本發(fā)明涉及系泊系統(tǒng)領域，具體為一種基于多組份的系泊系統(tǒng)模型設計方法。

背景技術：

在全球經(jīng)濟一體化的時代，海洋除了作為世界物流運輸業(yè)的主要通途外，更是人類社會生活可持續(xù)發(fā)展所需要的工業(yè)資源、高效資源、綠色食品和空間資源的廣闊疆域，隨著陸地資源的日趨減少和枯竭，各國把開發(fā)的目光投向了海洋。我國有漫長的海岸線，眾多的島嶼、廣闊的海域，海洋開發(fā)對我國的現(xiàn)代化建設有著十分重要的意義，單點系泊與固定的碼頭相比，它的最大特點即系泊系統(tǒng)是“點”，也就是大型油輪或超大型油輪可以系泊于近海面海面上的一個深水“點”，然后進行卸貨操作，單點系泊系統(tǒng)的兩大用途分別是：進行FPSO海上定位，并輸送井流和電力：代替固定碼頭，作裝卸終端用；

近淺海觀測網(wǎng)的傳輸節(jié)點由浮標系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)和水聲通訊系統(tǒng)組成，一般可將浮標系統(tǒng)和水聲通訊系統(tǒng)統(tǒng)稱到系泊系統(tǒng)中，將傳輸節(jié)點的浮標系統(tǒng)簡化為一圓柱體，系泊系統(tǒng)由鋼管、鋼桶、重物球、電焊錨鏈和特制的抗拖移錨組成，錨鏈末端與錨的鏈接處的切線方向與海床的夾角不超過16度，否則錨會被拖行，致使節(jié)點移位丟失，水聲通訊系統(tǒng)安裝在鋼桶內(nèi)；鋼桶豎直時，水聲通訊設備的工作效果最佳，若鋼桶傾斜，則影響設備的工作效果，鋼桶的傾斜角度，即鋼桶與豎直線的夾角超過5度時，設備的工作效果較差；

海洋上情況復雜，海水深度、海水速度和海面風速等都是影響系泊系統(tǒng)的關鍵因素，設計一種系泊系統(tǒng)模型，系泊系統(tǒng)模型可以考慮在不同情況下系統(tǒng)中鋼桶和鋼管的傾斜角度、錨鏈的形狀、浮標的吃水深度和游動區(qū)域，從而確定錨鏈的型號和重物球的質(zhì)量，使得系泊系統(tǒng)中浮標的吃水深度和游動區(qū)域及鋼桶的傾斜角度盡可能小，同時水聲通訊設備的工作效果更佳；如何快速的進行分析與求解至關重要，也具有很重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：

1．要解決的技術問題

針對現(xiàn)有技術中存在的設計系泊系統(tǒng)模型時如何快速的進行分析與求解的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于多組份的系泊系統(tǒng)模型設計方法，實現(xiàn)設計系泊系統(tǒng)時快速的進行分析與求解，同時所設計的系泊系統(tǒng)讓系泊系統(tǒng)中水聲通訊設備工作效果更佳。

2.技術方案

為解決上述問題，本發(fā)明采用如下的技術方案；

一種基于多組份的系泊系統(tǒng)模型設計方法，系泊系統(tǒng)包括錨、錨鏈、鋼桶、重物球、鋼管和浮標，所述的錨位于海底，所述的錨與錨鏈的一端連接，所述的錨鏈的另一端與鋼桶連接，所述的鋼桶還與重物球和第四根鋼管連接，第四根鋼管與第三根鋼管連接，第三根鋼管與第二根鋼管連接，第二根鋼管與第一根鋼管連接，第一根鋼管與浮標連接，所述的浮標浮于海面；所述的一種基于多組份的系泊系統(tǒng)模型設計方法，包括以下步驟：

步驟一、進行問題分析，在不同情況下系泊系統(tǒng)中相關變量的計算，需要建立系泊系統(tǒng)平衡模型、系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型及系泊系統(tǒng)設計模型；

步驟二、建立系泊系統(tǒng)平衡模型，在錨鏈型號及重物球質(zhì)量、水深、海水靜止皆已知的情況下，首先考慮系統(tǒng)整體平衡，其次考慮各部件平衡，分別建立系統(tǒng)、浮標、鋼管、鋼桶以及錨鏈平衡模型；系泊系統(tǒng)平衡模型的建模過程如下：

（1）建立二維坐標系，以錨與錨鏈連接的連接處為原點o，水平方向為x軸，豎直方向為y軸，設第一根鋼管與浮標的連接位置為A點，坐標為（x，y），設鋼桶與重物球的連接處為F點，坐標為（x₀，y₀），根據(jù)力學平衡原理，建立系統(tǒng)平衡模型；

（2）建立浮標、鋼管、鋼桶和錨鏈的平衡模型，對浮標的進行受力分析，建立浮標平衡模型，根據(jù)浮標平衡模型得出浮標吃水深度以及連接浮標的第一根鋼管與豎直方向之間的夾角；對鋼管進行受力分析，建立鋼管平衡模型，根據(jù)鋼管平衡模型得出各個鋼管與豎直方向之間的夾角以及每根鋼管所受到的力；對鋼桶進行受力分析，建立鋼桶平衡模型，根據(jù)鋼桶平衡模型得出鋼桶的傾斜角度；對錨鏈進行受力分析，建立錨鏈平衡模型，根據(jù)錨鏈平衡模型得出錨鏈形狀；結(jié)合所述的浮標、鋼管、鋼桶和錨鏈的平衡模型得出浮標的游動區(qū)域；

（3）計算正常海面風速下系泊系統(tǒng)中變量，將海面風速分別為12m/s和24m/s時代入模型，通過計算機軟件與語言編程求解出各節(jié)鋼管的傾斜角度、鋼桶的傾斜角度、錨鏈形狀、浮標的吃水深度、游動區(qū)域以及錨鏈與海床的夾角；

（4）根據(jù)求解結(jié)果進行分析，說明海面風速對整個系泊系統(tǒng)的工作狀態(tài)影響較大，海面風速為12m/s與24m/s時，系泊系統(tǒng)都能正常工作；

步驟三、結(jié)合步驟二中的模型，計算出海面風速達到36m/s時，鋼桶的傾斜角會超過5度，嚴重影響水聲通訊設備的工作效果，浮標的游動區(qū)域也較大，整個系泊系統(tǒng)必須調(diào)節(jié)；增加重物球的質(zhì)量可以解決這個問題，但隨著重物球質(zhì)量的增加，系泊系統(tǒng)會重新達到一個受力平衡，浮標勢必會下沉，浮標吃水深度太大，影響其定位功能；建立雙層優(yōu)化模型，結(jié)合遺傳算法，建立系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型，系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型的建模過程如下：

（1）以鋼桶的傾斜角度為優(yōu)先考慮因素，綜合考慮浮標的吃水深度和游動區(qū)域，則要求鋼桶的傾斜角不超過5度，同時浮標的吃水深度和游動區(qū)域相對較小，建立雙層優(yōu)化模型；

（2）根據(jù)所述的雙層優(yōu)化模型所得的所有解中，結(jié)合遺傳算法，得出在系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型中重物球質(zhì)量的最佳求解；

步驟四、由于潮汐這些因素的影響，布放海域的實測水深介于16m到20m之間，布放點的海水速度最大可達到1.5m/s、海面風速最大可達到36m/s，在這些極端條件下，鋼桶的傾斜角，錨鏈的型號已經(jīng)不能滿足條件了，因此假定錨鏈的型號，重物球的質(zhì)量為未知的，在步驟二和步驟三的基礎上，根據(jù)多目標決策優(yōu)化理論，建立系泊系統(tǒng)設計模型，系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型的建模過程如下：

（1）以所述的步驟三中的雙層優(yōu)化模型為基礎，運用遺傳算法，求出錨鏈型號及重物球質(zhì)量的最佳求解；

（2）確定錨鏈的型號及重物球質(zhì)量，結(jié)合所述的步驟二中的系泊系統(tǒng)平衡模型，求解不同條件下鋼桶的傾斜角、錨鏈形狀、浮標的游動區(qū)域和吃水深度以及錨鏈與海床的夾角，證明無論什么條件下，系泊系統(tǒng)可以正常工作；這種設計方法思路清晰，多方面考慮，在數(shù)據(jù)處理公式求解時運用遺傳算法計算使結(jié)果更加準確，同時簡化數(shù)據(jù)處理的復雜度，最后對將所求結(jié)果代入各模型驗證，確定系泊系統(tǒng)模型在海面外最極端的條件下可以正常工作，別的條件下，系泊系統(tǒng)模型的工作效果更好，使得所求結(jié)果準確度更高。

優(yōu)選地，所述的步驟二中錨鏈平衡模型的建模過程為：對錨鏈進行受力分析，根據(jù)懸鏈線求解思想，對錨鏈所受的力進行正交分解，求出可得錨鏈的形狀的方程，結(jié)合計算機軟件，描繪錨鏈的形狀；根據(jù)懸鏈線求解思想，在可以準確對錨鏈進行分析的過程中，大大簡化了求解時的復雜程度。

優(yōu)選地，所述的步驟三中的遺傳算法是一種通過模擬自然進化過程以搜索最優(yōu)解為目標的方法，所述的遺傳算法首先進行初始化設置，分別設置種群大小、染色體長度、交叉概率、變異概率及最大迭代次數(shù)這些參數(shù)，隨機選擇種群大小數(shù)目的個體作為初代種群，產(chǎn)生初代種群之后，結(jié)合步驟三雙層優(yōu)化模型中的函數(shù)作為的適應度函數(shù)，在每一代中根據(jù)適應度值的大小選擇出適應度值大的個體，同時在每一代中都進行交叉操作和變異操作，產(chǎn)生與初代種群數(shù)量相同的全新種群，如此反復的操作達到收斂條件后，最后產(chǎn)生的種群解中所有解都越來越接近于最優(yōu)解，將最后產(chǎn)生的種群解中最優(yōu)個體經(jīng)過解碼操作，得到的解即可看作所求優(yōu)化問題的最優(yōu)解，通過語言編程，結(jié)合所述的步驟三中的系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型進行搜索最優(yōu)解；遺傳算法可快速隨機地搜索，具有可擴展性容易與其他算法結(jié)合，大大簡化數(shù)據(jù)處理時的工作量即可求出最優(yōu)解。

3.有益效果

相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

（1）一種基于多組份的系泊系統(tǒng)模型設計方法分四個步驟進行分析，首先問題分析，確定需要分步建立系泊系統(tǒng)平衡模型、系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型及系泊系統(tǒng)設計模型，通過平衡模型的整體分析以及局部分解，結(jié)合計算機軟件和語言編程，求解不同情況下系統(tǒng)中相關變量，從而確定錨鏈的型號和重物球的質(zhì)量，使得系泊系統(tǒng)中浮標的吃水深度和游動區(qū)域及鋼桶的傾斜角度盡可能小，同時水聲通訊設備的工作效果更佳，這種設計方法思路清晰，多方面考慮，在數(shù)據(jù)處理公式求解時運用遺傳算法計算使結(jié)果更加準確，同時簡化數(shù)據(jù)處理的復雜度，最后對將所求結(jié)果代入各模型驗證，確定系泊系統(tǒng)模型在海面外最極端的條件下可以正常工作，別的條件下，系泊系統(tǒng)模型的工作效果更好，使得所求結(jié)果準確度更高。

（2）本發(fā)明在所述的步驟二中對錨鏈平衡系統(tǒng)的建立過程中，根據(jù)懸鏈線求解思想，在可以準確對錨鏈進行分析的過程中，大大簡化了求解時的復雜程度。

（3）本發(fā)明在步驟三和步驟四中采用遺傳算法，遺傳算法可快速隨機地搜索，具有可擴展性容易與其他算法結(jié)合，大大簡化數(shù)據(jù)處理時的工作量即可求出最優(yōu)解。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的設計方法流程圖；

圖2為本發(fā)明中整體系統(tǒng)的結(jié)構示意圖；

圖3為本發(fā)明中浮標的受力分析圖；

圖4為本發(fā)明中第一根鋼管的受力分解及第i根鋼管的受力分析圖；

圖5為本發(fā)明中鋼桶的受力分解及鋼桶和重物球的受力分析圖；

圖6為本發(fā)明中錨鏈的受力分析圖；

圖7為本發(fā)明中錨鏈看做懸鏈線后的受力分析圖；

圖8為本發(fā)明中遺傳算法的流程圖。

圖中標號說明：

1、錨，2、錨鏈，3、鋼桶，4、重物球，5、鋼管，501、第一根鋼管，502、第二根鋼管，503、第三根鋼管，504、第四根鋼管，6、浮標。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1-8，一種基于多組份的系泊系統(tǒng)模型設計方法，系泊系統(tǒng)包括錨1、錨鏈2、鋼桶3、重物球4、鋼管5和浮標6，錨1位于海底，錨1與錨鏈2的一端連接，錨鏈2的另一端與鋼桶3連接，鋼桶3還與重物球4和第四根鋼管504連接，第四根鋼管504與第三根鋼管503連接，第三根鋼管503與第二根鋼管502連接，第二根鋼管502與第一根鋼管501連接，第一根鋼管501與浮標6連接，浮標6浮于海面；一種基于多組份的系泊系統(tǒng)模型設計方法，包括以下步驟：

步驟一、進行問題分析，在不同情況下系泊系統(tǒng)中相關變量的計算，需要建立系泊系統(tǒng)平衡模型、系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型及系泊系統(tǒng)設計模型。

步驟二、建立系泊系統(tǒng)平衡模型，某型傳輸節(jié)點選用II型電焊錨鏈22.05m，選用的重物球4的質(zhì)量為1200kg，現(xiàn)將該型傳輸節(jié)點布放在水深18m、海床平坦、海水密度為1.025×103kg/m3的海域；在錨鏈2型號及重物球4質(zhì)量、水深、海水靜止皆已知的情況下，首先考慮系統(tǒng)整體平衡，其次考慮各部件平衡，分別建立系統(tǒng)、浮標6、鋼管5、鋼桶3以及錨鏈2平衡模型；系泊系統(tǒng)平衡模型的建模過程如下：

（1）建立二維坐標系，以錨1與錨鏈2連接的連接處為原點o，水平方向為x軸，豎直方向為y軸，設第一根鋼管501與浮標6的連接位置為A點，坐標為（x，y），設鋼桶3與重物球4的連接處為F點，坐標為（x₀，y₀），根據(jù)力學平衡原理，建立系統(tǒng)平衡模型，模型如下：

F_風=T₇cosθ；

y₀+∑sinα_i+h’=18，i=2，3，4，5

其中，F(xiàn)_風為系統(tǒng)受到的海面風力；

T₇為錨點處受到錨1的作用；

θ為錨鏈2與海床的夾角；

y₀為F點的縱坐標；

α_i為第i根鋼管5與水平方向之間的夾角；

∑sinα_i為所有鋼管的豎直方向的高度之和；

h’為浮標的吃水深度；

（2）建立浮標6、鋼管5、鋼桶3和錨鏈2的平衡模型；

對浮標6的進行受力分析，建立浮標6平衡模型，根據(jù)浮標6平衡模型得出浮標6吃水深度以及連接浮標6的第一根鋼管501與豎直方向之間的夾角，模型如下：

T₁sinα₁=F_風；

T₁cosα₁+G_浮標=ρgV_排；

其中，V_排=πr²h’；

T₁為第一根鋼管501對浮標6的拉力；

α₁為第一根鋼管501對浮標6的拉力與浮標6重力之間的夾角；

F_風為浮標6受到的海面風力；

G_浮標為浮標6所受的重力；

ρ為海水密度；

r為浮標6截面圓的半徑；

通過上式能夠得出浮標6吃水深度h’以及夾角α₁為：

h’=（（T₁cosα₁+G_浮標）/ρg）/πr²；

α₁=arcsin（F_風/T₁）；

其中：arcsin為反三角正弦函數(shù)；

對鋼管5進行受力分析，建立鋼管5平衡模型，根據(jù)鋼管5平衡模型得出各個鋼管5與豎直方向之間的夾角以及每根鋼管5所受到的力，將第i根鋼管5作為質(zhì)點處理，將鋼管5的質(zhì)量中心集中于O點，對O_i+1點進行受力分析，得出平衡模型如下：

T_isinα_i=T_i+1sinα_i+1；

T_icosα_i+F_i=T_i+1cosα_i+1+G_i；i=1，2，3……；

其中：T_i為第i根鋼管5受到的第i-1根鋼管5的拉力；

T_i+1為第i+1根鋼管5對第i根鋼管5的拉力；

F_i為第i根鋼管5所受的浮力；

G_i為第i根鋼管5所受的重力；

α_i為第i-1根鋼管5對第i根鋼管5的拉力與豎直方向之間的夾角；

α_i+1為第i+1根鋼管5對第i根鋼管5的拉力與豎直方向之間的夾角；

通過上式能夠得出α_i+1和T_i+1：

α_i+1=arctan（T_isinα_i/（T_icosα_i+F_i-G_i））

T_i+1=T_isinα_i/（sinarctan（T_isinα_i/（T_icosα_i+F_i-G_i））

其中i=1，2，3……；

arctan為反三角正切函數(shù)；

對鋼桶3進行受力分析，建立鋼桶3平衡模型，根據(jù)鋼桶3平衡模型得出鋼桶3的傾斜角度；考慮到鋼桶3的質(zhì)量及鋼桶3不會產(chǎn)生形變，鋼桶3不能作為質(zhì)點來處理，應作為剛體來處理，建立模型如下：

∑Fx=0；

∑Fy=0；

∑M_Oi（F）=0；

通過上式可得到：

F_Ax=F_Bx=F_B’x=F_w；

F_By=F_B’y=F_Ay-F_Oi；

F_Ax*Δh/2+F_Bx*Δh/2=F_Ay*Δl/2+F_By*Δl/2；

通過上式可以推導出下面公式：

tanθ_i=Δl/Δh=2F_Ax/（F_Ay+F_By）；

其中：Fx為系統(tǒng)整體水平方向的受力；

Fy為系統(tǒng)整體豎直方向的受力；

M_Oi為系統(tǒng)整體所受的力；

F_Ax為浮標6對第一根鋼管501的拉力分解后水平方向的力；

F_Bx為第二根鋼管502對第一根鋼管501的拉力分解后水平方向的力；

F_B’x為第二根鋼管502對第一根鋼管501的拉力的反作用力分解后水平方向的力；

F_w為整個系統(tǒng)所受的海面風力；

F_By為第二根鋼管502對第一根鋼管501的拉力分解后豎直方向的力；

F_B’y為第二根鋼管502對第一根鋼管501的拉力的反作用力分解后豎直方向的力；

F_Ay為浮標6對第一根鋼管501的拉力分解后豎直方向的力；

F_Oi為系統(tǒng)中第i+1個物體的質(zhì)量中心集中于O_i點后O_i點所受的重力；

Δh為所設的水平方向單位長度；

Δl為所設的豎直方向單位長度；

θ_i為系統(tǒng)中第i+1個物體的質(zhì)量中心集中于O_i點，物體與水平方向的夾角；

將鋼桶3與重力球4看做一體，則受力平衡模型為：

T₆sinα₆=T₅sinα₅；

T₆cosα₆+f_球+f_桶=T₅cosα₅；

其中：T₆為錨鏈2對鋼桶3的拉力；

α₆為錨鏈2對鋼桶3的拉力與豎直方向之間的夾角；

T₅為第四根鋼管504對鋼桶3的拉力；

α₅為第四根鋼管504對鋼桶3的拉力與豎直方向之間的夾角；

f_球為重物球4受到的重力；

f_桶為鋼桶3受到的重力；

對錨鏈2進行受力分析，建立錨鏈2平衡模型，根據(jù)錨鏈2平衡模型得出錨鏈2形狀，平衡模型如下：

T₇cosθ=T₆sinα₆；

T₇sinθ+f_鏈+f_桶=T₆cosα₆；

其中：T₇為錨1對錨鏈2的拉力；

θ為錨1對錨鏈2的拉力與海底平面之間的夾角；

T₆為鋼桶3對錨鏈2的拉力；

α₆為鋼桶3對錨鏈2的拉力與豎直方向之間的夾角；

f_鏈為錨鏈2所受的重力；

f_桶為鋼桶3所受的重力；

將錨鏈2看作懸鏈線分析，則錨鏈2所受為兩端的力及其本身的重力，對錨鏈2所受的力進行正交分解：

Tcosθ=F_w；

Tsinθ=λsg；

ds=（1+y’²）^1/2dx；

其中：T為鋼桶3對錨鏈2一端的拉力；

θ為鋼桶3對錨鏈2的拉力與水平方向之間的夾角；

F_w為錨鏈2另一端所受的海面風力；

λ為錨鏈2的密度；

s為錨鏈2的長度；

g為重力加速度；

ds為s的一次導數(shù)；

y’為微分中計算s而假設的豎直方向的一段距離；

dx為微分中計算s而假設的豎直方向的一段距離x的一次導數(shù)；

通過上式能夠得到：

dy/dx=tanθ=λsg/F_w；

d²y/dx²=（λg/F_w）*（ds/dx）；

y=（F_w/λg）*ch（（λgx/F_w）+c₁）+c₂；

其中：ch為雙曲余弦函數(shù)；

c₁和c₂為常數(shù)；

dy/dx為y對x的導數(shù)；

d²y/dx²為y對x的二次導數(shù)；

在原點O點處，錨鏈2的斜率不為0，而是G_鏈/F_w；

故，錨鏈2的形狀為

y=（F_w/λg）*ch（（λgx/F_w）+arsh（G_鏈/F_w））-（F_w/λg）*ch（c₁）；轉(zhuǎn)化為

y=a*ch（（x/a）+ln（tanθ+secθ））-a*secθ，其中，a=R/w；

其中：arsh為雙曲正弦函數(shù)的反函數(shù)；

ln為以e為底的對數(shù)；

tan為正切函數(shù)；

sec為正割函數(shù)；

a為代入公式所設的字母；

R為F_w；

w為λg；

通過MATLAB軟件，能夠得到錨鏈2形狀線圖；其中，在實際應用中，錨鏈2平衡模型的建模過程為：對錨鏈2進行受力分析，根據(jù)懸鏈線求解思想，對錨鏈2所受的力進行正交分解，求出可得錨鏈2的形狀的方程，結(jié)合計算機軟件，描繪錨鏈2的形狀；根據(jù)懸鏈線求解思想，在可以準確對錨鏈進行分析的過程中，大大簡化了求解時的復雜程度；

結(jié)合浮標6、鋼管5、鋼桶3和錨鏈2的平衡模型得出浮標6的游動區(qū)域，建立模型如下：

設鋼桶3的重心為（x₀，y₀），則浮標2的坐標為（x，18），因為鋼管5的長度為1米，鋼管5的豎直方向的總長度為∑sinα_i，i=2，3，4，5；浮標6的橫坐標為x=x₀+∑cosα_i，i=2，3，4，5；游動區(qū)域為以（0，18）為圓心，x為半徑的圓盤；

（3）計算正常海面風速下系泊系統(tǒng)中變量，將海面風速分別為12m/s和24m/s時代入模型，通過計算機軟件與語言編程求解出各節(jié)鋼管5的傾斜角度、鋼桶3的傾斜角度、錨鏈2形狀、浮標6的吃水深度、游動區(qū)域以及錨鏈2與海床的夾角；

（4）根據(jù)求解結(jié)果進行分析，說明海面風速對整個系泊系統(tǒng)的工作狀態(tài)影響較大，海面風速為12m/s與24m/s時，系泊系統(tǒng)都能正常工作。

步驟三、結(jié)合步驟二中的模型，計算出海面風速達到36m/s時，鋼桶3的傾斜角會超過5度，嚴重影響水聲通訊設備的工作效果，浮標6的游動區(qū)域也較大，整個系泊系統(tǒng)必須調(diào)節(jié)；增加重物球4的質(zhì)量可以解決這個問題，但隨著重物球4質(zhì)量的增加，系泊系統(tǒng)會重新達到一個受力平衡，浮標6勢必會下沉，浮標6吃水深度太大，影響其定位功能；建立雙層優(yōu)化模型，結(jié)合遺傳算法，建立系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型，系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型的建模過程如下：

（1）以鋼桶3的傾斜角度為優(yōu)先考慮因素，綜合考慮浮標6的吃水深度和游動區(qū)域，則要求鋼桶3的傾斜角不超過5度，同時浮標6的吃水深度和游動區(qū)域相對較小，建立雙層優(yōu)化模型，模型如下：

minα₆=arccos（H-h’-y₀-L_i*α_i+1）；

其中，α₆＜5°；

minθ=arctany’_（x=0）；

0≤h’≤2；

L_錨鏈=22.05；

L_i=1；

H=18；

θ＜16；

G≥1200kg；

y=a*ch（（x₀/a）+ln（tanθ+secθ））-a*secθ；

（2）根據(jù)雙層優(yōu)化模型所得的所有解中，結(jié)合遺傳算法，遺傳算法是一種通過模擬自然進化過程以搜索最優(yōu)解為目標的方法，遺傳算法首先進行初始化設置，分別設置種群大小、染色體長度、交叉概率、變異概率及最大迭代次數(shù)這些參數(shù)，染色體長度即將實際數(shù)值轉(zhuǎn)化為二進制后二進制的長度，隨機選擇種群大小數(shù)目的個體作為初代種群，初代種群即在確定二進制長度后從0到最大值之間隨機選擇的一定數(shù)目的數(shù)值，產(chǎn)生初代種群之后，結(jié)合步驟三雙層優(yōu)化模型中的函數(shù)作為的適應度函數(shù)，在每一代中根據(jù)適應度值的大小選擇出適應度值大的個體，同時在每一代中都進行交叉操作和變異操作，產(chǎn)生與初代種群數(shù)量相同的全新種群，如此反復的操作達到收斂條件后，最后產(chǎn)生的種群解中所有解都越來越接近于最優(yōu)解，將最后產(chǎn)生的種群解中最優(yōu)個體經(jīng)過解碼操作，解碼操作即將所有二進制形式的種群解轉(zhuǎn)化為實際數(shù)值，得到的解即可看作所求優(yōu)化問題的最優(yōu)解，通過語言編程，結(jié)合步驟三中的系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型進行搜索最優(yōu)解；遺傳算法可快速隨機地搜索，具有可擴展性容易與其他算法結(jié)合，大大簡化數(shù)據(jù)處理時的工作量即可求出最優(yōu)解，即得出在系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型中重物球4質(zhì)量的最佳求解。

步驟四、由于潮汐這些因素的影響，布放海域的實測水深介于16m到20m之間，布放點的海水速度最大可達到1.5m/s、海面風速最大可達到36m/s，在這些極端條件下，鋼桶3的傾斜角，錨鏈2的型號已經(jīng)不能滿足條件了，因此假定錨鏈2的型號，重物球4的質(zhì)量為未知的，在步驟二和步驟三的基礎上，根據(jù)多目標決策優(yōu)化理論，建立系泊系統(tǒng)設計模型，系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型的建模過程如下：

（1）以步驟三中的雙層優(yōu)化模型為基礎，運用遺傳算法，求出錨鏈2型號及重物球4質(zhì)量的最佳求解；

設定錨鏈2的型號，重物球4的質(zhì)量為未知的，建立了如下模型；

minα₆=arccos（H-h’-y₀-L_i*α_i+1）；

其中，α₆＜5°；

minθ=arctany’_（x=0）；

0≤V_水≤1.5；

0≤h’≤2；

16≤H≤20；

0≤V_風≤26；

L_錨鏈=k*x_型（k∈Z⁺）；

L_i=1；

θ＜16；

G≥1200kg；

y=a*ch（（x₀/a）+ln（tanθ+secθ））-a*secθ；

（2）確定錨鏈2的型號及重物球4質(zhì)量，結(jié)合步驟二中的系泊系統(tǒng)平衡模型，求解不同條件下鋼桶3的傾斜角、錨鏈2形狀、浮標6的游動區(qū)域和吃水深度以及錨鏈2與海床的夾角，證明無論什么條件下，系泊系統(tǒng)可以正常工作；一種基于多組份的系泊系統(tǒng)模型設計方法分四個步驟進行分析，首先問題分析，確定需要分步建立系泊系統(tǒng)平衡模型、系泊系統(tǒng)調(diào)節(jié)模型及系泊系統(tǒng)設計模型，通過平衡模型的整體分析以及局部分解，結(jié)合計算機軟件和語言編程，求解不同情況下系統(tǒng)中相關變量，從而確定錨鏈2的型號和重物球的質(zhì)量，使得系泊系統(tǒng)中浮標6的吃水深度和游動區(qū)域及鋼桶3的傾斜角度盡可能小，同時水聲通訊設備的工作效果更佳，這種設計方法思路清晰，多方面考慮，在數(shù)據(jù)處理公式求解時運用遺傳算法計算使結(jié)果更加準確，同時簡化數(shù)據(jù)處理的復雜度，最后對將所求結(jié)果代入各模型驗證，確定系泊系統(tǒng)模型在海面外最極端的條件下可以正常工作，別的條件下，系泊系統(tǒng)模型的工作效果更好，使得所求結(jié)果準確度更高。

其中，在實際應用中，本發(fā)明求解問題時，所建立的模型是基于一定的假設條件下的，有些因素實際的影響作用是更為復雜的，與實際情況存在一定的偏差，錨鏈形狀求解借鑒了懸鏈線的求解思想，但錨鏈的受力要比懸鏈線復雜得多，故得到的結(jié)果會存在一定的偏差；

（1）假設浮標為底面直徑2m、高2m的圓柱體，浮標的質(zhì)量為1000kg，錨的質(zhì)量為600kg，水聲通訊系統(tǒng)在一個長1m、外徑750px的密封圓柱形鋼桶內(nèi)，設備和鋼桶總質(zhì)量為100kg，鋼管共4節(jié)，每節(jié)長度1m，直徑為50mm，每節(jié)鋼管的質(zhì)量為10kg；

（2）波浪、風向等因素會使浮標發(fā)生傾斜，但傾斜角較小，為方便計算，可忽略不計，故假設浮標不傾斜；

（3）假設浮標與鋼管間、鋼管與鋼管間、鋼管與鋼桶間等各結(jié)點處均為鉸接；

（4）重物球的成分未知，本發(fā)明中用鉛的密度來代替；

（5）系泊線為均勻非彈性線；

通過運用遺傳算法，求出錨鏈為什么型號，確定錨鏈節(jié)數(shù)和錨鏈長度、重物球重量、浮標的游動區(qū)域和吃水深度、各節(jié)鋼管的傾斜角度以及錨點與海床的夾角。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其改進構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。