深海剖面测量浮标节能研究.docx

1、58卷第3期(总第223期)中国造船W.58No.3(SerialNo.223)2017年9月SHIPBUILDINGOFCHINASep.2017文章编号：1000-4882(2017)03-0128-08深海剖面测量浮标节能研究陈鹿12,崔维成W,潘彬彬”(1.上海海洋大学海洋科学学院深渊科学与技术研究中心，上海201306;2.上海深渊科学工程技术研究中心，上海201306)摘要为了设计体积小、重量轻的深海水深剖面测量浮标，论文提出了一种节能方案.为了实现对深海剖面测量浮标能耗的模拟研究，通过试验获得深海剖面测量浮标特定元件功耗等特性数据.考虑海水密度变化对其浮力调节的影响，对深海剖面测

2、量浮标建立纵向运动模型，并应用四阶五级龙格库塔法对常微分方程的初值问题进行求解.结果表明：该节能方案有效地控制了上浮速度，其上浮速度在0.1.19m/s之间，并节约能量约51.16%,为深海剖面测量浮标的优化设计提供了理论基础.关键词：剖面测量浮标；纵向运动；模拟；节能中图分类号：P756文献标识码：A0引言深海剖面测量浮标，也称为“自律式拉格朗日环流剖面观测浮标”或“自持式剖面自动循环探测仪”,是一种可以在海洋中自由漂移，采用拉格朗日环流法，自动测量从海面到一定水深的海水温度、电导率(盐度)和压力，并跟踪其漂流轨迹来获取海流的速度和方向的测量仪器。小型水下机器人、水下滑翔机的浮力调节主要通过

3、改变自身的排水体积或自重来改变净浮力，实现上浮、下潜运动。深海剖面测量浮标采用改变排水体积的方法来实现上浮、下潜运动。由于深海剖面测量浮标体积小，对其重量要求需精确到0.5g，而海水密度随深度增加而增大；因此，在上浮、下潜过程中应考虑海水密度变化对净浮力的影响。研究者们在研究水下无人潜航器时，主要专注于设计体积小、能耗低的水下设备，以便在水下执行更长时间的任务。常规2000m以浅的剖面测量浮标，均采用细长的圆柱形设计；然而，DeepAPEX”：和DeepSOLO6000m的深海水深剖面测量浮标则采用球形耐压设计【气设计体积更小、重量更轻、工作时间更长的深海剖面测量浮标，可实现对海洋剖面参数更精

4、确的测量；因此，对深海剖面测量浮标的设计而言，节能研究变得十分重要。Agrawal等和Sumantr等对可变压载的UUV的运动过程进行了模拟，然而，这些运动过程均未考虑到海水密度变化对UUV(Unmannedunderwatervehicle)产生的影响。在深海剖面测量浮标浮力调节系统设计中，海水密度变化的影响不可忽略。为降低电机功耗，设计体积小、重量轻的深海剖面测量浮标，就成为需要追求的目标。结合这个需求，本文依据试收稿日期：2017-06-09：修改稿收稿日期：201798-14基金项目：上海市科委“科技创新行动计划"项目II期(15DZ1207000)；上海深渊科学工程技术研究

5、中心开放基金“大深度剖面浮标浮力调节系统研究"<HAST-T-2016-04)验获得的基本数据，对深海剖面测量浮标建立垂直运动模型，对其单周期的上浮运动过程进行节能研究，期望为深海剖面浮标的研制提供理论基础。1深海剖面测量浮标测量的一般过程深海剖面测量浮标测量一般过程与浅于2000m的水深剖面测量浮标类似，设定漂流深度为1000m；在水面时，浮标开始定位，随后打开电磁阀，外油囊液反油开始进入到耐压球壳内，浮标体积开始减小，净浮力减小，开始下潜；累积排油量到达一定时，电磁阀关闭；深海剖面测量浮标下潜至1000m处漂流一定时间后，电磁阀再开启；液压油再次从外油囊流向耐压球壳中的内油

6、囊，浮标体积再次减小，继续下潜，液压油累积排油量达到另一个程度时，电磁阀关闭，深海剖面浮标到达预定深度，如4500m。随后，耐压舱内液压泵开始工作，液压油从内油囊流向外油囊，浮标体积开始增大，净浮力增大，浮标开始上浮，上浮过程中温盐深仪对海水温度、电导率、压力等进行测量，排油体积累积到一定程度时，液压泵停止工作。深海剖面测量浮标到达水面，通过北斗导航再次定位，并发送测量:数据，即完成一个周期的测量。由于深海剖面测量浮标在上浮过程中需要启动电机，电机能量消耗占整个测量周期中能量消耗的比重很大，因此，本文重点研究上浮阶段的节能控制方案。2海水、电机和液压泵的基本特性由于海水密度随深度的增加而增大，

7、经过海上实测得出了南海海水深度与密度的关系如图1所示。图1南中国海海水密度与深度的关系深海剖面测量浮标浮力调节主要依赖于液压系统，为了更好地掌握液压泵的流量及电机功耗信息,对液压泵和电机进行测试，为深海剖面测量浮标运动模型的建立提供基础数据。实验测试中，电机电流与水深压力的关系、液压泵流量与水深压力的关系分别如图2和图3所示。0204060水深压力/MPa水深压力/MPa图3液压泵在不同水深压力下的流量图2电机在不同水深庆力下的电流根据电机电流与水深压力的关系、液压泵流量与水深压力的关系，即可计算在某一深度下的电流以及液压泵的流量，从而可以计算电机的累积功耗和液压泵的累积排油量。3深海剖面测量

8、浮标节能模型建立与求解深海剖面测量浮标体积小，因此对重量要求十分严格。在剖面浮标总体设计过程中，应充分考虑各个模块之间的协调，降低功耗，减小重量。3.1总体设计深海剖面测量浮标根据市场所能提供的玻璃浮球为耐压壳体进行总体设计。考虑到深海剖面测量浮标的工作状态，要求剖面测量浮标在水面、漂流深度1000m以及最大设计深度4500m净浮力为零，达到中性平衡状态，即浮力和重力相等。3.2模型建立深海剖面测量浮标下潜、上浮运动是对浮标浮力调节性能进行评估的一个重要参考，因此对浮标建立运动模型分析也十分关键。深海剖面测量浮标通过调整排水体积，改变其在大海中的上浮、下潜的运动状态T】。选择静止的海面为参考水

9、平面，海水深度在参考水平面处为零，向下为正，浮标的受力、速度及加速度方向均向下为正。深海剖面测量浮标受力及运动分析基于以下假设：（1）将深海削面测兼浮标看作均匀球体，在运动分析中，由于剖面测量浮标外形尺寸与水下行程相比可忽略不计，在此可把浮标体当作质点。（2）受力分析中，主要是分析剖面测量浮标的纵向运动，海流仅影响剖面浮标水下运动的横向位移，因此不考虑海流的影响。坐标系及受力分析如图4所示。水面设：，为任意时刻；Af为微小时间间隔：Qw为海水密度；匕为t时刻水深剖面测量浮标的体积；V为速度；g为重力加速度；以为水深剖面测量浮标总质量；M为水深剖面浮标附加质量，M&3；R为深海剖面测量浮

10、标的半径；为深海剖面测量浮标的投影面积；q（z）为在*3w水深Z处液压泵流量；1（z）为在水深Z处电机电流。深海剖面测量浮标在f时刻的浮力和水阻力之和等于浮标重力时，处于平衡状态，即：Mw=Fb,+Fdt时刻深海剖面测量浮标的浮力为F&=Pw,g,K（2）t时刻深海剖面测量浮标的体积vt为水面初始体积*与t时刻累积排油童Q之和：(3)(4)(5)(6)，时刻水深剖面测量浮标的水阻力为将(2)和(4)代入(1)式得：Mg=Pw久-zz考虑到附加质量力对浮标的影响，有：W+虬)5=M.g_曲_%因此，(M+".)，=Mg-°w叫'g-Cd，Aa>，P*国方

11、")优化后，第次启动电机时间为30s,微小时间步长山=0.1s,每启动一次电机需计算300步；因此，第1次启动电机时间，液压泵对应的累积排油量为300Q=£(sign(v)幻(z)*)(8)式中，sign(y)为符号函数，深海剖面测量浮标向下运动为正方向，速度为正。sign(v)J-1*V>°I1,深海剖面测量浮标在海水中垂直运动的加速度即为速度的一阶导数、位移的二阶导数，如式(10)所示。MgWwg(r°-Q)-：c4久|牛，5、a=vz=.(0)(M+MJ深海剖面测量浮标在海水中垂直运动的速度为位移的导数即：(11)初始方案设计中，水深剖面测量

12、浮标在最大设计深度4500m附近开始上浮，在启动电机一次的过程中完成向外油囊的排油,全程排油量即为达到理论值所需的累积排油量。为了在上浮过程中降低电机功耗，对上浮过程进行节能优化，降低电机功耗在单周期测：过程中的功耗比例。考虑到实际情况，分阶段启动电机，避免电机启动太频繁，每次启动电机工作时间达fo=3Os后关闭电机，待剖面浮标上浮速度小于O.lm/s时再次启动电机。其节能模型为(12)(12)(13)300min乙=24.£(£").&)><-i/!0.1<v0.2。公式中，为电机驱动次数，Q每次排油量，。为从4500m±浮到

13、海面所需的理论排油量。3.3计算求解本文采用四阶五级龙格库塔法求解微分方程“龙格库塔法求解的基本思想是根据微积分基本定理，在一个小的步长xn,x内：y(xn+l)=y(xn)+J：/(f,y定(14)采用格式有:(15)所以,火知)=*)+加/(%*“)(16)该常微分方程初值求解问题可表示为(17)对于二阶导数的初值求解问题，需对二阶导数进行降阶处理，转化为一阶导数进行联合求解，即:z-v(18)分别以优化前和优化后两种情况，对深海剖面测量浮标进行模拟计算，其流程模拟分别如图5、图6所示。第-下*阶段速度、旗度.1程舞油量上浮阶段图5优化前流程模拟(到达水面)速度、深度、KfRff油虑度，盛

14、力计算龙格障塔法求解第二下潜物段速度、深度、累枳招油Tm否弋O.lnVs图6节能优化流程模拟4分析结果应用四阶五级龙格库塔法，对深海剖面测量浮标的下潜、上浮过程进行了动态模拟计算，对上浮过程中的电机功耗进行了节能模拟计算，微小时间间隔取&=O.ls为计算步长，进行循环迭代计算，优化前后的结果如图7、图8所示。表1为上浮阶段优化前后的数据比较。040404!IIS.M、«矛状O1*98时间/s(c)累积排油量:时间/S(d)电机累积耗电量(a)深海剖面测量浮标在水中深度(a)深海剖面测量浮标在水中深度(b)深海剖面测最浮标运动速度(c)深海削面测量浮标累积排油母5x1044x1

15、0*3x10,2*104IxlO4O'；11L.02468时间/s1214xlO4(d)深海剖面测量浮标电机累积耗电量图8优化后深海剖面测量浮标动态模拟表1上浮阶段优化前后的数据比较参数优化前优化后优化后下降的百分比/%电机耗电量/wS100723.0649197.4751.16上浮阶段耗时/s12291.435629.3上浮阶段最大速度/(m/s)0.550.1965.16在环境参数变化的情况下，深海剖面测量浮标通过调节自身的排水体积到达最大深度4583.73m,此时的累积排油量为1170.17mL。由表1可知，优化后，上浮阶段电机的累积耗电量为49197.47ws,按优化的方法调节

16、浮力，可以节约51.16%的能量，并能成功到达水面；且上浮阶段能够更好地控制上升速度，最大速度为0.19m/s,最小速度为O.lm/s,避免速度过大引起的测量误差。该优化方案能够较好地节约深海剖面测量浮标的能耗，从而达到节约能量的目的。5结语本文以试验测试的数据为基础，对一台4500米级深海剖面测量浮标在海洋中的单周期纵向运动过程进行了模拟研究，按照该优化设计方案，深海剖面测量浮标可到达漂流深度和最大设计深度，并通过对上浮过程的优化调节，可以显著地节约深海剖面测量浮标的能耗，从而达到优化设计的目的，为深海剖面浮标的研制提供了理论基础。参考文献许建平.阿尔戈全球海洋观测大探秘M.北京：海洋出版社

17、,2002:1-6.1 刘增宏，张涛，朱伯康.一种延长APEX型Arg。剖面浮标观测寿命的方法J.海洋技术,2010,29(3):】15-118.2 WATANABEK,SHIKAMAN,MIZUNOK.FloatDevice:US,8,601,969B2P.Dec.lO,2013.3 WEBBDC,BELCHERM,BOVIEL,etal.Variablebuoyancyprofilingfloat:US,8,875,645BlP.Nov.4,2014.4 ZILBERMANN,MAZEG.Deepprofilingfloatprototypes:performances,limitatio

18、ns,andresultsC/ReportontheDeepArgoImplementationWorkshop,Hobart,May5-7*,2015.5 PETZRICKE,TRUMANJ,FARGHERH.Profilingfrom6,000meterswiththeAPEX-deepfloatC/MTS/IEEEOceansConference,SanDiego,Sep.23-27,2013.6 AGRAWALA,PRASADB,VISWANATHANV,etal.Dynamicmodelingofvariableballasttankforsphericalunderwaterrob

19、otC/2013IEEEInternationalConferenceonIndustrialTechnology,CapeTown,Feb.25-28th,2013.7 SUMANTRB,KARSITIMN,AGUSTIAWANH.DevelopmentofvariableballastmechanismfordepthpositioningofsphericalURVC/ProceedingsoftheCognitiveInformatics:BridgingNaturalandArtificialKnowledgeInternationalSymposiumofInformationTe

20、chnology,2008IEEE,UnivKebangsaan,Aug.26-29,h,2008.8 董涛，杨庆保.自持式剖面循环探测漂流浮标水下运动过程实例分析J.海洋技术,2006,25(1):20-23.9 刘寅立，王剑亮，陈靖，等.MATLAB数值计算案例分析M.北京：北京航空航天大学出版社,2011.StudyonEnergySavingforDeep-SeaProfilingFloatCHENLu,CUIWeicheng*,PANBinbin(1.HadalScienceandTechnologyResearchCenter,CollegeofMarineSciences,Sha

21、nghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China;2.ShanghaiEngineeringResearchCenterofHadalScienceandTechnology,Shanghai201306,China)AbstractTodesignasmallandlightdeep-seaprofilingfloat,anenergyoptimizationschemeisproposed.Inordertosimulateenergyconsumptionforthedeep-seaprofilingfloat,performancedataofspecificcomponentsareobtainedwithexperime