用于定日镜支撑结构概率力学分析的粪甲虫优化

为何风与镜面至关重要

由大量镜面组成的定日镜场是某些太阳能发电厂的核心。它们跟踪太阳并将光线反射到中央塔上以发电。但在开阔、多风的沙漠环境中，这些高耸的镜面结构不断受到阵风和湍流的冲击。如果工程师对这些风力估计不当，支撑可能被过度设计而成本高昂——或者更糟，被低估而不安全。本文探讨如何使用一种受粪甲虫启发的计算算法，更好地预测定日镜支撑上的风力，旨在让太阳能既安全又经济。

风如何作用于太阳镜

定日镜不仅仅是杆子上的平面镜。它们具有横梁、立柱和铰接点，这些部位以不同方式承受风力。传统上，工程师假定持续变化的风压遵循整齐的钟形曲线——典型的“正态”或高斯分布。然而早期研究表明，定日镜上的实际风压常常打破这一假设，尤其是在镜面某些区域。这意味着简单模型可能误判关键的峰值力，从而影响防止结构失效的能力。作者着手研究支撑结构上风力的真实随机行为，而不仅仅是镜面，在多种风向和镜面角度组合下的表现。

从沙漠测量到风洞试验

研究始于在中国西北某沙漠定日镜现场进行的精细风测。团队安装了一根约10米高的测风桅杆，配备多个风速计，以记录在超过87小时内随高度变化的风速和风向。随后他们在专用风洞中用尖塔和地面粗糙块重现了该大气边界层，以模拟沙漠地形。一个约1/50比例的定日镜模型安装在高精度六自由度力传感器上。通过对模型在130种仰角（镜面倾角）和方位角（水平指向方向）组合下进行旋转，他们记录了在逼真阵风条件下阻力、升力和倾覆力矩如何变化。

区分有序的风与狂野的风

为判断风力是像整齐钟形曲线那样，还是表现出更多极端、偏斜的特性，研究者关注了两个统计量：偏度，用于衡量左右不对称；峰度，用于衡量分布尾部有多“重”（大异常值出现的频率）。对于每一种工况，他们分别计算了支撑上的阻力、升力和基础倾覆力矩的这两个数值。并通过与建筑和屋面研究中的既有标准比较，制定了一个针对定日镜更为严格的新规则：当偏度在±0.2内且峰度不超过3.2时，可将力视为高斯分布；否则视为非高斯。与详细的时间历程和直方图核对后，该规则在所有测试工况中大约正确分类了97%的情况。

粪甲虫对风的启示

在风洞中测试130种风况只能得到一组离散点，但设计人员需要在更多角度和风速下进行预测。此时引入了粪甲虫优化器。该算法受粪甲虫滚动、转向和保护食球行为的启发，用于搜索预测模型的最优参数集。作者利用它训练了一个神经网络，将镜面角度、风向和风速与支撑上力的偏度和峰度关联起来。与更常见的方法（如粒子群优化、灰狼优化和标准反向传播网络）相比，粪甲虫方法在预测精度和误差控制上表现更好，尤其是在控制罕见极端载荷统计量方面。

将统计结果转化为更安全的太阳能场

通过将新的高斯判据与基于粪甲虫的预测结合，团队绘制出风力表现平稳与变得无规律的区域分布。他们发现阻力和升力在低镜面仰角时趋于良好（可视为高斯），但在较大倾角时会转为非高斯，此时镜缘周围会形成有组织的涡流。倾覆力矩则呈相反模式，在更高倾角时变得更可预测。对工程设计而言，这意味着在许多日常工况下，工程师可以安全地采用计算成本较低的高斯基方法；但在特定的高风险角度下，应采用考虑重尾和异常值的高级模型。简言之，该研究为何时可以使用简化假设、何时需要更审慎详尽的方法以保证定日镜场既稳固又具成本效益，提供了清晰的物理依据与指导。

引用: Luo, H., Liang, Y., Xiong, Q. et al. Dung beetle optimization for probabilistic force analysis of heliostat support structures. Sci Rep 16, 6893 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38236-w

关键词: 定日镜风荷载, 太阳能塔式结构, 高斯与非高斯力, 粪甲虫优化, 风洞试验