2016国赛a题国家一等奖论文

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1、系泊系统的优化设计摘要本文对近浅海系泊系统进行空间建模及优化设计，使得浮标的吃水深度和游动区域及钢桶的倾斜角度尽可能小，以提高整个系统的工作效率。在海面风速，水流速度、实测水深变化的条件下，分别建模设计了适应不同条件下的系泊系统，确定了锚链的型号、长度、重物球的质量。针对问题一，给定锚链型号、长度以及重物球质量，求解不同风速下的整体系统状态。由于海水静止，对系泊系统建立二维直角坐标系，对系统中各部分进行受力分析，由静力平衡得到各部分的张力、水平夹角以及坐标点的更新公式。分析浮标纵坐标点y0与锚链底端纵坐标yn

2、的关系，使用迭代算法或枚举算法，求使yn与海水深度距离最小的y0，同时计算浮标横坐标，最终求得：在vw12/ms时，锚链部分铺底，第一根至第四根钢管和钢桶与水平方向的夹角弧度数分别为1.554,1.5537,1.5536,1.5535,1.5534，2吃水深度为0.734m，游动面积为628.343m。在vw24/ms时，锚链全部起来，第一根到第四根钢管和钢桶与水平方向的夹角弧度数分别为1.5057，1.5053，1.5049，1.5045，1.5042。h为0.748m，浮标底端中心坐标xy11,

3、17.524,0.748,游动面积为2934.78m。针对问题二，风速36m/s时，钢桶和锚链夹角不满足约束条件，需要调节重物球质量使其满足条件。首先，分析重物球质量与吃水深度、浮标横坐标、锚链底端水平夹角以及钢桶竖直夹角的关系，得到“使钢桶竖直夹角满足条件的质量最小为1808”。然后，我们建立多目标规划问题，求解最优重物球质量，使得吃水深度、游动区域及钢桶倾斜角度尽可能小，采用IENSGAii算法求解多目标规划。最终，确定重物球的质量在1808kgm6000kg间，以c10为例，当两个目标均达到

4、最小的那个值才是最优的。此时的质量，吃水深度，倾角与游动面积的参数和分别为4188.247kg，1.676769，606.4267。针对问题三，首先，考虑海水流力的影响，并考虑海水流利于风力存在夹角，对系泊系统建立三维直角坐标系，并进行受力分析，得到各部分的张力、水平夹角、x轴夹角以及坐标点的更新公式。然后，构建多目标优化模型，求解最优重物球质量以及锚链长度，使得吃水深度、游动区域及钢桶倾斜角度尽可能小。最终，将多目标转化为单目标问题，用GA算法进行求解，得到5种链型的最优情况。论文最后对风力、海水流力和海水

5、深度进行了敏感性分析，讨论了模型的优缺点以及进行了模型得推广。关键词：系泊系统，动力系统，多目标优化，GA算法1§1问题的重述1.1研究问题的背景是什么？1.1.1总背景介绍伴随着世界经济的快速发展，人们更是逐步加强对海洋领域的探索。为收集海洋环境的数据资料，人们开始应用浮标系统，同时在开发利用时，都离不开观测设备，如海[1][2]底观测站，水下探测器等。然而这些设备无一例外的需要系泊系统定位。近浅海观测网的传输节点由浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成，简化的某型号输节点的系泊系统可以如图1所示。传统的浮标

6、系统都是由简单的锚—锚链—浮标构成。而这里，我们研究的浮标系统在锚与浮标之间有一个钢桶（用于安装水声通讯系统）。钢桶与电焊锚链链接处悬挂了重物球，是为了控制钢桶的倾斜角度，钢桶的倾斜角度越大，设备的工作效果较差。而且钢桶与浮标之间是通过四节相同的钢管连接的。钢管与钢管之间的连接是可以有偏转角度的。图1简化的系泊系统示意图1.1.2要解决的具体问题1.问题一给出某型传输节点选用的一些物件标准，并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。假设海水静止，分别计算海面风速

7、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。2.问题二在问题1的假设下，当海面风速为36m/s时重新计算各指标，并调节重物球的质量，使得钢桶的倾斜角度与锚链在锚点与海床的夹角不超过给定上限。3.问题三考虑潮汐等因素的影响，假如现在的布放海域的实测水深介于16m~20m之间。布放点的海水速度最大可达到1.5m/s、风速最大可达到36m/s。请给出考虑风力、水流力和水深情况下的系泊系统设计，分析不同情况下钢桶、钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。§2问题

8、的总分析系泊系统的设计是一个带有复杂约束条件的优化与规划问题，它涉及到给定多个条件下，当系泊系统布防在某个确定的海域条件下，只改变风速让你求解整个系统的形态等指标，还涉及到给定多个海域条件的取值范围，求解最优状态下锚链的型号、长度和其它物体的一些指标。处理此问题的难点就是使得锚链末端与锚的链接处的切线方向与海床的夹角、钢桶的倾斜角度、浮标的吃水深度和游动区域都尽可能达到最优的情况下，系泊系统进行设计