[发明专利]一种Argo浮标长航时能耗优化与寿命预估方法

说明书

本发明公开一种Argo浮标长航时能耗优化与寿命预估方法，通过对Argo浮标剖面运动历史能耗数据进行预处理，分析Argo浮标系统在不同海水深度、温度、盐度、剖面运动速度下的能耗分布范围、能耗运行规律和能耗相关性，为能耗优化和寿命预估奠定基础；在进行能耗优化时，建立Argo浮标运动学模型和动力学模型以及Argo浮标单剖面能耗模型，结合灵敏度分析，实现Argo浮标整体能耗优化；并建立Argo浮标能耗预测机制进行寿命预估，基于“监测—预测—回收”机制回收Argo浮标。本发明不仅有效延长Argo浮标的使用寿命，降低海洋观测成本，保障观测数据的全局性和实时性，同时实现报废Argo浮标的及时补放与部分Argo浮标的合理回收，为促进绿色海洋观测技术的发展具有重要指导意义。

技术领域

本发明属于海洋观测探测技术领域，具体涉及一种Argo浮标长航时能耗优化与寿命预估方法。

背景技术

Argo浮标的问世以及国际Argo计划的启动，极大地促进了人类对大尺度实时海洋变化的深入了解和掌握。自Argo计划实施以来，科学家已基于Argo全球海洋观测网获得了大量温、盐度剖面数据，为诠释全球海-气耦合模式、研究厄尔尼诺和拉尼娜事件、开展长期天气预报和短期气候预测提供了重要支撑。

Argo浮标的使用寿命通常约为3至4年，为了保证Argo全球海洋观测网的稳定运行，每年需要重新投放1000多个浮标。为满足高分辨率海洋观测的需求，Argo计划要求在全球大洋中每隔300公里布放一个Argo浮标，同时在线工作的Argo浮标不少于3000个。在观测网运维过程中，当监测到某一Argo浮标不再向岸基控制中心传输数据时，才会考虑重新投放新的浮标以填补该区域的观测空白，这种运维机制势必会造成观测网中的Argo浮标在时间与空间维度上分布不均匀，影响观测数据的全局性和实时性，而且海洋观测成本较高。由于携带的电池数量有限，低功耗技术已成为提高Argo浮标运行寿命的研究热点。。

另外，Argo浮标在电池电量耗尽后将不再回收，其中的电子元器件及电池组件中的有害金属会对周围海洋生态环境造成严重破坏。目前，已有约12000个报废Argo浮标位于海底，并且每年仍有近1000个报废Argo浮标被丢弃到海洋中，势必会对海洋生态环境造成不可挽回的破坏。因此，面对Argo浮标在低功耗运行和有效回收两方面的需求，亟待提出一种对应的解决方案，通过对Argo浮标长航时能耗优化与寿命预估，保障Argo全球海洋观测网的稳定运行与绿色发展。

发明内容

本发明为解决Argo浮标在低功耗运行和有效回收等方面的需求，提出一种Argo浮标长航时能耗优化与寿命预估方法，以有效延长Argo浮标的使用寿命，降低海洋观测成本。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种Argo浮标长航时能耗优化与寿命预估方法，包括以下步骤：

步骤A、对Argo浮标剖面运动历史能耗数据预处理，分析Argo浮标能耗特征；

步骤B、基于灵敏度分析和遗传算法对Argo浮标进行能耗优化，包括：

步骤B1、灵敏度分析：建立Argo浮标运动学模型和动力学模型；基于运动学和动力学模型，计算Argo浮标各子系统单剖面能耗，建立Argo浮标单剖面能耗模型；验证Argo浮标单剖面能耗模型的准确性；确定进行灵敏度分析的参数，开展灵敏度分析；

步骤B2、Argo浮标整体能耗优化：根据灵敏度分析结果，选择进行后续优化改进的高灵敏度系数参数作为设计变量，并设定设计变量的取值范围，以单剖面能耗最低为优化目标，基于遗传算法实现Argo浮标整体能耗优化，得到Argo浮标单剖面能耗最优解；

步骤C、建立Argo浮标能耗预测机制，利用BMS实时监测Argo浮标电池剩余电量，结合实时预测的剖面运动能耗，对Argo浮标寿命预估，实现对Argo观测阵列中报废Argo浮标的回收以及浮标的及时补放。

进一步的，所述步骤A包括以下步骤：