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系泊系统的优化设计 摘要 本文研究系泊系统的各单元优化问题，通过确定指标 （锚链的型号、长度和重物 球的质量），使得目标 （浮标的吃水深度和游动区域及钢桶的倾斜角度）尽可能的小。 并对各种实际情况如风速、水流速和潮汐进行讨论，得到各种情况下的最优解。这样， 就可以结合观测网的实地情况，选用相应的锚链的型号、长度和重物球的质量。 对于问题一，已经给定锚链的型号、长度和重物球的质量，现在来计算不同风速 下的目标情况。首先对各单元进行受力分析，运用牛顿力学对各单元列出静力学方程 组，可以得到自浮标向下的各单元的受力及坐标的递推公式。最终，通过水深限制求 出吃水深度。其余目标情况也可一一得出。 对于问题二，先考虑重物球质量与问题一相同的情况，计算可得不满足限定条件， 需要增加质量，所以选定一个步长增加质量，试探出满足限定条件的临界点，而后更 换步长不断趋近临界点，最终得到满足限定条件的重物球质量范围，然后对目标情况 进行多目标规划，先是使用Z-score 标准化法将其无量纲化，再使用线性加权法得到评 价函数，通过评价函数与重物球的关系确定模型的满意解，确定应选用的重物球质量。 对于问题三，是对在水深、风速、水流速这些环境因素最恶劣的情况的优化。因 而风速、水流速采用最大值。先对锚链型号分类，再采用逐步比较法，对水深、重物 球质量、吃水深度取步长，缓缓增加，计算各种情况下的目标情况。对于水深，取最 差的情况；对于重物球质量、吃水深度，取最好的情况；最好对不同锚链型号的目标 比较得到最优的那一个，即可得目标的满意解和相应的一系列值。 关键词： 系泊系统 多目标规划 Z-score 标准化法 鱼群算法 1 一、问题重述 靠近海岸的浅海观测网络的传输节点由浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成。 2m 2m 1000kg 本题中的浮标系统简化为直径 、高 的圆柱体，浮标的质量为 。而系泊系 统是由钢管、钢桶、重物球、电焊锚链和特质的抗拖移锚组成的。其中，锚的质量为 600kg ，锚链选用的是无档普通链环，用于该类观测网络的常用型号和参数已知。钢 16 管共四节，每节长度为 ，直径为 ，每节钢管的质量为 。 为锚链末端 1m 50mm 10kg 16 与锚的链接处的切线方向与海床的夹角的极限值，高于 就会使得锚被拖行，致使节 1m 30cm 点移位丢失，这是实际情况所不允许的。水声通讯系统安装在一个长 、外径 的 密封的圆柱形铁桶中，设备和钢桶的质量之和为100kg 。钢桶上接第四节钢管，下接 电焊锚链。对于通讯系统而言，钢桶与竖直线的夹角越小工作效果越好，当夹角大于5 时，工作效果较差，应当加以避免。为了解决这个问题，钢桶与电焊锚链链接处可悬 挂重物球。 系泊系统的设计问题就是确定锚链的型号、长度和重物球的质量，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的小。 问题一 传输节点采用Ⅱ型电焊锚链22.05m ，选用的重物球质量为1200kg 。现 在将该节点布放在水深18m 、海床平坦、海水密码为 3 3 的海域。假设海 1.02510 kg/m