海洋强国目标下我国海洋装备关键基础性技术发展战略研究

近年来,我国海洋装备应用技术发展迅速,但基础性技术仍显薄弱,加快攻关海洋装备关键基础性技术是推动海洋强国建设的重要基础。本文在分析我国海洋装备发展需求的基础上,总结了我国海洋装备关键基础性技术的内涵和凝练路径,从海洋运载装备、海洋资源开发装备、海洋科考装备三方面介绍了全球海洋装备的科技前沿和发展趋势,梳理了我国海洋装备技术的发展现状及存在的主要问题,筛选出对海洋装备产业发展影响较大的10项关键基础性技术。面向海洋强国建设,提出了海洋装备关键基础性技术的发展目标、发展路线图和重点任务,并从提升海洋装备基础性技术研究定位和加强技术创新顶层设计、推进海洋装备基础性技术创新多维度协作体系建设、推动我国主导的海洋技术与装备走向国际等方面提出了保障措施。

基于多变量DSD-LSTM模型的有效波高预测

利用改进的完全集合经验模态分解(ICEEMDAN)和递归量化分析方法设计一种新的信号分解算法(DSD),该算法将原始信号分解为确定性成分和随机性成分。考虑风速、风向对波高的影响前提下,将DSD算法与长短时记忆网络(LSTM)结合建立多变量混合模型DSD-LSTM-m进行有效波高的预测。该模型与单独的LSTM模型相比明显提高了预测精度,与单变量混合模型DSD-LSTM-u相比具有更好的预测效果。

波能装置库仑阻尼力的模拟方法研究

针对振荡浮子式波能装置动力输出系统库仑阻尼力的突变特性导致的计算不稳定问题,本文提出了一种模拟库仑阻尼力的方法。该方法通过以下步骤确保计算过程稳定:当波能装置速度接近0时,采用线性阻尼力代替库仑阻尼力;在每一迭代步内对施加在波能装置上的阻尼力进行松弛。然后,将这一方法植入开源计算流体力学程序DXFlow中,对一种新型波能装置-开孔防波堤集成系统进行数值模拟研究。研究结果表明,该方法可解决库仑阻尼力导致的计算不稳定问题,其中推荐使用的松弛因子范围为0.2~0.3。

基于多学科技术融合的智能农机控制平台研究综述

农业机械的自动化和智能化包含内容广泛,有农机定位与导航,动态路径规划,机器视觉和远程监控等,牵涉到大量的工程技术学科,包括导航、图像、模型与策略、执行器以及数据链等。农机定位与导航一般采用基于农机运动学模型结合GPS(global positioning system)/IMU(inertial measurement unit)组合导航信息,在导航路径规划算法指引下实现农机轨迹跟踪的方法。建立的农机运动学模型精度,GPS数据的连续性以及惯导器件误差系数漂移等因素都会影响该方法的有效性。路径跟踪通常采用各种现代控制理论与方法,而面对复杂的田间作业环境变化,农机的自主避障以及动态路径规划能力也会影响轨迹跟踪精度。机器视觉的稳定性和目标特征信息分离度影响着农机环境感知能力,目前目标识别主要采用hough变换,hough变换的全局检测特性决定了该算法运算量较大,需要探究改进特征提取算法。远程监控农机作业是智能农机发展的一个方向,构建无线导航,控制和视频数据传输网络有助于提高农机的智能化水平,可以采用分布式哈希表(distributed hash table)来研究网络覆盖和互联技术。该文融合多个学科,从高精度定位与导航技术、复杂环境及工况下农机运动精确自主控制技术、稳定清晰的机器视觉感知技术和基于4G网络和新一代物联网的高覆盖数据传输技术几个方面,论述了智能农机在光机电液多个学科领域内的研究现状,并指出采用北斗地基增强网络和网络RTK(real-time kinematic)技术、惯导定位误差精确建模与补偿、环境感知与自主避障、立体结构自组网技术以及多机协作是现代农业机械的发展方向。以期为现代化智能农业机械的设计提供参考。

海岸地区致灾台风暴潮的长期分布模式

考虑台风导致的高水位和海浪波高对风暴潮灾害的贡献,对1949年以来影响青岛地区的台风暴潮进行了抽样统计。基于二维的泊松冈贝尔逻辑分布模式,对海岸地区的致灾风暴潮进行了长期的随机分析。与传统的警戒水位法不同,新模式能够反映多种环境荷载的综合作用,推算了青岛地区的特大台风暴潮灾害的重现期。计算结果显示,二维复合分布模式适合于描述台风暴潮过程中极值水位与相应波高的联合概率,所得结论对青岛地区的防潮减灾规划和工程建设具有指导意义。

Weibull分布参数的粒子群算法估计

基于广西涠洲岛海洋监测站3个方向的年极值波高观测资料,在假设其服从Weibull分布的基础上,运用最小二乘法,矩估计法和最速下降法对Weibull分布的参数进行估计,同时引入粒子群算法确定Weibull分布的3个参数,对文中4种方法得出的拟合结果及运算效率进行比较分析,说明了粒子群算法在估计极值分布参数中的优势。

基于Clayton Copula函数的二维Gumbel模型及其在海洋平台设计中的应用

根据Gumbel分布和Clayton Copula函数构造出二维Gumbel Clayton Copula分布,根据渤海海域某观测站测得的1970—1993年年最大波高及风速,具体介绍该二维Gumbel模型在海洋工程设计中的使用方法。通过导管架平台基底剪力计算表明,使用该二维Gumbel模型所得的50a一遇剪力值降低了37%,对于边际油田,可以降低荷载设计标准,从而减少海洋工程的投资费用。

基于Archimedean Copula函数的风浪联合统计分析

选取渤海海域某导管架平台24年的年最大波高和相应风速,基于Gumbel分布对2个边缘分布的拟合优度检验,采用Archimedean Copula函数族中的4种函数构建两变量联合概率分布模型,并进行了拟合优度评价。利用优选出的Clayton Copula函数,计算风浪联合分布的联合重现值。以海洋平台响应作为约束条件,进行了二维Clayton Copula函数的风浪联合统计分析。研究结果表明:基于Copula函数构造的二维分布,考虑了风浪之间的相关性,在相同重现值设计参数下,可以降低导管架平台的结构响应,从而可以降低海洋平台的环境条件设计标准。

开敞式航道粉砂骤淤的随机分析

沧州港建成投产以来，其开敞式航道在大风作用下常常发生严重的骤淤现象。文中以能量平衡为基础，建立计算粉砂骤淤的经验公式。通过近期实测骤淤量数据，率定公式中的待定参数。根据1979～2003年期间的大风观测数据，后报得到每年最大风况产生的开敞式航道的粉砂骤淤量。比较选择多种单因素极值统计模式，对年最大粉砂骤淤量序列进行长期统计预测。估计骤淤量的重现值，为港口航道的防淤减淤工程提供必要的技术参数。

山区小型水库除险加固工程投资风险分析

针对山区小型水库的出险加固工程,以水库的使用期为时间单位,通过蒙特卡洛法随机产生洪峰系列,求出水库产生效益的概率分布,并推求水库除险加固的支出性投资的分布模式,进而采用等效分布法推求小水库除险加固工程经济决策指标的风险率。通过对主要参数的灵敏度分析,使决策指标更加符合客观实际。

日照地区风暴潮增水重现值计算

为给政府、规划、设计部门决策提供参考,采用组合分布法对日照地区风暴潮增水的重现值进行了计算。提出了以台风发生强烈的季节和月份进行统计抽样统计的替代方法,简化了工程设计初期的数据处理工作量;并给出了适用于日照地区风暴潮增水的分布模式。与传统的年极值法和过阈法相比,该方法考虑了风暴潮增水的季节变化,物理意义更趋明确。

海洋平台设计中的风浪参数选取标准

以我国渤海某区 1 970年至 1 993年风暴过程的后报资料为基础 ,提出了泊松二维冈贝尔逻辑分布 ,并将其用于风暴过程中伴生的风速与波高的联合概率计算 ,给出了美国石油协会 (API)行业标准有关环境条件三种设计标准的具体做法。基于新的统计模式 ,同时提出了联合概率法设计标准。比较了多种标准所得设计参数的差异 ,给出了适合工程所在海区的环境荷载参数。计算结果表明 ,新的统计模式适用于遭受风暴影响的海洋工程结构设计 ,特别是边际油田的开发建设。

涠洲岛海域年极值风浪联合设计参数估计

将涠洲岛海洋站1961～1989年极值波高与风速的长期观测资料作为统计样本，基于二维皮尔逊Ⅲ型联合分布，估计了年极值有效波高与风速的联合出现概率。以导管架平台基底剪力计算为例，给出了相应的荷载设计组合，与单因素频率分析法相比，联合概率分布法所得百年一遇剪力值约降低18％，条件分布法所得百年一遇剪力值约降低12％。结果表明，考虑环境条件之间的相关性，可以合理降低荷载设计标准，从而减小海洋工程投资费用。

异地海域年极值风暴增水同现规律的探讨

以塘沽和龙口海洋观测站 2 0年极值增水值为样本 ,基于二维冈贝尔逻辑分布模式 ,探讨了不同海域风暴潮增水极值的联合分布规律。通过对二维分布的联合概率密度、条件概率密度和同现概率的计算 ,给出了相应的工程设计参数 ,供有关部门在防潮规划时参考。

台风波高重现值的泊松最大熵分布估计

以日本中城湾观测站实测台风过程出现的最大波高序列为例,提出了泊松-最大熵复合极值分布,并将其用于计算台风海浪的重现值波高。采用年极值法与过阈法对台风波高进行长期统计分析。计算结果表明:观测时段相同,阈值的选取对重现值的估计影响不大。而阈值相同,抽样时段的长度对重现值估计的影响较大;若样本时段较短,但极值波高的最大值包含于其中,则估计得到的重现值偏大,该结果对于结构设计是偏安全的。

防洪工程项目的风险评估

本文应用蒙特卡洛法模拟产生洪水系列,以防洪工程使用期为一个时间单位,考虑资金的时间价值,对工程的减灾损失进行了计算,得到了防洪效益的概率分布模式。建立了包括经济评价、风险分析和防洪效益模拟的综合系统分析模式,提出了采用重点抽样法进行风险率的计算,同时考虑了随机变量之间相关性大小对风险率的影响,并对有关参数作出灵敏度分析,使得决策指标更加切合实际。

年极值水位的灰色马尔科夫预报模型

本文将灰色系统与马尔科夫链理论相结合，提出了一种高精度的预报模型———灰色马尔科夫模型．计算表明，年极值水位的预报值很好地吻合了实测结果．此外，本文还得到了一种精度提高的求解ＧＭ（１，１）的新方法．

海洋科考装备技术发展战略研究

海洋科考装备是发展海洋科学的重要基础。近年来我国自主研发的海洋科考装备接连取得突破,部分装备已达到国际先进水平,但依然存在诸多技术问题。本文以海洋科考装备发展战略需求为导向,围绕科考船、潜水器、浮标潜标、海洋传感器和海洋观测系统等调研国内外海洋科考装备发展现状;分析我国海洋科考装备技术发展在关键组件、技术发展、数据管理、基础保障、需求匹配等方面遇到的问题;总结面向深远海和极地的绿色化、无人化、智能化、协同化的未来发展趋势;梳理总体和各分类装备发展中需要注重的关键核心技术。在此基础上,从梳理短板技术重点突破、加强统筹协同提高保障能力、完善创新机制促进多学科交叉融合、强化市场思维推动产业化进程、依托先进科考平台拓展国际合作等方面提出发展建议,以期为进一步推动海洋科考装备快速发展提供参考。

海岸带风暴潮减水的统计分析

在青岛大港观测站连续30年实测资料的基础上,按照年、季、月等时段分别抽样,对风暴潮减水进行了长期统计分析。考虑到海岸地区风暴潮减水的诱因不同,在一维复合极值分布的基础上,提出了"组合分布法"。新方法探讨了假设所有数据源于同一分布而产生的重现值估计误差。与年极值法和阈值法的计算结果进行了比较,说明以往算法得到的重现值偏低,并给出了青岛地区受季节变化影响的风暴减水设计重现值。统计表明,青岛大港春、秋、冬季均有风暴减水发生。由于寒潮大风是其产生的主导因素,以冬季的极值减水序列为样本,所得重现值与考虑季节变化得到的重现值相当。说明在实际工程区域,选取主要天气形势产生的水文要素为样本,替代所有观测数据,使统计计算得以简化的做法是可行的。

乘潮潮位的理论分布探讨

中国《海港水文规范》在确定港口工程设计潮位时,采用手绘累积频率曲线,再摘取设计潮位值的方法,由于缺乏理论曲线,确定的数值存在任意性。本文将改进最大熵分布应用于海岸港的设计高、低潮位的推算,计算精度高,克服了传统方法推算设计潮位值的不足,有重要理论与工程意义。