具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明提供了一种基于垂荡加速度的半潜式海洋平台垂荡运动参量预报方法，如图1所示，具体包括：

(1)在半潜式海洋平台垂荡运动中，基于线性势流理论，忽略附加质量和辐射阻尼的耦合影响，对半潜式海洋平台的垂荡加速度进行表征，确定垂荡加速度理论值。具体为：

在半潜式海洋平台垂荡运动中，基于线性势流理论，忽略附加质量和辐射阻尼的耦合影响，同时考虑在流体中受到的波浪力、回复力和辐射力的影响，将垂荡运动表示为：

式中，m代表半潜式海洋平台的质量，代表半潜式海洋平台的垂荡加速度，f_w(t)为半潜式海洋平台受到的波浪荷载，f_m(t)代表半潜式海洋平台受到的系泊力，f_s(t)代表半潜式海洋平台受到的回复力，f_r(t)代表半潜式海洋平台受到的辐射力。

其中，回复力f_s(t)表示为：

f_s(t)＝-c_zz_o(t)＝-ρgA_wz_o(t) (2)

式中，z_o(t)代表半潜式海洋平台的垂向位移；c_z是半潜式海洋平台在垂荡方向的回复刚度，与水线面面积A_w，流体密度ρ以及重力加速度g有关。

辐射力f_r(t)表示为：

式中，代表半潜式海洋平台垂荡方向的速度，m_∞和k_z是无限频率处的垂荡方向的附加质量和脉冲响应函数。

由式(1)-(3)，将半潜式海洋平台垂荡运动表示为：

式中，f₀(t)＝f_w(t)+f_m(t)；

则确定半潜式海洋平台垂荡加速度理论值表示为：

理论上，半潜式海洋平台的垂向加速度可以建模为一组谐波的叠加的形式，则由式(5)，将垂荡加速度理论值表征为：

式中，A_i、f_i和θ_i分别代表垂向加速度中第i个分量的幅值、频率和相位，u_n和v_n为使用普罗尼序列对半潜式海洋平台垂荡加速度理论值进行拟合时使用的参数。

因此，对于波浪作用下的半潜式海洋平台，本实施例中同时考虑了在流体中受到的波浪力、回复力和辐射力的影响，并基于线性势流理论，忽略垂荡运动中附加质量和辐射阻尼的耦合影响，建立了半潜式平台垂荡加速度的理论模型。

(2)在实际的半潜式海洋平台运行环境中，除了结构的运动外，由于复杂的海洋环境及机械运转会产生大量的噪声干扰，实测的垂荡加速度中还包含有大量的环境噪声和流体缓慢变化引起的效应。此外，受加速度传感器自身的限制，在测试中不可避免地会带来加速度传感器基线漂移带来的误差。因此，进一步考虑半潜式海洋平台垂荡运动实测海洋环境的噪声影响、环境缓慢变化引起的低频影响以及加速度传感器自身基线漂移误差引起的影响，引入噪声项、低频变化项、基线漂移误差项，确定垂荡加速度实测值为：

式中，n(t)代表噪声项，v(t)代表低频变化项，b代表基线漂移误差项。

因此，本实施例中对于波浪作用下的半潜式海洋平台的垂荡加速度响应，除了在波浪运动下的结构运动外，还考虑了由于海洋环境及机械运转带来的噪声项，以及由于潮差等效性引起的缓慢变化效应，同时也考虑了使用加速度传感器进行测试时不可避免地引入的基线漂移问题，相比于仅使用谐波的叠加对半潜式平台垂荡运动参量的表示，对垂荡加速度的表示方式更符合实际海洋环境中结构的运行状态。

(3)对垂荡加速度实测值中的垂荡加速度理论值项、噪声项、低频变化项、基线漂移误差项进行统一的普罗尼序列归一化表征，具体为：

引入普罗尼序列对式(7)垂荡加速度实测值中的噪声项、低频变化项、基线漂移误差项分别进行表征，即：

式中，其中，A_n、f_n、ξ_n和θ_n分别代表噪声项中各个成分的幅值、频率、阻尼和相位；

式中，其中，A_v、f_v、ξ_v和θ_v分别代表低频变化项中各个成分的幅值、频率、阻尼和相位；

b＝Ee^Ft (10)

式中，E和F为基线漂移误差项进行拟合时使用的参数；

由式(6)-(10)，将垂荡加速度实测值中的垂荡加速度理论值项、噪声项、低频变化项、基线漂移误差项进行统一的普罗尼序列表征，得到：

进一步对垂荡加速度实测值进行归一化表征：

式中，N_p＝N_i+N_n+N_v+1，P_p和Q_p为使用普罗尼序列对半潜式海洋平台的垂荡加速度进行归一化表征时使用的普罗尼序列参数。

因此，本实施例中基于普罗尼序列可以对直流信号、谐波信号、增幅(衰减)振荡信号进行拟合的优势，分别对垂荡加速度中的噪声成分，潮流变化等引起的缓慢变化以及加速度传感器引起的基线漂移误差项分别进行表征，从而将半潜式海洋平台的垂荡加速度归一化的表征为了普罗尼序列的形式。

(4)对归一化表征后的垂荡加速度进行漂移项去除，通过去除漂移项后剩余的普罗尼序列建立半潜式海洋平台垂荡加速度与垂荡运动参量之间的关系式，对半潜式海洋平台的垂荡运动参量进行估计，具体为：

根据计算出的普罗尼参数Q_p，确定归一化表征后的垂荡加速度各成分的频率，即：

对求解出的频率进行排序，并去除其中的极小频率成分(低频噪声以及加速度传感器带来的基线漂移)，即漂移项，则得到去除漂移项的归一化表征的垂荡加速度实测值为：

式中，和Q_q为使用普罗尼序列对去除漂移项的归一化表征的垂荡加速度实测值表征的普罗尼序列参数。

根据去除漂移项的归一化表征的垂荡加速度实测值，确定垂荡运动响应：

即垂荡加速度与垂荡运动参量之间的关系式为：

则将潜式海洋平台的真实垂荡运动参量表征为：

因此，本实施例中通过对归一化表征后的垂荡加速度进行漂移项去除，去除了其中会引起垂荡运动参量漂移的低频项成分，然后使用剩余的普罗尼序列建立了半潜式海洋平台垂荡加速度与垂荡运动参量之间的关系，克服了传统方法基于积分和滤波器的病态问题。

综上可知，本发明提供的基于垂荡加速度的半潜式平台垂荡运动参量预报方法，主要基于线性势流理论推导了结构垂荡方向上的运动方程，并通过普罗尼序列建立了半潜式海洋平台垂荡加速度与垂荡运动参量之间的数学关系。该方法首先对垂荡加速度中的噪声信号、潮差等引起的缓慢信号以及加速度传感器引起的基线漂移成分进行归一化的表征，然后通过频率筛选去除了其中引起漂移的低频项成分，从而去除了其中加速度传感器带来的基线漂移成分以及低频噪声，最后利用剩余的普罗尼序列通过推导半潜式平台垂荡加速度的普罗尼序列与垂荡运动响应之间的数学关系，建立了结构垂荡加速度与垂荡运动参量之间的关系。本发明方法不同于传统基于滤波器的方法，通过普罗尼序列建立了半潜式平台垂荡加速度与位移之间的转换关系，而未使用传统积分和滤波器对垂荡运动参量数据进行校正，具有更高的预报精度。同时，在本发明方法中充分考虑了多方面的因素影响，包括海洋环境影响及传感器硬件设施影响等，使得本发明方法更具有实际应用价值。

下面以半潜式海洋平台一具体试验实例对上述方法进行验证：

本例采用了放置于波浪水槽中的半潜式海洋平台的运动响应数据进行计算分析，测试中使用造波机造波，并使用加速度传感器对半潜式海洋平台的垂荡加速度响应进行记录。同时，为了验证转换结果的正确性，使用光学六自由度仪对结构的垂荡运动参量进行了记录。试验平台搭建如图2所示。测试中激光位移传感器和加速度传感器的采样频率均设置为50Hz。

本例对安装的加速度传感器记录的半潜式海洋平台的垂荡加速度进行分析，实验中测试得到的波浪作用下的平台垂荡加速度响应如图3(a)所示。同时，为了验证本发明方法通过对加速度分析后得到的垂荡运动参量的正确性，实验中使用了光学六自由度仪进行半潜式平台的垂荡运动参量记录，测试的垂荡运动参量如图3(b)所示。从图中可以看到，半潜式平台由静止开始运动，为了考虑初始速度和位移的影响，在之后的分析中，选择图3中30秒到180秒的信号进行分析。

在分析中，首先由公式(12)对垂荡加速度实测值中的垂荡加速度理论值项、噪声项、低频变化项、基线漂移误差项进行统一的普罗尼序列表征，表征结果与测试加速度如图4(a)所示，图4(b)对100秒到110秒的表征结果进行局部放大，可以看到使用普罗尼序列可以较好的表征测试加速度信号。然后使用公式(13)对普罗尼序列进行筛选，去除其中的低频成分，最终得到剩余的普罗尼序列，如公式(14)。最后，将剩余的普罗尼序列代入公式(15)求解得到对应于结构垂荡加速度的垂荡运动参量。

然后，通过使用经过筛选后滤除漂移项的普罗尼序列，可以重构半潜式平台的真实垂荡运动参量，转换的结果如图5(a)所示，图5(b)对100秒到110秒的重构结果进行局部放大，与上述测试结果对比可知，可以看到使用剩余的普罗尼序列与光学六自由度仪测试的半潜式平台的垂荡运动参量具有较好的一致性，这也证明了本发明方法的正确性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。