚系与浮标的链接点串联拉力传感器，监测锚系顶点的拉力。这些勇敢的尝试获得了宝贵的现场资料，对浮标锚系设计，尤其是锚系缆绳的强度校核十分重要。对锚系顶点串联拉力传感器，并不能实现整个数千米锚系线的现场监测，在浮标不放回收过程中，在浮标受风流驱动在海面进行数千米的浮动过程中，水下数千米锚系究竟是什么样子，仍然一无所知。

当然，对深海浮标弹性紧绷式锚系的认知手段，除了直接的现场监测，还有理论分析、近似计算、数值模拟、模型试验等方法，在缺乏现场监测手段的条件下，以上方法确实有助于增加人们对浮标锚定原理的认识，在一定程度上展示锚系在浮标布放回收及风流作用下锚系运动及拉伸的大致情况。但上述方法并不能确切的描述锚系实际的情况，甚至有些数值模拟的方法还有待现场监测数据的验证。

综上所述，现有技术中对于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种适用于适用于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能现场监测系统及方法，其具有在深海领域实现对深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能的现场监测，获取在浮标布放、回收及在位运行过程中，水下数千米锚系性能的数据，增加对深海弹性紧绷式锚系的认识。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明公开了一种适用于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能现场监测系统，包括：待监测深海浮标弹性紧绷式锚系、锚系运动监测单元和上位机；

所述待监测深海浮标弹性紧绷式锚系上设置若干监测节点，所述监测节点上安装所述锚系运动监测单元；

所述锚系运动监测单元安装在待监测深海浮标弹性紧绷式锚系上实现对待监测深海浮标弹性紧绷式锚系运动的现场监测；所述锚系运动监测单元连接上位机，将采集的数据上传到所述上位机。

进一步地，所述待监测深海浮标弹性紧绷式锚系在浮标运行期间保持紧绷状态。

进一步地，所述锚系运动监测单元包括耐压壳体，在所述耐压壳体内设有控制模块、惯性导航模块、压力测深模块和能源模块；

所述控制模块与惯性导航模块、压力测深模块分别连接；所述控制模块通过惯性导航模块和压力测深模块采集锚系运动监测单元的坐标和姿态数据并存储；所述能源模块为所述锚系运动监测单元提供能源；所述锚系运动监测单元通过耐压壳体安装在待监测深海浮标弹性紧绷式锚系上。

进一步地，所述上位机调取深海浮标弹性紧绷式锚系运动的现场监测数据进行计算，分析深海浮标弹性紧绷式锚系的拉伸和张力，并对分析结果进行展示。

本发明公开了一种适用于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能现场监测方法，包括：

步骤(1)：在待监测深海浮标弹性紧绷式锚系上设置若干监测节点；

步骤(2)：在设定的监测节点上设置锚系运动监测单元，锚系运动监测单元采集现场监测节点的坐标和姿态数据并存储；

步骤(3)：上位机调取深海浮标弹性紧绷式锚系运动的现场监测数据进行计算，分析深海浮标弹性紧绷式锚系的拉伸和张力，并对分析结果进行展示。

进一步地，所述步骤(1)中，在待监测深海浮标弹性紧绷式锚系上设置若干监测节点，具体为：

步骤(1-1)：将待监测的深海浮标弹性紧绷式锚系划分成若干分段和节点，这些分段具有弹性，类似一段弹簧，节点是各分段弹簧连接的点；

步骤(1-2)：在若干节点中选取代表性的节点配载锚系运动监测单元；

步骤(1-3)：记录好所选节点的原始位置，在锚系上相应位置准备好标记，方便浮标布放时锚系运动监测单元的安装。

进一步地，所述代表性的节点包括：锚系顶点、钢缆端点、挂载CTD的点、绳缆连接点和浮球上端点。

进一步地，所述步骤(2)中，锚系运动监测单元采集现场监测节点的坐标和姿态数据并存储具体为：

步骤(2-1)：在布放浮标前，利用所述上位机，设置好锚系运动监测单元的采样频率；

步骤(2-2)：浮标布放过程中，在选定的监测节点上固定锚系运动监测单元，做好布放记录；

步骤(2-3)：浮标回收时，取下锚系运动监测单元，做好回收记录，利用所述上位机下载数据。

进一步地，所述步骤(3)的具体实现方法为：

步骤(3-1)：在上位机中建立深海浮标弹性紧绷式锚系模型，将节点位置及分段长度、比重、弹性信息输入模型中，作为锚系的初始状态；

步骤(3-2)：将锚系运动监测单元监测到的锚系各个节点的动态坐标数据导入上位机所建立的锚系模型中，在三围环境下展示锚系的形状变化，包括浮标布放和回收过程中，锚系的运动情况，浮标布放时锚块下沉速度，锚块着底后释放器缓冲距离，浮标回收时释放器上升速度；

步骤(3-3)：基于锚系紧绷的特点，计算出相应分段的拉伸，结合锚系弹性系数，得到该节点的张力；根据检测到的节点的位置变化分析节点张力变化，在三围环境下展示锚系的形状变化的同时，用锚系颜色表示锚系中的张力。

本发明有益效果：

(1)解决深海浮标弹性紧绷式锚系运动的现场监测问题，获取一手现场监测数据，捕捉深海浮标弹性紧绷式锚系在布放、回收、恶劣天气等特殊时期的真实运动过程；

(2)结合深海浮标弹性紧绷式锚系的自身弹性和紧绷的特点，基于锚系节点运动的监测数据，分析锚系张力，挖掘现场监测数据价值；

(3)现场监测数据可以修正锚系受力分析的数值模型，提高数值模型的可靠性。

(4)能够实现深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能的现场监测。

说明书附图

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的现场监测系统示意图；

图2为本发明的现场监测方法示意图；

图3为本发明的现场监测的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

如图1所示，适用于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能现场监测系统，包括：待监测深海浮标弹性紧绷式锚系、锚系运动监测单元、上位机。

待监测深海浮标弹性紧绷式锚系由钢缆、尼龙绳、浮球、锚块等组成，以5600米水深的浮标锚系为例，自上而下包括：700钢缆，4500米左右尼龙绳，玻璃浮球，释放器，缓冲缆和海底锚块；其中尼龙绳段具有良好的弹性拉伸能力，整个锚系线在浮标运行期间保持紧绷状态；在待监测深海浮标弹性紧绷式锚系上选取多个具有代表性的监测节点，安装所述锚系运动监测单元。

锚系运动监测单元包括控制模块、惯性导航模块、压力测深模块、能源模块、耐压壳体；所述控制模块与惯性导航模块、压力测深模块连接；所述控制模块通过惯性导航模块和压力测深模块采集监测单元的坐标和姿态数据并支持数据的存储和传输；所述能源模块为所述锚系运动监测单元提供能源；所述耐压壳体将所述控制模块、惯性导航模块、压力测深模块、能源模块封装。

惯性导航模块，记录位移和姿态；压力测深模块，通过观测压力获取深度变化，修正惯性导航模块的垂直位移；能源模块，为系统提供独立的能源供应；控制模块，实现数据存储及通讯，记录监测数据及实现监测系统数据的读取和监测环境的设置；耐压壳体，用于封装惯性导航模块、压力模块、能源模块及控制模块，并实现系统在深水锚系上的配载，真实的体现锚系的运动和姿态；在深海弹性紧绷式式锚系上适当位置搭载多个锚系运动监测单元，通过锚系运动监测单元提供的位置数据，计算弹性紧绷式锚系的拉伸，进而根据锚系缆索的弹性系数得到锚系上的张力，最终实现对整个锚系运动、拉伸、张力的现场监测；

锚系运动监测单元通过耐压壳体安装在待监测深海浮标弹性紧绷式锚系上实现对待监测深海浮标弹性紧绷式锚系运动的现场监测；锚系运动监测单元连接上位机，将采集的数据上传到上位机。

上位机可以在计算机上安装，连接锚系运动监测单元，设置锚系运动监测单元的采样方案及下载监测数据；实现对锚系运动监测单元的设置及数据处理，将同一锚系上配载的多个锚系运动监测单元的数据导入上位机，上位机对深海浮标弹性紧绷式锚系运动的现场监测数据进行计算，分析深海浮标弹性紧绷式锚系的拉伸和张力，并将分析结果进行展示；可以将现场监测数据进行回放，进行三维动画显示以及锚系应力随时间的变化。

如图2所示，适用于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能现场监测方法，包括：

步骤(1)：深海浮标弹性紧绷式锚系的节点划分；

步骤(2)：锚系运动监测单元的配载和现场节点坐标和姿态数据的采集记录；

步骤(3)：上位机数据分析及展示。

所述步骤(1)深海浮标弹性紧绷式锚系的节点划分，包括如下步骤：

步骤(1-1)：将待监测的深海浮标弹性紧绷式锚系划分成若干分段和节点，这些分段具有弹性，类似一段弹簧，节点是各分段弹簧连接的点；

步骤(1-2)：在若干节点中选取代表性的节点配载锚系运动监测单元，比如锚系顶点、钢缆端点、挂载CTD的点、绳缆连接点、浮球上端点等；

锚系顶点是锚系与浮标体相连的点，选取该点的目的是监测浮标体在海面的漂动；

钢缆端点是钢缆与绳缆相连的点，选取该点的原因在于该节点相邻两个分段的材质不同；

浮球上端点是绳缆与浮球的连接点，选取原因同样是该节点相邻两个分段的材质不同；

挂载CTD的点对应的是常规海洋物理要素监测的重要水层点，这些节点都在钢缆上，相邻分段材质相同，可适当筛选所述挂载CTD的点中的部分间隔比较远的点，尽量筛选有海流传感器的节点，有助于分析锚系自身运动对海流观测的扰动影响；

绳缆连接点是锚系中绳缆的连接点，绳缆是深海浮标弹性紧绷式锚系的主体部分，具有良好的弹性，为了方便制作、存储和运输，绳缆出厂时长度通常是标准的，比如100米、200米、500米、1000米等，根据浮标布放位置水深，现场进行裁剪和连接。虽然绳缆连接点相邻锚系分段材质相同，但考虑到绳缆连接点的相邻分段比较长、缆绳头比缆绳中间位置原始长度上容易获取、结构上锚系运动监测单元容易配载等因素，所以选取缆绳连接点多位代表节点配载锚系运动监测单元；

步骤(1-3)：记录好所选节点的原始位置，在锚系上相应位置准备好标记，方便浮标布放时锚系运动监测单元的安装。

步骤(2)：锚系运动监测单元的配载和现场节点坐标和姿态数据的采集记录，是实现现场观测，获取一手资料的重要环节，安装时为了避免对锚系连贯性的影响，锚系运动监测单元利用上下两个卡子卡在锚系上，而并非串联在锚系中；钢缆部分的节点，安装锚系运动监测单元上下两个卡子要适当的牢固，确保锚系运动监测单元与所监测节点的位置和姿态保持一致；绳缆部分的节点，要考虑绳缆受力后拉伸变细变长，安装锚系运动监测单元时将下面的卡子卡牢，上面的卡子适当宽松一些，保证绳缆拉伸时不破坏锚系运动监测单元；

具体包括以下步骤：

步骤(2-1)：在布放浮标前，利用所述上位机，设置好锚系运动监测单元的采样方案；

步骤(2-2)：浮标布放过程中，在选定的代表节点上固定锚系运动监测单元，做好布放记录；

步骤(2-3)：浮标回收时，取下代表节点上固定锚系运动监测单元，做好回收记录，利用所述上位机下载数据；

步骤(3)：上位机数据分析及展示，根据锚系运动监测单元监测到的锚系各个节点的空间运动，得出整个被监测深海浮标弹性紧绷式锚系的形状和张力变化，并对结果进行展示，如图3所示，具体包括如下步骤：

步骤(3-1)：在上位机中建立深海浮标弹性紧绷式锚系模型，将节点位置及分段长度、比重、弹性等信息输入模型中，作为锚系的初始状态；

步骤(3-2)：将锚系运动监测单元监测到的锚系各个节点的空间运动数据(动态坐标数据)导入上位机所建立的锚系模型中，在三围环境下展示锚系的形状变化，尤其是浮标布放和回收过程中，锚系的运动情况，浮标布放时锚块下沉速度，锚块着底后释放器缓冲距离，浮标回收时释放器上升速度等锚系运动相关问题将一目了然；

步骤(3-3)：基于锚系紧绷的特点，可以认为相邻节点间的连线长度即对应分段锚系的实际拉伸后的长度，据此可以计算出相应分段的拉伸，结合锚系弹性系数，就可以得到该节点的张力，基于监测到的节点位置变化分析节点张力变化，在三围环境下展示锚系的形状变化的同时，用锚系颜色表示锚系中的张力，在锚系运动过程中张力的变化一目了然。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.适用于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能现场监测系统，其特征在于，包括：待监测深海浮标弹性紧绷式锚系、锚系运动监测单元和上位机；

所述待监测深海浮标弹性紧绷式锚系包括钢缆、尼龙绳、浮球、锚块；所述待监测深海浮标弹性紧绷式锚系在浮标运行期间保持紧绷状态；

所述待监测深海浮标弹性紧绷式锚系上设置若干监测节点和分段，分段具有弹性，监测节点是各分段连接的点，所述监测节点上安装所述锚系运动监测单元；为了避免对锚系连贯性的影响，锚系运动监测单元利用上下两个卡子卡在锚系上，而并非串联在锚系中；钢缆部分的节点，安装锚系运动监测单元上下两个卡子要牢固，确保锚系运动监测单元与所监测节点的位置和姿态保持一致；绳缆部分的节点，考虑绳缆受力后拉伸变细变长，安装锚系运动监测单元时将下面的卡子卡牢，上面的卡子适当宽松一些，保证绳缆拉伸时不破坏锚系运动监测单元；

所述锚系运动监测单元安装在待监测深海浮标弹性紧绷式锚系上实现对待监测深海浮标弹性紧绷式锚系运动的现场监测；所述锚系运动监测单元连接上位机，将采集的数据上传到所述上位机；

所述锚系运动监测单元包括耐压壳体，在所述耐压壳体内设有控制模块、惯性导航模块、压力测深模块和能源模块，所述惯性导航模块记录位移和姿态，压力测深模块，通过观测压力获取深度变化，修正惯性导航模块的垂直位移。

2.如权利要求1所述的适用于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能现场监测系统，其特征在于，所述控制模块与惯性导航模块、压力测深模块分别连接；所述控制模块通过惯性导航模块和压力测深模块采集锚系运动监测单元的坐标和姿态数据并存储；所述能源模块为所述锚系运动监测单元提供能源；所述锚系运动监测单元通过耐压壳体安装在待监测深海浮标弹性紧绷式锚系上。

3.如权利要求1所述的适用于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能现场监测系统，其特征在于，所述上位机调取深海浮标弹性紧绷式锚系运动的现场监测数据进行计算，分析深海浮标弹性紧绷式锚系的拉伸和张力，并对分析结果进行展示。

4.适用于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能现场监测方法，其特征在于，包括：

步骤(1)：在待监测深海浮标弹性紧绷式锚系上设置若干监测节点，具体为：

步骤(1-1)：将待监测的深海浮标弹性紧绷式锚系划分成若干分段和节点，这些分段具有弹性，节点是各分段连接的点；

步骤(1-2)：在若干节点中选取代表性的节点配载锚系运动监测单元，所述代表性的节点包括：锚系顶点、钢缆端点、挂载CTD的点、绳缆连接点和浮球上端点；

步骤(1-3)：记录好所选节点的原始位置，在锚系上相应位置准备好标记，方便浮标布放时锚系运动监测单元的安装；

步骤(2)：在设定的监测节点上设置锚系运动监测单元，锚系运动监测单元采集现场监测节点的坐标和姿态数据并存储；

安装时为了避免对锚系连贯性的影响，锚系运动监测单元利用上下两个卡子卡在锚系上，而并非串联在锚系中；钢缆部分的节点，安装锚系运动监测单元上下两个卡子要适当的牢固，确保锚系运动监测单元与所监测节点的位置和姿态保持一致；绳缆部分的节点，要考虑绳缆受力后拉伸变细变长，安装锚系运动监测单元时将下面的卡子卡牢，上面的卡子适当宽松一些，保证绳缆拉伸时不破坏锚系运动监测单元；

步骤(3)：上位机调取深海浮标弹性紧绷式锚系运动的现场监测数据进行计算，分析深海浮标弹性紧绷式锚系的拉伸和张力，并对分析结果进行展示具体为：

步骤(3-1)：在上位机中建立深海浮标弹性紧绷式锚系模型，将节点位置及分段长度、比重、弹性信息输入模型中，作为锚系的初始状态；

步骤(3-2)：将锚系运动监测单元监测到的锚系各个节点的动态坐标数据导入上位机所建立的锚系模型中，在三维环境下展示锚系的形状变化，包括浮标布放和回收过程中，锚系的运动情况，浮标布放时锚块下沉速度，锚块着底后释放器缓冲距离，浮标回收时释放器上升速度；

步骤(3-3)：基于锚系紧绷的特点，计算出相应分段的拉伸，结合锚系弹性系数，得到该节点的张力；根据检测到的节点的位置变化分析节点张力变化，在三围环境下展示锚系的形状变化的同时，用锚系颜色表示锚系中的张力。

5.如权利要求4所述的适用于深海浮标弹性紧绷式锚系的锚系性能现场监测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，锚系运动监测单元采集现场监测节点的坐标和姿态数据并存储具体为：

步骤(2-1)：在布放浮标前，利用所述上位机，设置锚系运动监测单元的采样频率；

步骤(2-2)：浮标布放过程中，在选定的监测节点上固定锚系运动监测单元，做好布放记录；

步骤(2-3)：浮标回收时，取下锚系运动监测单元，做好回收记录，利用所述上位机下载数据。

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