改进天牛群搜索算法及其在船舶纵摇运动预测中的应用

【目的】针对天牛群搜索算法易陷入局部最优及搜索精度较低等缺陷,提出一种基于二阶振荡自适应变异的天牛群搜索算法。【方法】该算法引入二阶振荡环节增加算法的全局探索能力和局部开发能力。采用正余弦搜索思想对天牛个体进行位置更新,使得天牛个体可充分的利用自身与最优位置的差值信息逐渐趋近最优解。同时引入自适应t分布变异算子来增加种群的多样性,避免算法陷入局部最优。【结果与讨论】对高维单峰函数、高维多峰函数的仿真实验结果表明,改进的算法有效地提高其搜索精度、收敛速度及鲁棒性,克服其易陷入局部最优的缺陷。将改进天牛群算法应用于BP神经网络权值及阈值优化对船舶纵摇运动姿态进行预测,并于BP网络、BSO-BP网络及PSO-BP网络的预测结果进行比较,精度分别提升85.7%、74.6%和77.2%。改进天牛群搜索算法在实际工程应用中具有一定的优越性。     

基于FLC-DE的养殖水质多参数联合控制系统

【目的】构建基于FLC-DE的养殖水质多参数联合控制系统。【方法】采用并行模糊逻辑控制器对水质参数进行分散处理,易于提取模糊规则,产生合理的控制输出进行闭环控制,并采用差分算法对模糊逻辑控制器的控制规则进行优化。【结果】应用该多参数水质联控系统对某虾池的养殖水质进行调控,结果表明,溶解氧的控制精度在±0.25 mg/L以内,p H控制精度在±0.23以内,各项指标均达到养殖水质控制要求。【结论】与普通模糊控制系统相比,该多参数水质联控系统对养殖水体具有更好的调控效果。     

海面温度对南海台风强度的影响

【目的】分析海面温度(sea surface temperature,SST)对南海台风强度的影响。【方法】以南海为研究区域,以中国气象局热带气旋资料中心热带气旋最佳路径数据集为基础,利用Savitzky-Golay卷积平滑算法和多项式插值算法将台风数据进行插值,对强化值和SST值在南海区域的网格单元进行平均,建立模型并对其做回归分析,分析台风强度强化程度与SST模型之间的关系,以及检验模型残差的分布。通过数据提供的台风轨迹的增强率,来检验SST对台风强度变化的影响。【结果】建立台风强化值与SST之间的回归模式,平均而言,平均SST每增加1℃,台风强度强化度增加12.5%。该模型具有统计学意义,即台风高强度强化值与高海温值相关。【结论】本研究建立的统计模型对南海台风强度的预报有较好的指示效果。     

船载投料系统饲料颗粒流落点预测

【目的】为解决网箱养殖中使用船载投料系统的饲料颗粒流落点控制问题,提出一种用于实时分割饲料颗粒流轨迹并精确预测其落点的方法（MLBP）。【方法】考虑到输料管管内参数及饲料颗粒流出口参数获取难度较大,本研究采用高速相机获取饲料颗粒流轨迹图像,并利用提出的混合网络模型分割饲料颗粒流轨迹,以获取轨迹关键信息;为准确预测饲料颗粒流落点,利用BP神经网络的优势,将轨迹信息及投料口高度作为其输入,实现饲料颗粒流落点的预测。【结果】与相关研究方法对比,结合混合网络模型与BP神经网络的MLBP方法的系统单次运行时间降低95%,同时落点预测准确度达到96%,落点的平均误差范围与平均误差百分比也分别降低32.0%和30.5%。【结论】本研究提出的MLBP方法预测精度及实时性均能满足网箱投饵作业需求,可为相关研究提供参考。     

3种附属管排布方式对主管路水动力特性的影响

【目的】研究均匀流多管束干涉流动下圆柱受迫振动的水动力特性。【方法】基于SSTκ-ω模型,在亚临界雷诺数下(Re=1×10⁵)对多管束共振强迫的涡激振动问题进行二维数值模拟,比较与分析三种典型附属管排布方式对主管路流体动力学特征的影响。【结果与结论】采用模型3下的附属管排布方式可在较大范围的振幅比下(A_y/D=0.1~0.8)有效改善主管路水动力特性:1)有效降低主管路上平均升力系数的幅值;2)抑制在单管路系统中出现的脉动升力系数突变衰减。同时,由于多管束对流动产生干涉效应,主管路上表现的尾迹涡度随着振动幅度的增大而呈现出不同的模式。此外,功率谱密度分析发现,多管束系统相较于单圆柱系统,在频率比为1时,模型2与模型3的共振“锁定”状态得到改善。     

基于电动割胶机主结构的运动仿真与优化分析

【目的】为有效提取电动割胶机振动力学特征,提出了基于ADAMS软件的4GXJ-1型电动割胶机曲柄滑块机构虚拟模型的动力学仿真运动分析方法。【方法】应用ADAMS软件分析和验证了其主运动机构的设计缺陷,对该曲柄滑块机构的运动原理、运动副接触和配合方式、偏心件动不平衡等引起的电动割胶机振动原因进行了深入分析,找出了影响电动割胶机振动的主要因素,验证了运动副配合间隙对曲柄滑块机构的振动和受力变化有很大影响。【结论】完成了电动割胶机的结构优化设计,将曲柄滑块机构运动副改成线接触形式,通过结构对称设计使偏心轴的动不平衡量明显减小,使电动割胶机的整体性能得到较大提升。     

基于黏性流理论对平板受波浪冲击的两相流数值研究

【目的】研究波浪作用下位于水面上方的刚性平板所受冲击力特征,讨论数值计算结果与实验结果的差异。【方法】基于黏性流理论,采用有限体积(VOF)方法建立两相流数值波浪水槽模型,对潜堤地形上波浪传播变形和淹没水平圆柱在波浪作用下受力问题进行数值验证,对平板受波浪冲击作用进行数值模拟,通过平板下表面测点上点压力数值结果特征分析以及与前人实验数据对比,讨论结果差别原因,分析结果特征形成机理。【结果】潜堤地形上波浪传播变形的数值结果和前人实验数据吻合较好;对于波浪作用下平板的受力,相比前人实验数据,冲击力数值结果更大,且呈现出更稳定的周期性特征,沿波浪传播方向平板上的冲击力先增大后减小。【结论】建立的数值模型对波浪与结构物相互作用问题的模拟有高的精确性和稳定性。     

卡尔曼滤波在海洋浮标数据预处理中的应用

【目的】优化自动化数据预处理方法,以提高海洋浮标数据质量。【方法】结合海洋浮标数据特征,提出了一种改进的自适应卡尔曼滤波自动化数据预处理方法,该方法通过箱型图进行异常值的检测,并采用方差受限的方法解决测量噪声导致的滤波发散问题。【结果与结论】海上工程应用和仿真实验结果表明,改进的算法计算开销低且不影响浮标系统的正常采集和数据融合工作,浮标数据采集率达100%,云数据中心数据接收率达97%。浮标采集的原始数据经过异常值修正和滤波降噪处理后,数据曲线更为平滑且符合随时间序列变化的规律,数据预处理效果良好。     

室内用户语义位置预测研究

位置预测技术可以提前预知用户下一时刻的位置,在基于位置的服务（Location-based Service,LBS）领域中发挥着极其重要的作用。现有的位置预测技术大多仅使用用户的地理轨迹,仅使用地理轨迹挖掘出来的用户移动模式易受地理特性的限制缺乏深层次的语义信息。本文基于某商场群体用户的室内轨迹数据和语义信息预测用户下一个时刻语义位置。语义位置预测包括停留区域识别、停留区域语义匹配、语义位置建模。在停留区域识别阶段,为减少室内停留时间不固定对停留区域识别的影响,本研究提出了一种新型的时空凝聚层次聚类算法（Spatial-Temporal Agglomerative Nesting, ST-AGNES),该算法具有思想简单、超参数少、自动生成聚类个数等优点。在语义匹配阶段,引入了吸引度规则,充分利用停留区域所有轨迹点与室内高密度的商铺名称信息做匹配。最后,采用长短型记忆神经网络模型（Long Short-Term Memory,LSTM）挖掘群体用户的语义位置模式并预测用户未来的语义位置,实验预测正确率达到61.3%。     

基于气候和环境因子的近海鲐鱼资源评估

【目的】研究环境与气候因子对鲐鱼的生长、繁殖和补充的影响。【方法】根据我国东、黄海鲐鱼灯光围网渔业捕获量、捕捞努力量建立剩余产量模型,尝试用6月产卵场(127°30′E、29°30′N)的平均海表温(SST)、Nino 3.4区海表温度距平值(Nino-SSTA)、太平洋中高纬年代际振荡(PDO)和南方涛动指数(SOI)4个因子对剩余产量模型进行优化,分析SST、Nino-SSTA、PDO和SOI对东、黄海鲐鱼资源量和最大可持续产量的影响。【结果】经过Pearson相关性分析,发现PDO对CPUE残差无影响,对SST、Nino-SSTA和SOI有影响。选取相关性较高的SST、Nino-SSTA对模型进行优化,发现优化后的模型对鲐鱼渔获量的拟合效果比优化前显著增强。【结论】6月份产卵场SST、Nino 3.4区海表温度距平值对鲐鱼资源变化有明显的影响,建议在渔业管理中应根据各年环境因子的情况确定最大可持续产量,合理制定管理策略。     

基于欧拉迭代模型预测的欠驱动水面船舶路径跟踪控制

【目的】解决具有外部受风流干扰和舵角输入受约束的欠驱动船舶路径跟踪问题。【方法】采用基于欧拉迭代的模型预测控制算法(MPC)对欠驱动船舶路径跟踪进行控制。【结果】MPC能够灵活地处理舵角输入受约束问题,欧拉迭代法离散和预测船舶未来状态可以简化MPC设计的运算。为弥补欧拉迭代法在精度上的不足,直接以分离型船舶模型(MMG)作为MPC的预测模型。应用径向基函数(RBF)神经网络历史信息训练实现对外界风流干扰的逼近及补偿。【结论】所设计的控制器可以使船舶在考虑风流干扰和舵角约束的情况下准确地跟踪上设定的路径,所提控制算法的有效性得到验证。     

光及补料条件对室内管道光反应器中三角褐指藻生长和岩藻黄素积累的影响

【目的】制备富含岩藻黄素的三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)生物质。【方法】采用470 L室内管道光生物反应器系统,研究自养培养下光源、调光策略、补料培养操作条件对于细胞生长、生物量浓度和岩藻黄素积累的影响。【结果】在采用LED灯、梯度提升照度及重复补料半连续培养模式下,三角褐指藻细胞密度、生物量和岩藻黄素产率最高分别可达3.16×10⁷mL^-1、1.64 g/L和1.90 mg/(L·d),分别是日光灯为光源条件下的2.77倍、3.09倍和2.38倍(P<0.01)。【结论】在管道光生物反应器中获得的自养培养条件,可强化三角褐指藻生物量和岩藻黄素积累,为三角褐指藻积累岩藻黄素的室内可控规模化技术开发提供指导。     

船舶柴油机余热利用系统性能优化

【目的】研究提高船舶主机燃料的综合利用率。【方法】结合MAN 6S50ME型船舶柴油机的余热能量特性和循环热力过程特点,分别建立基本循环、缸套水预热循环和回热循环等三种船舶余热利用有机朗肯循环系统模型,对三种余热利用系统的热力性能与经济性能进行计算和分析。【结果与结论】在三种循环系统中,缸套水预热循环的综合性能更具优势,在循环压力为2000 kPa时,系统的综合性能达到最优,循环净功为555.35 kW,热效率可达18.27%,循环发电净收益提高39.64%。研究结果可为船舶柴油机余热利用系统的设计和优化提供一定的理论指导。     

基于活塞作用下的管内气流脉动特性

【目的】研究气流管路中活塞运动对气流的扰动机理,探讨机械能转化成脉动能的转化规律及效率。【方法】建立活塞对管内气流作用的物理与数学模型,运用数值模拟方法研究不同工况下的活塞运动对匀速气流的扰动特性,分析不同进口气流速度、活塞运动振幅及频率对匀速气流的扰动规律。【结果与结论】活塞往复运动能有效使管路内匀速气流产生脉动。管路内气流脉动振幅及频率不受其进口速度的影响。活塞运动振幅与气流脉动振幅呈线性关系,随着活塞振幅的增加脉动传导效率逐渐下降,脉动传导效率均在80%以上,效率最高可达99.20%。气流脉动与活塞运动同频率变化。     

波吉卵囊藻胞外滤液对铜绿微囊藻转录水平的影响

【目的】探索波吉卵囊藻胞外滤液对铜绿微囊藻的抑制机理。【方法】采用Illumina平台,对使用BG11培养基(对照组)和波吉卵囊藻胞外滤液(实验组)培养的铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)进行转录组测序,筛选差异表达基因并进行通路富集分析,并对部分差异表达基因进行qRT-PCR验证。【结果】与对照组相比,波吉卵囊藻胞外滤液处理后的铜绿微囊藻组中筛选1483个表达差异显著的基因,其中上调表达基因788个,下调表达基因695个。GO功能分析将差异基因划分为35个子类别,包括催化活性、结合、代谢过程、细胞过程、膜、膜部分等。KEGG通路分析中,所有差异基因聚集在108个通路,其中84个差异基因注释在代谢功能类别中,而氧化磷酸化通路富集最显著。氧化磷酸化通路中,相关基因表达以上调为主(26个DEGs,20个上调,6个下调)。qRT-PCR验证结果与转录组测序结果的表达变化趋势一致。【结论】波吉卵囊藻滤液引起铜绿微囊藻氧化磷酸化途径上基因表达上调,ATP合成效率提高。     

一株分离自红树林沙雷氏菌的鉴定及杀虫活性测定

【目的】为开发用于害虫生物防治的细菌杀虫剂,对分离自红树林的一株沙雷氏菌进行鉴定并初步测试其杀虫活性。【方法】采用形态特征比较、细菌理化特性测定和基于16S rDNA序列构建系统发育树对从湛江红树林根际分离的菌株ZJ9进行综合鉴定,采用喂毒法和注射法进行杀虫活性测定。【结果】该菌为黏质沙雷氏菌Serratia marcescens,对草地贪夜蛾3龄幼虫7d校正死亡率为80.21%,且与苏云金芽孢杆菌和隐地杆菌无显著差异,菌体及菌液对大蜡螟老熟幼虫血腔注射24 h死亡率均达100%。【结论】菌株ZJ9为黏质沙雷氏菌,对草地贪夜蛾具有很好杀虫活性,可用作害虫的生物防治资源。     

基于PCR和TOF-MS海洋源产脂肽芽孢杆菌筛选

【目的】准确高效分离红树林等海洋环境中产脂肽芽孢杆菌。【方法】将前期从红树林环境筛出具有抗菌活性的12株芽孢菌株作为研究菌株,采用溶血活性及排油作用对其中的可能产脂肽菌株进行初步筛选,并基于脂肽合成酶基因PCR扩增法对脂肽合成酶基因携带菌复筛,采用飞行时间质谱(TOF-MS)对所产脂肽进行鉴定。【结果】初步发现6株芽孢杆菌具有溶血活性,其中HY-5、HY-4和HN-9这3株具有排油能力,油层透明圈的直径分别为45、32和3 mm。PCR扩增检测到HY-5含有iturin、surfactin和bacillomycin D合成酶基因,HY-4含有iturin、surfactin合成酶基因,HN-9含有iturin合成酶基因。TOF-MS检测到HY-5和HY-4的发酵液含surfactin、iturin和bacillomycin 3种脂肽,HN-9的发酵液只含iturin。【结论】基于PCR与TOF-MS为核心的级联技术,建立一种海洋源脂肽产生菌快速筛选以及脂肽谱快速鉴定的方法,解决海洋源芽孢杆菌在常规培养基难合成脂肽造成的漏筛情况。     

薄层自流式光生物反应器研制及微藻培养效果评价

【目的】针对跑道池光生物反应器光照比表面积小、产率低、耗水量大等问题,设计一种新型薄层自流式光生物反应器。【方法】使用Solidworks软件进行三维建模设计,建立该新型反应器的微藻培养系统,并与跑道池光生物反应器进行微藻培养中试对比评价试验;建造一套薄层自流式反应器的微藻大规模培养系统,并以同株栅藻(Scenedesmus sp.)为培养藻种,进行4批次的培养试验,评价该反应器的微藻培养效果。【结果】所设计薄层自流式反应器光径减小,光照比表面积,藻液混合程度提高;中试试验结果表明,薄层自流式反应器中栅藻的生长速率明显高于同期跑道池光生物反应器,生物质浓度显著高于跑道池反应器,单位面积产率(每天单位占地面积的产量)升高13%,薄层式反应器的耗水量约低于跑道池反应器6倍。大规模培养试验表明,薄层自流式反应器的微藻生物质产率明显高于跑道池反应器,微藻生物质产率单日高达0.86 g·L^-1·d^-1,占地面积产率达43.5 g·m^-2·d^-1,最终生物质浓度达2.31 g·L^-1,远高于跑道池光生物反应器最高生物质质量浓度(约0.01~0.6 g·L^-1)。【结论】薄层自流式光生物反应器一定程度上克服了跑道池光生物反应器的缺点,收获微藻的生物质产率和浓度高。     

海洋软黏土大直径沉桩贯入挤土效应

【目的】研究海上沉桩贯入软土地基诱发的挤土效应。【方法】利用有限元大变形RITSS程序,通过大量的参数分析,对海洋地基桩基础贯入引起的挤土效应、土体破坏机理、周围土体的水平和隆起位移,以及挤土效应的影响范围展开系统研究。【结果】将数值模型与锥形桩(圆锥贯入仪)经典理论解进行比对,获得了较好的一致性。对大量数值仿真结果进行统计,获得在海洋地基中沉桩时土体的径向位移和垂直隆起高度的定量化描述,桩周土在1~3倍圆桩半径范围内最大水平位移为0.26R。【结论】提出关于水平位移和隆起高度的计算公式,能够预测沉桩对临近土体扰动的影响范围,能较为准确地评估多桩系统中沉桩对临近桩基础的影响。