基于多源遥感数据的连云港海域赤潮信息提取研究.docx
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基于多源遥感数据的连云港海域赤潮信息提取研究
基于多源遥感数据的连云港海域赤潮信息提取研究
仪器仪表学报第29卷第6期Vol129No16
ChineseJournalofScientificInstrumentJun.20082008年6月
基于多种群遗传算法的波能装置的优化设计及分析
1,231张颖,吴成东,董再励
（1中国科学院沈阳自动化所机器人学重点实验室沈阳110016;
2中国科学院研究生院北京100039;
）3东北大学人工智能与机器人研究所沈阳110004
摘要:
作为可再生能源,波浪能的吸收和利用一直是国内外热点研究内容之一。
本文提出一种新的基于惯性摆结构的波浪能吸收转换方法,对这种结构在波浪力作用下的频域响应进行了分析,建立了其最优化能量获取模型,提出采用多种群遗传算
（）法对其结构进行优化设计,并针对系统所受波浪力矩随载体半径改变而改变,且求取困难的问题,采用最小二乘法对波浪力（）矩与载体半径变化的关系进行了拟和。
通过优化结果找出影响结构获取波浪能量的因素,仿真结果表明了方法的先进性,
为进一步的应用研究和频域波能获取研究奠定了基础。
关键词:
波浪能;惯性摆;水动力;多种群遗传算法
中图分类号:
TK01文献标识码:
A国家标准学科分类代码:
480.6030
Optimumdesignandanalysisofwaveenergysystembasedon
multiple2populationgeneticalgorithm
1,231ZhangYing,WuChengdong,DongZaili（1.ShenyangInstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China;
2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China;
）3.InstituteofArtificialIntelligence&Robotics,NortheasternUniversity,Shenyang110004,ChinaAbstract:
Asoneoftherenewableenergies,absorptionandutilizationofwaveenergyisalwaysanimportantresearchfieldbothathomeandabroad.Inthispaper,anewmethodofabsorbingwaveenergybasedoninertialpendulumispresented.Meanwhile,thefrequency2dependentresponseoftheconfigurationisanalyzed,theoptimalmodelofabsorbedenergyisestab2lished,andtheoptimizeddesignmethodoftheconfigurationisproposedbasedonmultiple2populationgeneticalgorithm.Due
（）towaveforceortorqueischangeablewithcarrierradius;theleast2squaremethodisintroducedtorepresenttherelation2
（）shipofwaveforceortorquewithcarrierradius.Fromtheoptimizedresults,thefactorsthataffecttheabsorbedenergysig2nificantlyarefound,whichprovideabasisforfurtherapplicationresearchworkandwaveenergyabsorptionresearchinfre2quencydomain.
Keywords:
waveenergy;inertialpendulum;hydrodynamic;multiple2populationgeneticalgorithm
[1]产和生活用电,因此多为较大型的装置。
我国沿海波浪功率可达17,39kW/m,渤海湾更高达1引言
42kW/m。
海岸线长度为1.8万公里,居世界第4位,沿岸
波浪能是一种重要的可再生能源,在实践中已获得了波浪能的总功率为0.7亿千瓦,波浪能丰富。
但是,目前针
许多应用。
其获取及使用方法有很多,大部分都是用于生对移动载体自身自主能量获取的研究还很少,如果充分利
203ReceivedData:
2007收稿日期:
2007203
用载体自身的结构及适当的机构设计,达到移动载体波能;f、T为作用在静止的载体上的水平波浪力和俯仰波质量ww
浪力矩;y为载体波浪压力中心的水平绝对位移;z为总体系自主获取,那么对于水下机器人以及其他水下作业载体的
θ动力、能源供给研究,都将是一个重大突破。
统质心的水平绝对位移;为系统外部载体俯仰角。
当r?
0时,即释放内部惯性摆,使其可以自由摆动,（）目前国际上已开发的波能装置有:
“点头鸭”Duck,
（）（）海蛇号CPelamis,振荡水柱OWC式波能转换装置,以与外部载体间产生相对运动时,其内部惯性摆运动方[224]及FROG和PSFROG装置等。
但多为采用能量的外部程为:
输出法,即能量获取后采用载体外输出能量的方式,不适〃〃〃2θθ-mr+mr+mgsin=f222n合水下机器人等水下载体的能量自主获取应用。
浮游载体（）2〃〃〃〃2自主获取波浪能的技术难点在于如何在无锚θθθ-2mrr-mrK+mgrcos+mrd=T2222n定浮游状态下,将随机的波浪能机械能形式转化为浮游载体式中:
m为内部惯性摆摆锤的质量;f、T分别为由于惯性2nn可以汲取的能量,并存储起来加以利用。
本文提出利用惯性摆的运动在总质心上产生的有效水平力和力矩;d为内部惯
摆与外部壳体间的相对转动运动来获取波浪能的方法,采用性摆的质心与系统总质心间的距离;g为重力加速度。
了惯性摆的摆动作为波浪能的获取输出,并将该机械能转换（）（）所以根据方程1、2,系统总的运动方程可以写为:
成电能,由于惯性摆自身的运动学特性,可将其固定于载体〃〃〃θθI+k+Bhy=T+Tpwn内部,随载体运动,符合水下机器人等系统的动力学特性。
（）3〃〃〃（）同时应用一种基于多种群并行遗传算法MPGA的结构优Mz+By=f+fwn
化设计方法,以最大捕获能量获取为优化目标对结构进行最〃〃〃2θθθ因为、r较小,所以方程中mr项,-2mrr项和22优化设计。
〃〃2θ-mr项均可以忽略掉,这样,将方程换到频域下,角2
ωθ频率为波浪激励的角频率,并从中将消去后得:
2结构分析及能量获取模型23432（ωωωωω）iKB-KM-iBI+IM-iBMhY=pp2222ωωωω（）（）（[K-IF-MhT]+[K-ImR+按照载体波浪能自主提取的要求,采用图1所示模pp222（）型进行系统动力学分析。
为了方便水动力分析,外部载ω（ω））4mgR-Mhmg-dR]22
（）体外形暂用球形分析。
则可将式4写成如下形式,其中U、V、Q、S分别对
（）应式4中相应的系数:
（）（）U+iVY=Q+SR5
则惯性摆获得动能可用下式描述:
122ω（）P=mR622
（）（）将方程5和6同文献[4]中的模型优化方程进行
对比,可以推出该模型的最优化波浪能捕获模型为:
32ω（）（）P=m/8V7I2Q图1波能系统在两自由度波浪力作用下的运动
Fig.1MovementofwaveenergysystemundertwoDOFwaveforce
3基于多种群遗传算法的模型优化
系统受到水平方向波浪力和俯仰力矩后,产生一定角度
以上的能量获取模型为确定条件下的最优能量模型,具θθθθ的旋转,用表示,假设很小,则可以近似认为sin?
体参数条件下的能量获取值还应根据实际参数进行优化,所θcos?
1。
以采用多种群并行遗传算法进行参数优化。
该算法维持群当内部惯性摆与外部载体的相对位移r=0时,即假
体中个体的多样性,把群体分割成若干子群体,每个群体独设内部摆固定不动情况下,整个系统受水平波浪力和力矩
立地进行遗传操作,这样可使由于出现不适当个体而产生早作用下的运动方程为:
熟现象局部化,从而达到抑制早熟现象的目的。
〃〃〃θθI+k+Bhy=Tpw3.1种群初始化（）1〃〃Mz+By=f设计初始种群个体长度为7,包含的变量有:
外部载w
a,外部载体质量m和内部惯性摆质量m,内部体半径式中:
k,I分别为惯性摆静止情况下,载体的流体静力学俯12p
仰系数和关于系统总质心的转动惯量;B为前后运动产生的摆锤半径a,内部摆杆长度l,系统总质心与浮心的距离1
h以及内部惯性摆的质心与系统总质心间的距离d。
此辐射力系数;h为系统总质心与浮心的距离;M为系统的总
第6期张颖等:
基于多种群遗传算法的波能装置的优化设计及分析1233
（）外,为了提高算法运行速度,减小初始种群长度,采用实Froude2Krylov假设,即在规根据傅汝德2克雷诺夫
数编码形式。
这样,仿真时可根据情况对各个变量进行则波中载体的存在不影响波浪中的压力分布。
（）界定,按照给定范围,随机产生初始种群Pt,按信息交则作用在载体上的波浪力和力矩为:
（）（）（）（）换模型划分Pt为子群体:
Pt={Pt,,Pt,1iΔF=-pndSwave?
（）,Pt},其中,n为分组数。
然后分组计算各（）n9
）Δ（）（）（中个体的适应度。
n=-pn×rdSPti=1,2,Miwave?
3.2适应值函数的确定式中:
S是载体湿表面面积;n是S的单位外法线矢量,r系统的主要目的是要最大化获取波浪能,所以以捕为载体表面上任一点的位置矢量。
获波浪能能量最大为目标进行结构优化设计,即使得波设载体作随浪运动,即波向角为0。
由于波浪力浪能的相反数-P最小,所以选择-P为算法的适应值II（）矩表达式为积分形式,严重影响求取过程算法运行速函数,设计变量归一化后取值范围均为0.05?
x?
1,
x={a,m,m,a,l,h,d},其中0.05为人为限定的各（）度,所以采用最小二乘拟合方法,将波浪力矩拟合成211
变量的最小值。
所以优化的数学模型可表达为:
多项式形式,以提高运算效率。
拟合后结果如下:
32（）F=13232R-5R+2Rw32ωmQ5432（）10=601R-1025R+721R-T（）minfx=-w（）88V2242.3R+36.8R-1.9（）7,-0.05?
x?
1i=1,2,s.ti4.2水动力系数求取3.3遗传操作
[5]载体在波浪中运动所受到的力除了波浪力外还包括（）（）1对各Pti=1,2,i）,n进行分组独立进化:
?
由选择算子进行复制:
惯性水动力和粘性水动力,其中,惯性水动力是因载体受
到波浪力影响而产生的加速度和角加速度造成的,主要（）（）P′t?
selection[Pt];ii由附加质量来衡量,对于球体来说其附加质量即为总质?
由交叉算子进行交叉操作:
量的一半,求取比较方便,而黏性水动力为非线性函数,（）（）Pt?
crossover[P′t];ii[629]求取相对较难。
分析运动过程只考虑水平方向的波?
由变异算子进行变异操作:
″浪力,则粘性水动力系数B为水平运动速度的函数,可用（）（）t?
mutation[Pt]。
Pii（）″式11来描述:
（）（））2分组计算各Pti=1,2,,n中个体适应值。
i1））（）（,n之间ρ（）3由信息交换模型进行各Pti=1,2,11B=SCYix2的信息交换,得到下一代群体:
式中:
C为载体水平粘性水动力系数。
x″（）（）（）Pt+1?
exchange[Pt,Pt]。
iii4.3遗传操作参数设定反复进行遗传操作,通过设定终止条件最终获得最
仅考虑单频波环境,参数设置为:
周期T=5s,波高优结果。
3ρH=4m,海水密度=1000kg/m,水的运动黏性系数2ν=1.1883e26m/s。
为简化起见,设计实验系统外形4仿真结果及分析为球形,内置一可单自由度摆动的惯性摆,由于波浪力的
作用,惯性摆产生受迫运动。
根据上述能量优化的方程、采用多种群并行遗传算法对提出的波能提取装置进（）波浪力矩和水动力系数求取方法,以及所建立的优化行最优能量获取的模型参数优化,优化过程中存在波浪目标函数进行遗传操作。
力和力矩同外部载体半径之间的非线性关系,以及水动（初始种群规模取100并行遗传算法其子群体规模力参数的求取等问题,为了解决非线性问题,采用最小二）为20;交叉算子采用两点算数交叉,交叉概率为0.9;变
异算子采用高斯变异,变异概率为0.05;最大遗传代数乘法进行拟合,将非线性关系线性化以便算法的运行。
为100代;个体替换率为0.2;子种群间移民概率为0.2;4.1优化过程中的拟合子群体数目为5个。
适应度尺度变换采用线性比例法,（）优化过程中主要涉及2个非线性运算:
f=fRw1选择操作采用轮盘赌方法。
（）和T=fR。
这些非线性关系严重影响了优化的运w2
4.4优化结果行,导致优化进程过于缓慢,所以采用最小二乘法对其进
行拟合。
采用同样参数的多种群并行遗传算法和标准遗传算
波浪是海洋的自然现象,具有一定的周期性,粘性的法分别进行了优化计算,其解的收敛情况如图2所示。
作用很小。
图2遗传算法解的收敛情况
Fig.2Theconvergencesituationofgeneticalgorithms
由图2可知,采用标准遗传算法在达到100代遗传
代数时仍未收敛,所得结果并非是真正的最优结果。
而
采用多种群并行遗传算法在第70代开始收敛到最小值,
说明了所采用算法的先进性。
采用多种群并行遗传算法的初始值和优化结果分别
如图3、4所示。
但是实际应用中,外部壳体及内部惯性摆的材质和外形
之间有很大关系,需要根据实际情况加以把握,只要遵循外
部壳体半径和内部惯性摆与外部壳体的质量比均较大的原（）a初始种群中所有个体则,即可在一定条件下较大限度的汲取波浪能加以利用。
图（）aAlltheindividualsininitialpopulation
第6期张颖等:
基于多种群遗传算法的波能装置的优化设计及分析1235
[5]陈伦军,罗延科,陈海虹,等.机械优化设计遗传算法5为外部载体半径a、内部惯性摆质量m与外部壳体质量2
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coefficientsusingcomputationalfluiddynamicapproach[J].该曲面图也验证了载体半径越大,外部壳体与内部（）OceanEngineering,2006,33526:
7982809.惯性摆质量比越小的情况下所获得的波浪能越多,在此作者简介结论基础上可以进行惯性摆摆长及载体重心和浮心设张颖,2000年于沈阳建筑大学获得学计,为实际应用提供理论基础。
士学位,2003年于该校获得硕士学位,现为
中国科学院沈阳自动化研究所在读博士
5结论生,主要研究方向为机器人智能控制、无源
系统运动等。
在理论分析基础上进行的仿真实验,其结果证明了装置E2mail:
zy_1120@sina.com.cn吸收波浪能的可行性,同时也证明了依靠载体自身设计,可ZhangYinggotBScdegreeinelectrical以进行波浪能的自主获取,通过设计能量储存机构,可以储automationfromShenyangJianzhuUniversity,China,in2000.In
存该能量,或者设计机械能电能转换装置,直接将该波浪能2003,shereceivedMScincontroltheoryandcontrolengineering
的机械能转换为电能加以储存利用。
fromShenyangJianzhuUniversity.Sheiscurrentlyworkingfora
PhDdegreeinShenyangInstituteofautomation,China.Herre2同时,采用多种群遗传算法进行最优能量时的结构优化
searchinterestsincluderobotintelligentcontrolandmovementof设计,该算法采用并行计算,大大提高了原有算法的速度,同
passivesystem.时避免了原有标准优化算法容易陷入最小值的问题,最后通
E2mail:
zy_1120@sina.com.cn过四维关系曲面证明了算法的可行性和准确性。
同时,仿真
吴成东,1988年于清华大学获得硕结果也证明了所提出的波浪能吸取装置是可行有效的。
士学位,1994年于东北大学获得博士学参考文献位,现为东北大学人工智能与机器人研究
所所长、博士生导师,主要研究方向为机[1]FALNESLL,LOVSETHJ.Oceanwaveenergy[J].Energy器人控制。
（）Policy,1991,198:
7682775.E2mail:
wuchengdong@ise.neu.edu.cnSINGHH,BOWENM,HOVERF,etal.Intelligentdoc2[2]WUChengdong,isaPhD,professorkingforanautonomousocea
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