一种基于环境参数分析的海洋地质绞车控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明的一种基于环境参数分析的海洋地质绞车控制系统及控制方法，该地质绞车控制系统采用层次结构模型设计方法，以及功能模块化手段，实现绞车控制过程的自动化：对绞车控制中收放缆模式选择、排缆速度、绞车制动三个主要流程实现自动化控制，能够满足长时间、无人值守的需要。该海洋地质绞车控制系统接收船载设备的船舶信息数据：GPS位置、船首向等、调查设备数据：流速、流向等，以及绞车运行数据：出揽长度、排揽速度、缆绳张力等；自动完成绞车控制命令的决策、发送、执行的操作。本发明解决了传统绞车控制过程中实时性强、应急性差等实际难题，降低了人力参与绞车控制的程度，节约了人力成本，提高了海洋科考的取样效率。
【专利说明】一种基于环境参数分析的海洋地质绞车控制系统及控制方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及海洋科考及海底探测【技术领域】，特别涉及一种基于环境参数分析的海 洋地质绞车的控制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002] 海洋地质绞车在海洋科考尤其是海洋地质取样方面有着广泛的运用。海洋地质绞 车的控制包括收放缆模式选择、排揽速度控制、绞车制动控制三个主要方面。当前海洋地质 科考过程中，海洋地质绞车控制完全由人工来完成。在实际的控制过程中存在以下向题： (1)通过对讲机或人工传话方式了解当前船舶信息：船首向、船速、GPS信息等，还有作业海 域环境参数：水深、流速、流向等。信息的实时性难以保障，影响绞车操作员对于排缆速度和 接近取样海底时绞车制动的控制。（2)海洋科考和海底取样过程中，海域深度经常在5000m 以上，导致海洋地质绞车控制过程持续时间较长，加之海况、流向等突变性较强，导致绞车 操作员工作状态难以持续保持。（3)突发情况发生时，绞车操作员通常是根据传统经验来确 定排缆速度变化或者是否进行紧急制动，缺乏明确统一的判别规则和方法，容易造成操作 失误，造成不必要的损失。
[0003] 因此，非常需要提出一种能够根据海底环境状况进行自动控制的海洋地质绞车控 制系统，代替人工控制，更适时准确安全有效地进行控制。以便更好地完成海洋科考和海洋 地质取样工作。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决上述技术问题，提出一种基于环境参数分析的海洋地质 绞车控制系统及控制方法，实现自动化控制，能够满足长时间、无人值守的需要，并且可以 自动完成绞车控制命令的决策、发送、执行的操作。具有可扩展性、可维护性、可移植性和可 复用性。
[0005] 本发明的基于环境参数分析的海洋地质绞车控制系统及控制方法，该地质绞车控 制系统采用层次结构模型设计方法，以及功能模块化手段，实现绞车控制过程的自动化：对 绞车控制中收放缆模式选择、排缆速度、绞车制动三个主要流程实现自动化控制，能够满足 长时间、无人值守的需要。该海洋地质绞车控制系统接收船载设备的船舶信息数据：GPS位 置、船首向等、调查设备数据：流速、流向等，以及绞车运行数据：出揽长度、排揽速度、缆绳 张力等；自动完成绞车控制命令的决策、发送、执行的操作。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供了一种基于环境参数分析的海洋地质绞车控制系 统，该控制系统包括以下三个部分：
[0007] (1)数据测控设备：其中设有：
[0008] 海洋地质绞车数据获取组件，其包括缆绳张力传感器、出缆速度传感器、缆绳长度 测量器；
[0009] 海洋调查设备数据获取组件，其中各设备通过网络接口 RJ-45与绞车信息服务器 进行信号连接；
[0010] 船舶信息收集组件，其包括GPS定位仪、罗经、气象仪、航速仪、多普勒声学剖面仪 以及测深仪；所述船舶信息收集组件中各设备通过串口接口 RS-232与船舶信息服务器进 行信号连接；其中的多普勒声学剖面仪以及测深仪分别通过串口接口 RS-232与绞车信息 服务器进行信号连接；
[0011] (2)数据处理设备：包括由计算机构成的数据中心工作站和数据收集转发服务 器；所述数据中心工作站通过所述数据收集转发服务器与所述绞车信息服务器、船舶信息 服务器进行接收信号连接，并与所述数绞车控制设备进行信号输出连接；数据处理设备的 功能是接收绞车数据、海洋数据与船舶数据，对上述数据进行处理，形成绞车控制指令并发 送给绞车控制设备；
[0012] (3)绞车控制设备：设有绞车控制工控机及绞车控制执行单元；工控机为市售工 控机，绞车控制执行单元设有绞车启动控制执行单元、绞车制动控制执行单元、绞车前进控 制执行单元、绞车后退控制执行单元、绞车放缆控制执行单元、绞车收缆控制执行单元；绞 车控制设备的主要功能是接收数据处理设备提供的绞车控制指令，并将控制指令变成对绞 车进行相应操作的动作。
[0013] 根据本发明的另一个方面，提供了船舶信息收集组件、海洋调查设备数据获取组 件、海洋地质绞车数据获取组件完成相应数据收集。
[0014] 根据本发明的另一个方面，提供了控制方法依次包括以下步骤：
[0015] 步骤一：参数信息获取步骤：所述参数信息包括状态运行参数和环境参数；
[0016] 其中，来源于海洋地质绞车数据获取单元的状态运行参数包括出缆长度L、出缆速 度SM、等效缆绳张力Fm ;环境参数包括经度1〇、纬度la、水深Hw、流速Vf、流向Df、离海底深 度Hb、船首向Ds ;经度1〇、纬度Ia来源于GPS，水深Hw来源于测深仪，流速Vf和流向Df来源 于声学多普勒流速剖面仪，离海底深度Hb来源于回波高度计，船首向Ds来源于罗经；
[0017] 步骤二：数据分析步骤：根据状态运行参数及环境参数，进行数据分析，计算得出 决策数据集，决策数据集包括缆绳倾角〇、顺逆流判别角0、船速Vs、等效张力差值AFm;
[0018] 其中：
[0019]
【权利要求】
1. 一种基于环境参数分析的海洋地质绞车控制系统，其特征在于：该控制系统包括以 下三个部分： (1) 数据测控设备：其中设有： 海洋地质绞车数据获取组件，其包括缆绳张力传感器、出缆速度传感器、缆绳长度测量 器； 海洋调查设备数据获取组件，其中各设备通过网络接口 RJ-45与绞车信息服务器进行 信号连接； 船舶信息收集组件，其包括GPS定位仪、罗经、气象仪、航速仪、多普勒声学剖面仪以及 测深仪；所述船舶信息收集组件中各设备通过串口接口 RS-232与船舶信息服务器进行信 号连接；其中的多普勒声学剖面仪以及测深仪分别通过串口接口 RS-232与绞车信息服务 器进行信号连接； (2) 数据处理设备：包括由计算机构成的数据中心工作站和数据收集转发服务器；所 述数据中心工作站通过所述数据收集转发服务器与所述绞车信息服务器、船舶信息服务器 进行接收信号连接，并与所述数绞车控制设备进行信号输出连接；数据处理设备的功能是 接收绞车数据、海洋数据与船舶数据，对上述数据进行处理，形成绞车控制指令并发送给绞 车控制设备； (3) 绞车控制设备：设有绞车控制工控机及绞车控制执行单元；工控机为市售工控机， 绞车控制执行单元设有绞车启动控制执行单元、绞车制动控制执行单元、绞车前进控制执 行单元、绞车后退控制执行单元、绞车放缆控制执行单元、绞车收缆控制执行单元；绞车控 制设备的主要功能是接收数据处理设备提供的绞车控制指令，并将控制指令变成对绞车进 行相应操作的动作。
2. 根据权利要求1所述的海洋地质绞车控制系统，其特征在于：船舶信息收集组件、海 洋调查设备数据获取组件、海洋地质绞车数据获取组件完成相应数据收集。
3. -种如权利要求1或2所述的控制系统的控制方法，其特征在于，控制方法依次包括 以下步骤： 步骤一：参数信息获取步骤：所述参数信息包括状态运行参数和环境参数； 其中，来源于海洋地质绞车数据获取单元的状态运行参数包括出缆长度L、出缆速度 SM、等效缆绳张力Fm ;环境参数包括经度1〇、纬度la、水深Hw、流速Vf、流向Df、离海底深度 Hb、船首向Ds ;经度1〇、纬度Ia来源于GPS，水深Hw来源于测深仪，流速Vf和流向Df来源于 声学多普勒流速剖面仪，离海底深度Hb来源于回波高度计，船首向Ds来源于罗经； 步骤二：数据分析步骤：根据状态运行参数及环境参数，进行数据分析，计算得出决策 数据集，决策数据集包括缆绳倾角〇、顺逆流判别角0、船速Vs、等效张力差值AFm; 其中： 缆绳倾角 ct =arccos( (Hw-Hb)/L); 顺逆流判别角P = l〇c*(Ds_DF)，其中，Ioc由绞车出缆位置决定，若从左舷出缆，Ioc =-1 ;反之 Ioc = 1 ; 船速Vs由经纬度偏移量计算得出，其中，根据投影坐标系采用不同计算公式； 等效张力差值AFm =Fm2-Fmi，其中，FM2、F m为相邻采样周期内的等效张力值； 步骤三：异常判别步骤： [1] ?若I AFM|彡AFmax，则判断异常类型为张力突变异常；其中：AFmax为等效张力差 值的极限值，由所用钢缆决定，在系统运行前由操作员根据不同钢缆极限值手动录入系统； 对应异常代码为OOl ; [2] ?若IfmI彡Fmax，则判断异常类型为张力过大异常，其中：f_为等效张力的安全运 行值，由所用钢缆决定，在系统运行前由操作员根据不同钢缆极限值手动录入系统；对应异 常代码为002 ; [3] .若（VF> 1)&&(30< P < 150)，则判断异常类型为逆流异常，其中：此情况下存 在缆绳切割船体危险；对应异常代码为003 ; [4] .若a >30,则判断异常类型为倾角异常，其中：此情况下存在跳缆风险；对应异 常代码为004 ; [5] .若（Hb < 100)&&(VS > 2)，则判断异常类型为触底风险异常，其中：船漂流速度过 快时离地距离过近存在触底风险；对应异常代码为005 ; [6] .若（VF* IcosP I-Vs >0)&& (0 > 180)，则判断异常类型为上浮风险异常；对应异 常代码为006 ; [7] .若Sm > 2,则判断异常类型为超速异常；对应异常代码为007 ; 步骤四：未若发生上述7种异常情况之一，则返回至步骤一的参数信息获取步骤； 若发生上述7种异常情况之一，则发出异常报警，跳转至命令生成子系统，进行命令生 成，其中包括5种基本命令： [1] .命令名称为放缆，命令码为release ;发送方式为TCP/IP协议网络传输；执行动 作为启动绞车以lm/min速度进行放缆操作； [2] .命令名称为收揽，命令码为recover ;发送方式为TCP/IP协议网络传输；执行动 作为启动绞车以lm/min速度进行收揽操作； [3] .命令名称为制动，命令码为stop ;发送方式为TCP/IP协议网络传输；执行动作为 停止绞车收放缆操作； [4] .命令名称为加速，命令码为up ;发送方式为TCP/IP协议网络传输；执行动作为每 次执行，提升lm/min绞车速度； [5] .命令名称为减速，命令码为down ;发送方式为TCP/IP协议网络传输；执行动作为 每次执行，降低lm/min绞车速度； 步骤五：执行绞车调整命令，调整绞车状态，步骤如下： [1]当接收到异常码为001时，对应操作为： (1) .设置计数器i = 1000; (2) .对绞车发送down命令，降低lm/min绞车速度； (3) ?若i != 0,跳转至第（4)步；否贝1J，跳转至第（5)步； (4) .执行001异常检查，若异常排除，跳出子系统；若异常仍存在，i执行自减操作，跳 转至第⑵步； (5) .发送stop命令，停止绞车操作； [2]当接收到异常码为002时，对应操作为： (1) .发送stop命令，停止绞车收放缆操作； (2) .启动软件计时器，进行3min倒计时操作； (3).发送recover命令，启动绞车以lm/min速度进行收揽操作以回收设备； [3]当接收到异常码为003时，对应操作为： (1) .执行007异常检查，若无异常，对绞车发送up命令，提升lm/min绞车速度； (2) .启动软件计时器，进行IOs倒计时操作； (3) .执行003异常检查，若异常排除，跳出子系统；若异常仍存在，跳转至第（1)步； (4) 当接收到异常码为004时，对应操作为： (1) .设置计数器i = 100; (2) .对绞车发送down命令，降低lm/min绞车速度； (3) ?若i != 0,跳转至第（4)步；否贝1J，跳转至第（5)步； (4) .执行004异常检查，若异常排除，跳出子系统；若异常仍存在，i执行自减操作，跳 转至第⑴步； (5) .发送stop命令，停止绞车收放缆操作； (6) .进行软件预警，通知船长调整船向； (7) .手动发送re lease或recover命令重启操作，启动绞车以lm/min速度进行放缆或 收缆操作； [5] 当接收到异常码为005时，对应操作为： (1) ?发送down命令，降低lm/min绞车速度； ⑵?持续监控Hb，若Hb彡100,跳出子系统；若50彡Hb < 100,跳至第⑴步；若Hb <50,跳至第（3)步； (3) .执行stop命令，停止绞车收放缆操作，启动3min计时器； (4) .计时结束后，执行recover命令，启动绞车以lm/min速度进行收缆操作； [6] 当接收到异常码为006时，对应操作为： (1) .执行007异常检查，若无异常，对绞车发送up命令，提升lm/min绞车速度； (2) .启动软件计时器，进行IOs倒计时操作； (3) .执行006异常检查，若异常排除，跳出子系统；若异常仍存在，跳转至第（1)步； [7] 当接收到异常码为007时，对应操作为： (1) ?发送down命令，降低lm/min绞车速度； (2) .持续监控SM，若Sm大于2,跳至⑴；否则跳出子系统。
4. 根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：出缆长度L单位为m、出缆速度Sm单 位为m/s、等效缆绳张力Fm单位为kg ;状态运行参数获取方式为UDP协议网络传输。
5. 根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：经度Io与纬度Ia的单位为度分秒； 水深Hw与离海底深度Hb的单位为m ;流速Vf的单位为m/s ;流向Df与船首向Ds单位为度； 经度1〇、纬度Ia与离海底深度Hb的获取方式为RS232+TCP/IP协议网络传输；水深H w、流速 Vf、流向Df的获取方式为TCP/IP协议网络传输；船首向D s的获取方式为RS232+UDP协议网 络传输。
6. 根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：缆绳倾角a与顺逆流判别角爲的 单位为度；船速Vs的单位为节；等效张力差值AFm的单位为kg。
7. 根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：决策参数数据获取方法为： [1].船舶信息收集组件、海洋调查设备数据获取组件、海洋地质绞车数据获取组件完 成相应数据收集； [2] .数据服务器端开展数据解析，提取各原始数据中供控制决策用的关键字段； [3] .将关键字段按照既定的决策源数据格式进行封装，并将封装后的决策源数据存入 发送队列； [4] .依照时间戳顺序，参照发送队列"先入先出"原则将决策源数据通过UDP协议进行 组播。
8. 根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：具体实现过程中采取以下方法： [1] .针对海洋地绞车数据单元数据，采取固定周期采集方法，即选取固定的时间周期 对绞车数据传送串口进行数据获取，读取多个固定监测时间节点数据，以此为样本形成绞 车数据集，供后续使用； [2] .针对船舶信息系统数据，采取连续观测方法，即实时监控方法，即对通用标准格式 数据包括GPS数据、罗经数据、风速数据等多种数据进行连续观测，保证该部分数据的全部 有效性； [3] .针对多普勒声学剖面仪数据即测深仪数据，采取实施监控方法，对其数据接口的 数据进行实时监听，保证在异常爆发时可以通过及时获取流速流向数据及速度数据； [4] .数据预处理，在数据获取成功后利用同步方式进行数据处理，针对不同格式数据 特征，摘取其关键参数并重组信息，最终形成决策源数据进行传送。
9. 根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：决策信息获取方法的实现为： [1] .解析决策源数据数据头，判定数据来源和设备类型，并将实际数据信息存入缓存 矩阵； [2] .根据决策信息所需参数，从矩阵中摘取相应数据信息进行运算； [3] .将获取的决策信息参数以数组形式进行封装，形成决策信息通过网络通信协议进 行发送。
10. 根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：控制命令生成方法为：采取阈值范 围触发方法触发控制命令生成，结合决策信息参数值和设定的的阈值范围进行比对，若在 阈值范围内，则不产生任何绞车控制命令，绞车端仍旧延续前一状态继续运转；若某参数值 超出阈值范围，则触发相应的状况判别函数，对当前绞车运行状况进行判别，形成相应控制 命令。
【文档编号】B66D1/48GK104310258SQ201410356410
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】王培刚, 张洪欣, 段康弘, 张丽婷, 杨敏, 宋士林, 马龙, 于灏, 刘婷婷, 张震 申请人:国家海洋局北海海洋技术保障中心