一种深水聚酯缆系泊系统布局优化方法和系统

本发明属于海洋工程，尤其涉及一种深水聚酯缆系泊系统布局优化方法和系统。

背景技术：

1、深水半潜式平台通常需要通过系泊系统进行锚泊，以确保其正常作业的定位能力。其中聚酯缆作为一种合成纤维材料，相比钢链有着更轻、更强的系泊能力。但其非线性动刚度特性使其结构计算成本高昂，设计周期冗长，因而为保证系泊系统安全性的同时降低设计成本，开发更高效的聚酯缆系泊系统布置优化设计技术，对海洋工程发展至关重要。

2、目前深水系泊缆设计主要采用“静态设计，动态校核”的设计方法，首先对深水聚酯缆系泊系统进行静态设计，随后根据所得数据对设计结果进行动态校核。但由于系泊系统涉及系泊缆数量多，设计方案种类繁多，传统的静态设计常难满足平台偏移量和系泊缆所受最大张力等角度的工程要求，需要反复试算及校核，设计效率较低，且不易考虑其工程成本。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种深水聚酯缆系泊系统布局优化方法和系统。

2、所述技术方案如下：深水聚酯缆系泊系统布局优化方法，包括：

3、s1，建立aga-pso优化算法模型：引入拉丁超立方抽样、自适应遗传算法，对粒子群算法进行改进，以深水半潜式平台系泊系统布局为优化对象，将系泊位置、系泊半径、系泊缆参数、锚链和聚酯缆参数作为优化设计变量，引入拉丁超立方抽样、自适应遗传算法，对系泊系统进行多目标优化设计；

4、s2，初步设计：根据海洋平台设计规范对系泊系统布局进行初步设计；

5、s3，静态初步设计：基于aga-pso算法，依据初步设计的取值范围，针对锚链和聚酯缆长度以及位置参数，对深水半潜式平台系泊系统布局进行优化设计，分析系泊系统静态海况下的力学特性；

6、s4，动态优化：基于深水系泊系统的静态分析所得初步设计结果，采用反映聚酯纤维材料弹性特征的动刚度模型，对深水系泊系统进行动态优化；

7、s5、极端工况校核：经过力学分析，选取多根系泊缆中缆绳断裂对半潜式平台影响最大的缆索位置，将系泊缆断开设为单缆失效状态，对最终优化设计得出的系泊系统布局单缆失效极端工况进行校核，并分别从平台偏移量、系泊缆所受最大张力进行考量。

8、在步骤s1中，建立aga-pso优化算法模型，包括：

9、s101，选取均匀化最优样本点，最优样本点为使样本点在满足分布范围时，分布最为均匀的样本点；根据设计变量个数，确定拉丁超立方抽样方法的因次，选取个样本点，抽样次数设置为，建立个样本点拉丁方矩阵；

10、s102，对得到的粒子群中的个个体位置及其速度进行搜索，得到个体最优位置，最优位置为函数迭代过程中，最优位置函数曾出现过的个体极值；将个体的历史最佳位置设定为初始位置，此时迭代次数为0；

11、s103，更新每个粒子的速度和位置、个体历史最优位置及群体的全局最优位置，计算粒子的目标函数；

12、s104，若满足终止条件的输出最优解，则终止程序，否则继续下一步骤s105；

13、s105，按照值随机选出个个体，对它们执行交叉操作，得到个新个体；

14、s106，对得到的个个体执行概率为的变异操作，变异结束后将其送入下一代种群中，得到个个体，重复步骤s103。

15、在步骤s101中，对建立的样本点拉丁方矩阵进行均匀化评估，采用极大极小距离准则和中心化偏差准则，抽取其中均匀化最优的矩阵作为样本点；

16、极大极小距离准则包括：计算任意两个样本点之间的距离，对求得的距离进行排序，得到距离函数列表，是满足的点对的个数，利用对度量样本均匀化；为计算次数，为样本点总个数，为第次计算时编号为的点与基准点的距离，为第次计算时编号为的点与基准点的距离，为固定取值，通常取1或者2，为不同的距离值，为不同样本点编号，为不同数值的个数，为一个正整数；

17、中心化偏差准则包括：定义点集在点的偏差，将样本点进行归一化处理，采用中心化偏差如下式：

18、；

19、；

20、其中，为样本矩阵，为样本点个数，为第个样本在第维度的取值，为第个样本在第维度的取值，为中由原点0和决定的矩形，为中的点落入到中的个数，当中的点在中的散布均匀时，与的体积接近，定义为两者之差，称之为点集在点 x的误差；为归一化试验设计矩阵中试验点的取值。

21、在步骤s103中，基于最小化平台偏移量和缆绳有效张力的优化目标，设计目标函数公式：

22、；

23、式中，分别为近海平面端锚链长度、聚酯缆长度和近海底端锚链长度。

24、在步骤s2中，根据海洋平台设计规范对系泊系统布局进行初步设计具体包括：

25、已知半潜式平台主尺度、环境参数、预设参数数据，根据工程经验及实际工况，设定平台设计限制条件为平台偏移量、缆绳最大张力、近平台端锚链位于水平面以下和聚酯缆不触海底；

26、选取设计变量为系泊位置、系泊半径、系泊缆间距、系泊缆与垂向方向夹角 alpha、近海端、近地端锚链长度 l1、 l3和聚酯缆段长度 l2；利用orcaflex软件进行建模分析，综合半潜式平台结构几何关系及力学特性，得到静水条件下半潜式平台系泊系统设计变量的初步取值范围；其取值范围部分参考公式如下：

27、；

28、；

29、；

30、式中，为系泊缆与竖直方向的夹角最大值，为系泊缆与竖直方向的夹角最小值。

31、在步骤s3中，分析系泊系统静态海况下的力学特性包括：根据工程需求对设计变量在优化过程中所占权重进行分配，采用步骤s1中建立的aga-pso优化模型，得到目标函数，在设计变量初步取值范围内得到最优值。

32、在步骤s4中，对深水系泊系统进行动态优化包括：采用分段曲线模拟缆绳轴向刚度，即静态刚度控制张力平均值以下的部分，而动态刚度控制了张力平均值以上的部分；每次迭代中，采用动静结合刚度模型对系泊系统进行2次分析。

33、进一步，采用动静结合刚度模型对系泊系统进行2次分析具体包括：

34、s401，第1次分析采用准静态刚度并计算系统的平均响应，静态刚度计算公式为：

35、；

36、式中，为静态刚度，分别为测试开始、结束时的轴向拉力，分别为测试开始、结束时的型变率，为蠕变系数，为环境载荷持续时间；

37、s402，第2次分析需先调整缆绳的长度或锚固定的位置使缆绳的预张力保持一致，然后采用动态刚度计算动态响应，动态刚度的计算公式为：

38、；

39、其中，、、分别为平均张力、载荷幅值及载荷周期；均为系数；

40、s403，通过结合静态响应与动态响应生成整体响应，并分别从平台最大偏移量和系泊缆所受最大张力两个角度对系泊系统进行动态优化；将平台所在海域的环境载荷离散为具体环境条件与其对应的发生概率；使用orcaflex软件分析以上情况下的平台偏移量，分别对系泊缆所受张力和平台偏移量进行权重分配，从而在整体响应结果中结合对应权重得到最优设计参数。

41、在步骤s5中，使用orcaflex软件得到平台上某指定节点的位移图像，从而通过orca flex软件计算单缆失效极端工况下的平台偏移量，通过matlab软件对orca flex的平台位移时程曲线结果后处理得到时程曲线峰值，时程曲线峰值减去平台平衡位置即为平台偏移量峰值；将其与平台主尺度进行对比；使用orcaflex软件得到不同编号的聚酯缆及锚链上的最大张力，分别选取其最大值，与聚酯缆和锚链材料特性所决定的最大受力进行对比。

42、本发明的另一目的在于提供一种深水聚酯缆系泊系统布局优化系统，该系统通过所述的深水聚酯缆系泊系统布局优化方法实现，该系统包括：

43、建立aga-pso优化算法模型模块，引入拉丁超立方抽样、自适应遗传算法，用于对传统粒子群算法进行改进，以深水半潜式平台系泊系统布局为优化对象，将系泊位置、系泊半径、系泊缆参数、锚链和聚酯缆参数作为优化设计变量，引入拉丁超立方抽样、自适应遗传算法，对系泊系统进行多目标优化设计；

44、初步设计模块，用于根据海洋平台设计规范对系泊系统布局进行初步设计；

45、静态初步设计模块，用于基于aga-pso算法，依据初步设计的取值范围，针对锚链和聚酯缆长度以及位置参数，对深水半潜式平台系泊系统布局进行优化设计，分析系泊系统静态海况下的力学特性；

46、动态优化模块，用于基于深水系泊系统的静态分析所得初步设计结果，采用更准确反映聚酯纤维材料弹性特征的动刚度模型，对深水系泊系统进行动态优化；

47、极端工况校核模块，用于经过力学分析，选取多根系泊缆中缆绳断裂对半潜式平台影响最大的缆索位置，将系泊缆断开设为单缆失效状态，对最终优化设计得出的系泊系统布局单缆失效极端工况进行校核，并分别从平台偏移量、系泊缆所受最大张力进行考量。

48、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的有益效果为：本发明克服现有深水聚酯缆系泊系统优化设计方法效率过低、难以兼顾工程成本、设计精度较低等缺陷，提供一种深水聚酯缆系泊系统优化设计方法。

49、首先根据半潜式平台主尺度等参数，对系泊缆组分、长度、根数、系缆与平台连接位置等系泊系统基本构型进行初步设计，并结合已有海洋环境、材料参数、安全系数等数据，建立系泊系统在完整状态及单缆失效状态下的静态模型，使其满足在海洋环境中的浮性、稳性等基本要求。为进一步获得最高效安全的系泊系统设计方案，首先根据海洋平台设计规范对系泊系统布局进行初步设计，得到静水条件下半潜式平台系泊系统设计变量的初步取值范围。而后基于改进后的aga-pso算法，依据初步设计的取值范围，考虑锚链和聚酯缆长度以及位置参数，对深水半潜式平台系泊系统布局进行静态优化设计。在动态优化设计中，引入动静结合刚度模型进行2次分析，从平台最大偏移量和系泊缆所受最大张力两个角度对系泊系统进行动态优化。最终对优化设计得出的系泊系统布局进行单缆失效极端工况校核，确保其在实际工况中满足安全要求。

50、与现有技术相比，本发明具有以下积极效果，本发明公开的深水聚酯缆系泊系统智能优化设计方法，通过引入拉丁超立方抽样、自适应遗传算法算子对粒子群算法进行改进，然后采用matlab与orcaflex联合仿真对半潜式平台深水聚酯缆系泊系统进行时域分析与优化，最终迭代计算出符合设计要求的最优系泊系统布置方案，本方法可在提高设计精度的同时缩短设计周期并降低设计成本，实现系泊系统整体设计流程的智能化与高效化。

51、本发明可有效降低企业的设计成本，提高设计效率，对保障平台作业安全具有重要意义；填补了国内外企业深水聚酯缆系泊系统布局智能优化领域的空白；本发明对传统粒子群算法进行改进，形成了aga-pso算法，解决了传统聚酯缆系泊系统优化方案存在样本多样性不足、缺乏自适应性与容易陷入局部最优的问题。针对传统设计方案认为聚酯缆系泊系统的人工设计成本高昂，需要消耗大量时间的问题。本发明基于智能算法，实现了设计优化过程的自动化、智能化，克服了传统设计方案的技术偏见。