圍欄養殖平臺振動實時監測系統設計與試驗

鄧浩然，崔 勇，關長濤，于方杰

(1 中國海洋大學信息科學與工程學部，海洋技術學院，山東 青島 266100；2 中國水產科學研究院黃海水產研究所，農業農村部海洋漁業可持續發展重點試驗室,山東 青島 266071)

振動現象普遍存在于自然界，但在海洋工程項目中，受環境侵蝕長期影響，頻繁振動往往會致使工程結構材料疲勞從而導致形變影響結構安全[1-2]。為確保結構安全，海洋工程結構振動監測必不可少[3-4]。隨著人們對海產品需求的不斷提高，深遠海圍欄養殖業、深遠海網箱養殖業等海洋養殖產業迅猛發展[5-8]。大型管樁圍欄養殖是近年來興起的離岸養殖重要模式之一，其具有養殖水體大、魚類活動空間大、養殖環境更近自然和養殖魚類品質更近生態等特點[9-12]。目前，圍欄結構設計和工程技術尚不成熟，其安全性評估缺乏相關依據，對應有效的安全監測手段也尚屬空白[13-15]。傳統海洋平臺振動監測一般采用單軸振動傳感器進行數據采集，并采用人工輔助布設導線的方式進行數據傳輸，需要專業的振動數據采集設備以及人員參與，這種數據采集方式極不方便且成本高昂[16-18]。同時單軸振動數據無法具體反映圍欄結構在復雜海況下的空間振動，因此，傳統的海洋平臺振動監測方法對于圍欄養殖平臺振動監測并不適用[19-20]。

針對以上現狀，研發了圍欄養殖平臺振動實時監測系統。該系統通過嵌入式微處理器主板控制數字型三軸加速度計進行圍欄三軸加速度數據采集，利用4G通信裝置進行采集數據的實時傳輸。

1 監測系統架構設計

圍欄養殖平臺振動實時監測系統架構如圖1所示，監測系統包括監測設備和監控軟件，其中單個監測設備由數據采集與傳輸以及電源模塊組成。在監測網絡中每個監測設備作為一個獨立監測節點，基于TCP通信協議進行數據傳輸。

圖1 監測架構圖

在實際監測過程中，為確保所采集監測數據真實反映柱體結構振動，監測設備部署時，需確保監測設備與柱體結構之間形成剛性連接。監測設備部署完畢后在電源模塊的支持下，監測設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測終端，在監測終端可對監測設備所采集三軸加速度數據進行實時可視化以及下載與后續分析。

2 監測設備設計

2.1 監測設備整體設計

監測設備如圖2所示，整體由數據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的IP68級的水密盒子集成封裝。

圖2 監測設備照片

2.2 數據采集與傳輸模塊

數據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，其由一片經過微機械處理的硅芯片、用于信號調整的低功率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技術進行三軸加速度數據采集并利用RS232/RS485等主流數字接口進行輸出；采樣頻率為5～1 000 Hz；量程可達±8G。

通信裝置采用4G-DTU，支持多種網絡制式下的網絡透傳功能。4G網絡透傳模式如圖3所示。在此模式下用戶的串口數據，可以通過通信裝置發送到網絡上指定的服務器。同時也可以接收來自服務器的監控指令數據，并下發至用戶指定設備的串口。在網絡透傳模式下可以簡單、快捷地實現數據采集節點與監控軟件之間的雙向數據通信[20-22]。

圖3 網絡透傳模式示意圖

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內核架構，具有高性能、低功耗等優勢特點。主板上集成多個RS-485串口總線接口以及電壓轉換模塊，可以穩定地控制數據在串口之間傳遞，并將電源模塊提供電壓轉換成各模塊所需電壓。根據香農采樣定理以及振動頻率特點，只有當采樣頻率是被測物體固有頻率2倍才能有效反應其頻率特點[23-24]，這表明振動數據采樣是一個相對高頻的過程。過高頻率數據傳輸會導致采樣數據丟失，通信時延也會使數據失去實時性。為解決高頻振動采樣下的數據高頻傳輸問題，本研究利用微處理器主板中主控芯片緩存數據，只有當數據達到指定采樣頻率，主板才進行自定義數據協議幀格式封裝，最后傳遞給通信模塊進行無線傳輸。通過上述流程，增大了單次數據傳輸字節，降低了數據傳輸頻率。基于空間換時間的算法思想充分利用到4G通信高帶寬的特點，提高了數據傳輸的有效性及實時性。

2.3 電源模塊

受海洋環境條件所限，海洋平臺中一般存在電源提供不穩定、電源線布設困難等難題[25]。為解決這一問題，本系統監測設備進行了靈活的電源模塊設計。電源模塊由太陽能板、24 V鋰電池、市電轉換器以及市電與太陽能互補充電控制器組成。數據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。監測設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能力。該電源模塊在有穩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，確保了監測設備在受環境限制的圍欄養殖平臺上的長期工作能力。

3 監測軟件設計

監測軟件實現對監測設備所采集振動數據的實時接收、可視化及存儲。現有主流監測軟件開發架構有瀏覽器/服務器(B/S)，客戶端/服務端(C/S)[26-27]。其中B/S架構，客戶端支持通過瀏覽器多端訪問，從而被廣泛應用在物聯網監測上位機的開發應用中，但由于數據的存儲全部依賴云服務器，對云服務器的存儲資源有較大要求。與之相比C/S架構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]。

針對以上現狀，為滿足對監測設備所采集圍欄三軸加速度數據的實時接收、可視化及存儲需求，本研究基于B/S架構進行監測軟件的開發。技術選型采用Vue+SpringBoot的前后端框架，并采用Mysql數據庫進行數據存儲，Mybatis作為數據庫和后端之間的映射。其主要設計思路為，后端開發Web服務端和數據接收服務端，Web服務端處理用戶在瀏覽器進行的相關操作邏輯。數據接收服務端即是一個TCP-Sever監聽監測設備中設定的服務端Ip和端口號，在和監測設備建立連接并接收到監測設備傳輸來的數據后，數據接收服務端會將數據進行解析并存儲至數據庫然后推送到Web端進行實時可視化。大容量振動數據的實時存儲能力由Mybatis以及Mysql支持事務的特點提供。最后為降低對服務端存儲資源的要求，Mysql數據庫布設在單獨的存儲資源充足的云服務器之上，與服務端之間進行遠程調用從而完成云數據庫的搭建。

4 現場監測試驗及數據分析

4.1 試驗場地及監測設備布置概況

大型管樁圍欄養殖平臺位于山東省煙臺市萊州灣，其中心點坐標：(37°30′13.60″N，120°03′11.30″E)，整體由柱樁以及柔性網衣所組成，結構之間形成一個完整環形(面積12 661，水體156 996 m3)。采用兩臺監測設備布設兩個監測節點，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的海上現場試驗。兩臺監測設備采用懸掛式固定在圍欄結構之上，其中監測節點1朝向開闊海域，監測節點2面向海岸(圖4)。

圖4 海上現場試驗設備布置概況

本次試驗采用鋰電池和太陽能的組合供電，為控制功耗將監測設備采樣頻率設定為10 Hz，每采樣10 min后休眠10 min。監測設備的固定方式采用不銹鋼抱箍固定在圍欄之上，使監測設備與圍欄之間形成剛性連接。本次試驗共采集4 d數據，各監測節點每日采樣數據總數記錄見表1。

表1 每日采樣數據總數記錄

4.2 監測數據時序分析

從圖4可知，監測設備采用懸掛式布放在圍欄結構之上，三軸加速度計Y軸承受重力加速度影響，在做數據分析時需要進行預處理，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)進行預處理過后的圍欄加速度數據進行時域可視化。振動產生時監測節點1與監測節點2處所采集到三軸加速度均有數值且表現出了明顯的空間與時間差異。結合圖5從監測節點所處位置可知，監測節點1面向開闊海域更易受海面情況影響從而產生振動。11月05和11月06的振動數值也直觀表現出這一特點，在這兩天監測節點2處產生的振動數值均較小，而監測節點1處各軸都產生了接近0.5G加速度的頻繁振動，且振動產生時間大多在夜間。其原因可能是這兩天夜間海況較差，監測節點1處圍欄結構頻繁受到海況影響從而產生空間振動。

圖5 振動監測時序圖

與前兩日相比，11月07與11月08這兩日，監測節點1與監測節點2處所采集的振動數值均表現出振動規律接近、振動數值小的特點。

由此可見，因為振動數值具有明顯空間與時間差異，養殖圍欄不同區域其材料結構疲勞程度也會具有對應差異，對其結構維護、安全性保障需要綜合考慮這一特點。

4.3 監測數據頻譜分析

功率譜密度是結構在隨機動態載荷激勵下響應的統計結果，是一條功率譜密度值-頻率值的關系曲線,能有效反映隨機振動其頻率特點[31-33]。振動監測功率譜密度如圖6所示。

圖6 振動監測功率譜密度圖

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，它通過指定窗函數對數據進行加窗函數處理，從而降低信號中的旁瓣效應減少功率譜能量泄漏[35]。圍欄養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”作為窗函數進行功率譜密度分析。如圖6所示，監測節點1和監測節點2所采集數據振動主頻接近且PSD數值差異明顯。

表2中給出了具體振動主頻參數，除監測節點2的Y軸振動主頻為2.14 Hz外，其余監測節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殖圍欄其圍欄結構振動頻率是4 Hz左右的低頻空間振動。

表2 振動主頻表

5 結論

研發了圍欄養殖平臺振動實時監測系統，克服了傳統海洋平臺振動監測方法導線布設煩瑣、監測振動數據軸向單一無法反映復雜海況下圍欄空間振動特點等局限性。通過萊州灣大型養殖圍欄海上試驗驗證了系統的有效性，并初步揭示了試驗監測對象基本振動規律及特點。其振動主頻約為4 Hz，不同監測節點在振動數值上表現出了明顯的空間與時間差異，面向開闊海域的監測節點對比面向海岸的監測節點表現出持續時間更長且數值更明顯的振動，表明圍欄結構振動易受海況影響。研發的監測系統具有較高的實用性，可為其他安全監測領域系統設計提供參考。

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