基于PLC的海洋环境仿真控制系统本科生毕业设计论文 精品Word文档格式.docx
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1.2本课题研究的目的和意义
1.2.1海洋环境研究的重要性
随着社会的发展和进步以及世界人口的急剧增加,陆地资源正日趋贫化和枯竭。
丰富的海底矿产资源将成为人类可持续发展的重要物质基础,许多国家已经把开发利用海洋资源作为基本国策。
与此同时海洋的鱼类资源、海洋风暴以及海浪等许多的海洋气象都对我们人类的发展有着重要的意义。
图1.1矿藏丰富的海洋
据我国国土资源部发布的《全国矿产资源规划(2008至2015年)》[4]说,中国经济社会发展对矿产资源的需求持续快速增长,矿产资源保障程度总体不足,中国正成为一个能源消费大国。
据预测,如不加强勘查,到2020年,在中国45种主要矿产中,有19种矿产将出现不同程度的短缺,其中11种为国民经济支柱性矿产,我国矿产资源的对外依存度将上升到60%,资源紧缺将严重制约中国经济的快速、可持续发展。
所以,走向大洋,在深海开辟新资源,是中国一项重大的海洋发展战略[3]。
海洋研究开发不只是关系到一个国家的资源战略问题,而且与国家的安全息息相关,这个安全涵盖一个国家的政治、经济权益。
位于国家管辖海域之外的国际海底区域,面积约为2.517亿平方公罩,约占地球表面积的49%,根据《联合国海洋法公约》的规定,这一区域及其蕴藏的丰富资源是全人类共同继承的财产,由国际海底管理局代表全人类进行管理和协调。
但从20世纪60年代起,国际海底资源开发的实际“游戏规则’’就是捷足先登,谁投资谁占有,谁开发谁受益。
只要有能力有实力,开发就有优先权。
一些发达国家利用自己资金、技术上的优势,竞相开始争夺国际海底资源。
因此,我国也必须通过积极参与深海海洋环境的研究,为我国深海资源的探索和海洋和环境的保护提供有力的支持。
打破西方国家对“人类共同继承财产”的垄断,促进国际海底资源开发制度建立的公正性和合理性,维护我国开发国际海底资源的应有权益。
1.2.2研究的目的和意义
生命起源于海洋,人类繁衍于陆地。
今天,面对陆地资源短缺的压力,人类又把目光转向海洋,提出了“重返海洋”、“21世纪是海洋世纪”的说法。
因此海洋的探索是我们人类亘古以今从没有间断过的研究[4]。
然而在短期内,人类乘坐潜水器潜入深海还不太现实。
因为在海洋中,每下潜100米就增加10个大气压,几毫米厚的钢板在1万米洋底就像大气中的鸡蛋壳一样易碎。
为了克服这些障碍,从事深海探测的大部分科学家都已从有人驾驶潜水器转向机器人潜水器的研究。
现在,称为“遥控潜水器”(ROV)的有绳潜水探测器和小型的计算机控制蓄电池驱动潜水器(AUV)可以由任何合适的船只操纵。
另一种可能解决的方案是开发出能取代适于海洋最深处压力的船壳。
而对于潜水器的浮力材料,不仅要求它能承受住巨大的压力,而且要求它的渗水率极低,以保证其密度不变,否则机器人就会沉入海底。
在高压环境下,耐高水压的动态密封结构和技术也是水下机器人的一项关键技术。
机器人上任何一个密封的电气设备、连接缆线和插件都不能有丝毫渗漏,否则会导致整个部件甚至整个电控系统的毁灭。
所以传统的海洋探索都必须要进行实际的勘测与研究。
目前许多深海作业都需要人员携带大量的仪器在海上进行,常规的海上作业经费高、周期长、风险大,这样不仅是人力、物力的浪费,而且更为重要的是往往要面临着许多的困难和危险。
图1.2危险而神秘的海洋
于是人们往往求助于仿真技术和虚拟现实技术来解决这些问题,进行真实海洋环境的仿真研究。
采用虚拟现实技术实时显示真实海洋环境,进行虚拟海洋环境仿真系统的研究,已经成为当前视景仿真技术的重要研究方向之一。
在实验室构建一个海洋环境仿真模拟系统便可以通过设定控制不同的参数对深海环境进行研究。
由于海洋受到海上结构物、风力、地震、气候等多个因素作用,模拟复杂多变的海洋环境可以大大降低开发费用,缩短开发周期、保证工程的顺利进行。
在海洋环境系统研究中,有了虚拟海洋环境的帮助,人们就不再需要深海作业或者实际观测等手段来获取资料,这样不但降低了实验成本而且提高了资料的精确性。
因此一个实时性强且丰富、逼真的虚拟海面场景对于我们研究海洋风暴的形成、鱼类资源,了解海洋生态结构以及各种矿产资源的探索和开发有着重要意义。
1.2.3海洋环境仿真系统的构成
海洋环境仿真控制系统是在实验室中构建一个虚拟的控制系统境。
系统主要由PH值调节子系统、温度调节子系统及溶解氧调节子系统构成。
通过进行海水的配置,调节海水盐度、温度、PH值及溶解氧等参数至设定值从而构建一个仿真的深海环境。
图1.3系统结构示意图
图1.2是系统的结构示意图。
利用海水调节容器中的加热和冷却装置来调节海水温度,并进行搅拌;
通过加入高浓度盐水或者蒸馏水调节盐度;
通过控制酸水或者碱水从而控制其PH值;
最后利用氧气泵调节溶解氧的含量。
通过对这些参数的设定与调节使其模拟出一个逼真的海洋环境,为我们的科学研究提供支持。
1.3国内外发展及研究概况
1.3.1国内外对海洋的探索
人类最初对海洋的开发是由于渔业而产生的,但是自从英国人在海底发现第一块锰结核之后,人类对海洋的工业化的开发就开始了。
高科技的诞生不仅改变了传统的捕鱼方式,也加速了人类对海洋各种资源的开发。
日本在海洋探索方面走在了各国的前列。
比如“海沟”号无人驾驶深海探测器,曾在1995年潜入世界最深的马里亚纳海沟,潜深达到10911米。
但不幸的是,“海沟”号最终却在日本沿海失踪了[5]。
大海正以自己特有的魅力召唤着人类。
“海沟”号的失踪并不能阻止人类进行深海探测,正像“哥伦比亚”号失事不能阻止人类的航天事业一样。
今天的人类正面临着人口、资源和环境三大难题。
随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加,人类消耗的自然资源越来越多,陆地上的资源正日益减少。
为了生存和发展,人们必须寻找新的物质来源,海洋应当是首选。
因此一些科学家认为,深海给人类带来的利益要比那些耗资庞大的太空计划实惠得多。
此外,深海生物新物种的发现,在探索生命起源方面具有重大意义:
1.发现地下生物圈[4-5]
1977年,美国的“阿尔宾”号潜水考察船最早在太平洋上的加拉帕戈斯岛附近2500米深的海底发现了热水(温度高达90℃)喷出孔周围存在着“热水喷出孔生物群落”[5]。
以此为契机,1984年,日本海洋科学技术中心使用“深海2000”号在距东京不远的相模滩1200米海底深处也发现了热水喷出孔生物群落,其中有在壳质形成的栖管内生活的虫类以及蜗牛、贝纲、甲壳纲、多毛纲、海葵目等的多种生物。
据研究,这些动物不依赖光合作用,而把从地球内部喷出的硫化氢和甲烷等还原性低分子化合物作为初级能源,依靠由以硫酸化细菌、甲烷化细菌等为主的化学合成细菌构成的食物网供应能源。
不仅如此,在相模滩及日本列岛附近的日本海沟及南海海沟等处,还发现了“冷水涌出带生物群落”。
它们同样是通过化学合成而诞生的生物群落。
到目前为止,在日本列岛周围海底,已经发现了18处冷水涌出带生物群落和13处热水喷出孔生物群落。
自从发现了存在于海底的热水喷出孔生物群落之后,各国科学家竞相在太平洋、印度洋和大西洋等海域寻找深海生物。
结果发现,这种热水喷出孔生物大多生存在地质构造上是活动着的海岭的两侧。
而且,它们之间还有某种共同之处。
在考虑到海底扩大的不连贯性和海底扩大的历史过程等因素的基础上,科学家对热水喷出孔生物群落的生物地理学特征进行了比较,结果提出如下假说:
“生活在大西洋的热水喷出孔生物群落里的生物是从东太平洋派生出来的,而最有可能的传播路线可能就是东南印度洋海岭和西南印度洋海岭。
”
2000年8月,日本海洋科学技术中心使用深海考察船“海岭”号又在印度洋的中央海岭、东南海岭和西南海岭的交接处(南纬25°
19′10〃、东经70°
2′24〃,水深2420米)发现了热水喷出孔生物群落,共有20多种生物,其中许多都是第一次发现。
这表明,即使在深海海底那样的极限环境里,也存在着多样性的生物世界。
科学家们设想:
地球诞生初期的微生物有可能不受外界干扰而照原样生存下来;
既然海底地壳下这样严酷的环境中还有生物生存,那么,在火星等星球上也会有生命存在;
如果热水喷出孔生物是适应地球诞生初期高温环境的生物的话,那么,这就有可能使我们解开地球生命起源的奥秘。
2.进一步探索地球生命的起源[4-5]
海底堆积着各种各样的物质层,保存着有关地球的各种历史资料,由此也可以了解地球气候的变化过程。
根据迄今为止的研究,80万年来,地球上曾经有过多次超过现在的高温(40℃)和寒冷(-40℃)的时代。
而从1万年前开始到现在,地球在气温上处于“异常的稳定期”。
更有意义的是,上述谈到的“地下生物圈”,正是探索生命起源的绝好场所。
把它与地球外行星上的生命现象进行比较,将加深人类对生命、对自身的了解。
为了进一步探索地球生命的起源,日本已在2003年起,与美国联合实施“统一国际深海地球勘探计划(IODP)”。
为此,日本建造了“地球”号地球深部勘探船,并于今年1月在三井造船公司冈山公司厂举行了“进水式”。
这条船长210米,宽38米,高116米,深16.2米,吃水9.6米,排水量约6万吨,船员150名,能够从海底向下钻探达到5公里~7公里(这是地壳到地幔的最短距离)处的地幔。
为了实施这一国际性研究活动,世界海洋科学技术中心设立了“深海生物风险中心”,开发了“深海微生物实验系统”,其中包括地壳岩芯标本的防止微生物污染技术、地壳岩芯及岩石标本的微生物解析法、微生物分离法和培养法等技术。
人们对这个计划寄予了极大期望,期待着能够在揭开生命起源之谜等方面获得进展。
1.3.2本课题的发展概况
为了更好、更方便的的对海洋环境进行开发和研究,各国加大了对虚拟的海洋环境系统的投入与建设。
系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。
仿真(Simulation)就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程[7]。
最初,仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域,后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门,并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。
可以说,现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统,特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段[9]。
其应用范围在不断扩大,应用效益也日益显著。
然而,之前构建的虚拟的海洋环境系统都是建立在各种各样的复杂的机械设备基础之上,而且还需要实验人员的随时监控与调节。
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