一种水流作用下的沉管平移控制优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及拖航控制方法，特别涉及一种水流作用下的沉管平移控制优化方法。
【背景技术】
[0002] 由于工期短、隧道延长短、地质条件制约小、现场施工期短等优点，沉管隧道逐渐 成为水下大型隧道工程的首选施工方法。而沉管浮运是沉管隧道施工过程中较为复杂、极 具挑战性的一道关键工序。一般情况下，沉管自身没有航行的动力，需要一定数量的拖船协 助才能航行。
[0003] 直航（包括前进、后退）、横移（包括左横移、右横移）是沉管浮运的典型工况，本 文将它们统称为平移。在水流作用下，受沉管自身的尺度、受力特性以及拖航动力等因素的 影响，沉管平移运动中的浮运控制具有一定的复杂性。而沉管法往往应用于航运密度较大、 航运要求较高的水域，浮运工作有航道宽度、时间窗口等限制。因此需要对水流作用下的沉 管平移控制进行研宄。
[0004] 目前已有不少技术体现在在拖轮拖带、沉管浮运这两个方面，但针对沉管浮运过 程中的拖轮控制与优化的技术还较少。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种水流作用下的沉管平移控制优化方法，建立沉管平移控 制模型，并通过PSO算法对控制模型进行优化，得出最优的拖轮拖力大小、拖力角度。
[0006] 为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种水流作用下的沉管平移控制优化方法，其特点是，该方法包含如下步骤：
[0008] S1，分别从速度、阻力、拖轮拉力、拖力合力及拖力合力矩对水流作用下的沉管平 移进行数学描述；
[0009] S2,通过对拖轮合力、拖轮合力矩的分析建立沉管平移控制模型；
[0010] S3,基于PSO算法对沉管平移控制模型进行优化得出各拖轮拖力大小、拖力角度。
[0011] 所述的SI具体包含如下步骤：
[0012] SI. 1，对沉管平移的速度进行数学描述：令水流速度为Vtl，沉管平移速度为V1，沉 管相对于水的平移速度为V，VpVpV与X轴正方向的夹角为分别为θρ θρ θ，v在X轴、 y轴方向的分量Vx、Vy分别为：
[0013] Vx= V fos Θ A (-V0) cos Θ Q= V fos Θ fVgeos Θ 〇
[0014] Vy= V !sin Θ 丄+ (-V0) sin θ 〇= V pin Θ「Vgsin Θ 〇;
[0015] SI. 2,对沉管平移的阻力进行数学描述：
[0016] Rt= I. 15(Rf+RB)；
[0017] Rf= I. BTA1IvIl83XIO-3;
[0018] Rb= 0. 62 δ A 2V2,其中RT、Rf、Rb分别为拖航总阻力、沉管的摩擦阻力、沉管的剩余 阻力，A 1为沉管的水下湿表面积，δ为被拖物艏部形状系数，A2为浸水部分的沉管横剖面 积；
[0019] IfxI = RTx、IfyI = RTy，其中，RTx，RTy为 1^在叉轴、7轴方向的阻力；
[0020] SI. 3,对沉管平移的拖轮拉力进行数学描述：令第i条拖轮Gi与沉管的系固点为 Ai (i = 1，2,…，N)，坐标为（X i，yi)，Gi的拖力为Fi, X轴正方向逆时针到夹角为 Cii，将Cii称为Fi的角度，且
【主权项】
1. 一种水流作用下的沉管平移控制优化方法，其特征在于，该方法包含如下步骤： Sl，分别从速度、阻力、拖轮拉力、拖力合力及拖力合力矩对水流作用下的沉管平移进 行数学描述； 52, 通过对拖轮合力、拖轮合力矩的分析建立沉管平移控制模型； 53, 基于PSO算法对沉管平移控制模型进行优化得出各拖轮拖力大小、拖力角度。
2. 如权利要求1所述的水流作用下的沉管平移控制优化方法，其特征在于，所述的Sl 具体包含如下步骤： SI. 1，对沉管平移的速度进行数学描述：令水流速度为Vtl，沉管平移速度为V1，沉管相 对于水的平移速度为V，VpVpV与X轴正方向的夹角为分别为Θ p θρ Θ，V在X轴、y轴 方向的分量Vx、Vy分别为： Vx= V fos Θ A (-V0) cos Θ Q= V fos Θ fVgCos Θ 〇 Vy= V !sin Θ ^(-V0) sin θ 〇= V lSin Θ「Vosin θ 〇; SI. 2,对沉管平移的阻力进行数学描述： Rt= 1. 15 (R f+RB)； Rf= LeTA1IvI1-83XlO-3; Rb= 0. 62 δ A 2V2,其中RT、Rf、RB分别为拖航总阻力、沉管的摩擦阻力、沉管的剩余阻力， A1为沉管的水下湿表面积，δ为被拖物艏部形状系数，A2S浸水部分的沉管横剖面积； f x I = RTx、I fy I = RTy，其中，RTx，RTy为R T在X轴、y轴方向的阻力； SI. 3,对沉管平移的拖轮拉力进行数学描述：令第i条拖轮Gi与沉管的系固点为AiQ =1，2,…，N)，坐标为（X i，yi)，Gi的拖力为Fi, X轴正方向逆时针到夹角为a i， 将a i称为Fi的角度，且
式（3-8)、（3-9)中，i = 1，2，···，Ν; 51. 4,对沉管平移的拖力合力及合力矩进行数学描述：阻力f与拖力合力F大小相同， 方向相反，即：F = -f ; 且，所述的拖力合力矩T = 0。
3. 如权利要求2所述的水流作用下的沉管平移控制优化方法，其特征在于，所述的步 骤S2包含： 52. 1，对拖力合力分析，建立拖力合力的控制模型，具体为：
N为拖轮的数量； S2. 2,对拖轮合力矩分析，建立拖轮合力矩的控制模型，具体为：
4. 如权利要求1所述的水流作用下的沉管平移控制优化方法，其特征在于，所述沉管 平移控制模型的目标函数为：
Fi表示第i条拖轮的拖力，N为拖轮的数量，为第i条拖轮最大拖力。
5. 如权利要求1所述的水流作用下的沉管平移控制优化方法，其特征在于，所述的沉 管平移控制模型的约束式为： 6maX-= 其中，FiscX)是拖轮i的最小拖力裕量。
6. 如权利要求4所述的水流作用下的沉管平移控制优化方法，其特征在于，在所述的 步骤S3中作为PSO算法的适应度函数为：
式（5-7)中 A1, λ2, λ3>〇。
7. 如权利要求6所述的水流作用下的沉管平移控制优化方法，其特征在于，所 述的PSO算法中决策变量取V1, F1，…，FN_3, a i，…，α Ν，并求出FN_2, Fn+ Fn，具体有
8. 如权利要求7所述的水流作用下的沉管平移控制优化方法，其特征在于，所述的步 骤S3包含： S3. I，初始化种群的初始位置和速度； S3. 2,决策变量取 V1, F1，…，Fn_3, a i，…，α N，并求出 Fn_2, Fim, Fn; S3. 3,根据适应度函数计算每个粒子的值，该粒子为粒子群优化算法种群中的每个个 体并得出最优解，该最优解为每个拖轮拖力的大小、拖力角度。
【专利摘要】本发明公开了一种水流作用下的沉管平移控制优化方法，该方法包含如下步骤：S1，分别从速度、阻力、拖轮拉力、拖力合力及拖力合力矩对水流作用下的沉管平移进行数学描述；S2，通过对拖轮合力、拖轮合力矩的分析建立沉管平移控制模型；S3，基于PSO算法对沉管平移控制模型进行优化得出各拖轮拖力大小、拖力角度。本发明建立沉管平移控制模型，并通过PSO算法对控制模型进行优化，得出最优的拖轮拖力大小、拖力角度。
【IPC分类】G06F17-50, E02D29-063, G06Q10-04
【公开号】CN104766145
【申请号】CN201510198767
【发明人】许波桅, 李军军
【申请人】上海海事大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月21日