曾 飛，吳 青，初秀民，代超磊

ZENG Fei1,2,WU Qing1,CHU Xiu-min3,DAI Chao-lei1

（1. 武漢理工大學 港口裝卸技術交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430063；2. 南通大學 交通學院，南通 226019；3. 水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心，武漢 430063）

0 引言

隨著港口行業(yè)迅猛發(fā)展，我國港口擁有生產用碼頭泊位超3.1萬，完成貨物吞吐量連續(xù)9年位居世界第一，已成為世界港口大國[1]。港口綜合運輸能力的提升對我國國民經濟、對外貿易發(fā)展提供了強有力的支撐,但同時也帶來了巨大能耗問題。以2009年統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，我國港口生產能源消耗量355.34萬噸標準煤，但單耗平均達5.6噸標準煤/萬噸，利用率遠低于世界水平[2]。因此樹立綠色港口發(fā)展理念，增強節(jié)能技術科技創(chuàng)新及支撐能力，對促進港口節(jié)能減排和加快綠色港口構建具有重要現(xiàn)實意義。此外，交通部特別將干散貨碼頭節(jié)能減排技術研究開發(fā)列為《“十二五”水運節(jié)能減排總體推進實施方案》([2011]474號文件)重要任務之一，最大限度降低帶式輸送機能耗是散貨碼頭節(jié)能任務的關鍵。國內外相繼采用優(yōu)化啟動工藝、控制電機運行數(shù)量、電機“Y”-“D”接法切換、物料流量自動控制、加設軟啟動裝置、優(yōu)化托輥性能及排列方式等技術對原設備改造來降低設計裕量過大造成的能耗，節(jié)電經濟效益顯著[3～8]?？紤]到散料裝卸過程具有連續(xù)性、復雜性和不平衡性，基于系統(tǒng)級的帶式輸送機調速控制技術更具節(jié)能潛力[9]。筆者在剖析帶式輸送機控制機理基礎上，對帶式輸送機輸送狀態(tài)檢測技術、變速傳送控制技術及系統(tǒng)優(yōu)化和智能決策3個方面研究現(xiàn)狀進行總結和分析，提出以建立散貨碼頭帶式輸送機調速控制模擬實驗平臺為基礎，結合多智能體(Multi-Agent)和協(xié)調學理論研究多帶式輸送機協(xié)調控制機理，構建并優(yōu)化帶式輸送機群節(jié)能控制模型，并將研究港口散貨物流仿真及優(yōu)化作為調速策略有效性分析的重要技術手段。

1 帶式輸送機輸送狀態(tài)檢測技術

根據(jù)經驗，帶式輸送機上物料流連續(xù)性越強、平均流量越穩(wěn)定、分布越均勻，系統(tǒng)耗電量就越低。因此，根據(jù)物料瞬時傳送狀態(tài)(物料瞬時流量、物料分布、均勻性等)準確、均勻地調節(jié)執(zhí)行設備作業(yè)速率，即可提高系統(tǒng)能效。帶式輸送機輸送狀態(tài)檢測包括檢測裝置開發(fā)和識別算法研究兩部分。

1.1 帶式輸送機物料狀態(tài)檢測裝置

帶式輸送機物料狀態(tài)檢測裝置是通過安置于現(xiàn)場的監(jiān)測傳感器(光電發(fā)射帶和光電接收帶、攝像機等)采集皮帶上物料狀態(tài)信號并傳輸至現(xiàn)場控制分站或中控室，為管理人員調速策略研究和智能決策提供依據(jù)。目前，國內外針對帶式輸送機物料流量檢測裝置開發(fā)與研究較多，包括皮帶秤、核子秤、視覺檢測等。上述3種物料流量檢測方式雖具有一定實用性，但仍存在一定缺陷：1)電子皮帶秤目前檢測精度最高，但因計量原理是基于散料為理想狀態(tài)分布前提下取計量段內物料瞬時流量的平均值，故測量值沒有考慮真實散料分布隨機性、無規(guī)律等統(tǒng)計特性因素影響。另外，其測量精度易受稱重傳感器、皮帶速度傳感器硬件限制；2)核子秤成本高、結構復雜，難以適應散貨碼頭干散貨作業(yè)的惡劣環(huán)境；3)物料流量視覺檢測方式柔性大、測量精度高、成本低，可真實反映物料流狀態(tài)(物料瞬時流量、物料分布、均勻性、物料速度等），是物料流非接觸式動態(tài)計量較為理想檢測方案，但目前還沒有成熟的視覺檢測裝置問世。因此，今后可進一步對物料流視覺檢測系統(tǒng)研制展開研究。

1.2 散料特性識別

從前面分析可看出，散狀物料特性與帶式輸送機運行狀態(tài)有著密切關系，因此，如何準確識別散狀物料特性也是當前研究的一項重要內容。散狀物料特性通常可通過單顆粒和顆粒體集合來表征，由堆積密度、流動特性、粒徑分布、研磨性等參數(shù)體現(xiàn)。 目前，國外在煤礦混合配比、煤礦質量檢測等領域對散狀物料特性識別稍有研究，主要通過機器視覺和圖像處理等方法在線實現(xiàn)。目前散料特性識別算法研究大多應用于煤礦質量檢測、配比方面，用于帶式輸送機帶速節(jié)能控制決策的實例還很少。事實上，帶式輸送機上散料分布狀態(tài)直接影響帶式輸送機能耗大小，因此，如何設計合理的帶式輸送機狀態(tài)視覺檢測裝置，提高物料狀態(tài)識別算法準確性將是帶式輸送機調速節(jié)能控制的一個研究方向。

2 帶式輸送機速度傳送技術

帶式輸送機速度傳送技術是按照散貨碼頭物料裝船/卸船工藝，采用PLC作為控制核心，根據(jù)調速控制策略對帶式輸送機電機實施現(xiàn)場/遠程調速控制。帶式輸送機速度傳送技術包括帶式輸送機調速驅動裝置、帶式輸送機功率平衡研究、帶式輸送機調速控制策略三部分。

2.1 帶式輸送機調速驅動裝置

帶式輸送機輸送帶是粘彈性體，在靜止或運行時內部貯藏了大量能量。為確保帶式輸送機起動平穩(wěn)性，降低啟動張力對電氣和機械部分的沖擊，需加設調速啟動裝置。目前，調速啟動方式有直流電機驅動、變頻調速、可控硅電動機調速、調速型液力偶合器、液體粘性傳動調速、CST可控驅動等幾種，其中液力偶合器和變頻調速應用較為廣泛。液力耦合器雖能部分解決帶式輸送機軟啟動問題，但較變頻器驅動存在明顯劣勢：1)電機必須先空載啟動，造成啟動過程中產生巨大沖擊；2)長時工作引起液體溫度升高，融化合金塞，引起漏液；3)由于帶式輸送機加載時間較短易引起皮帶張力變化，因此對皮帶帶強要求較高；4)難以解決多電機驅動時功率平衡問題。隨著變頻調速技術成熟，帶式輸送機越來越多地采用變頻調速起動。采用變頻器軟啟動方式，可使皮帶在啟動過程中緩慢釋放內部能量，同時也能達到多電機驅動功率平衡。另外，因系統(tǒng)功率因數(shù)和效率均提高，所以其社會效益和經濟效益都非常明顯，具有良好的推廣價值。

2.2 帶式輸送機功率平衡研究

高強度、長距離、大運量帶式輸送機主要采用多滾筒多電機驅動。實際調速過程中，長距離高速帶式輸送機功率平衡控制，也是帶式輸送機調速節(jié)能技術中值得研究的問題。

根據(jù)帶式輸送機具有死區(qū)、時滯、摩擦和粘彈性等動力學特性，國際上早期主要根據(jù)輸送帶運動的力平衡方程、幾何方程和物理方程對其進行動力學分析，并采用解析法和數(shù)值法建立其連續(xù)模型的動力學方程解決其控制問題[10,11]。然而，隨著多電機功率分配不均衡情況在長距離、大運量帶式輸送機系統(tǒng)中出現(xiàn)，采用經典解析方法解決具有非線性和時變性復雜動力學模型及其困難。因此，近年來針對多電機功率平衡控制問題許多學者展開了多機驅動功率平衡調整原理研究，探討了影響功率平衡的主要因素[12,13]，提出了模糊控制法[14,15]、內?？刂品ā⑸窠浘W(wǎng)絡控制法[16]、轉矩分配法[17]四類功率協(xié)調控制方法。

2.3 帶式輸送機調速控制策略

帶式輸送機傳送裝置的效率由其傳送速度決定，傳送速度越高則傳送效率也越高。目前港口現(xiàn)有帶式輸送機各處傳送速度均一致，若需要某段區(qū)間帶式輸送機帶速必須超過其規(guī)定速度，則需研制帶式輸送機變速傳送裝置[18]。然而，因帶式輸送機功耗設計公式尚未考慮真實散料分布隨機性、無規(guī)律等統(tǒng)計特性因素影響，現(xiàn)有控制策略模型與真實情況差異較大；另外，目前尚無帶式輸送機群并行協(xié)調控制定性研究方法，現(xiàn)存方法的普適性和實用性有待進一步研究。

3 系統(tǒng)優(yōu)化和智能決策技術

散貨碼頭散料裝卸運作是一個復雜、隨機、離散動態(tài)過程，很難憑借經驗判斷或應用數(shù)學規(guī)劃方法進行優(yōu)化,一般采用港口系統(tǒng)仿真技術和實驗技術進行研究。港口系統(tǒng)仿真是一種將系統(tǒng)仿真技術應用于港口系統(tǒng)，建立港口物流系統(tǒng)的仿真模型，并進行實驗研究的方法。其中，建立可信的系統(tǒng)模型是研究港口系統(tǒng)仿真最重要前提。目前，港口系統(tǒng)建模方法有形式化建模技術(循環(huán)排隊網(wǎng)絡法、極大代數(shù)法、擾動分析法、PetriNet技術)和非形式化建模技術(活動循環(huán)圖、流程圖法、面向對象技術)兩類，大多用來解決港口裝卸設備配置、堆場作業(yè)、散料裝卸工藝等建模與優(yōu)化問題?？v觀目前國內外散貨碼頭仿真研究，取得的成果已經能對碼頭設計、運營提供較高價值的數(shù)據(jù)分析結果與決策支持，但仍存在模型偏離實際、功能單一、適用范圍窄等不足。影響帶式輸送機系統(tǒng)功耗因素十分復雜，涉及阻力系數(shù)、帶速、物料輸送狀態(tài)等，為驗證理論分析正確性及控制策略有效性，實驗室或現(xiàn)場實測是有效的技術手段。

4 討論

分析國內外已開展的帶式輸送機調速節(jié)能研究發(fā)現(xiàn)，由于影響帶式輸送機功耗的物料流狀態(tài)參數(shù)獲取不足，使得帶式輸送機能耗影響機理分析方法和手段有限。因此，采集并分析帶式輸送機輸送狀態(tài)相關信息，建立帶式輸送機群真實能耗數(shù)學模型是開展調速控制策略研究的必要基礎。利用系統(tǒng)優(yōu)化和仿真技術，結合多智能體和協(xié)調學理論，構建并優(yōu)化帶式輸送機系統(tǒng)最優(yōu)調速控制策略和作業(yè)流程，是建立我國“綠色港口、智慧港口”有效技術保證。同時，由于國內外還沒有一套用于功耗機理分析的帶式輸送機輸送狀態(tài)視覺檢測裝置和識別軟件。因此，構建基于視覺技術、物流仿真及優(yōu)化技術于一體的散貨碼頭帶式輸送機調速控制模擬實驗平臺，開展帶式輸送機系統(tǒng)調速節(jié)能協(xié)調控制、節(jié)能控制流程優(yōu)化與評價將是今后節(jié)能控制研究重點。

4.1 散貨碼頭帶式輸送機調速控制模擬系統(tǒng)構架設計

為開展上述散貨碼頭帶式輸送機調速控制技術領域研究，筆者設計的散貨碼頭帶式輸送機調速控制模擬系統(tǒng)架構如圖1所示，由信息采集層、控制執(zhí)行層、智能決策層組成。

圖1 散貨碼頭帶式輸送機調速控制模擬系統(tǒng)結構圖

4.2 關鍵技術分析

4.2.1 物料流狀態(tài)視覺檢測系統(tǒng)研制

物料流狀態(tài)視覺檢測系統(tǒng)包括物料流狀態(tài)視覺檢測裝置和物料流狀態(tài)識別軟件。物料流狀態(tài)視覺檢測裝置由圖像傳感器、圖像采集模塊、視頻圖像無線通訊、智能控制終端等組成，選取輸送帶合適段進行安裝，以帶式輸送機上物料流為研究對象，實時采集物料流視頻圖像并無線傳輸至遠程智能控制終端。由于受散貨碼頭惡劣環(huán)境所限，要求裝置具有實時、遠程、無線傳輸?shù)忍攸c，同時應對粉層工作環(huán)境具備良好適應性。物料流狀態(tài)識別軟件集視頻圖像預處理、物料流狀態(tài)檢測、提取、識別于一體，實現(xiàn)物料流狀態(tài)信息(瞬時流量、均勻性、連續(xù)性、分布性等)實時檢測與識別，要求物料流狀態(tài)識別率≥95%。

4.2.2 基于多智能體的多輸送機協(xié)同控制模型構建

散貨碼頭帶式輸送機自適應調速控制系統(tǒng)是以離散事件系統(tǒng)為主的復雜混合系統(tǒng)，具有調度復雜性、生產離散性、工作關聯(lián)性等特性。在調速過程中，由于多帶式輸送機組合受多種條件約束和隨機因素影響，其協(xié)同控制模型構建具有多目標、多因素、多層次等要求。針對傳統(tǒng)數(shù)學優(yōu)化方法難以處理如此復雜系統(tǒng)現(xiàn)狀，具體可采用基于多智能體技術(Multi-Agent,MAS)構建散料碼頭設備機群電機調速控制模型，以實現(xiàn)降低皮帶機能耗、減少電費經濟消耗、提高裝卸設備效率的優(yōu)化目標。另外，可采用MATLAB 數(shù)值仿真技術優(yōu)化多輸送機協(xié)同控制模型參數(shù)。

4.2.3 散貨碼頭物流裝卸作業(yè)仿真技術

散貨碼頭物料裝卸系統(tǒng)是一類復雜的混合離散系統(tǒng)，具有動態(tài)非線性、問題規(guī)模大、講求系統(tǒng)集成等特性，為此，采用Arena或Anylogic開發(fā)平臺、數(shù)據(jù)計算平臺Matlab構建散貨碼頭物料裝卸作業(yè)仿真平臺，應用最優(yōu)化理論以及控制技術仿真并驗證提出的物料流檢測及電機調速控制方法有效性，提出帶式輸送機調速節(jié)能控制技術流程。所建立的模型應滿足現(xiàn)實性、簡明性和標準化等要求，為分析和提出帶式輸送機調速節(jié)能控制方法和技術流程提供可靠的依據(jù)。

5 結論

1)構建帶式輸送機物料狀態(tài)視覺檢測裝置，開發(fā)物料狀態(tài)檢測和識別算法，建立帶式輸送機真實能耗數(shù)學模型，為調速控制策略研究提供理論依據(jù)，是研究帶式輸送機節(jié)能控制技術的基礎。

2)分析散貨碼頭帶式輸送機調速控制優(yōu)化目標和約束條件，構建多目標約束的帶式輸送機調速策略模型。利用數(shù)值仿真技術，分析優(yōu)化目標下各約束條件間相互制約關系，優(yōu)化調速策略模型參數(shù)。

3)引入多智能體及協(xié)調學相關理論，結合帶式輸送機群協(xié)調控制規(guī)律，開展多輸送機狀態(tài)辨識、多輸送機分散協(xié)調控制等研究，是研究散貨碼頭帶式輸送機群協(xié)調節(jié)能控制的關鍵與難點。

4)引入半實物仿真技術，利用散貨碼頭帶式輸送機群調速控制模擬實驗平臺采集帶式輸送機輸送狀態(tài)數(shù)據(jù)，輸入至散料輸送仿真平臺，提出群協(xié)調控制優(yōu)化策略和技術流程。該技術將是研究帶式輸送機群控制策略重要技術手段。

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