圍欄養(yǎng)殖平臺(tái)振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鄧浩然，崔 勇，關(guān)長(zhǎng)濤，于方杰

(1 中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)部，海洋技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266100；2 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)試驗(yàn)室,山東 青島 266071)

振動(dòng)現(xiàn)象普遍存在于自然界，但在海洋工程項(xiàng)目中，受環(huán)境侵蝕長(zhǎng)期影響，頻繁振動(dòng)往往會(huì)致使工程結(jié)構(gòu)材料疲勞從而導(dǎo)致形變影響結(jié)構(gòu)安全[1-2]。為確保結(jié)構(gòu)安全，海洋工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)必不可少[3-4]。隨著人們對(duì)海產(chǎn)品需求的不斷提高，深遠(yuǎn)海圍欄養(yǎng)殖業(yè)、深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)等海洋養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展[5-8]。大型管樁圍欄養(yǎng)殖是近年來興起的離岸養(yǎng)殖重要模式之一，其具有養(yǎng)殖水體大、魚類活動(dòng)空間大、養(yǎng)殖環(huán)境更近自然和養(yǎng)殖魚類品質(zhì)更近生態(tài)等特點(diǎn)[9-12]。目前，圍欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程技術(shù)尚不成熟，其安全性評(píng)估缺乏相關(guān)依據(jù)，對(duì)應(yīng)有效的安全監(jiān)測(cè)手段也尚屬空白[13-15]。傳統(tǒng)海洋平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測(cè)一般采用單軸振動(dòng)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并采用人工輔助布設(shè)導(dǎo)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要專業(yè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及人員參與，這種數(shù)據(jù)采集方式極不方便且成本高昂[16-18]。同時(shí)單軸振動(dòng)數(shù)據(jù)無法具體反映圍欄結(jié)構(gòu)在復(fù)雜海況下的空間振動(dòng)，因此，傳統(tǒng)的海洋平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)于圍欄養(yǎng)殖平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測(cè)并不適用[19-20]。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，研發(fā)了圍欄養(yǎng)殖平臺(tái)振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過嵌入式微處理器主板控制數(shù)字型三軸加速度計(jì)進(jìn)行圍欄三軸加速度數(shù)據(jù)采集，利用4G通信裝置進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

圍欄養(yǎng)殖平臺(tái)振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)控軟件，其中單個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備由數(shù)據(jù)采集與傳輸以及電源模塊組成。在監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備作為一個(gè)獨(dú)立監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，基于TCP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 監(jiān)測(cè)架構(gòu)圖

在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中，為確保所采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)反映柱體結(jié)構(gòu)振動(dòng)，監(jiān)測(cè)設(shè)備部署時(shí)，需確保監(jiān)測(cè)設(shè)備與柱體結(jié)構(gòu)之間形成剛性連接。監(jiān)測(cè)設(shè)備部署完畢后在電源模塊的支持下，監(jiān)測(cè)設(shè)備將會(huì)擁有市電以及鋰電池兩種供電模式，以確保在受限制海洋環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間序列的工作能力。最后用戶可通過瀏覽器進(jìn)入監(jiān)測(cè)終端，在監(jiān)測(cè)終端可對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備所采集三軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化以及下載與后續(xù)分析。

2 監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備整體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)設(shè)備如圖2所示，整體由數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊以及電源模塊組成。其外殼采用抗鹽霧、耐腐蝕適合于海洋工業(yè)的IP68級(jí)的水密盒子集成封裝。

圖2 監(jiān)測(cè)設(shè)備照片

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊

數(shù)據(jù)采集模塊和傳輸模塊由三軸加速度計(jì)、嵌入式微處理器主板以及4G通信裝置三部分組成，三部分之間采用RS-485串口總線進(jìn)行連接。

三軸加速度計(jì)采用型號(hào)為RION AFK392的單晶硅電容式傳感器，其由一片經(jīng)過微機(jī)械處理的硅芯片、用于信號(hào)調(diào)整的低功率ASIC、用于存儲(chǔ)補(bǔ)償值的微處理器及溫度傳感器組成。該加速度計(jì)基于MEMS技術(shù)進(jìn)行三軸加速度數(shù)據(jù)采集并利用RS232/RS485等主流數(shù)字接口進(jìn)行輸出；采樣頻率為5～1 000 Hz；量程可達(dá)±8G。

通信裝置采用4G-DTU，支持多種網(wǎng)絡(luò)制式下的網(wǎng)絡(luò)透?jìng)鞴δ堋?G網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ饺鐖D3所示。在此模式下用戶的串口數(shù)據(jù)，可以通過通信裝置發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上指定的服務(wù)器。同時(shí)也可以接收來自服務(wù)器的監(jiān)控指令數(shù)據(jù)，并下發(fā)至用戶指定設(shè)備的串口。在網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ较驴梢院?jiǎn)單、快捷地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控軟件之間的雙向數(shù)據(jù)通信[20-22]。

圖3 網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ绞疽鈭D

采用搭載STM32F407高性能處理芯片主板作為嵌入式微處理器主板。該芯片基于ARM Cortex-M4內(nèi)核架構(gòu)，具有高性能、低功耗等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。主板上集成多個(gè)RS-485串口總線接口以及電壓轉(zhuǎn)換模塊，可以穩(wěn)定地控制數(shù)據(jù)在串口之間傳遞，并將電源模塊提供電壓轉(zhuǎn)換成各模塊所需電壓。根據(jù)香農(nóng)采樣定理以及振動(dòng)頻率特點(diǎn)，只有當(dāng)采樣頻率是被測(cè)物體固有頻率2倍才能有效反應(yīng)其頻率特點(diǎn)[23-24]，這表明振動(dòng)數(shù)據(jù)采樣是一個(gè)相對(duì)高頻的過程。過高頻率數(shù)據(jù)傳輸會(huì)導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)丟失，通信時(shí)延也會(huì)使數(shù)據(jù)失去實(shí)時(shí)性。為解決高頻振動(dòng)采樣下的數(shù)據(jù)高頻傳輸問題，本研究利用微處理器主板中主控芯片緩存數(shù)據(jù)，只有當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到指定采樣頻率，主板才進(jìn)行自定義數(shù)據(jù)協(xié)議幀格式封裝，最后傳遞給通信模塊進(jìn)行無線傳輸。通過上述流程，增大了單次數(shù)據(jù)傳輸字節(jié)，降低了數(shù)據(jù)傳輸頻率?；诳臻g換時(shí)間的算法思想充分利用到4G通信高帶寬的特點(diǎn)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行约皩?shí)時(shí)性。

2.3 電源模塊

受海洋環(huán)境條件所限，海洋平臺(tái)中一般存在電源提供不穩(wěn)定、電源線布設(shè)困難等難題[25]。為解決這一問題，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行了靈活的電源模塊設(shè)計(jì)。電源模塊由太陽能板、24 V鋰電池、市電轉(zhuǎn)換器以及市電與太陽能互補(bǔ)充電控制器組成。數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊和電源模塊之間采用直流電源線進(jìn)行連接。監(jiān)測(cè)設(shè)備供能來自市電與鋰電池，太陽能板和市電為鋰電池提供充電功能。市電與太陽能互補(bǔ)充電控制器則提供市電以及鋰電池供電之間的切換和整個(gè)電路的充放電保護(hù)。通過使用上述電源模塊提供了靈活且互補(bǔ)的電源供應(yīng)能力。該電源模塊在有穩(wěn)定市電提供的情況下可以使用市電，沒有市電的情況下也可采用鋰電池和太陽能的組合，確保了監(jiān)測(cè)設(shè)備在受環(huán)境限制的圍欄養(yǎng)殖平臺(tái)上的長(zhǎng)期工作能力。

3 監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備所采集振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、可視化及存儲(chǔ)。現(xiàn)有主流監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)架構(gòu)有瀏覽器/服務(wù)器(B/S)，客戶端/服務(wù)端(C/S)[26-27]。其中B/S架構(gòu)，客戶端支持通過瀏覽器多端訪問，從而被廣泛應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)上位機(jī)的開發(fā)應(yīng)用中，但由于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)全部依賴云服務(wù)器，對(duì)云服務(wù)器的存儲(chǔ)資源有較大要求。與之相比C/S架構(gòu)可大量使用緩存而具有更好的性能與流暢性，目前仍被廣泛使用，但其需要單獨(dú)安裝客戶端，且客戶端需要長(zhǎng)期在線，難以做到實(shí)時(shí)接收與存儲(chǔ)效果[28-30]。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，為滿足對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備所采集圍欄三軸加速度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、可視化及存儲(chǔ)需求，本研究基于B/S架構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)軟件的開發(fā)。技術(shù)選型采用Vue+SpringBoot的前后端框架，并采用Mysql數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，Mybatis作為數(shù)據(jù)庫和后端之間的映射。其主要設(shè)計(jì)思路為，后端開發(fā)Web服務(wù)端和數(shù)據(jù)接收服務(wù)端，Web服務(wù)端處理用戶在瀏覽器進(jìn)行的相關(guān)操作邏輯。數(shù)據(jù)接收服務(wù)端即是一個(gè)TCP-Sever監(jiān)聽監(jiān)測(cè)設(shè)備中設(shè)定的服務(wù)端Ip和端口號(hào)，在和監(jiān)測(cè)設(shè)備建立連接并接收到監(jiān)測(cè)設(shè)備傳輸來的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)接收服務(wù)端會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫然后推送到Web端進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化。大容量振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)能力由Mybatis以及Mysql支持事務(wù)的特點(diǎn)提供。最后為降低對(duì)服務(wù)端存儲(chǔ)資源的要求，Mysql數(shù)據(jù)庫布設(shè)在單獨(dú)的存儲(chǔ)資源充足的云服務(wù)器之上，與服務(wù)端之間進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)用從而完成云數(shù)據(jù)庫的搭建。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及監(jiān)測(cè)設(shè)備布置概況

大型管樁圍欄養(yǎng)殖平臺(tái)位于山東省煙臺(tái)市萊州灣，其中心點(diǎn)坐標(biāo)：(37°30′13.60″N，120°03′11.30″E)，整體由柱樁以及柔性網(wǎng)衣所組成，結(jié)構(gòu)之間形成一個(gè)完整環(huán)形(面積12 661，水體156 996 m3)。采用兩臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)兩個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，于2020年11月05日零時(shí)至2020年11月09日零時(shí)進(jìn)行了一次為期4 d的海上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。兩臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備采用懸掛式固定在圍欄結(jié)構(gòu)之上，其中監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1朝向開闊海域，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2面向海岸(圖4)。

圖4 海上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備布置概況

本次試驗(yàn)采用鋰電池和太陽能的組合供電，為控制功耗將監(jiān)測(cè)設(shè)備采樣頻率設(shè)定為10 Hz，每采樣10 min后休眠10 min。監(jiān)測(cè)設(shè)備的固定方式采用不銹鋼抱箍固定在圍欄之上，使監(jiān)測(cè)設(shè)備與圍欄之間形成剛性連接。本次試驗(yàn)共采集4 d數(shù)據(jù)，各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)每日采樣數(shù)據(jù)總數(shù)記錄見表1。

表1 每日采樣數(shù)據(jù)總數(shù)記錄

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)序分析

從圖4可知，監(jiān)測(cè)設(shè)備采用懸掛式布放在圍欄結(jié)構(gòu)之上，三軸加速度計(jì)Y軸承受重力加速度影響，在做數(shù)據(jù)分析時(shí)需要進(jìn)行預(yù)處理，將重力加速度施加給Z軸。

如圖5所示，對(duì)完整4 d(2020年11月05日零時(shí)至2020年11月09日零時(shí))進(jìn)行預(yù)處理過后的圍欄加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域可視化。振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2處所采集到三軸加速度均有數(shù)值且表現(xiàn)出了明顯的空間與時(shí)間差異。結(jié)合圖5從監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所處位置可知，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1面向開闊海域更易受海面情況影響從而產(chǎn)生振動(dòng)。11月05和11月06的振動(dòng)數(shù)值也直觀表現(xiàn)出這一特點(diǎn)，在這兩天監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2處產(chǎn)生的振動(dòng)數(shù)值均較小，而監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1處各軸都產(chǎn)生了接近0.5G加速度的頻繁振動(dòng)，且振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)間大多在夜間。其原因可能是這兩天夜間海況較差，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1處圍欄結(jié)構(gòu)頻繁受到海況影響從而產(chǎn)生空間振動(dòng)。

圖5 振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)序圖

與前兩日相比，11月07與11月08這兩日，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2處所采集的振動(dòng)數(shù)值均表現(xiàn)出振動(dòng)規(guī)律接近、振動(dòng)數(shù)值小的特點(diǎn)。

由此可見，因?yàn)檎駝?dòng)數(shù)值具有明顯空間與時(shí)間差異，養(yǎng)殖圍欄不同區(qū)域其材料結(jié)構(gòu)疲勞程度也會(huì)具有對(duì)應(yīng)差異，對(duì)其結(jié)構(gòu)維護(hù)、安全性保障需要綜合考慮這一特點(diǎn)。

4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)頻譜分析

功率譜密度是結(jié)構(gòu)在隨機(jī)動(dòng)態(tài)載荷激勵(lì)下響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，是一條功率譜密度值-頻率值的關(guān)系曲線,能有效反映隨機(jī)振動(dòng)其頻率特點(diǎn)[31-33]。振動(dòng)監(jiān)測(cè)功率譜密度如圖6所示。

圖6 振動(dòng)監(jiān)測(cè)功率譜密度圖

為降低功率譜能量泄露，常采用Welch方法進(jìn)行功率譜密度分析[34]。Welch方法是一種修正周期圖功率譜密度估計(jì)方法，它通過指定窗函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗函數(shù)處理，從而降低信號(hào)中的旁瓣效應(yīng)減少功率譜能量泄漏[35]。圍欄養(yǎng)殖平臺(tái)振動(dòng)屬于典型隨機(jī)振動(dòng)，按照Welch方法可以有效分析其振動(dòng)頻率特點(diǎn)。本研究按Welch方法選擇“漢寧窗”作為窗函數(shù)進(jìn)行功率譜密度分析。如圖6所示，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2所采集數(shù)據(jù)振動(dòng)主頻接近且PSD數(shù)值差異明顯。

表2中給出了具體振動(dòng)主頻參數(shù)，除監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2的Y軸振動(dòng)主頻為2.14 Hz外，其余監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的各軸振動(dòng)主頻均分布在4 Hz左右，這表明萊州灣大型養(yǎng)殖圍欄其圍欄結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率是4 Hz左右的低頻空間振動(dòng)。

表2 振動(dòng)主頻表

5 結(jié)論

研發(fā)了圍欄養(yǎng)殖平臺(tái)振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)海洋平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法導(dǎo)線布設(shè)煩瑣、監(jiān)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)軸向單一無法反映復(fù)雜海況下圍欄空間振動(dòng)特點(diǎn)等局限性。通過萊州灣大型養(yǎng)殖圍欄海上試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性，并初步揭示了試驗(yàn)監(jiān)測(cè)對(duì)象基本振動(dòng)規(guī)律及特點(diǎn)。其振動(dòng)主頻約為4 Hz，不同監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在振動(dòng)數(shù)值上表現(xiàn)出了明顯的空間與時(shí)間差異，面向開闊海域的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)比面向海岸的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)且數(shù)值更明顯的振動(dòng)，表明圍欄結(jié)構(gòu)振動(dòng)易受海況影響。研發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性，可為其他安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

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