本發(fā)明屬于工程船舶自動化，特別是涉及一種絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法。

背景技術(shù)：

1、泥漿密度是疏浚施工船舶至關(guān)重要的工藝參數(shù)，直接反應(yīng)船舶的施工效率，也是疏浚施工人員特別重要的參考參數(shù)。如泥漿密度過低，需及時通過增加橫移速度、提高泥泵轉(zhuǎn)速、增加挖掘深度等方式提高泥漿密度，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量；如泥漿密度過高，可能會導(dǎo)致堵管、泥泵功率過高等問題，需及時采取降低橫移速度，減小挖掘深度等措施。

2、但由于受到密度計(jì)自身安裝環(huán)境、管道布置、泵倉空間等條件限制，密度計(jì)通常安裝于距絞刀吸口位置的管路長度長達(dá)60米以上，對于大型絞吸挖泥船距離會更長，絞吸船正常施工情況下的泥漿流速在5m/s左右，因此需要等待12s以上才能獲取到絞刀吸口的泥漿密度，導(dǎo)致施工人員無法及時準(zhǔn)確的獲取絞刀吸口位置的泥漿密度，進(jìn)而導(dǎo)致疏浚施工人員的操作存在相對滯后，影響船舶的施工效率。特別是在絞吸船自動挖泥或無人化操控挖泥過程中，如果能夠根據(jù)預(yù)報(bào)泥漿密度數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化操作，可顯著提高疏浚施工效率和控制精度。

3、吸入真空傳感器雖然可安裝于絞刀吸口位置附近，同時吸入真空和泥漿密度存在一定的相關(guān)性，但是吸入真空和泥漿密度不是線性關(guān)系，施工人員無法通過吸入真空數(shù)據(jù)直觀的判斷出當(dāng)前絞刀位置的泥漿密度。

4、因此為解決上述問題，亟需開發(fā)一種采用絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)的方法，以提高施工人員的可操作性和控制精度，進(jìn)一步提高疏浚施工效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法，該方法通過實(shí)時采集安裝于絞刀吸口位置的吸入真空傳感器、密度計(jì)及安裝于密度計(jì)附近的流量計(jì)測量的吸入真空、密度以及流速數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理與存儲；然后利用吸入真空傳感器至密度計(jì)的管路長度和流速對吸入真空值進(jìn)行時移運(yùn)算，使其與密度值進(jìn)行時間維度匹配，并分別提取特征值，最后對特征統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合運(yùn)算，在完成上述數(shù)據(jù)擬合后，利用擬合運(yùn)算結(jié)果得到擬合方程，并實(shí)時進(jìn)行擬合修正，通過實(shí)時獲取的吸入真空值代入擬合方程預(yù)測出絞刀吸口位置對應(yīng)的密度值。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法，包括如下步驟：

3、s1、實(shí)時采集吸入真空值、密度值以及流速值，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時濾波處理及存儲；

4、s2、利用吸入真空值采集位置至密度值采集位置的管路長度和流速值對吸入真空值進(jìn)行時移運(yùn)算，使其與密度值進(jìn)行時間維度匹配，匹配成功后利用加權(quán)平均算法分別提取吸入真空值和密度值作為特征值進(jìn)行存儲；

5、s3、將作為特征值的吸入真空和密度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合運(yùn)算；

6、s4、利用擬合運(yùn)算得到擬合方程，將實(shí)時獲取的吸入真空值輸入擬合方程中即可獲取當(dāng)前的預(yù)測密度值；同時對擬合方程實(shí)時進(jìn)行擬合修正。

7、優(yōu)選的，步驟s1中，所述實(shí)時采集是通過船舶的疏浚集成監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊完成。

8、優(yōu)選的，步驟s1中，所述實(shí)時濾波處理是指采用高斯濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時預(yù)設(shè)邊界值，包括吸入真空最大值、吸入真空最小值、密度最大值、密度最小值、流速最大值以及流速最小值，當(dāng)數(shù)據(jù)超過最大和最小邊界值范圍則判斷為異常數(shù)據(jù)，直接進(jìn)行丟棄。

9、優(yōu)選的，步驟s1中，所述吸入真空值是通過采集安裝于靠近絞刀吸口位置的吸入真空傳感器的數(shù)據(jù)獲得，密度值是通過采集安裝于船舶輸泥管路上的密度計(jì)的數(shù)據(jù)獲得，流速值是通過采集安裝于靠近密度計(jì)的流量計(jì)的數(shù)據(jù)獲得。

10、進(jìn)一步優(yōu)選的，安裝于靠近絞刀吸口位置的吸入真空傳感器是指吸入真空傳感器安裝于距絞刀吸口1米以內(nèi)的位置。

11、進(jìn)一步優(yōu)選的，安裝于靠近密度計(jì)的流量計(jì)是指密度計(jì)直接嵌套在流量計(jì)外側(cè)進(jìn)行安裝；或，密度計(jì)和流量計(jì)兩者的安裝距離在1米以內(nèi)。

12、優(yōu)選的，步驟s2中，所述時移運(yùn)算是指首先通過管路長度和已存儲的流速數(shù)據(jù)，計(jì)算出泥漿由吸入真空值采集位置流動至密度值采集位置所需的時間，然后在已存儲的吸入真空值中，提取出對應(yīng)的吸入真空值。

13、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述時移運(yùn)算的具體計(jì)算過程如下：首先從當(dāng)前某一時間點(diǎn)開始，遍歷已存儲的流速數(shù)據(jù)，利用公式（1）計(jì)算出泥漿流動距離，然后利用公式（2）將管路長度與公式（1）計(jì)算的泥漿流動距離相減，當(dāng)偏差值小于1m時，停止遍歷，計(jì)算完成，提取該時間點(diǎn)對應(yīng)的吸入真空值。

14、（1）

15、（2）

16、式中：為通過流速數(shù)據(jù)點(diǎn)和對應(yīng)的時間間隔計(jì)算的泥漿流動距離，為已存儲的流速；為流速存儲的時間間隔；為管路長度，為管路長度和泥漿流動距離的差值。

17、優(yōu)選的，步驟s2中，所述特征值是指當(dāng)前某一時間點(diǎn)的密度值和通過時移運(yùn)算之后得到的吸入真空值，通過加權(quán)平均算法計(jì)算后，最終得到的吸入真空值和密度值。

18、進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟s2中，所述加權(quán)平均算法中，特征值存儲距當(dāng)前某一時間點(diǎn)越近，所占權(quán)重越高。

19、進(jìn)一步優(yōu)選的，參與加權(quán)運(yùn)算的不同時間相同特征值的數(shù)量通過船舶的疏浚集成監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)設(shè)完成。

20、優(yōu)選的，步驟s3中，所述擬合運(yùn)算是指利用加權(quán)平均算法提取的吸入真空值和密度值，通過最小二乘法多項(xiàng)式擬合算法進(jìn)行擬合運(yùn)算，并計(jì)算出擬合方程的系數(shù)，最終得到多項(xiàng)式曲線擬合方程。

21、進(jìn)一步優(yōu)選的，通過最小二乘法多項(xiàng)式擬合算法計(jì)算擬合方程的系數(shù)的過程如下：設(shè)多項(xiàng)式曲線擬合方程為公式（3），利用公式（4）計(jì)算出各特征點(diǎn)到公式（3）的平方和 r2，為使平方和最小，首先對公式（4）右邊求 ki的偏導(dǎo)數(shù)，然后對求偏導(dǎo)后的等式進(jìn)行化簡并整理成矩陣方程公式（5），再通過矩陣方程求出擬合方程的系數(shù)，最終得出多項(xiàng)式曲線擬合方程。

22、（3）

23、（4）

24、（5）

25、式中：為多項(xiàng)式曲線擬合方程；為擬合方程的系數(shù)；為擬合方程的階數(shù)；為特征點(diǎn)個數(shù)；為吸入真空值；為不同特征點(diǎn)的吸入真空值；為不同特征點(diǎn)的密度值；為1,2,3,……n。

26、優(yōu)選的，步驟s3中，所述擬合修正是指每次完成數(shù)據(jù)采集并成功提取特征值后都重新進(jìn)行擬合運(yùn)算。

27、本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

28、本發(fā)明通過利用吸入真空、密度、流速并結(jié)合吸入真空傳感器安裝位置至密度計(jì)安裝位置的管路長度、特征點(diǎn)數(shù)量、邊界值等數(shù)據(jù)，采用時移運(yùn)算及預(yù)測模型算法，并綜合利用了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、傳感器和自動化等技術(shù)，解決了疏浚施工人員手動操作或自動挖泥過程無法準(zhǔn)確及時的獲取絞刀吸口位置的泥漿密度的問題，實(shí)現(xiàn)對絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度的快速、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，極大程度地提高了疏浚施工操控的實(shí)時性和控制精度，進(jìn)而提高了絞吸挖泥船的施工效率。

技術(shù)特征：

1.一種絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法，其特征在于，步驟s1中，所述實(shí)時采集是通過船舶的疏浚集成監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊完成；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法，其特征在于，安裝于靠近絞刀吸口位置的吸入真空傳感器是指吸入真空傳感器安裝于距絞刀吸口1米以內(nèi)的位置；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法，其特征在于，步驟s2中，所述時移運(yùn)算是指首先通過管路長度和已存儲的流速數(shù)據(jù)，計(jì)算出泥漿由吸入真空值采集位置流動至密度值采集位置所需的時間，然后在已存儲的吸入真空值中，提取出對應(yīng)的吸入真空值。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法，其特征在于，所述時移運(yùn)算的具體計(jì)算過程如下：首先從當(dāng)前某一時間點(diǎn)開始，遍歷已存儲的流速數(shù)據(jù)，利用公式（1）計(jì)算出泥漿流動距離，然后利用公式（2）將管路長度與公式（1）計(jì)算的泥漿流動距離相減，當(dāng)偏差值小于1m時，停止遍歷，計(jì)算完成，提取該時間點(diǎn)對應(yīng)的吸入真空值；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法，其特征在于，步驟s2中，所述特征值是指當(dāng)前某一時間點(diǎn)的密度值和通過時移運(yùn)算之后得到的吸入真空值，通過加權(quán)平均算法計(jì)算后，最終得到的吸入真空值和密度值。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法，其特征在于，步驟s2中，所述加權(quán)平均算法中，特征值存儲距當(dāng)前某一時間點(diǎn)越近，所占權(quán)重越高；

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法，其特征在于，步驟s3中，所述擬合運(yùn)算是指利用加權(quán)平均算法提取的吸入真空值和密度值，通過最小二乘法多項(xiàng)式擬合算法進(jìn)行擬合運(yùn)算，并計(jì)算出擬合方程的系數(shù)，最終得到多項(xiàng)式曲線擬合方程。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法，其特征在于，通過最小二乘法多項(xiàng)式擬合算法計(jì)算擬合方程的系數(shù)的過程如下：設(shè)多項(xiàng)式曲線擬合方程為公式（3），利用公式（4）計(jì)算出各特征點(diǎn)到公式（3）的平方和r2，為使平方和最小，首先對公式（4）右邊求ki的偏導(dǎo)數(shù)，然后對求偏導(dǎo)后的等式進(jìn)行化簡并整理成矩陣方程公式（5），再通過矩陣方程求出擬合方程的系數(shù)，最終得出多項(xiàng)式曲線擬合方程；

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法，其特征在于，步驟s4中，所述擬合修正是指每次完成數(shù)據(jù)采集并成功提取特征值后都重新進(jìn)行擬合運(yùn)算。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種絞吸挖泥船絞刀吸口位置密度預(yù)報(bào)方法，屬于工程船舶自動化系統(tǒng)領(lǐng)域，該方法首先通過實(shí)時采集吸入真空值、密度值以及流速值，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理與存儲；然后利用吸入真空傳感器至密度計(jì)的管路長度和流速對吸入真空值進(jìn)行時移運(yùn)算，使其與密度值進(jìn)行時間維度匹配，匹配成功后利用加權(quán)平均算法分別提取吸入真空值和密度值作為特征值進(jìn)行存儲；再對特征統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合運(yùn)算；利用擬合運(yùn)算結(jié)果得到擬合方程，通過實(shí)時獲取的吸入真空值提前預(yù)測出絞刀吸口位置對應(yīng)的密度值；同時對擬合方程實(shí)時進(jìn)行擬合修正。本發(fā)明通過對絞吸船絞刀吸口位置的實(shí)時精確預(yù)報(bào)，可顯著提高絞吸船疏浚施工控制精度，保證了疏浚施工效率。

技術(shù)研發(fā)人員：劉東波,魏曉楠,李雁龍,于濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中交天津航道局有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19