專利名稱：耙吸挖泥船疏浚施工自動尋優(yōu)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在疏浚施工過程中對耙吸挖泥船的工作狀態(tài)進行自動控制的技術，具體是一種耙吸挖泥船疏浚施工自動尋優(yōu)方法。
背景技術：
耙吸挖泥船是在可控的航行過程中實現(xiàn)疏浚挖泥的，其航行速度等多種挖泥工況參數(shù)與疏浚效率是一個科學的有機結合過程，提高挖泥船施工效率和工程質量是挖泥船疏浚的最終目的。疏浚過程將通過挖泥船多種挖泥設備的聯(lián)合控制和運行來完成，其基本流程如附圖1所示。目前影響耙吸挖泥船疏浚效率的主要問題是1、耙吸挖泥船的航行和疏浚在功能上嚴重分開，各自形成的獨立控制和監(jiān)測相對分散，很少關注船舶航行過程對疏浚的影響。
2、各疏浚子系統(tǒng)功能相對獨立，在疏浚中完成各自的工作，缺少信息的相互關聯(lián)，導致了全船很難工作在一個較佳的疏浚狀態(tài)，疏浚效率的高低更多地取決于操作人員水平和知識結構，存在作業(yè)過程的盲目性。
3、缺少技術支援手段在施工過程中，信息化施工程度低，施工情況得不到有效的反饋和監(jiān)視。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠在一個情況不熟悉的新工地，通過對某類混合土質的施工試挖和數(shù)據(jù)采集與分析，根據(jù)土質和工況的變化選擇合理的工況參數(shù)參考值，提出指導性的優(yōu)化施工參數(shù)，以促進并協(xié)助挖泥船操作人員妥善操作，使得挖泥船在保障設備安全的前提下得到持續(xù)高產(chǎn)效果的耙吸挖泥船疏浚施工自動尋優(yōu)方法。
本發(fā)明的方法是在耙吸挖泥船上設置多個能夠對挖泥船的工況進行檢測和控制的子系統(tǒng)，其中包括能控制高壓沖水泵的水壓，并能對水壓進行在線檢測的高壓沖水泵系統(tǒng)；能對泵機轉速進行在線檢測和控制，從而控制泥漿的流速的泵機系統(tǒng)；能對絞車電機進行控制，以改變耙頭的對地壓力的耙管絞車系統(tǒng)；能通過GPS檢測船舶的航速，并可控制主機的轉速以改變挖泥船航速的主機系統(tǒng)；用于檢測挖泥船的裝載量和土方量的吃水裝載系統(tǒng)；用于檢測泥漿的流量和密度，從而計算挖泥船產(chǎn)量的產(chǎn)量計系統(tǒng)；能夠通過GPS定位系統(tǒng)或羅經(jīng)來確定挖泥船在航道中的位置的平面位置定位系統(tǒng)；用于指示耙臂和耙頭的水下位置及姿態(tài)的耙臂位置指示系統(tǒng)。每一個子系統(tǒng)中通過相應的傳感裝置進行信號的采集，并將各有效數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。
疏浚施工的整個過程包括試挖步驟、自動尋優(yōu)步驟和正式疏浚步驟；所述試挖步驟包括a.采集上述各子系統(tǒng)的信號，確定與疏浚產(chǎn)量相關的疏浚數(shù)據(jù)，挖泥船對地航速、波浪補償器壓力和行程、泥漿流量和密度、吃水裝載測量、裝艙容積信號、高壓沖水壓力；b.通過平面位置定位系統(tǒng)進行平面定位；c.判斷是否進行試挖，如不進行試挖則直接開始正式疏浚步驟，如要進行試挖則開始進行試挖并記錄試挖產(chǎn)量；d.一次試挖后判斷是否改變試挖條件再次進行試挖，如要再次試挖則回到采集各子系統(tǒng)的信號和平面定位步驟，改變試挖條件(即對地航速、波浪補償器壓力、高壓沖水、泥泵轉速和土質各影響疏浚產(chǎn)量的要素進行不同的組合)進行試挖并記錄試挖產(chǎn)量；e.經(jīng)過多次試挖后，如確定不再進行試挖則確定試挖結束，進入自動尋優(yōu)步驟。
所述自動尋優(yōu)步驟包括1、土質區(qū)域劃分，即根據(jù)產(chǎn)量率及當時的平面位置對土質區(qū)域進行劃分，把產(chǎn)量率對應的位置稱為產(chǎn)量點，產(chǎn)量率由流量計和密度計信號獲得的，而平面位置由平面位置定位系統(tǒng)提供。土質區(qū)域定義如下土質區(qū)域必須閉合；任何兩條邊界線不能夠重疊；構成區(qū)域的點必須大于三個。
2、可靠數(shù)據(jù)判別，即對每一次試挖采集的時間信息、對地航速信息、波浪補償器壓力信息、產(chǎn)量信息、挖泥深度信息這些隨機疏浚數(shù)據(jù)中找出產(chǎn)量與其他參數(shù)的可靠數(shù)據(jù)關系，每一次試挖均通過可靠數(shù)據(jù)判別算法獲得可靠數(shù)據(jù)。可靠數(shù)據(jù)判別算法中對某一土質區(qū)域內(nèi)的可靠數(shù)據(jù)的定義為a.多次發(fā)生，即由軟件設置一個閥值，在每個區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)量數(shù)據(jù)大于規(guī)定的閥值，則認為此區(qū)段的數(shù)據(jù)為有效可靠數(shù)據(jù)；b.符合規(guī)律，即設置規(guī)則，對非正常施工的數(shù)據(jù)進行過濾，包括耙頭的深度小于某個值時不可能有濃度、流速不能低于某個值、泵機轉速不能低于某個值、對地航速不能高于某個值；c.小概率事件過濾，即對疏浚數(shù)據(jù)中存在的一些小概率數(shù)據(jù)進行過濾，這些小概率數(shù)據(jù)是指信號偏移了大部分疏浚數(shù)據(jù)點區(qū)域的數(shù)據(jù)。
3、有效數(shù)據(jù)分析，即使用時間函數(shù)作為可靠數(shù)據(jù)分析中的權值函數(shù)，得到有效數(shù)據(jù)。
權值函數(shù)的表達式為Fi＝(Tmax-Ti)/(Tmax-Tmin)i＝0，1…，n；式中Tmax為被分析數(shù)據(jù)段的最大時間；Tmin為被分析數(shù)據(jù)段的最小時間；Ti為第i信號點疏浚數(shù)據(jù)的采集時間；總的權值Ftotal＝F0+F1+F2+….+Fn；數(shù)據(jù)的加權平均值＝X0*F0/Ftotal+X1*F1/Ftotal+…..+Xn*Fn/Ftotal。
4、二次或三次曲線擬合，即將通過加權平均得到的關系曲線進行二次曲線或三次曲線擬合。在曲線擬合時，選擇使用二次曲線擬合還是使用三次曲線擬合，其原則是滿足擬合的精度要求。
5、獲得極值與分析尋優(yōu)，即在曲線擬合完畢后，使用牛頓迭代法將二次曲線或三次曲線的最大值計算出來，在多個具有極值的曲線中，再通過綜合評定的計算方式得出一個綜合評定系數(shù)。過程如下第一步，設置權值W1、W2、W3，將滿足以下條件的產(chǎn)量曲線確定為最佳產(chǎn)量曲線產(chǎn)量越大越好高效區(qū)越大越好對地航速變化越大越好其中W1+W2+W3＝1；第二步，由產(chǎn)量偏差(與最大產(chǎn)量比較)，高效區(qū)域(整個區(qū)域的百分比)，對地航速范圍(變化范圍)得出一個綜合評定數(shù)C1，C2，C3，此評定數(shù)最大即為最佳；求C1，C2，C3的隸屬度R1，R2，R3；6、將得到的不同施工狀態(tài)下的優(yōu)化施工參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫，結束自動尋優(yōu)步驟。
所述正式疏浚步驟包括a.正式疏浚開始；b.各疏浚子系統(tǒng)的信號采集、分析和存貯；c.獲取平面定位信號；d.由平面定位信號找出所在的土質區(qū)域；e.提出各土質區(qū)域的最優(yōu)施工參數(shù)；
f.根據(jù)最優(yōu)施工參數(shù)調(diào)整挖泥工況，進行優(yōu)化疏浚；g.疏浚過程中隨著挖深的變化和土質的變化，如果疏浚效率發(fā)生變化，則重新進行自動尋優(yōu)步驟。判斷土質變化的依據(jù)是相同的施工手段導致產(chǎn)量發(fā)生變化。
本發(fā)明的方法可以使耙吸挖泥船在一個情況不熟悉的新工地，通過對某類混合土質的施工試挖和數(shù)據(jù)采集與分析，根據(jù)土質和工況的變化選擇合理的泥泵組合、對地航速、高壓沖水壓力和耙頭對地壓力等參考值，提出指導性的優(yōu)化施工參數(shù)，從而促進并協(xié)助挖泥船操作人員妥善操作，使得挖泥船在保障設備安全的前提下得到持續(xù)的高產(chǎn)效果。


圖1是現(xiàn)有疏浚過程的流程圖；圖2是本發(fā)明方法的流程圖；圖3是本發(fā)明實施例中疏浚過程的振蕩曲線圖；圖4是本發(fā)明實施例中補償器壓力＝1.6、1.8、2.2時對地航速和產(chǎn)量的加權平均值曲線圖；圖5是圖4中數(shù)據(jù)曲線的擬合結果圖。
具體實施例方式
本發(fā)明方法的流程圖如圖2所示，其實施例包括以下步驟一、試挖及土質區(qū)域的劃分。
對疏浚工地以不同的疏浚參數(shù)進行多次試挖，根據(jù)試挖產(chǎn)量及當時的平面位置劃分土質區(qū)域，把產(chǎn)量對應的位置稱為產(chǎn)量點。產(chǎn)量點是由流量計和密度計信號獲得的，而平面位置由定位系統(tǒng)提供。疏浚工地平面圖形根據(jù)產(chǎn)量點的變化被劃分為不同的區(qū)域以反映土質的不同。，土質區(qū)域劃分數(shù)據(jù)記錄在服務器中，為分析系統(tǒng)提供信息。
二、通過曲線分析獲得有效數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)的原始曲線是通過挖泥船的試挖得到的疏浚過程的振蕩曲線，這個振蕩曲線包含了航速對產(chǎn)量的影響，補償器壓力對產(chǎn)量的影響等，這些數(shù)據(jù)具有時變和隨機不確定性，表現(xiàn)為隨機的振蕩特性。疏浚過程的振蕩曲線如圖3所示。通過對試挖得到疏浚過程的振蕩曲線數(shù)據(jù)進行可靠數(shù)據(jù)判別，得到有效數(shù)據(jù)。圖4反映了補償器壓力＝1.6、1.8、2.2時對地航速和產(chǎn)量的加權平均值曲線。其工況的其他參數(shù)是高壓沖水壓力1.87bar；泵機轉速360rpm。為使趨勢直觀，使用二次或三次曲線進行擬合，曲線擬合的結果如圖5所示。
三、獲得最佳的施工方案。
獲得各個分析曲線后，系統(tǒng)作出分析和判斷產(chǎn)生最佳的施工方案，以圖5為例說明補償器壓力＝1.6的曲線，稱之為曲線b1；補償器壓力＝1.8的曲線，稱之為曲線b2；補償器壓力＝2.2的曲線，稱之為曲線b31、極值的獲得在圖5中，計算機軟件系統(tǒng)計算出了b1、b2、b3的極值點分別為1179m3、1043m3、876m3。曲線極值點的獲得意味著在此工況的情況下，符合普遍規(guī)律的最大產(chǎn)量值。三個極值點獲得后，是否被采納為施工工藝還需要進行以下的分析過程。
2、尋優(yōu)過程由施工的實際情況規(guī)定各目標的權重為W＝(0.3，0.2，0.5)T。在圖6-3中，系統(tǒng)獲得3個曲線(b1，b2，b3)。在此3個策略下系統(tǒng)都獲得了較好的產(chǎn)量。此時3個策略對應的三個參數(shù)C1，C2，C3如下表所示

由于產(chǎn)量偏差是越小越好，所以用越小越優(yōu)型確定隸屬度，按上限規(guī)定產(chǎn)量差不能超過400(由系統(tǒng)輸入的閥值F1)，最小的產(chǎn)量差為0，所以對C1的隸屬度R1＝((400-0)/(400-0)＝1，0.66，0.25)。
高效區(qū)域是越大越好，最大值為80，系統(tǒng)規(guī)定的高效區(qū)域不能小于10(由系統(tǒng)輸入的閥值F2)，所以對C2的隸屬度R2＝((80-10)/(80-10)＝1，(20-10)/(80-10)＝0.14，0)。
對地航速變化范圍是越大越好，用越大越優(yōu)型確定隸屬度，上限規(guī)定對地航速不小于0.4(由系統(tǒng)輸入的閥值F3)，最大的對地航速為1.2，所以對C3的隸屬度R3＝(1，0.125，0.375)。
因此效果指標隸屬度矩陣為R=10.660.2510.14010.1250.375]]>按最大隸屬度原理獲得G＝(1，1，1)T計算帶權海明貼近度NH(RJ,G)=1-ΣI=14Wi(gj-Rij)]]>NH(R1，G)＝1-(0.3*(1-1)+0.2*(1-1)+0.5*(1-1))＝1NH(R2，G)＝1-(0.3*(1-0.66)+0.2*(1-0.14)+0.5*(1-0.215))＝0.334NH(R3，G)＝1-(0.3*(1-0.25)+0.2*(1-0)+0.5*(1-0.375))＝0.262
獲得b1＞b3＞b2因此參照的工況曲線應該是曲線b1，即補償器壓力為1.6Mpa，對地航速控制在2.4-3.0節(jié)之間，此時的產(chǎn)量是最大的。
四、開始正式疏浚。各疏浚子系統(tǒng)的信號采集、分析和存貯；獲取平面定位信號；由平面定位信號找出所在的土質區(qū)域；提出各土質區(qū)域的最優(yōu)施工參數(shù)；根據(jù)最優(yōu)施工參數(shù)調(diào)整挖泥工況，進行優(yōu)化疏浚。疏浚過程中隨著挖深的變化和土質的變化，如果疏浚效率發(fā)生變化，則重新進行數(shù)據(jù)分析尋優(yōu)，判斷土質變化的依據(jù)是相同的施工手段導致產(chǎn)量發(fā)生變化。
權利要求
1.一種耙吸挖泥船疏浚施工自動尋優(yōu)方法，該方法是在耙吸挖泥船上設置多個能夠對挖泥船的工況進行檢測和控制的子系統(tǒng)，其中包括能控制高壓沖水泵的水壓，并能對水壓進行在線檢測的高壓沖水泵系統(tǒng)；能對泵機轉速進行在線檢測和控制，從而控制泥漿的流速的泵機系統(tǒng)；能對絞車電機進行控制，以改變耙頭的對地壓力的耙管絞車系統(tǒng)；能通過GPS檢測船舶的航速，并可控制主機的轉速以改變挖泥船航速的主機系統(tǒng)；用于檢測挖泥船的裝載量和土方量的吃水裝載系統(tǒng)；用于檢測泥漿的流量和密度，從而計算挖泥船的產(chǎn)量的產(chǎn)量計系統(tǒng)；能夠通過GPS定位系統(tǒng)或羅經(jīng)來確定挖泥船在航道中的位置的平面位置定位系統(tǒng)；用于指示耙臂和耙頭的水下位置和姿態(tài)的耙臂位置指示系統(tǒng)；每一個子系統(tǒng)中通過相應的傳感裝置進行信號的采集，并將各有效數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；疏浚施工的整個過程包括試挖步驟、自動尋優(yōu)步驟和正式疏浚步驟。
2.根據(jù)權利要求1所述的耙吸挖泥船疏浚施工自動尋優(yōu)方法，其特征是所述試挖步驟包括，a.采集各子系統(tǒng)的信號，確定與疏浚產(chǎn)量相關的疏浚數(shù)據(jù)，挖泥船對地航速、波浪補償器壓力和行程、泥漿流量和密度、吃水裝載測量、裝艙容積信號、高壓沖水壓力；b.通過平面位置定位系統(tǒng)進行平面定位；c.判斷是否進行試挖，如不進行試挖則直接開始正式疏浚步驟，如要進行試挖則開始進行試挖并記錄試挖產(chǎn)量；d.一次試挖后判斷是否改變試挖條件再次進行試挖，如要再次試挖則回到采集各子系統(tǒng)的信號和平面定位步驟，改變試挖條件進行試挖并記錄試挖產(chǎn)量；e.經(jīng)過多次試挖后，如確定不再進行試挖則確定試挖結束，進入自動尋優(yōu)步驟。
3.根據(jù)權利要求1所述的耙吸挖泥船疏浚施工自動尋優(yōu)方法，其特征是所述自動尋優(yōu)步驟包括，a.土質區(qū)域劃分，即根據(jù)產(chǎn)量率及當時的平面位置對土質區(qū)域進行劃分，把產(chǎn)量率對應的位置稱為產(chǎn)量點，產(chǎn)量率由流量計和密度計信號獲得的，而平面位置由平面位置定位系統(tǒng)提供；b.可靠數(shù)據(jù)判別，即對每一次試挖采集的時間信息、對地航速信息、波浪補償器壓力信息、產(chǎn)量信息、挖泥深度信息這些隨機疏浚數(shù)據(jù)中找出產(chǎn)量與其他參數(shù)的可靠數(shù)據(jù)關系，每一次試挖均通過可靠數(shù)據(jù)判別算法獲得可靠數(shù)據(jù)；c.有效數(shù)據(jù)分析，即使用時間函數(shù)作為可靠數(shù)據(jù)分析中的權值函數(shù)，得到有效數(shù)據(jù)；d.二次或三次曲線擬合，即將通過加權平均得到的關系曲線進行二次曲線或三次曲線擬合；e.獲得極值與分析尋優(yōu)，即在曲線擬合完畢后，使用牛頓迭代法將二次曲線或三次曲線的最大值計算出來，在多個具有極值的曲線中，再通過綜合評定的計算方式得出一個綜合評定系數(shù)，將得到的不同施工狀態(tài)下的優(yōu)化施工參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫，結束自動尋優(yōu)步驟。
4.根據(jù)權利要求3所述的耙吸挖泥船疏浚施工自動尋優(yōu)方法，其特征是土質區(qū)域定義為土質區(qū)域必須閉合；任何兩條邊界線不能夠重疊；構成區(qū)域的點必須大于三個。
5.根據(jù)權利要求3所述的耙吸挖泥船疏浚施工自動尋優(yōu)方法，其特征是所述的可靠數(shù)據(jù)判別算法中可靠數(shù)據(jù)的定義為，a.多次發(fā)生，即由軟件設置一個閥值，在每個區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)量數(shù)據(jù)大于規(guī)定的閥值，則認為此區(qū)段的數(shù)據(jù)有效可靠數(shù)據(jù)；b.符合規(guī)律，即設置規(guī)則，對非正常施工的數(shù)據(jù)進行過濾，包括耙頭的深度小于某個值時不可能有濃度、流速不能低于某個值、泵機轉速不能低于某個值、對地航速不能高于某個值；c.小概率事件過濾，即對疏浚數(shù)據(jù)中存在的一些小概率數(shù)據(jù)進行過濾，這些小概率數(shù)據(jù)是指信號偏移了大部分疏浚數(shù)據(jù)點區(qū)域的數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權利要求1所述的耙吸挖泥船疏浚施工自動尋優(yōu)方法，其特征是所述正式疏浚步驟包括a.正式疏浚開始；b.各疏浚子系統(tǒng)的信號采集、分析和存貯；c.獲取平面定位信號；d.由平面定位信號找出所在的土質區(qū)域；e.提出各土質區(qū)域的最優(yōu)施工參數(shù)；f.根據(jù)最優(yōu)施工參數(shù)調(diào)整挖泥工況，進行優(yōu)化疏浚；g.疏浚過程中如果疏浚效率發(fā)生變化，則重新進行自動尋優(yōu)步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在疏浚施工過程中對耙吸挖泥船的工作狀態(tài)進行自動控制的技術，具體是一種耙吸挖泥船疏浚施工自動尋優(yōu)方法。該方法是在耙吸挖泥船上設置多個能夠對挖泥船的工況進行檢測和控制的子系統(tǒng)，其中包括高壓沖水泵系統(tǒng)、泵機系統(tǒng)、耙管絞車系統(tǒng)、主機系統(tǒng)、吃水裝載系統(tǒng)、產(chǎn)量計系統(tǒng)、平面位置定位系統(tǒng)、耙臂位置指示系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)中通過相應的傳感裝置進行信號的采集，并將各有效數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，疏浚施工的整個過程包括試挖步驟、自動尋優(yōu)步驟和正式疏浚步驟。本發(fā)明能夠在一個情況不熟悉的新工地，通過試挖和數(shù)據(jù)采集與分析，提出指導性的優(yōu)化施工參數(shù)，使得挖泥船在保障設備安全的前提下得到持續(xù)高產(chǎn)效果。
文檔編號E02F3/88GK1986980SQ20051012319
公開日2007年6月27日 申請日期2005年12月21日 優(yōu)先權日2005年12月21日
發(fā)明者田俊峰, 林風, 史美祥, 王柏歡, 虞平良, 張戟, 劉正剛, 戴自國, 王培勝, 俞孟蕻, 呂德祚, 金浩強, 王惠敏, 周榕, 侯曉明, 金華, 謝本華, 姜保剛, 李阿福, 吳晨, 許亦清, 丁志兵, 江萬, 陳偉里, 董江平 申請人:中國交通建設集團有限公司, 上海航道局, 上海交大東偉科技有限公司