专利名称：耙吸挖泥船疏浚施工自动寻优方法
技术领域：
本发明涉及一种在疏浚施工过程中对耙吸挖泥船的工作状态进行自动控制的技术，具体是一种耙吸挖泥船疏浚施工自动寻优方法。
背景技术：
耙吸挖泥船是在可控的航行过程中实现疏浚挖泥的，其航行速度等多种挖泥工况参数与疏浚效率是一个科学的有机结合过程，提高挖泥船施工效率和工程质量是挖泥船疏浚的最终目的。疏浚过程将通过挖泥船多种挖泥设备的联合控制和运行来完成，其基本流程如附图1所示。目前影响耙吸挖泥船疏浚效率的主要问题是1、耙吸挖泥船的航行和疏浚在功能上严重分开，各自形成的独立控制和监测相对分散，很少关注船舶航行过程对疏浚的影响。
2、各疏浚子系统功能相对独立，在疏浚中完成各自的工作，缺少信息的相互关联，导致了全船很难工作在一个较佳的疏浚状态，疏浚效率的高低更多地取决于操作人员水平和知识结构，存在作业过程的盲目性。
3、缺少技术支援手段在施工过程中，信息化施工程度低，施工情况得不到有效的反馈和监视。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在一个情况不熟悉的新工地，通过对某类混合土质的施工试挖和数据采集与分析，根据土质和工况的变化选择合理的工况参数参考值，提出指导性的优化施工参数，以促进并协助挖泥船操作人员妥善操作，使得挖泥船在保障设备安全的前提下得到持续高产效果的耙吸挖泥船疏浚施工自动寻优方法。
本发明的方法是在耙吸挖泥船上设置多个能够对挖泥船的工况进行检测和控制的子系统，其中包括能控制高压冲水泵的水压，并能对水压进行在线检测的高压冲水泵系统；能对泵机转速进行在线检测和控制，从而控制泥浆的流速的泵机系统；能对绞车电机进行控制，以改变耙头的对地压力的耙管绞车系统；能通过GPS检测船舶的航速，并可控制主机的转速以改变挖泥船航速的主机系统；用于检测挖泥船的装载量和土方量的吃水装载系统；用于检测泥浆的流量和密度，从而计算挖泥船产量的产量计系统；能够通过GPS定位系统或罗经来确定挖泥船在航道中的位置的平面位置定位系统；用于指示耙臂和耙头的水下位置及姿态的耙臂位置指示系统。每一个子系统中通过相应的传感装置进行信号的采集，并将各有效数据存入数据库系统。
疏浚施工的整个过程包括试挖步骤、自动寻优步骤和正式疏浚步骤；所述试挖步骤包括a.采集上述各子系统的信号，确定与疏浚产量相关的疏浚数据，挖泥船对地航速、波浪补偿器压力和行程、泥浆流量和密度、吃水装载测量、装舱容积信号、高压冲水压力；b.通过平面位置定位系统进行平面定位；c.判断是否进行试挖，如不进行试挖则直接开始正式疏浚步骤，如要进行试挖则开始进行试挖并记录试挖产量；d.一次试挖后判断是否改变试挖条件再次进行试挖，如要再次试挖则回到采集各子系统的信号和平面定位步骤，改变试挖条件(即对地航速、波浪补偿器压力、高压冲水、泥泵转速和土质各影响疏浚产量的要素进行不同的组合)进行试挖并记录试挖产量；e.经过多次试挖后，如确定不再进行试挖则确定试挖结束，进入自动寻优步骤。
所述自动寻优步骤包括1、土质区域划分，即根据产量率及当时的平面位置对土质区域进行划分，把产量率对应的位置称为产量点，产量率由流量计和密度计信号获得的，而平面位置由平面位置定位系统提供。土质区域定义如下土质区域必须闭合；任何两条边界线不能够重叠；构成区域的点必须大于三个。
2、可靠数据判别，即对每一次试挖采集的时间信息、对地航速信息、波浪补偿器压力信息、产量信息、挖泥深度信息这些随机疏浚数据中找出产量与其他参数的可靠数据关系，每一次试挖均通过可靠数据判别算法获得可靠数据。可靠数据判别算法中对某一土质区域内的可靠数据的定义为a.多次发生，即由软件设置一个阀值，在每个区域内的产量数据大于规定的阀值，则认为此区段的数据为有效可靠数据；b.符合规律，即设置规则，对非正常施工的数据进行过滤，包括耙头的深度小于某个值时不可能有浓度、流速不能低于某个值、泵机转速不能低于某个值、对地航速不能高于某个值；c.小概率事件过滤，即对疏浚数据中存在的一些小概率数据进行过滤，这些小概率数据是指信号偏移了大部分疏浚数据点区域的数据。
3、有效数据分析，即使用时间函数作为可靠数据分析中的权值函数，得到有效数据。
权值函数的表达式为Fi＝(Tmax-Ti)/(Tmax-Tmin)i＝0，1…，n；式中Tmax为被分析数据段的最大时间；Tmin为被分析数据段的最小时间；Ti为第i信号点疏浚数据的采集时间；总的权值Ftotal＝F0+F1+F2+….+Fn；数据的加权平均值＝X0*F0/Ftotal+X1*F1/Ftotal+…..+Xn*Fn/Ftotal。
4、二次或三次曲线拟合，即将通过加权平均得到的关系曲线进行二次曲线或三次曲线拟合。在曲线拟合时，选择使用二次曲线拟合还是使用三次曲线拟合，其原则是满足拟合的精度要求。
5、获得极值与分析寻优，即在曲线拟合完毕后，使用牛顿迭代法将二次曲线或三次曲线的最大值计算出来，在多个具有极值的曲线中，再通过综合评定的计算方式得出一个综合评定系数。过程如下第一步，设置权值W1、W2、W3，将满足以下条件的产量曲线确定为最佳产量曲线产量越大越好高效区越大越好对地航速变化越大越好其中W1+W2+W3＝1；第二步，由产量偏差(与最大产量比较)，高效区域(整个区域的百分比)，对地航速范围(变化范围)得出一个综合评定数C1，C2，C3，此评定数最大即为最佳；求C1，C2，C3的隶属度R1，R2，R3；6、将得到的不同施工状态下的优化施工参数存入数据库，结束自动寻优步骤。
所述正式疏浚步骤包括a.正式疏浚开始；b.各疏浚子系统的信号采集、分析和存贮；c.获取平面定位信号；d.由平面定位信号找出所在的土质区域；e.提出各土质区域的最优施工参数；
f.根据最优施工参数调整挖泥工况，进行优化疏浚；g.疏浚过程中随着挖深的变化和土质的变化，如果疏浚效率发生变化，则重新进行自动寻优步骤。判断土质变化的依据是相同的施工手段导致产量发生变化。
本发明的方法可以使耙吸挖泥船在一个情况不熟悉的新工地，通过对某类混合土质的施工试挖和数据采集与分析，根据土质和工况的变化选择合理的泥泵组合、对地航速、高压冲水压力和耙头对地压力等参考值，提出指导性的优化施工参数，从而促进并协助挖泥船操作人员妥善操作，使得挖泥船在保障设备安全的前提下得到持续的高产效果。
图1是现有疏浚过程的流程图；图2是本发明方法的流程图；图3是本发明实施例中疏浚过程的振荡曲线图；图4是本发明实施例中补偿器压力＝1.6、1.8、2.2时对地航速和产量的加权平均值曲线图；图5是图4中数据曲线的拟合结果图。
具体实施例方式
本发明方法的流程图如图2所示，其实施例包括以下步骤一、试挖及土质区域的划分。
对疏浚工地以不同的疏浚参数进行多次试挖，根据试挖产量及当时的平面位置划分土质区域，把产量对应的位置称为产量点。产量点是由流量计和密度计信号获得的，而平面位置由定位系统提供。疏浚工地平面图形根据产量点的变化被划分为不同的区域以反映土质的不同。，土质区域划分数据记录在服务器中，为分析系统提供信息。
二、通过曲线分析获得有效数据。
数据的原始曲线是通过挖泥船的试挖得到的疏浚过程的振荡曲线，这个振荡曲线包含了航速对产量的影响，补偿器压力对产量的影响等，这些数据具有时变和随机不确定性，表现为随机的振荡特性。疏浚过程的振荡曲线如图3所示。通过对试挖得到疏浚过程的振荡曲线数据进行可靠数据判别，得到有效数据。图4反映了补偿器压力＝1.6、1.8、2.2时对地航速和产量的加权平均值曲线。其工况的其他参数是高压冲水压力1.87bar；泵机转速360rpm。为使趋势直观，使用二次或三次曲线进行拟合，曲线拟合的结果如图5所示。
三、获得最佳的施工方案。
获得各个分析曲线后，系统作出分析和判断产生最佳的施工方案，以图5为例说明补偿器压力＝1.6的曲线，称之为曲线b1；补偿器压力＝1.8的曲线，称之为曲线b2；补偿器压力＝2.2的曲线，称之为曲线b31、极值的获得在图5中，计算机软件系统计算出了b1、b2、b3的极值点分别为1179m3、1043m3、876m3。曲线极值点的获得意味着在此工况的情况下，符合普遍规律的最大产量值。三个极值点获得后，是否被采纳为施工工艺还需要进行以下的分析过程。
2、寻优过程由施工的实际情况规定各目标的权重为W＝(0.3，0.2，0.5)T。在图6-3中，系统获得3个曲线(b1，b2，b3)。在此3个策略下系统都获得了较好的产量。此时3个策略对应的三个参数C1，C2，C3如下表所示
由于产量偏差是越小越好，所以用越小越优型确定隶属度，按上限规定产量差不能超过400(由系统输入的阀值F1)，最小的产量差为0，所以对C1的隶属度R1＝((400-0)/(400-0)＝1，0.66，0.25)。
高效区域是越大越好，最大值为80，系统规定的高效区域不能小于10(由系统输入的阀值F2)，所以对C2的隶属度R2＝((80-10)/(80-10)＝1，(20-10)/(80-10)＝0.14，0)。
对地航速变化范围是越大越好，用越大越优型确定隶属度，上限规定对地航速不小于0.4(由系统输入的阀值F3)，最大的对地航速为1.2，所以对C3的隶属度R3＝(1，0.125，0.375)。
因此效果指标隶属度矩阵为R=10.660.2510.14010.1250.375]]>按最大隶属度原理获得G＝(1，1，1)T计算带权海明贴近度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
获得b1＞b3＞b2因此参照的工况曲线应该是曲线b1，即补偿器压力为1.6Mpa，对地航速控制在2.4-3.0节之间，此时的产量是最大的。
四、开始正式疏浚。各疏浚子系统的信号采集、分析和存贮；获取平面定位信号；由平面定位信号找出所在的土质区域；提出各土质区域的最优施工参数；根据最优施工参数调整挖泥工况，进行优化疏浚。疏浚过程中随着挖深的变化和土质的变化，如果疏浚效率发生变化，则重新进行数据分析寻优，判断土质变化的依据是相同的施工手段导致产量发生变化。
权利要求
1.一种耙吸挖泥船疏浚施工自动寻优方法，该方法是在耙吸挖泥船上设置多个能够对挖泥船的工况进行检测和控制的子系统，其中包括能控制高压冲水泵的水压，并能对水压进行在线检测的高压冲水泵系统；能对泵机转速进行在线检测和控制，从而控制泥浆的流速的泵机系统；能对绞车电机进行控制，以改变耙头的对地压力的耙管绞车系统；能通过GPS检测船舶的航速，并可控制主机的转速以改变挖泥船航速的主机系统；用于检测挖泥船的装载量和土方量的吃水装载系统；用于检测泥浆的流量和密度，从而计算挖泥船的产量的产量计系统；能够通过GPS定位系统或罗经来确定挖泥船在航道中的位置的平面位置定位系统；用于指示耙臂和耙头的水下位置和姿态的耙臂位置指示系统；每一个子系统中通过相应的传感装置进行信号的采集，并将各有效数据存入数据库系统；疏浚施工的整个过程包括试挖步骤、自动寻优步骤和正式疏浚步骤。
2.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船疏浚施工自动寻优方法，其特征是所述试挖步骤包括，a.采集各子系统的信号，确定与疏浚产量相关的疏浚数据，挖泥船对地航速、波浪补偿器压力和行程、泥浆流量和密度、吃水装载测量、装舱容积信号、高压冲水压力；b.通过平面位置定位系统进行平面定位；c.判断是否进行试挖，如不进行试挖则直接开始正式疏浚步骤，如要进行试挖则开始进行试挖并记录试挖产量；d.一次试挖后判断是否改变试挖条件再次进行试挖，如要再次试挖则回到采集各子系统的信号和平面定位步骤，改变试挖条件进行试挖并记录试挖产量；e.经过多次试挖后，如确定不再进行试挖则确定试挖结束，进入自动寻优步骤。
3.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船疏浚施工自动寻优方法，其特征是所述自动寻优步骤包括，a.土质区域划分，即根据产量率及当时的平面位置对土质区域进行划分，把产量率对应的位置称为产量点，产量率由流量计和密度计信号获得的，而平面位置由平面位置定位系统提供；b.可靠数据判别，即对每一次试挖采集的时间信息、对地航速信息、波浪补偿器压力信息、产量信息、挖泥深度信息这些随机疏浚数据中找出产量与其他参数的可靠数据关系，每一次试挖均通过可靠数据判别算法获得可靠数据；c.有效数据分析，即使用时间函数作为可靠数据分析中的权值函数，得到有效数据；d.二次或三次曲线拟合，即将通过加权平均得到的关系曲线进行二次曲线或三次曲线拟合；e.获得极值与分析寻优，即在曲线拟合完毕后，使用牛顿迭代法将二次曲线或三次曲线的最大值计算出来，在多个具有极值的曲线中，再通过综合评定的计算方式得出一个综合评定系数，将得到的不同施工状态下的优化施工参数存入数据库，结束自动寻优步骤。
4.根据权利要求3所述的耙吸挖泥船疏浚施工自动寻优方法，其特征是土质区域定义为土质区域必须闭合；任何两条边界线不能够重叠；构成区域的点必须大于三个。
5.根据权利要求3所述的耙吸挖泥船疏浚施工自动寻优方法，其特征是所述的可靠数据判别算法中可靠数据的定义为，a.多次发生，即由软件设置一个阀值，在每个区域内的产量数据大于规定的阀值，则认为此区段的数据有效可靠数据；b.符合规律，即设置规则，对非正常施工的数据进行过滤，包括耙头的深度小于某个值时不可能有浓度、流速不能低于某个值、泵机转速不能低于某个值、对地航速不能高于某个值；c.小概率事件过滤，即对疏浚数据中存在的一些小概率数据进行过滤，这些小概率数据是指信号偏移了大部分疏浚数据点区域的数据。
6.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船疏浚施工自动寻优方法，其特征是所述正式疏浚步骤包括a.正式疏浚开始；b.各疏浚子系统的信号采集、分析和存贮；c.获取平面定位信号；d.由平面定位信号找出所在的土质区域；e.提出各土质区域的最优施工参数；f.根据最优施工参数调整挖泥工况，进行优化疏浚；g.疏浚过程中如果疏浚效率发生变化，则重新进行自动寻优步骤。
全文摘要
本发明涉及一种在疏浚施工过程中对耙吸挖泥船的工作状态进行自动控制的技术，具体是一种耙吸挖泥船疏浚施工自动寻优方法。该方法是在耙吸挖泥船上设置多个能够对挖泥船的工况进行检测和控制的子系统，其中包括高压冲水泵系统、泵机系统、耙管绞车系统、主机系统、吃水装载系统、产量计系统、平面位置定位系统、耙臂位置指示系统，每一个子系统中通过相应的传感装置进行信号的采集，并将各有效数据存入数据库系统，疏浚施工的整个过程包括试挖步骤、自动寻优步骤和正式疏浚步骤。本发明能够在一个情况不熟悉的新工地，通过试挖和数据采集与分析，提出指导性的优化施工参数，使得挖泥船在保障设备安全的前提下得到持续高产效果。
文档编号E02F3/88GK1986980SQ20051012319
公开日2007年6月27日 申请日期2005年12月21日 优先权日2005年12月21日
发明者田俊峰, 林风, 史美祥, 王柏欢, 虞平良, 张戟, 刘正刚, 戴自国, 王培胜, 俞孟蕻, 吕德祚, 金浩强, 王惠敏, 周榕, 侯晓明, 金华, 谢本华, 姜保刚, 李阿福, 吴晨, 许亦清, 丁志兵, 江万, 陈伟里, 董江平 申请人:中国交通建设集团有限公司, 上海航道局, 上海交大东伟科技有限公司