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)的一端穿过滑动轨道(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;
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,通过双光纤缆传输至浮筒(3)内的控制分析单元(34)、海面海况监测模块(35)将捕捉到的数据传输至控制分析单元(34);
C、控制分析单元(34)下发指令到动力装置(45)进行传感系统(48)的位置优化;
D、地面控制中心(5)判断脐带缆(4)是否超出能承受的最大压力;
D1、当脐带缆(4)已经超出能承受的最大压力,地面控制中心(5)根据预设训练模型,选择最佳的移动方向和距离;
D11、地面控制中心(5)判断脐带缆(4)是否处于承受的压力范围内;
D111、当超出承受的压力范围内,地面控制中心(5)判断是否超出设置的控制阈值;
D1111、当未超出设置的控制阈值,重复步骤D;
D1112、当超出设置的控制阈值,地面控制中心(5)将信号传输到浮标(33);
D1113、浮标(33)将数据传输到地面控制中心(5);
D1114、地面控制中心(5)根据预设训练模型,推动水上推行器(32)移动,反馈控制指令到浮标(33);
D1115、浮标(33)将指令传输到水上推行器(32);
D12、处于可承受的压力范围内,结束整个流程;
D2、当脐带缆(4)未超出能承受的最大压力,地面控制中心(5)记忆在此压力状态下的最佳位置。
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,所述采集控制系统(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,所述传输系统(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,采集控制系统(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)以及双光纤缆(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:确定传感系统(48)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),n为选定测点自由度数的个数,m为初步选定测点的模态阶数;
(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。
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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:所述预设训练模型为:步骤一,感知系统(481)测得不同海深数据以及海平面的数据,以水上推行器(32)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:式中, 为系统能耗;为单位转换系数; 为不同海深海况; 为滑轨的位置;为第时刻收集到的数据; 为第 时刻的前一时刻收集到的数据; 为第 时刻动力装置(45)的效率; 为第 时刻的前一时刻动力装置(45)的效率;
步骤二,选择水上推行器(32)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,都是实际运行时的速度,通过粒子的迭代寻优,得到最优解;
步骤三,粒子初始化完成后,判定粒子位置即滑动轨道(2)的位置是否满足脐带缆(4)保持平衡的约束条件,判断每个粒子位置所代表的排量之和是否等于脐带缆(4)所受的浮力之和,求出动力装置(45)约束条件下的最大值和最小值,判断系统总动量是否在该范围内;
步骤四,当同时满足两个条件或达到最大迭代次数时,停止计算,输出最优解;两个条件包括全局最优值连续k次迭代没有发生变化,k是迭代次数,全局最优解对应的惩罚项小于给定的精度要求;否则返回步骤三,令循环次数加1,继续进行迭代。
7.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:所述脐带缆(4)的表面设置网状柔性管缆保护套(41)。
8.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:所述脐带缆(4)与浮筒(3)通过可旋转吊环(6)连接。