基于粒子群算法的系泊系统受理分析研究

基于粒子群算法的系泊系统受理分析研究

傅新民石书华刘玉祥李锐孙中英

湖南文理学院土建学院，湖南常德415000）

摘要：近海系泊系统作为气象监控、海洋探测的主要载体工具，对工程的实际应用有一定的积极作用，在整个系泊系统处于最终平衡状态下，从系统的上部钢管开始受力分析计算，建立不同方向上力的平衡方程和以下部链结点为取距中心的力矩平衡方程，求得钢管倾斜角度以及下部单元间相互作用拉力，进而计算出钢管的相对位置改变量。继续分析下部单元的受力情况，建立相同的平衡方程组并求解，通过反复迭代计算，建立以浮标吃水深度为自变量的迭代代数模型，可求得河道底部的链环倾斜角度以及整个系泊系统的垂悬高度。

关键词：系泊系统设计；代数模型；粒子群算法

1数据处理

根据收集的数据提取了其中的有用信息，某型传输节点选用Ⅱ型电焊锚链22.05m，选用的重物球的质量为1200kg。现将该型传输节点布放在水深18m、海床平坦、海水密度为1.025×103kg/m3的海域。假定海水静止，对海面风速为12m/s和24m/s时钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域进行计算。

2模型建立

基于整个系统处于平衡状态来进行分析，首先将系泊系统的每一个零件都个体化，分析它们各自的受力情况，再依照系统零件之间的相互作用的关系，由浮标到锚体，连锁性、整体性的解决问题。

整个传输节点是具有典型的单点系泊系统特性的海洋单点浮标系统。我们将它分为四部分，在整个系统处于平衡状态下，首先采用集中质量法统一考虑单一零件的重力与浮力；其次，为便于后期理论分析和粒子群算法的编写，将零部件衔接处复杂的相互作用通过与水平方向和垂直方向的夹角，一致转化为相应方向上的力；最后，以每一个零件衔接点为取距中心，在详细受力分析的基础上建立力矩平衡方程，由此，采用迭代方法，计算出每一个零件包括钢管、钢桶和锚链所处的位置坐标以及与水平面的夹角。以下，就系泊系统中各部件的钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域分别进行模型建立与求解。

根据浮标所处的外部环境分析它的受力情况，得到：

由于钢管的刚性和它们之间的链接方式，针对某钢管i（1≤i≤4）而言，除了受到重力和浮力之外，还受到了分别来自上接钢管和下接钢管对它的拉力。假设钢管i的重力和浮力大小分别为Gi和Bi。

由已给数据可计算出选用Ⅱ型电焊锚链共22.05m长，包含210节锚链。考虑到问题一中锚链外部环境，特别是水下环境比较稳定，水流速度为0，所以锚链不会受到来自水对它的水流阻力，从而得到：

3模型求解

在群体觅食的模型中，每一个个体都可以看成是一个粒子，这样全部个体就可以看作是一个粒子群体，这样对于一个多维的问题，有m个粒子在进行搜索前进，每一个粒子在空间中都存在有一个位置记为Xi，每个个体经过的最好位置就是Pi，全部群体经过的最好位置就是Pg，每个个体的速度记为Vi。

这样根据上面速度及位置变化的定义可以得到粒子位置的更新方式：

其中，ω为惯性因子，c1，c2为学习因子，r1，r2为变化随机数，𝛼为约束因子用来控制速度。

粒子群算法和问题的结合体现在适应度函数的确定，就本文研究问题而言，优化的变量为系泊系统的垂悬高度，适应度函数需结合上述模型代数迭代思想计算出的垂悬高度，对不同的浮标吃水深度计算相应的垂悬高度，进而计算其与海水深度的差值绝对值，若差值越逼近于零，则适应度越好。

经过粒子群算法的优化计算求得风速为12m/s时浮标的吃水深度为0.7348m，海底链环的倾斜角度为0.97°，浮标的游动区域最大为14.2005m；风速为24m/s时浮标的吃水深度为0.7489m，海底链环的倾斜角度为0.23°，浮标的游动区域最大为17.3203m。

参考文献

[1]袁梦，范菊，缪国平，朱仁传.系泊系统动力分析[J].水动力学研究与进展A辑，2010，03:285-291.

[2]王磊.单点系泊系统的动力学研究[D].中国海洋大学，2012.

[3]刘建华.粒子群算法的基本理论及其改进研究[D].中南大学，2009.