多维需求背景下海洋工程与技术专业培养模式探索

在国家海洋强国战略的部署下,发展海洋经济,保护海洋生态,维护海洋权益等工作变得日益迫切。海洋强国战略的实施关键是培养海洋人才,针对目前人才培养模式中海洋意识不足、实践能力不强、综合体系不够等抑制人才培养的问题,期望通过思政建设、条件保障以及打造综合多个学科的课程体系培养具有学习力、思考力和行动力的高端人才。

海洋工程与技术专业创新创业与实习实践改革新探索——以中山大学为例

海洋工程与技术专业是一门交叉融合学科。在新工科模式下,基于认知实习、专业实践及大学生创新团队培养模式的改革,为新船海学科的发展带来了新的机遇和挑战。现有的实习实践教学从就业导向逐步转变为创新创业导向,如何将创新创业教育理念融入海洋工程与技术专业的实习实践教学,创建新型实习实训教育体系,已经成为海洋相关专业的重要课题。该文以中山大学海洋工程与技术学院结合创新创业等比赛实习实训教学改革的过程为例,从改革方向、方案、实施等几个方面对海洋工程与技术专业实习实训进行了探索,以期为相关海洋类专业建设提供参考。

以探索性、实践性、综合性为导向的实习模式探索——以海洋工程与技术专业为例

工科类实践教学是培养学生专业素质和综合能力的重要环节。根据海洋工程与技术专业本科培养方案的总体规划,分别从实习环节的必要性、方案的总体设置、实习的管理和注意事项等方面进行阐述,并总结得出以探索性、实践性、综合性为导向的海洋工程与技术专业实习创新模式,深化学生对海洋基础物理的认识,培养和提高学生将理论和实践相结合的能力,为提升学生科学研究水平奠定基础。此外,该实习创新模式可为工科类实践教学设置等提供参考。

工科实践教学初探——以海洋工程与技术专业认知实习为例

工科类认知实习是本科教学的重要环节。本文根据海洋工程与技术专业认知实习教学目的,对该教学环节分别从认知实习必要性、方案设置、实习管理、注意事项等方面进行了论述。阐明了认知实习设置的必要性,实习各阶段要点,针对室外实习特点,分别对认知实习中的学生管理、时间管理和路线管理三个方面进行了介绍,总结了实习过程中注意事项,可供工科类专业认知实习准备做参考。

虚拟技术在海洋工程与技术教学中的应用初探

新冠病毒肺炎疫情、极端天气等非常态情形对传统实际场景授课模式提出了新的挑战,针对特殊情形下海洋工程与技术专业的教学需求,本文聚焦探究虚拟现实、增强现实与混合现实等虚拟技术在教学中的创新应用,总结了虚拟现实技术的优点,阐述了理论课程与实践课程中虚拟技术应用的可操作性,可为海洋工程与技术专业的教学提供一种新的思路,促进高等教育改革。

自主研发数值波浪水槽及其在海洋工程与技术专业实验教学中的应用

针对物理模型实验成本高且存在比尺限制等问题,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法自主研发数值波浪水槽,并与物理波浪水槽相结合应用于海洋工程与技术专业的波浪实验课程教学。教学改革和实践表明,数值与物理波浪水槽相辅相成,可为学生提供灵活机动的创新实验平台,基于数值波浪水槽的虚拟仿真实验可充分调动学生积极探索的热情和主动学习的兴趣,为培养海洋工程与技术专业的领军人才奠定坚实基础。

水声通信及网络技术综述

水声通信(UAC)及网络技术在海洋环境监测、商业领域和军事领域等诸多方面发挥着重要作用,关心海洋、认识海洋、经略海洋离不开水声通信及网络技术的发展。该文对水声通信技术和水声通信网络(UACN)进行综述,首先回顾了水声通信技术和水声通信网络的发展,总结了水声信道的特点。然后,对于水声通信技术中的非相干调制技术、相干调制技术以及以应用需求为导向的新型通信技术进行陈述。随后,对于水声通信网络中数据链路层媒介接入控制协议、网络层的路由协议和跨层设计进行分类探讨。最后,对目前水声通信及网络技术的不足进行总结,并且对未来水声通信及网络技术的发展进行展望。

面向海洋勘测的多水下机器人编队跟踪控制研究

本文研究面向海洋勘测任务的多水下机器人系统编队跟踪控制分析和设计问题。首先,以有向图为工具,建立水下机器人之间的信息交互模型,并利用局部相邻个体的信息构建了基于一致性的协议。然后,提出多水下机器人系统实现编队跟踪控制的充分条件。通过分析证明,若期望的编队满足给定条件,则多水下机器人系统可实现预定义的编队队形。此外,通过将编队控制协议增益矩阵计算转化为代数黎卡提方程求解问题,给出了一种确定编队控制协议矩阵的新方法。最后,通过数值模拟验证了所提方法的有效性。

无人艇-机协同定位起降关键技术与验证

无人艇(USV)单平台执行水面任务易受平台限制,构建无人艇-机跨平台系统能实现平台优势互补。文章通过研究无人艇-机起降及补能技术,实现无人艇-机持久协同作业。首先,针对无人机(UAV)在动态USV上起降问题,开展无人艇-机协同定位起降技术研究,研究了无人艇-机速度、位置状态信息动态更新模型,实现了UAV在USV端高精度的起降;其次,针对UAV续航时间短的问题,开展UAV在USV端补能研究,研究了UAV端起降机构和USV端充电网机构,实现了UAV着艇快速补能;最后,在海面验证该无人艇-机跨平台起降补能系统性能,试验结果中,无人艇-机系统能在3.0 m/s的高速运动状态下,实现UAV在USV端的成功降落和补能,满足海上无人艇-机跨平台系统执行任务场景的需求。

海洋柔性管缆竖直铺设技术及其发展现状

柔性管缆是海洋油气开发的重要设施,其铺设作业是海洋油气田建设中的重要环节。论文介绍了柔性管缆竖直铺设的方法、关键装备、作业流程和国内外发展现状,指出海洋柔性管缆竖直铺设作业中应重点关注的关键技术问题。

基于光滑粒子流体动力学的波浪中航行体入水数值模拟

航行体在波浪条件下高速入水的运动响应和载荷特性是其研发设计过程中需要重点考虑的问题,为了对该问题进行精准预测,采用无网格光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,提出了一种新型周期性波浪边界技术,利用四元数法计算物体六自由度运动,建立了波浪条件下入水模拟的数值水池。通过对静水中方块体垂直落水和航行体倾斜入水运动轨迹和冲击载荷的模拟,对比于实验参考结果,验证了数值模型的计算精度。随后,在SPH数值波浪水池中对航行体在不同波浪相位角下的高速入水过程开展研究,结果表明航行体弹道稳定性受到波浪相位角影响显著,0°相位角入水时弹道最为稳定。该新型SPH数值水池能够实现航行体波浪中入水过程的精确预报。

嵌套高分辨率网格对我国东南沿海登陆台风模拟的影响

嵌套高分辨率网格对台风模拟有十分重要的影响。基于COAWST(coupled ocean atmosphere wave sediment transport)模式,针对登陆广东、海南的11个台风,设计了2组模拟方案。一组是在9 km分辨率下嵌套3 km分辨率网格,另一组是采用单层9 km分辨率网格。将模拟结果与中国气象局热带气旋资料中心发布的最佳路径数据进行对比,以探讨嵌套高分辨率网格是否可以提高台风模拟的准确性。从台风路径的模拟结果来看,在9 km分辨率下嵌套3 km分辨率网格对台风路径模拟的误差较小,而单层9 km分辨率网格模拟的台风路径误差较大。通过对比两组方案模拟的台风路径、强度和结构,在模拟区域中使用嵌套高分辨率网格方案的模拟准确性有所提高。两种方案模拟的风场以及副热带高压十分接近。相比于单层网格,嵌套了高分辨率网格方案模拟的台风路径、强度误差更小,台风眼更小,位涡更强。

含连续不均匀椭圆缺陷管道的屈曲失稳分析

为研究外压作用下轴向连续不均匀残余缺陷对海底管道屈曲承载能力的影响,本文基于数值仿真方法研究了轴向含均匀、单峰以及双峰椭圆缺陷管道的屈曲失稳行为,利用弧长法求解管道的屈曲压力,并与DNV-OS-F101规范计算结果进行对比,研究验证了DNV规范预测轴向含非均匀椭圆缺陷管道屈曲压力的保守性,分析了轴向含连续不均匀椭圆缺陷管道屈曲失稳的激发位置及影响参数。研究结果表明:轴向含连续不均匀椭圆缺陷管道的屈曲压力主要由均匀椭圆度以及最大局部椭圆度决定,各缺陷间距范围内屈曲压力变化规律各不相同,且上升下降幅度受椭圆缺陷间距与最大椭圆度间耦合作用影响。

珠江三角洲河网区极端水位事件风险传递规律

为研究珠江三角洲河网区极端水位事件的风险传递规律,基于13个水位站点1957—2016年的月水位资料,利用pair-copula结构构建珠三角河网区水位的风险传递模型,分析不同情景下极端水位在空间上的风险传递机制及其时间变化规律。结果表明:在低降水量条件下,珠三角河网区低水位风险顺向(上游至下游)和逆向(下游至上游)传递的概率均显著增大;高降水量条件下夏季丰水期的高水位顺向传递风险更高,低降水量条件下冬季枯水期的低水位顺向和逆向传递风险均较高;受人类活动影响,在高降水量条件下,1987—2016年夏季丰水期的高水位顺向传递风险比1957—1986年显著增强;在低降水量条件下,1987—2016年冬季枯水期低水位的顺向和逆向传递风险比1957—1986年显著增强。

面向船海水动力应用的势粘流耦合方法研究综述

将势流方法和CFD方法相结合的势粘流耦合方法,在船舶与海洋工程领域的波浪演化、波浪与结构物相互作用等问题中逐渐受到关注。势粘流耦合方法在保证计算精度的同时可以有效降低数值模拟的计算成本,使得实尺度的流固耦合精细模拟成为可能。本文对面向船舶与海洋工程水动力应用的势粘流耦合方法的发展和研究现状进行了总结,通过区域分解和方程分解两类耦合方法展开论述,分析其优势与面临的挑战。

基于两种波浪数据的施工船舶可作业预报对比

通过对基于全球海浪预报数据和全球海浪再分析数据的施工船舶可作业预报对比,探讨基于全球海浪预报数据的施工船舶可作业预报的可靠性。针对我国未来海上风电场规划,对2种波浪数据的波浪要素以及采用两种波浪数据的起重船大直径单桩可作业性进行对比,选择具有代表性的17个波浪数据点,在船舶可作业性计算中采用基于时-频域联合计算的方法。结果表明,两种波浪数据中对海上风电施工船舶作业影响较大的波高和波周期的均值和方差误差均较小,总体在10%以内。采用两种波浪数据的可作业性的预报误差不超过15%,大部分可控制在5%以内。表明,海浪预报数据进行施工船舶可作业性的预报依然具有较高的可靠性,可以作为海上风电场整体施工难度评价的依据。

基于MPC-DO的自主水下航行器轨迹跟踪控制

针对欠驱动自主水下航行器在速度约束和未知外界环境干扰下的轨迹跟踪问题,提出一种基于模型预测控制算法和干扰观测器的复合控制方案。首先,基于模型预测控制算法设计一种考虑速度极限约束以及速度增量约束的轨迹跟踪运动学控制器。其次,针对海洋作业环境下存在的外界干扰,设计干扰观测器对其进行实时估计,并基于所设计的干扰观测器,设计精确跟踪期望速度的动力学控制器,并对控制方案进行了严格的理论分析。最后,进行数值仿真,仿真结果证实了该控制方案的有效性。

近海深水区混凝土半潜型浮式风机一体化计算与耦合动力特性分析

[目的]文章旨在探索10 MW级半潜型浮式风机的一体化计算方法并分析其在40~50 m近海深水区的耦合动力响应特性。[方法]以10 MW混凝土半潜型浮式风机为例,构建一体化时域数值计算模型,统计分析其额定发电和极端工况下的平台动力响应和系泊张力特征。[结果]平台水平运动主要受波浪荷载、风荷载和系泊刚度特性的影响,最大水平运动和系泊张力发生在生存工况,垂向运动主要受波浪荷载影响,摇摆运动的均值主要受风荷载影响,上述浮式风机动力响应均满足设计指标。[结论]一体化数值计算方法较好地考虑浮式风机耦合动力特性,由于水深限制,近海深水区的海上漂浮式风机对水平运动约束和系泊非线性问题的优化更为重要,响应极值主要发生在极端工况,上述结论为此类漂浮式海上风机基础结构的研究与设计工作提供了一定的参考。

基于BOPPPS模式下面向电路实验故障分析能力提升的教学设计

本文通过引入BOPPPS教学模式,探讨了面向电路实验故障分析能力提升的教学设计。传统电路实验存在学生参与度低、教学内容单一以及学生故障分析能力较弱等问题。在BOPPPS教学模式下,通过课程引入、学习目标、课前摸底、参与式学习、课后测验和总结六个环节,设计了一系列教学活动。具体包括引入真实电路故障案例、设定挑战性情境、小组合作分析故障、模拟实际工程场景等。通过实施该教学模式,培养学生独立思考、团队协作、创新思维和故障分析能力。实施结果表明学生对该教学方案满意度高,评教成绩显著提升。然而,这仅为初步尝试,未来仍需不断实践和改进,以更好适应学生需求和教学发展。

海上风电安装船及关键装备技术

分析海上风电安装特殊的施工条件,揭示海上风电安装施工中面临的主要困难和风险;回溯国内外风电安装船的发展历程,解释海上风电安装对海况、安装任务的适应性需求;重点研究对比国内外安装船核心装备,并分析我国风电安装技术水准与前进方向,为我国海上风电安装技术和装备的发展提供借鉴和建议。