鄧浩然，崔 勇，關(guān)長濤，于方杰

(1 中國海洋大學(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)展重點試驗室,山東 青島 266071)

振動現(xiàn)象普遍存在于自然界，但在海洋工程項目中，受環(huán)境侵蝕長期影響，頻繁振動往往會致使工程結(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)振動監(jiān)測必不可少[3-4]。隨著人們對海產(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[9-12]。目前，圍欄結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程技術(shù)尚不成熟，其安全性評估缺乏相關(guān)依據(jù)，對應(yīng)有效的安全監(jiān)測手段也尚屬空白[13-15]。傳統(tǒng)海洋平臺振動監(jiān)測一般采用單軸振動傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并采用人工輔助布設(shè)導(dǎo)線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，需要專業(yè)的振動數(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]。同時單軸振動數(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，因此，傳統(tǒng)的海洋平臺振動監(jiān)測方法對于圍欄養(yǎng)殖平臺振動監(jiān)測并不適用[19-20]。

針對以上現(xiàn)狀，研發(fā)了圍欄養(yǎng)殖平臺振動實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過嵌入式微處理器主板控制數(shù)字型三軸加速度計進行圍欄三軸加速度數(shù)據(jù)采集，利用4G通信裝置進行采集數(shù)據(jù)的實時傳輸。

1 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

圍欄養(yǎng)殖平臺振動實時監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)控軟件，其中單個監(jiān)測設(shè)備由數(shù)據(jù)采集與傳輸以及電源模塊組成。在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中每個監(jiān)測設(shè)備作為一個獨立監(jiān)測節(jié)點，基于TCP通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 監(jiān)測架構(gòu)圖

在實際監(jiān)測過程中，為確保所采集監(jiān)測數(shù)據(jù)真實反映柱體結(jié)構(gòu)振動，監(jiān)測設(shè)備部署時，需確保監(jiān)測設(shè)備與柱體結(jié)構(gòu)之間形成剛性連接。監(jiān)測設(shè)備部署完畢后在電源模塊的支持下，監(jiān)測設(shè)備將會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)境下長時間序列的工作能力。最后用戶可通過瀏覽器進入監(jiān)測終端，在監(jiān)測終端可對監(jiān)測設(shè)備所采集三軸加速度數(shù)據(jù)進行實時可視化以及下載與后續(xù)分析。

2 監(jiān)測設(shè)備設(shè)計

2.1 監(jiān)測設(shè)備整體設(shè)計

監(jiān)測設(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級的水密盒子集成封裝。

圖2 監(jiān)測設(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、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串口總線進行連接。

三軸加速度計采用型號為RION AFK392的單晶硅電容式傳感器，其由一片經(jīng)過微機械處理的硅芯片、用于信號調(diào)整的低功率ASIC、用于存儲補償值的微處理器及溫度傳感器組成。該加速度計基于MEMS技術(shù)進行三軸加速度數(shù)據(jù)采集并利用RS232/RS485等主流數(shù)字接口進行輸出；采樣頻率為5～1 000 Hz；量程可達±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)透傳功能。4G網(wǎng)絡(luò)透傳模式如圖3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)透傳模式下可以簡單、快捷地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點與監(jiān)控軟件之間的雙向數(shù)據(jù)通信[20-22]。

圖3 網(wǎng)絡(luò)透傳模式示意圖

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)勢特點。主板上集成多個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)采樣定理以及振動頻率特點，只有當(dāng)采樣頻率是被測物體固有頻率2倍才能有效反應(yīng)其頻率特點[23-24]，這表明振動數(shù)據(jù)采樣是一個相對高頻的過程。過高頻率數(shù)據(jù)傳輸會導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)丟失，通信時延也會使數(shù)據(jù)失去實時性。為解決高頻振動采樣下的數(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)達到指定采樣頻率，主板才進行自定義數(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換時間的算法思想充分利用到4G通信高帶寬的特點，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行约皩崟r性。

2.3 電源模塊

受海洋環(huán)境條件所限，海洋平臺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)測設(shè)備進行了靈活的電源模塊設(shè)計。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行連接。監(jiān)測設(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電路的充放電保護。通過使用上述電源模塊提供了靈活且互補的電源供應(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)測設(shè)備在受環(huán)境限制的圍欄養(yǎng)殖平臺上的長期工作能力。

3 監(jiān)測軟件設(shè)計

監(jiān)測軟件實現(xiàn)對監(jiān)測設(shè)備所采集振動數(shù)據(jù)的實時接收、可視化及存儲。現(xiàn)有主流監(jiān)測軟件開發(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)測上位機的開發(fā)應(yīng)用中，但由于數(shù)據(jù)的存儲全部依賴云服務(wù)器，對云服務(wù)器的存儲資源有較大要求。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，但其需要單獨安裝客戶端，且客戶端需要長期在線，難以做到實時接收與存儲效果[28-30]。

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

4 現(xiàn)場監(jiān)測試驗及數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗場地及監(jiān)測設(shè)備布置概況

大型管樁圍欄養(yǎng)殖平臺位于山東省煙臺市萊州灣，其中心點坐標(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)之間形成一個完整環(huán)形(面積12 661，水體156 996 m3)。采用兩臺監(jiān)測設(shè)備布設(shè)兩個監(jiān)測節(jié)點，于2020年11月05日零時至2020年11月09日零時進行了一次為期4 d的海上現(xiàn)場試驗。兩臺監(jiān)測設(shè)備采用懸掛式固定在圍欄結(jié)構(gòu)之上，其中監(jiān)測節(jié)點1朝向開闊海域，監(jiān)測節(jié)點2面向海岸(圖4)。

圖4 海上現(xiàn)場試驗設(shè)備布置概況

本次試驗采用鋰電池和太陽能的組合供電，為控制功耗將監(jiān)測設(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)測設(shè)備與圍欄之間形成剛性連接。本次試驗共采集4 d數(shù)據(jù)，各監(jiān)測節(jié)點每日采樣數(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)測數(shù)據(jù)時序分析

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

如圖5所示，對完整4 d(2020年11月05日零時至2020年11月09日零時)進行預(yù)處理過后的圍欄加速度數(shù)據(jù)進行時域可視化。振動產(chǎn)生時監(jiān)測節(jié)點1與監(jiān)測節(jié)點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間差異。結(jié)合圖5從監(jiān)測節(jié)點所處位置可知，監(jiān)測節(jié)點1面向開闊海域更易受海面情況影響從而產(chǎn)生振動。11月05和11月06的振動數(shù)值也直觀表現(xiàn)出這一特點，在這兩天監(jiān)測節(jié)點2處產(chǎn)生的振動數(shù)值均較小，而監(jiān)測節(jié)點1處各軸都產(chǎn)生了接近0.5G加速度的頻繁振動，且振動產(chǎn)生時間大多在夜間。其原因可能是這兩天夜間海況較差，監(jiān)測節(jié)點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。

圖5 振動監(jiān)測時序圖

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

由此可見，因為振動數(shù)值具有明顯空間與時間差異，養(yǎng)殖圍欄不同區(qū)域其材料結(jié)構(gòu)疲勞程度也會具有對應(yīng)差異，對其結(jié)構(gòu)維護、安全性保障需要綜合考慮這一特點。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)頻譜分析

功率譜密度是結(jié)構(gòu)在隨機動態(tài)載荷激勵下響應(yīng)的統(tǒng)計結(jié)果，是一條功率譜密度值-頻率值的關(guān)系曲線,能有效反映隨機振動其頻率特點[31-33]。振動監(jiān)測功率譜密度如圖6所示。

圖6 振動監(jiān)測功率譜密度圖

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

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

表2 振動主頻表

5 結(jié)論

研發(fā)了圍欄養(yǎng)殖平臺振動實時監(jiān)測系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)海洋平臺振動監(jiān)測方法導(dǎo)線布設(shè)煩瑣、監(jiān)測振動數(shù)據(jù)軸向單一無法反映復(fù)雜海況下圍欄空間振動特點等局限性。通過萊州灣大型養(yǎng)殖圍欄海上試驗驗證了系統(tǒng)的有效性，并初步揭示了試驗監(jiān)測對象基本振動規(guī)律及特點。其振動主頻約為4 Hz，不同監(jiān)測節(jié)點在振動數(shù)值上表現(xiàn)出了明顯的空間與時間差異，面向開闊海域的監(jiān)測節(jié)點對比面向海岸的監(jiān)測節(jié)點表現(xiàn)出持續(xù)時間更長且數(shù)值更明顯的振動，表明圍欄結(jié)構(gòu)振動易受海況影響。研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的實用性，可為其他安全監(jiān)測領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

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