基于替代变量的全局敏感性分析：一种带有共享系泊装置的浮动鱼笼阵列

《Ocean Engineering》：Surrogate-based global sensitivity analysis of a floating fish cage array with shared mooring

本文提出了一种创新的共享锚固系统用于远海鲑鱼养殖鱼箱阵列，通过代理模型和全局敏感性分析（GSA）研究设计参数与海洋电流方向对鱼箱偏移的影响。基于Kriging代理模型，显著提高了计算效率（效率提升80倍），验证了模型在预测鱼箱偏移中的准确性（R2>95%）。敏感性分析表明，锚固线直径对系统刚度影响最大，建议采用大直径锚固线；海洋电流方向中Y方向（横向）对偏移影响显著，推荐阵列布局与主要洋流方向垂直。研究结果为优化海上养殖设施设计提供了理论依据。

　　本研究探讨了如何通过引入一种基于代理模型的全局敏感性分析（GSA）框架，评估大型钢架养殖网箱在海上共享锚泊系统中的设计变量和最不利的洋流方向。随着全球气候变化对粮食安全和资源管理带来的挑战，传统的陆地农业和海洋渔业都在寻求更加高效和可控的生产方式。海洋水产养殖因其对土地的低使用需求和较低的淡水消耗，被视为一种重要的解决方案。现代水产养殖技术，如“Ocean Farm 1”项目，已在挪威成功部署，进一步推动了远程海上养殖的发展。为了进一步开发海洋空间，研究提出了共享锚泊系统，将多个半潜式养殖网箱组合在一个阵列中，以实现经济高效的收获。

然而，在收获季节，方向性洋流可能引发养殖网箱的水平位移，这不仅影响生产效率，还可能对关键基础设施，如进口电缆或补给管道造成威胁。为此，研究引入了一种可解释的代理模型辅助的Sobol全局敏感性分析框架，以识别关键的锚泊设计变量和最不利的洋流方向。该框架基于简化的数值计算方法，使用悬链线方程高效计算23条锚泊线的锚泊力。同时，还考虑了每个养殖网箱结构在船体和网片上的阻力。通过使用数值模型生成的训练数据，构建了Kriging代理模型以预测养殖网箱的偏移量。结果显示，代理模型的预测准确率约为95%，相比直接的全模拟方法，效率提升了80倍。

研究计算的Sobol指数揭示了导致所有可能锚泊配置下显著位移的洋流方向。进一步对这些指数的解读表明，增加锚泊线直径可以带来最大的刚度提升。这些见解为阵列方向和局部加固提供了设计建议。因此，提出的基于代理模型的Sobol GSA框架能够在海上共享锚泊系统的设计中实现快速且可解释的评估。

在全球范围内，海洋养殖面临着诸多挑战，如气候变暖、洋流变化、海浪和风力等环境因素。这些因素对养殖网箱的稳定性产生了深远影响，因此需要在设计过程中充分考虑。本研究的共享锚泊系统设计在挪威已有成功案例，如“Ocean Farm 1”项目，其采用的锚泊线材料和结构布局为后续研究提供了参考。同时，该设计也借鉴了浮动海上风电场的概念，通过减少对锚泊的依赖，降低了安装时间和成本。

为了评估设计和环境参数对养殖网箱偏移的影响，研究采用了全局敏感性分析方法。这种分析方法能够量化每个输入变量对输出结果的贡献，从而帮助设计者识别最敏感的参数。传统的敏感性分析方法通常采用蒙特卡洛模拟或准蒙特卡洛方法，但这些方法在多变量情况下计算成本较高。因此，研究采用了一种结合数值模拟和代理模型的混合方法，以提高计算效率。通过代理模型的构建，可以在减少计算量的同时，保持较高的预测精度。

在实际应用中，共享锚泊系统的设计需要考虑多个因素，如锚泊线的材料、长度、养殖网箱的布局、洋流方向等。这些因素共同作用，决定了养殖网箱在洋流作用下的位移情况。通过代理模型的辅助，研究能够快速识别关键的设计变量和最不利的洋流方向，从而为优化锚泊系统提供依据。此外，代理模型还能帮助设计者评估不同设计配置下的系统性能，减少重复的数值模拟，提高设计决策的效率。

研究结果表明，锚泊线直径是影响系统刚度的关键因素。通过增加锚泊线直径，可以有效提升系统的抗位移能力，从而减少洋流对养殖网箱的影响。这一结论对未来的海上养殖设计具有重要意义，因为它提供了一种成本效益高的优化路径。同时，研究还指出，共享锚泊系统在设计过程中需要考虑洋流方向对系统稳定性的影响，以确保养殖网箱在各种环境条件下都能保持良好的位置控制。

在海洋养殖的长期发展中，如何平衡经济性与安全性是一个重要课题。本研究通过代理模型辅助的全局敏感性分析，提供了一种有效的评估方法，帮助设计者识别关键的设计变量和环境参数，从而优化锚泊系统。这一方法不仅适用于当前的共享锚泊设计，还可以推广到其他海洋工程领域，如浮动海上风电场和海洋平台的锚泊设计。

研究的局限性在于，目前的分析主要基于数值模拟和代理模型的结合，尚未考虑更复杂的海洋环境因素，如极端海浪和风力。因此，未来的研究可以进一步扩展设计变量的范围，引入更先进的代理模型技术，如贝叶斯更新，以提高预测的准确性和效率。同时，还需要考虑在极端海况下的系统性能，以确保共享锚泊系统在各种条件下都能稳定运行。

本研究的成果不仅为海上共享锚泊系统的优化设计提供了理论支持，也为海洋工程领域的其他应用提供了借鉴。通过结合代理模型和全局敏感性分析，可以更有效地评估和优化复杂系统的性能，减少计算成本，提高设计决策的科学性和可靠性。这将有助于推动海洋养殖产业的可持续发展，提高其在全球粮食安全和资源管理中的贡献。