围栏养殖平台振动实时监测系统设计与试验

邓浩然，崔 勇，关长涛，于方杰

(1 中国海洋大学信息科学与工程学部，海洋技术学院，山东 青岛 266100；2 中国水产科学研究院黄海水产研究所，农业农村部海洋渔业可持续发展重点试验室,山东 青岛 266071)

振动现象普遍存在于自然界，但在海洋工程项目中，受环境侵蚀长期影响，频繁振动往往会致使工程结构材料疲劳从而导致形变影响结构安全[1-2]。为确保结构安全，海洋工程结构振动监测必不可少[3-4]。随着人们对海产品需求的不断提高，深远海围栏养殖业、深远海网箱养殖业等海洋养殖产业迅猛发展[5-8]。大型管桩围栏养殖是近年来兴起的离岸养殖重要模式之一，其具有养殖水体大、鱼类活动空间大、养殖环境更近自然和养殖鱼类品质更近生态等特点[9-12]。目前，围栏结构设计和工程技术尚不成熟，其安全性评估缺乏相关依据，对应有效的安全监测手段也尚属空白[13-15]。传统海洋平台振动监测一般采用单轴振动传感器进行数据采集，并采用人工辅助布设导线的方式进行数据传输，需要专业的振动数据采集设备以及人员参与，这种数据采集方式极不方便且成本高昂[16-18]。同时单轴振动数据无法具体反映围栏结构在复杂海况下的空间振动，因此，传统的海洋平台振动监测方法对于围栏养殖平台振动监测并不适用[19-20]。

针对以上现状，研发了围栏养殖平台振动实时监测系统。该系统通过嵌入式微处理器主板控制数字型三轴加速度计进行围栏三轴加速度数据采集，利用4G通信装置进行采集数据的实时传输。

1 监测系统架构设计

围栏养殖平台振动实时监测系统架构如图1所示，监测系统包括监测设备和监控软件，其中单个监测设备由数据采集与传输以及电源模块组成。在监测网络中每个监测设备作为一个独立监测节点，基于TCP通信协议进行数据传输。

图1 监测架构图

在实际监测过程中，为确保所采集监测数据真实反映柱体结构振动，监测设备部署时，需确保监测设备与柱体结构之间形成刚性连接。监测设备部署完毕后在电源模块的支持下，监测设备将会拥有市电以及锂电池两种供电模式，以确保在受限制海洋环境下长时间序列的工作能力。最后用户可通过浏览器进入监测终端，在监测终端可对监测设备所采集三轴加速度数据进行实时可视化以及下载与后续分析。

2 监测设备设计

2.1 监测设备整体设计

监测设备如图2所示，整体由数据采集与传输模块以及电源模块组成。其外壳采用抗盐雾、耐腐蚀适合于海洋工业的IP68级的水密盒子集成封装。

图2 监测设备照片

2.2 数据采集与传输模块

数据采集模块和传输模块由三轴加速度计、嵌入式微处理器主板以及4G通信装置三部分组成，三部分之间采用RS-485串口总线进行连接。

三轴加速度计采用型号为RION AFK392的单晶硅电容式传感器，其由一片经过微机械处理的硅芯片、用于信号调整的低功率ASIC、用于存储补偿值的微处理器及温度传感器组成。该加速度计基于MEMS技术进行三轴加速度数据采集并利用RS232/RS485等主流数字接口进行输出；采样频率为5～1 000 Hz；量程可达±8G。

通信装置采用4G-DTU，支持多种网络制式下的网络透传功能。4G网络透传模式如图3所示。在此模式下用户的串口数据，可以通过通信装置发送到网络上指定的服务器。同时也可以接收来自服务器的监控指令数据，并下发至用户指定设备的串口。在网络透传模式下可以简单、快捷地实现数据采集节点与监控软件之间的双向数据通信[20-22]。

图3 网络透传模式示意图

采用搭载STM32F407高性能处理芯片主板作为嵌入式微处理器主板。该芯片基于ARM Cortex-M4内核架构，具有高性能、低功耗等优势特点。主板上集成多个RS-485串口总线接口以及电压转换模块，可以稳定地控制数据在串口之间传递，并将电源模块提供电压转换成各模块所需电压。根据香农采样定理以及振动频率特点，只有当采样频率是被测物体固有频率2倍才能有效反应其频率特点[23-24]，这表明振动数据采样是一个相对高频的过程。过高频率数据传输会导致采样数据丢失，通信时延也会使数据失去实时性。为解决高频振动采样下的数据高频传输问题，本研究利用微处理器主板中主控芯片缓存数据，只有当数据达到指定采样频率，主板才进行自定义数据协议帧格式封装，最后传递给通信模块进行无线传输。通过上述流程，增大了单次数据传输字节，降低了数据传输频率。基于空间换时间的算法思想充分利用到4G通信高带宽的特点，提高了数据传输的有效性及实时性。

2.3 电源模块

受海洋环境条件所限，海洋平台中一般存在电源提供不稳定、电源线布设困难等难题[25]。为解决这一问题，本系统监测设备进行了灵活的电源模块设计。电源模块由太阳能板、24 V锂电池、市电转换器以及市电与太阳能互补充电控制器组成。数据采集与传输模块和电源模块之间采用直流电源线进行连接。监测设备供能来自市电与锂电池，太阳能板和市电为锂电池提供充电功能。市电与太阳能互补充电控制器则提供市电以及锂电池供电之间的切换和整个电路的充放电保护。通过使用上述电源模块提供了灵活且互补的电源供应能力。该电源模块在有稳定市电提供的情况下可以使用市电，没有市电的情况下也可采用锂电池和太阳能的组合，确保了监测设备在受环境限制的围栏养殖平台上的长期工作能力。

3 监测软件设计

监测软件实现对监测设备所采集振动数据的实时接收、可视化及存储。现有主流监测软件开发架构有浏览器/服务器(B/S)，客户端/服务端(C/S)[26-27]。其中B/S架构，客户端支持通过浏览器多端访问，从而被广泛应用在物联网监测上位机的开发应用中，但由于数据的存储全部依赖云服务器，对云服务器的存储资源有较大要求。与之相比C/S架构可大量使用缓存而具有更好的性能与流畅性，目前仍被广泛使用，但其需要单独安装客户端，且客户端需要长期在线，难以做到实时接收与存储效果[28-30]。

针对以上现状，为满足对监测设备所采集围栏三轴加速度数据的实时接收、可视化及存储需求，本研究基于B/S架构进行监测软件的开发。技术选型采用Vue+SpringBoot的前后端框架，并采用Mysql数据库进行数据存储，Mybatis作为数据库和后端之间的映射。其主要设计思路为，后端开发Web服务端和数据接收服务端，Web服务端处理用户在浏览器进行的相关操作逻辑。数据接收服务端即是一个TCP-Sever监听监测设备中设定的服务端Ip和端口号，在和监测设备建立连接并接收到监测设备传输来的数据后，数据接收服务端会将数据进行解析并存储至数据库然后推送到Web端进行实时可视化。大容量振动数据的实时存储能力由Mybatis以及Mysql支持事务的特点提供。最后为降低对服务端存储资源的要求，Mysql数据库布设在单独的存储资源充足的云服务器之上，与服务端之间进行远程调用从而完成云数据库的搭建。

4 现场监测试验及数据分析

4.1 试验场地及监测设备布置概况

大型管桩围栏养殖平台位于山东省烟台市莱州湾，其中心点坐标：(37°30′13.60″N，120°03′11.30″E)，整体由柱桩以及柔性网衣所组成，结构之间形成一个完整环形(面积12 661，水体156 996 m3)。采用两台监测设备布设两个监测节点，于2020年11月05日零时至2020年11月09日零时进行了一次为期4 d的海上现场试验。两台监测设备采用悬挂式固定在围栏结构之上，其中监测节点1朝向开阔海域，监测节点2面向海岸(图4)。

图4 海上现场试验设备布置概况

本次试验采用锂电池和太阳能的组合供电，为控制功耗将监测设备采样频率设定为10 Hz，每采样10 min后休眠10 min。监测设备的固定方式采用不锈钢抱箍固定在围栏之上，使监测设备与围栏之间形成刚性连接。本次试验共采集4 d数据，各监测节点每日采样数据总数记录见表1。

表1 每日采样数据总数记录

4.2 监测数据时序分析

从图4可知，监测设备采用悬挂式布放在围栏结构之上，三轴加速度计Y轴承受重力加速度影响，在做数据分析时需要进行预处理，将重力加速度施加给Z轴。

如图5所示，对完整4 d(2020年11月05日零时至2020年11月09日零时)进行预处理过后的围栏加速度数据进行时域可视化。振动产生时监测节点1与监测节点2处所采集到三轴加速度均有数值且表现出了明显的空间与时间差异。结合图5从监测节点所处位置可知，监测节点1面向开阔海域更易受海面情况影响从而产生振动。11月05和11月06的振动数值也直观表现出这一特点，在这两天监测节点2处产生的振动数值均较小，而监测节点1处各轴都产生了接近0.5G加速度的频繁振动，且振动产生时间大多在夜间。其原因可能是这两天夜间海况较差，监测节点1处围栏结构频繁受到海况影响从而产生空间振动。

图5 振动监测时序图

与前两日相比，11月07与11月08这两日，监测节点1与监测节点2处所采集的振动数值均表现出振动规律接近、振动数值小的特点。

由此可见，因为振动数值具有明显空间与时间差异，养殖围栏不同区域其材料结构疲劳程度也会具有对应差异，对其结构维护、安全性保障需要综合考虑这一特点。

4.3 监测数据频谱分析

功率谱密度是结构在随机动态载荷激励下响应的统计结果，是一条功率谱密度值-频率值的关系曲线,能有效反映随机振动其频率特点[31-33]。振动监测功率谱密度如图6所示。

图6 振动监测功率谱密度图

为降低功率谱能量泄露，常采用Welch方法进行功率谱密度分析[34]。Welch方法是一种修正周期图功率谱密度估计方法，它通过指定窗函数对数据进行加窗函数处理，从而降低信号中的旁瓣效应减少功率谱能量泄漏[35]。围栏养殖平台振动属于典型随机振动，按照Welch方法可以有效分析其振动频率特点。本研究按Welch方法选择“汉宁窗”作为窗函数进行功率谱密度分析。如图6所示，监测节点1和监测节点2所采集数据振动主频接近且PSD数值差异明显。

表2中给出了具体振动主频参数，除监测节点2的Y轴振动主频为2.14 Hz外，其余监测节点的各轴振动主频均分布在4 Hz左右，这表明莱州湾大型养殖围栏其围栏结构振动频率是4 Hz左右的低频空间振动。

表2 振动主频表

5 结论

研发了围栏养殖平台振动实时监测系统，克服了传统海洋平台振动监测方法导线布设烦琐、监测振动数据轴向单一无法反映复杂海况下围栏空间振动特点等局限性。通过莱州湾大型养殖围栏海上试验验证了系统的有效性，并初步揭示了试验监测对象基本振动规律及特点。其振动主频约为4 Hz，不同监测节点在振动数值上表现出了明显的空间与时间差异，面向开阔海域的监测节点对比面向海岸的监测节点表现出持续时间更长且数值更明显的振动，表明围栏结构振动易受海况影响。研发的监测系统具有较高的实用性，可为其他安全监测领域系统设计提供参考。

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