一种浮力调控及数据交互管缆系统技术方案

本发明专利技术公开了一种浮力调控及数据交互管缆系统，包括牵引缆绳、滑动轨道、浮筒、脐带缆和地面控制中心；牵引缆绳的一端穿过滑动导轨并固定于海底，滑动轨道通过脐带缆与浮筒相连，地面控制中心用于根据监测海域情况调整脐带缆的位置；浮筒包括传输模块、水上推行器、浮标、控制分析单元、海面海况监测模块、太阳能板和蓄电池；传输模块将数据发送至浮标，再由浮标发送到地面控制中心；控制分析单元用于分析接收到的数据并反馈至脐带缆内的动力装置。本发明专利技术能有效控制浮式结构物的稳定状态，增强抗风浪能力，减少疲劳损伤，提高数据传输效率，数据传输真实有效，优化算法设计能以最快速度下达指令，控制牵引系统移动实现牵引缆绳位置的智能控制。智能控制。智能控制。

【技术实现步骤摘要】
一种浮力调控及数据交互管缆系统


[0001]本专利技术属于海洋柔性管缆防护领域，具体为一种浮力调控及数据交互管缆系统。

技术介绍

[0002]能源是国民经济及社会发展的重要物质基础，随着全球经济的不断发展，石油产业的消费总额不断增加，对石油资源的开采也提出了更高需求，目前海洋油气资源开采相对较少，大量的海洋石油与天然气资源尚未得到开发利用，因此采用脐带缆开采的方法变得越来越重要，管缆的维护也越来越重要。
[0003]在柔性管道的在位运行期间，会受到风、浪、流等环境荷载、顶端浮体运动的共同作用，这些作用所产生的荷载会导致柔性管道的损坏，因此改变柔性管道位置以及脐带缆的设立方式可有效解决以上问题，其次，在优化管缆的疲劳受力的同时，改装动力设备，减少计算工况数量，提高计算分析效率是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
[0004]目前大部分情况下，仍然采用将水上推行器与浮式结构物直接相连的方式，例如申请号为202011319648.7的中国专利公开了一种浮式结构物接口装置及浮式结构物船及浮式结构物船与推进器的连接方法，申请号为202110520889.6的中国专利公开了一种适用于浮式结构物船单点系泊转动输电的传动系统，均存在结构损耗快、动力装置耗电快等弊端，缆绳位置无法智能控制。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术目的是提供一种数据传输效率高、抗风浪能力强的浮力调控及数据交互管缆系统。
[0006]技术方案：本专利技术所述的一种浮力调控及数据交互管缆系统，包括牵引缆绳、滑动轨道、浮筒、脐带缆和地面控制中心；牵引缆绳的一端穿过滑动导轨并固定于海底，滑动轨道通过脐带缆与浮筒相连，地面控制中心用于根据监测海域情况调整脐带缆的位置；
[0007]浮筒包括传输模块、水上推行器、浮标、控制分析单元、海面海况监测模块、太阳能板和蓄电池；传输模块将数据发送至浮标，再由浮标发送到地面控制中心；控制分析单元用于分析接收到的数据并将反馈至脐带缆内的动力装置；太阳能板将太阳能转化成电能并存储在蓄电池中，用于给传输模块、水上推行器、浮标、控制分析单元、海面海况监测模块供电；
[0008]脐带缆内部设置不锈钢管、双光纤缆、电缆、动力装置、电源转换模块、水下光纤通信模块和传感系统；双光纤缆与水下光纤通信模块相连，电源转换模块将电缆传输的电能转换成各装置所需电能，电源转换模块、水下光纤通信模块均与传感系统相连，传感系统设置于脐带缆内的不同高度位置。
[0009]进一步地，传感系统包括感知系统、传输系统和采集控制系统，感知系统包括温盐深仪、水流速传感器、张紧力传感器、摄像机，采集控制模块包括信息采集、信息处理模块，负责将采集到的数据进行预处理操作，传输模块用于将预处理过的数据传输到浮筒内的控
制分析单元。
[0010]进一步地，地面控制中心信息收集的步骤包括：
[0011](a)感知系统通过将不同位置的传感系统的数据进行采集，采集控制模块对数据进行预处理；
[0012](b)经过预处理的数据通过水下光纤通信模块以及双光线缆传输至浮筒内；
[0013](c)浮筒内的控制分析单元对接收到的数据以及海面海况监测模块接收到的数据进行分析，并将分析结果通过WIFI信号转发至浮标、地面控制中心，浮标将收集到的信息通过GPS北斗卫星转发至地面控制中心。
[0014]进一步地，确定传感系统安装最优位置的方法包括以下步骤：
[0015](a)测点位置初选，将初步选定的点记为初步选定测点自由度，未被选择的点记为未被选择自由度；
[0016](b)构建MAC矩阵，将初步选定测点自由度的模态向量矩阵记为u(n
×
m)；
[0017](c)定位MAC矩阵最大非对角元素；
[0018](d)筛选未被选择的自由度，依次将未被选择测点的自由度添加到选定测点的自由度中，重新计算最大非对角元素的值；
[0019](e)将初步选定测点自由度计算得到Fisher矩阵；
[0020](f)综合评估待选测点，将非对角元素最大值的能力和增加Fisher迹的能力进行叠加；
[0021](g)重新评定初选测点组，进行检查，重复(b)～(f)的步骤操作。
[0022]进一步地，浮筒内的控制分析单元对数据进行转发及分析处理，将一级指令通过双光纤缆下发至动力装置，控制感知系统的移动；地面控制中心对数据进行总分析处理，将指令通过GPS北斗卫星传输至浮标以及通过WIFI信号传输至浮筒内部的水上推行器。
[0023]进一步地，地面控制中心调整脐带缆位置的步骤包括：
[0024]A、系统开始运行，控制系统开始捕捉在连续工作周期中不同深海的水流速、压力、张紧力的信息，浮标开始监测定位信息；
[0025]B、感知系统将接收数据预处理后，通过光纤传输至浮筒内的控制分析单元、海面海况监测模块将捕捉到的数据传输至控制分析单元；
[0026]C、控制分析单元下发指令到动力装置进行传感系统的位置优化；
[0027]D、地面控制中心判断脐带缆是否超出能承受的最大压力；
[0028]D1、当脐带缆已经超出能承受的最大压力，地面控制中心根据预设训练模型，选择最佳的移动方向和距离；
[0029]D11、地面控制中心判断脐带缆是否处于承受的压力范围内；
[0030]D111、当超出承受的压力范围内，地面控制中心判断是否超出设置的控制阈值；
[0031]D1111、当未超出设置的控制阈值，重复步骤D；
[0032]D1112、当超出设置的控制阈值，地面控制中心将信号传输到浮标；
[0033]D1113、浮标将数据传输到地面控制中心；
[0034]D1114、地面控制中心根据预设训练模型，推动水上推行器移动，反馈控制指令到浮标；
[0035]D1115、浮标将指令传输到水上推行器；
[0036]D12、处于可承受的压力范围内，结束整个流程；
[0037]D2、当脐带缆未超出能承受的最大压力，地面控制中心记忆在此压力状态下的最佳位置。
[0038]采用粒子群算法，并且是先根据海内情况以及模型预设出的水上推行器的最佳位置，预设训练模型为：
[0039]步骤一，感知系统测得不同海深数据以及海平面的数据，以水上推行器的位置作为优化设计变量，以系统能耗最小为目标函数，表达式为：
[0040][0041]式中，f'为系统能耗；α为单位转换系数；m为不同海深海况；μ
i
为滑轨的位置；P
i
为第i时刻收集到的数据；P
i0
为第i时刻的前一时刻收集到的数据；η
pi
为第i时刻动力装置的效率；η
ei
为第i时刻的前一时刻动力装置的效率；
[0042]步骤二，选择水上推行器的位置作为优化设计变量，即粒子的位置X，种群中每个粒子的位置，都是实际运本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种浮力调控及数据交互管缆系统，其特征在于：包括牵引缆绳(1)、滑动轨道(2)、浮筒(3)、脐带缆(4)和地面控制中心(5)；所述牵引缆绳(1)的一端穿过滑动导轨(2)并固定于海底，所述滑动轨道(2)通过脐带缆(4)与浮筒(3)相连，所述地面控制中心(5)根据监测海域情况调整脐带缆(4)的位置；所述浮筒(3)包括传输模块(31)、水上推行器(32)、浮标(33)、控制分析单元(34)、海面海况监测模块(35)、太阳能板(36)和蓄电池(37)；所述传输模块(31)将数据发送至浮标(33)，再由浮标(33)发送到地面控制中心(5)；所述控制分析单元(34)用于分析接收到的数据并将反馈至脐带缆(4)内的动力装置(45)；所述太阳能板(36)将太阳能转化成电能并存储在蓄电池(37)中，用于给传输模块(31)、水上推行器(32)、浮标(33)、控制分析单元(34)、海面海况监测模块(35)供电；所述脐带缆(4)内部设置不锈钢管(42)、双光纤缆(43)、电缆(44)、动力装置(45)、电源转换模块(46)、水下光纤通信模块(47)和传感系统(48)；所述双光纤缆(43)与水下光纤通信模块(47)相连，所述电源转换模块(46)将电缆(44)传输的电能转换成各装置所需电能，所述电源转换模块(46)、水下光纤通信模块(47)均与传感系统(48)相连，所述传感系统(48)设置于脐带缆(4)内的不同高度位置。2.根据权利要求1所述的一种浮力调控及数据交互管缆系统，其特征在于：所述传感系统(48)包括感知系统(481)、传输系统(482)和采集控制系统(483)，所述感知系统(481)包括温盐深仪、水流速传感器、张紧力传感器、摄像机，所述采集控制模块(483)包括信息采集、信息处理模块，负责将采集到的数据进行预处理操作，所述传输模块(482)用于将预处理过的数据传输到浮筒(3)内的控制分析单元(34)。3.根据权利要求2所述的一种浮力调控及数据交互管缆系统，其特征在于：所述地面控制中心(5)信息收集的步骤包括：(a)感知系统(481)通过将不同位置的传感系统(48)的数据进行采集，采集控制模块(483)对数据进行预处理；(b)经过预处理的数据通过水下光纤通信模块(47)以及双光线缆(43)传输至浮筒(3)内；(c)浮筒(3)内的控制分析单元(34)对接收到的数据以及海面海况监测模块(35)接收到的数据进行分析，并将分析结果通过WIFI信号转发至浮标(33)、地面控制中心(5)，浮标(33)将收集到的信息通过GPS北斗卫星转发至地面控制中心(5)。4.根据权利要求1所述的一种浮力调控及数据交互管缆系统，其特征在于：所述确定传感系统安装最优位置的方法包括以下步骤：(a)测点位置初选，将初步选定的点记为初步选定测点自由度，未被选择的点记为未被选择自由度；(b)构建MAC矩阵，将初步选定测点自由度的模态向量矩阵记为u(n
×
m)；(c)定位MAC矩阵最大非对角元素；(d)筛选未被选择的自由度，依次将未被选择测点的自由度添加到选定测点的自由度中，重新计算最大非对角元素的值；(e)将初步选定测点自由度计算得到Fisher矩阵；(f)综合评估待选测点，将非对角元素最大值的能力和增加Fisher迹的能力进行叠加；
(g)重新评定初选测点组，进行检查，重复(b)～(f)的步骤操作。5.根据权利要求1所述的一种浮力调控及数据交互管缆系统，其特征在于：所述浮筒(3)内的控制分析单元(34)对数据进行转发及分析处理，将一级指令通过双光纤缆(43)下发至动力装置(45)，控制感知系统(481)的移动；所述地面控制中心(5)对数据进行总分析处理，将指令通过GPS北斗卫星传输至浮标(33)以及通过WIFI信号传输至浮筒(3)内部的水上推行器(32)。6.根据权利要求1所述的一种浮力调控及数据交互管缆系统，其特征在于：所述地面控制中心(5)调整脐带缆(4)位置的步骤包括：A、系统开始运行，感知系统(481)开始捕捉在连续工作周期中不同深海的水流速、压力、张紧力的信息，浮标(33)开始监测定位信息；B、感知系统(481)将接收数据预处理后，通过双光纤缆传...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦培林，刘亚娇，李秀，赵世发，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：