本發(fā)明屬于疏浚工程，特別涉及一種耙吸挖泥船載消能裝置高度優(yōu)化系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、耙吸挖泥船是疏浚行業(yè)的主力船舶，在航道疏浚、吹填造陸、港口維護(hù)等工程中發(fā)揮了重要的作用。泥艙系統(tǒng)是耙吸挖泥船的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著疏浚裝艙、沖艙排岸的重要功能。耙吸挖泥船裝艙施工過程根據(jù)不同階段的特點可以分為裝艙和溢流兩部分，針對目標(biāo)土質(zhì)特性，泥漿（水和泥沙混合物）通過進(jìn)艙管不斷流入泥艙內(nèi)，其中部分泥沙在重力作用下沉積在艙底，另一部分泥沙與水混合在艙內(nèi)呈懸浮狀態(tài)，當(dāng)該部分水沙混合物液面高度超過溢流筒高度后即發(fā)生不同程度的溢流損失。

2、耙吸挖泥船的裝艙溢流施工效率與消能裝置的設(shè)計和布置直接相關(guān)。現(xiàn)階段國內(nèi)大多數(shù)耙吸挖泥船的消能裝置均為固定設(shè)計，不能針對不同土質(zhì)、泥漿濃度等各種復(fù)雜工況，調(diào)節(jié)消能裝置高度，有針對性地降低進(jìn)艙水流對艙內(nèi)泥沙的擾動。當(dāng)泥沙顆粒較粗時，泥沙快速沉積，消能裝置安裝高度過低則容易堵塞出流口；當(dāng)泥沙顆粒較細(xì)時，消能裝置安裝高度過高，在進(jìn)艙水流作用下，細(xì)顆粒泥沙則會被擾動致使大部分呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)，增加溢流損失，降低裝艙效率，同時對周圍施工水域環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種可調(diào)節(jié)高度的耙吸挖泥船消能裝置、高度自動調(diào)節(jié)優(yōu)化方法及船載系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)耙吸挖泥船施工過程中消能裝置高度自動靈活調(diào)節(jié)，通過盡可能減少艙內(nèi)泥沙擾動、降低溢流損失來提升艙內(nèi)泥沙裝載平整度和裝艙效率，能夠滿足不同土質(zhì)、進(jìn)艙濃度、進(jìn)艙流量、耙吸船泥艙結(jié)構(gòu)尺寸等多種工況下的需求。

2、技術(shù)方案

3、本發(fā)明目的之一，提供一種耙吸挖泥船消能裝置高度自動調(diào)節(jié)優(yōu)化實現(xiàn)方法，包括：

4、過程一?耙吸挖泥船艙內(nèi)構(gòu)建可調(diào)節(jié)高度消能裝置；

5、過程二?確定最優(yōu)的消能高度；

6、步驟1：通過已有耙吸船施工相關(guān)數(shù)據(jù)、待施工區(qū)域的地質(zhì)勘察報告、土質(zhì)情況數(shù)據(jù)等確定核心參數(shù)。核心參數(shù)包括：幾何模型、邊界條件、網(wǎng)格條件、初始條件、流體運動和泥沙運動。具體如下：

7、（1）幾何模型主要包括：泥艙結(jié)構(gòu)尺寸、橫向和縱向三角艙尺寸、溢流設(shè)備尺寸、消能設(shè)備尺寸及高度、以及橫向縱向三角艙、消能溢流設(shè)備相對泥艙的位置；

8、（2）邊界條件包括：進(jìn)艙邊界為裝艙流量和裝艙泥漿濃度、溢流邊界為自由出流邊界、泥艙上部邊界為大氣壓邊界、艙壁邊界為具有一定粗糙度材質(zhì)的墻壁邊界；

9、（3）網(wǎng)格條件包括：x、y、z三個方向網(wǎng)格范圍以及單元網(wǎng)格尺寸。

10、（4）初始條件包括：初始水位h0、裝艙模擬時長t；

11、（5）流體運動參數(shù)包括：流體溫度t、流體粘度?、流體運動方程。

12、（6）流體運動方程根據(jù)裝艙特點選用rng?k?ε方程，具體如下：

13、

14、式中：——紊動能；

15、——速度分量；

16、、——坐標(biāo)分量；

17、——分子黏性系數(shù)；

18、——紊流黏性系數(shù)；

19、——紊動能產(chǎn)生項；

20、——紊動能耗散率；

21、、——、的湍流普朗特數(shù)；

22、，其中，，；

23、，其中，。

24、泥沙運動參數(shù)主要包括泥沙粒徑、泥沙密度、泥沙孔隙率、臨界希爾茲數(shù)、水下休止角、推移運動系數(shù)和沖刷系數(shù)，涉及泥沙懸浮、泥沙沉積、泥沙沖刷和泥沙推移四種運動形式。采用以下泥沙經(jīng)驗公式來自動計算模擬過程中各泥沙顆粒的運動形式。

25、其中，采用mastbergen和von?den?berg的經(jīng)驗公式來進(jìn)行計算泥沙起動和沖刷過程。

26、

27、式中，指挾帶系數(shù)，為床面的外法線方向，指泥沙顆粒的希爾茲數(shù)，指泥沙顆粒的臨界希爾茲數(shù)， g指重力加速度，是流體動態(tài)粘度， ds指泥沙粒徑，是泥沙密度，是流體密度。

28、泥沙顆粒的希爾茲數(shù)表達(dá)式為：

29、

30、式中，為河床表面的剪切應(yīng)力。

31、在非水平床面區(qū)域，考慮泥沙休止角影響，則臨界希爾茲數(shù)修正值 θcr,i’為

32、

33、式中，是沉積面垂線與重力加速度 g的夾角； φ是泥沙的休止角； ψ是流體上坡方向與流向的夾角。

34、采用meyer-peter&m?ller?equati的經(jīng)驗公式計算模擬過程中推移質(zhì)輸送過程。

35、

36、式中，推移質(zhì)泥沙厚度 δ計算式為：

37、

38、因此，推移質(zhì)輸送速度的計算式為:

39、

40、步驟2：進(jìn)行裝艙過程模擬預(yù)測，包括建立裝艙數(shù)值模型和裝艙模擬預(yù)測兩個步驟。

41、建立裝艙數(shù)值模型：指根據(jù)輸入的核心參數(shù)，利用cfd軟件（現(xiàn)有技術(shù)）建立能夠模擬裝艙施工過程的數(shù)值模型，以實現(xiàn)裝艙模擬功能。

42、裝艙模擬預(yù)測：使用上述裝艙數(shù)值模型，設(shè)置不同消能裝置高度位置工況，進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬整個裝艙過程，實現(xiàn)裝載量、土方量、總溢流損失和艙內(nèi)沉積泥沙高度隨裝艙時間變化的模擬預(yù)測，得到多組對應(yīng)不同消能裝置高度位置的數(shù)值模擬計算結(jié)果。消能裝置高度位置需手動設(shè)置。

43、數(shù)值模擬計算結(jié)果還包括：qt（t時刻流量的三維網(wǎng)格點云）； ρt（t時刻密度的三維網(wǎng)格點云）； vx（t時刻x方向分速度的三維網(wǎng)格點云）； vy（t時刻的y方向分速度的三維網(wǎng)格點云）。數(shù)值計算的結(jié)果提供給步驟3。

44、步驟3：基于數(shù)值模擬結(jié)果，以裝載量、土方量、溢流損失、以及沉積泥沙平整度等四個指標(biāo)設(shè)置評價依據(jù)順序，獲得消能裝置優(yōu)化推薦高度；

45、多組數(shù)值模擬結(jié)果中，不同消能裝置高度對應(yīng)不同的裝載量、土方量、溢流損失、以及沉積泥沙平整度等四個指標(biāo)，設(shè)置評價依據(jù)順序，根據(jù)評價依據(jù)順序（第一梯度、第二梯度）確定消能設(shè)備高度優(yōu)化設(shè)計推薦值。通常以裝載量、土方量和溢流損失為代表的裝艙效率作為第一梯度判別標(biāo)準(zhǔn)，以沉積泥沙平整度作為第二梯度判別標(biāo)準(zhǔn)。其中，裝載量和土方量越大、溢流損失越小、泥艙平整度越高，表明該工況的消能設(shè)備高度對裝艙效果影響越好。

46、優(yōu)選的，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)為沉積泥沙平整度α最優(yōu)、土方量d最大，則優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)為：

47、

48、設(shè)置約束條件（ x. t.）：

49、

50、其中，為計算沉積土方量時間段長度；為在時間段內(nèi)的出流流量；為在時間段內(nèi)的出流濃度; xi屬于[0,h]，h表示泥艙高度， x(it)作為計算平整度的參數(shù)，表示t時刻取樣位置i測得的沉積泥沙高度,表示泥艙縱向中軸線斷面沉積泥沙高度平均值。

51、

52、式中，t表示初始設(shè)定的最大時間。

53、設(shè)定多組消能裝置高度，分別利用步驟2數(shù)值計算模型計算qt、 ρt、 vx和 vy，進(jìn)而計算沉積泥沙平整度和土方量，根據(jù)上述優(yōu)化目標(biāo)（平整度最優(yōu)、土方量最大）選擇最佳的一組，對應(yīng)的消能設(shè)備高度即為最優(yōu)的消能設(shè)備高度。

54、綜合考慮時間和算力，根據(jù)相關(guān)數(shù)值計算與預(yù)測經(jīng)驗，消能裝置高度組數(shù)建議為12~20組，每組間隔0.25~0.5m，高度變化范圍5~6m。

55、過程三?以最優(yōu)的消能高度裝艙作業(yè)

56、步驟4：根據(jù)步驟3得到的最優(yōu)的消能設(shè)備高度，調(diào)整可調(diào)節(jié)高度消能裝置的液壓支桿，升高或降低消能設(shè)備高度到最優(yōu)高度。

57、進(jìn)一步的，步驟3中，為避免復(fù)雜的數(shù)值計算過程，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于預(yù)測沉積泥沙高度和土方量。如下：

58、建立沉積泥沙高度預(yù)測模型，用于預(yù)測沉積泥沙高度，如下：

59、x的計算通過建立x（t）值與數(shù)值模擬初始條件和邊界條件的預(yù)測模型如下：

60、輸入值：qt為t時刻流量的三維網(wǎng)格點云； ρt為t時刻密度的三維網(wǎng)格點云； vx為t時刻x方向分速度的三維網(wǎng)格點云； vy為t時刻的y方向分速度的三維網(wǎng)格點云。

61、輸出值：以 x(t+δt)表示下一個δt時刻計算平整度斷面的沉積泥沙高度矩陣作為沉積泥沙高度預(yù)測模型的標(biāo)簽項。其中，將消能設(shè)備的所在三維位置均設(shè)定為0，此設(shè)定來表征消能設(shè)備的空間特征。

62、以δt為時間間隔分別提取數(shù)值模擬計算的qt、ρt、 vx、 vy每個時間對應(yīng)的qt、ρt、 vx、 vy三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積核特征提取，生成特征矩陣，將對應(yīng)的t+δt時刻，用來計算艙內(nèi)沉積泥沙高度的值組合為標(biāo)簽矩陣x，訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。通過上述操作，應(yīng)用數(shù)值模擬數(shù)據(jù)訓(xùn)練獲得平整度計算平面的計算點的沉積泥沙高度預(yù)測模型。

63、訓(xùn)練階段，輸入量和標(biāo)簽由步驟2的裝艙過程模擬預(yù)測模型計算獲得；訓(xùn)練完畢后，根據(jù)實測的qt、ρt、 vx、 vy預(yù)測各點的沉積泥沙高度，進(jìn)而反映沉積泥沙的平整度情況。

64、建立土方量預(yù)測模型，用于預(yù)測艙內(nèi)土方量，如下：

65、同上，dt為t時刻土方量的三維網(wǎng)格點云，以d(t+δt)表示下一個δt時刻計算土方量作為土方量預(yù)測模型的標(biāo)簽項。建立t時刻的qt、ρt、 vx、 vy數(shù)據(jù)與t+δt時刻泥艙的艙內(nèi)土方量三維數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練獲得土方量預(yù)測模型。

66、根據(jù)預(yù)測模型設(shè)置土方量和平整度兩個評價依據(jù)的順序，獲得推薦優(yōu)化高度。

67、本發(fā)明目的之二，提供一種耙吸挖泥船載消能裝置高度優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于：包括核心參數(shù)輸入模塊、裝艙過程模擬預(yù)測模塊、設(shè)計優(yōu)化輸出模塊、高度自動調(diào)節(jié)模塊，這些軟件模塊嵌入船載裝艙控制系統(tǒng)并受其調(diào)用；

68、其中，核心參數(shù)輸入模塊：

69、核心參數(shù)包括幾何模型、邊界條件、網(wǎng)格條件、初始條件、流體運動和泥沙運動；所述幾何模型包括：泥艙結(jié)構(gòu)尺寸、橫向和縱向三角艙尺寸、溢流設(shè)備尺寸、消能設(shè)備尺寸及高度、以及橫向縱向三角艙、消能溢流設(shè)備相對泥艙的位置；所述邊界條件包括進(jìn)艙邊界為裝艙流量和裝艙泥漿濃度、溢流邊界為自由出流邊界、泥艙上部邊界為大氣壓邊界、艙壁邊界為具有一定粗糙度材質(zhì)的墻壁邊界；所述網(wǎng)格條件包括：x、y、z三個方向網(wǎng)格范圍以及單元網(wǎng)格尺寸；所述初始條件包括初始水位h0、裝艙模擬時長t；所述流體運動參數(shù)包括流體溫度t、流體粘度、流體運動方程；所述泥沙運動參數(shù)主要包括泥沙粒徑、泥沙密度、泥沙孔隙率、臨界希爾茲數(shù)、水下休止角、推移運動系數(shù)和沖刷系數(shù)，涉及泥沙懸浮、泥沙沉積、泥沙沖刷和泥沙推移四種運動形式;

70、其中，裝艙過程模擬預(yù)測模塊：

71、利用核心參數(shù)輸入模塊已輸入的各項參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值計算，模擬不同工況下的裝艙過程。裝艙過程模擬預(yù)測模塊實現(xiàn)裝艙過程模擬預(yù)測，包括建立裝艙數(shù)值模型和裝艙模擬預(yù)測兩個部分。

72、建立裝艙數(shù)值模型：根據(jù)輸入的核心參數(shù)，利用cfd軟件（現(xiàn)有技術(shù)）建立能夠模擬裝艙施工過程的數(shù)值模型，以實現(xiàn)裝艙模擬功能。

73、裝艙模擬預(yù)測：使用上述裝艙數(shù)值模型，設(shè)置不同消能裝置高度位置工況，進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬整個裝艙過程，實現(xiàn)裝載量、土方量、總溢流損失和艙內(nèi)沉積泥沙高度隨裝艙時間變化的模擬預(yù)測，得到多組對應(yīng)不同消能裝置高度位置的數(shù)值模擬計算結(jié)果。消能裝置高度位置需手動設(shè)置。

74、數(shù)值模擬計算結(jié)果還包括：qt（t時刻流量的三維網(wǎng)格點云）； ρt（t時刻密度的三維網(wǎng)格點云）； vx（t時刻x方向分速度的三維網(wǎng)格點云）； vy（t時刻的y方向分速度的三維網(wǎng)格點云）。數(shù)值計算的結(jié)果提供給設(shè)計優(yōu)化輸出模塊。

75、該模塊能夠?qū)崟r顯示計算過程中的各種數(shù)據(jù)，并在三維模型中以可視化的方式呈現(xiàn)模擬結(jié)果。用戶可以通過查看各工況下裝艙過程中的具體流速、濃度和土方量等輸出結(jié)果，對裝艙過程有更為直觀和深入的了解。有助于用戶分析裝艙過程中的各種現(xiàn)象，如流速分布、泥沙濃度變化等，進(jìn)而優(yōu)化裝艙方案。

76、其中，設(shè)計優(yōu)化輸出模塊：

77、基于裝艙過程模擬預(yù)測模塊輸出的數(shù)值模擬結(jié)果，以裝載量、土方量、溢流損失、以及沉積泥沙平整度等四個指標(biāo)設(shè)置評價依據(jù)順序，獲得消能裝置優(yōu)化推薦高度；用戶可以根據(jù)實際需要點擊選擇評價依據(jù)的順序（裝艙效率、平整度）；系統(tǒng)會根據(jù)用戶選擇的評價依據(jù)，自動輸出消能設(shè)備高度的優(yōu)化推薦數(shù)值。

78、具體的，多組數(shù)值模擬結(jié)果中，不同消能裝置高度對應(yīng)不同的泥艙裝載量、土方量、溢流損失、以及沉積泥沙平整度等四個指標(biāo)，設(shè)置評價依據(jù)順序，根據(jù)評價依據(jù)順序（第一梯度、第二梯度）生成消能設(shè)備高度優(yōu)化設(shè)計推薦值。通常以裝載量、土方量和溢流損失為代表的裝艙效率作為第一梯度判別標(biāo)準(zhǔn)，以沉積泥沙平整度作為第二梯度判別標(biāo)準(zhǔn)。其中，裝載量和土方量越大、溢流損失越小、泥艙平整度越高，表明該工況的消能設(shè)備高度對裝艙效果影響越好。

79、其中，高度自動調(diào)節(jié)模塊：

80、基于設(shè)計優(yōu)化輸出模塊輸出的消能設(shè)備優(yōu)化高度推薦值，經(jīng)由船載裝艙控制系統(tǒng)發(fā)送控制信號，從而自動控制可調(diào)節(jié)高度式消能設(shè)備上的液壓支桿。通過精確控制液壓支桿的伸縮，實現(xiàn)對消能設(shè)備高度的自動化、精準(zhǔn)化調(diào)節(jié)。此外，用戶也可以人工通過已有的地質(zhì)勘察資料判定施工區(qū)域的土質(zhì)情況，根據(jù)工程經(jīng)驗，通過裝艙控制系統(tǒng)輸入適當(dāng)?shù)南苎b置高度。系統(tǒng)接收到指令后，會發(fā)送控制信號給液壓支桿，實現(xiàn)人工輔助消能裝置的升降調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式更加靈活，能夠適應(yīng)不同的施工環(huán)境和需求。

81、本發(fā)明的有益效果是提供了一種耙吸挖泥船消能裝置高度自動調(diào)節(jié)優(yōu)化方法及高度優(yōu)化系統(tǒng)，在施工過程中，能夠根據(jù)不同土質(zhì)、不同泥漿濃度需求，實時自動化精準(zhǔn)調(diào)節(jié)消能裝置的高度。消能裝置既不會過低，導(dǎo)致快速沉降的粗顆粒泥沙堵塞消能裝置出口，又不會過高，導(dǎo)致進(jìn)艙水流擾動泥沙，增加懸浮泥沙溢流損失。通過精準(zhǔn)把控消能裝置高度，提高耙吸挖泥船施工效率，同時可減少裝艙溢流對施工水域環(huán)境的不利影響，具有工程應(yīng)用價值。