海洋风速动态仿真及其在平台模拟系统中的应用.pdf

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1、55卷第1期(总第208期)中国造船、，01．55No．1(SefialNo．208)2014年3月SHTPBUILDINGOFCHINAMar．2O14文章编号：1000．4882(2014)01—0149—09海洋风速动态仿真及其在平台模拟系统中的应用谭婕，汪学锋(1．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240；2．上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240)摘要针对海洋平台模拟系统中海上风速的动态仿真要求，综合分析多种风速模型，开发了海洋风速动态仿真模型。该模型在组合风

2、速基本模型基础上加以改进，加入海上不同高度风速计算以及海面波浪状态等因素，并导入了无参数化随机风模拟方法。在开发模拟程序、选定参数的基础上，进行了海上随机风仿真模拟，模拟过程快速且结果较为真实，模拟效果良好，并实际应用于海洋平台模拟系统的随机风模拟中。关键词：海上风速；模拟系统；组合风速模型；Matlab中图分类号：P76文献标识码：A0引言随着我国海洋油气资源开发的深入，许多海上装备建成并投入使用，培训大批操作人员的海洋平台模拟操作系统也越来越重要。海洋平台模拟不仅需要模拟海上作业的操作步骤与

3、工作流程，同时还需模拟海洋平台的外部环境，使模拟系统操作人员能够更为真切地体会海洋平台工作时所处的实际海洋环境，同时，感受如台风来袭等一般操作中难以遇到但培训时需要掌握应对的场景。海洋环境主要由风、浪、流组成。有关浪、流的研究比较多I1J，而风一般以一个定常力来考虑。海洋平台模拟系统的风速模拟仍是个基本问题；在自然环境中，平均风速在一定时间段内相对变化较小，但瞬间风速会在平均风速上下的一定范围内实时、随机地产生变化。本文中选用的组合风速模型，利用Matlab软件对风速进行数学建模，实现了对风速的

4、随机模拟，并在开发的深水海洋平台海上操作模拟系统中得到了应用。1海洋风速模拟要求及风速模型选择1．1海洋风速模拟要求为在海洋平台模拟系统中实现海上风速的动态仿真模拟，所使用的风速数学模型应满足一定的要求。具体要求有以下几点。(1)风速模型应体现风速动态仿真的特点，模型的输入变量中应包括平均风速，主要输出变量为随机时间序列(在平均风速上下的一定范围内进行波动)；收稿日期：2013．11-叭；修改稿收稿日期：2014．012O基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2013CB0361

5、00)；国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2012AA040903．1)中国造船学术论文(2)风速模型应体现海上风速变化的特性，例如：海上风速随高度变化以及海面波浪状态会对风速产生影响等；(3)风速模型中，应包括对海上强风突袭或风速突变现象的模拟，以实现模拟操作系统中强风突袭情况下的海上平台应急反应的模拟测试功能；(4)由于模拟操作系统实时模拟的特性，因此要求风速模型能够在给定的任意条件下迅速、即时地输出随机风速的模拟结果(风速模型应具备计算简便、快速的特性)。1．2常用风速模型分析国内

6、外对于风速模型的研究主要以陆上风场为研究对象，应用较为广泛的风速模型包括概率分布风速模型、自回归滑动平均风速模型(ARMA模型)、组合风速模型等。1．2．1概率分布模型风速分布可以使用一定的概率分布统计模型来进行模拟。常用的概率分布模型包括：正态分布、双参数WeibuU分布以及三参数Weibul1分布。其中，三参数Weibul1分布的应用相对较为广泛[3]。WeibuU分布的主要优点：(1)参数估计简便易行，并且模拟结果与实际风速分布拟合效果较好；(2)可用于模拟不同高度的风速分布情况。然而，W

7、eibul1分布存在某些限制其应用的缺点，主要为：(1)Weibul1分布主要用来进行风能资源的研究，其输出变量并不是随机风速的时问序列，因此无法应用于风速动态仿真；(2)Weibul1分布的模拟效果与具体地域相关，当需要模拟的地理位置发生变化时，具体的参数及计算方法需进行相应的改变，存在地域限制性。1．2．2ARMA模型风速模拟中，也可采用平均风速分量叠加湍流风速分量而组成实际风速的建模方法，获得湍流分量的方法即为自回归滑动平均模型(ARMA模型)】。此方法的主要步骤为：首先，利用自回归系数与

8、滑动平均系数将湍流分量的ARMA模型式表示出来，利用Yule．Walker方程以及给定的功率谱密度函数解出白回归系数；其次，通过建立滑动平均序列，利用两序列自相关函数之间的关系，求出滑动平均系数；最后，根据已求解出的自回归系数与滑动平均系数，给出具体的湍流分量表达式。平均风速与湍流分量两者叠加即得到实际的风速序列。ARMA模型的主要优点：(1)由风速湍流分量决定风速变化情况，使得风速变化为一个平稳随机过程，变化频率和幅度得到一定限制，与实际情况更为接近；(2)可以通过已建立的部分ARMA模型对其