基于Python方法对平台实测横摇数据时频的研究

2020-07-04 195 上传者：管理员

摘要：本文利用快速傅里叶变换（FFT）方法，将我国某海域平台的实测横摇数据转换为频域数据。本文采用连续三天的横摇运动数据进行频域分析，并考虑了波、流和风在时域的影响。结果表明，风速对波高和波周期有较大影响。随着风速减小，波高减小，波周期也减小。该平台的横摇角度介于-0.015°和0.015°之间。横摇运动的主要频率在0.025～0.035Hz和0.1～0.135Hz之间。结合以上内容，风、浪、流对平台的横摇运动影响较大。当风和流的速度以及波浪幅值增大时，平台的横摇运动也随之增大。

关键词：
python
傅里叶变换
工程数学
时频分析
横摇
监测数据
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引言

随着海洋开发的不断深入，网箱、浮式平台、海洋平台等海洋工程结构物的应用日益广泛，有必要对已建成的生产设施进行总体性能监测和分析，通过对海洋平台运动的测量和分析，获得实际海上生产设施的运动特性，进而对相关海上生产设施的设计提供支持。横摇是海上生产设施的主要运动之一，其对生产作业的安全性、作业人员的舒适性均具有较大影响，是生产设施监测的主要内容之一。本文以我国某海上生产设施的实测横摇运动资料为基础，分别对该海域的时间域和频率域进行了分析。快速傅里叶变换用于将时域数据转换为频域数据。得到了实测横摇运动数据的时域特征（如最大值、最小值、平均值）和频域特征，绘制了平台横摇运动的风、浪、流的时域曲线和频域曲线。文中还考虑了波浪、水流和风的影响。

1、基础理论

快速傅里叶变换是一种高效的离散傅里叶变换算法，它是根据离散傅里叶变换的奇、偶、虚、实等特点，对离散傅里叶变换算法进行改进而得到的。有些信号在时间域很难看到，但在频率域变化后很容易看到。

每个k值有4n次乘法器和（4n-2）个实数相加，4n*n次乘法器和（4n-2)*n个实数相加。DFT方程可写为

公式1

式中，旋转系数WNnk可计算为

公式2

为了改进离散傅里叶变换算法，降低其计算复杂度，利用离散傅里叶变换的周期性和对称性，对整个离散傅里叶变换进行了一系列迭代运算，大大提高了计算过程和计算复杂度。这是FFT的基本思想，公式可以修改为

公式3

本文利用快速傅里叶变换（FFT）将我国某海域的风场实测数据转换成频域数据。风场数据连续测量三天，进行时间和频域分析。

2、结果与讨论

风的时域测量数据如图1所示。

图1原始风数据

图1中给出了作业区3天内的实测风速及风向的时域分布曲线。从中可看出在三天周期内，风速变化区间较大，呈现出四个较为明显的变化周期，分别是0～18时，18～36时，36～55时，5～72时。风向的变化基本符合正态分布，相对比较稳定。

波的时域测量数据如图2所示。

图2原始海浪数据

(a）原始浪高（b）原始海浪周期

从图2中给出的作业区3天内的实测波高与周期的时域分布曲线可以看出，在三天周期内，波高的分布与风速呈现出较大的相关性，伴随着风速由0～30h左右的较高情况，波高也表现为约2.3m左右的较大波高情况。由30～46h左右，风速出现了线性减弱，从12m/s低到了6m/s左右。与之相伴行，波高也由2.8m线性降低到1.4m左右。作业区总体的波浪周期稳定。

海流的时域测量数据如图3所示。

图3原始海流数据

(a）原始流速（b）原始流向

图3中给出了作业区3天内的实测流速与流向的时域分布曲线，从中可以看出，在三天周期内，流速的分布相对稳定，在个别时段有突变值。流向分布无明显规律，经分析，与相关传感器的安装位置有关，表层波浪水质点的循环运动对流向有一定影响。

基于上述实测数据，基于统计分析方法，对该生产设施所在海域的风、浪、流的实测数据进行统计分析，得到各个环境因素的特征数据如下：风速范围为4～13m/s，风速均值为8m/s。风向基本集中在50°～100°之间，符合整体分布；波高分布范围在1～3m之间，平均波高为1.5m，波周期稳定，基本集中在4.5～6.5s。从图1和图2可以清楚地看出，风速对波高和波周期有很大的影响。随着风速的减小，波高减小，波周期也减小；流速分布范围在0～0.5m/s之间，平均风速为0.25m/s，由于风浪的影响，有时流速较大。

海上平台横摇运动的FFT如图4所示。

图4横摇运动的FFT变换

从图4可以看出，该生产设施幅频响应曲线表现为比较明显的多峰形态，峰值频率主要出现在0.025～0.035Hz和0.1～0.135Hz之间，其所对应的横摇幅值最大值均为0.015°。根据幅频响应曲线的定义，可得出基本结论：该生产设施在此次实测的3天时间内，其横摇运动的幅值不超过0.015°。在此次测量时段内，该平台的横摇运动角度在-0.015°和0.015°之间。结合以上内容，风、浪、流对平台的横摇运动影响较大。当风、浪的幅值增大时，平台的横摇运动也随之增大。

3、结语

通过对我国某海洋平台连续三天的横摇运动数据进行时频分析和相关分析。分析中考虑了波、流和风在时域的影响。结果表明，风速对波高和波周期有较大影响。随着风速的减小，波高减小，波周期也减小。此次测量时段内该平台的横摇角度介于-0.015°和0.015°之间。横摇运动的主要频率在0.025～0.035Hz和0.1～0.135Hz之间。此次短期监测的结果显示：内容，风、浪、流对平台的横摇运动影响较大。当风、浪、流的速度增大时，平台的横摇运动也随之增大。

参考文献：

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基金:海洋深水油气田开发工程技术(2016ZX05028-002)