周昭旭，潘永軍，何彥行，張晴波，衣凡

（中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 200082）

0 引言

耙吸挖泥船挖泥時(shí)通過(guò)裝艙溢流來(lái)增加裝載量是關(guān)鍵施工工藝，而溢流過(guò)程中由于溢流混合物攜帶了大量空氣，促使泥沙顆粒進(jìn)入水體后不能快速沉降而處于長(zhǎng)時(shí)間懸浮狀態(tài)，造成懸浮顆粒污染。通過(guò)在溢流筒內(nèi)安裝環(huán)保閥裝置，持續(xù)調(diào)節(jié)閥體開(kāi)度，進(jìn)而控制溢流液面落差，使溢流筒保持一定的浸沒(méi)高度，減少溢流混合物氣泡含量，可有效降低泥沙顆粒懸浮時(shí)間，減少懸浮物擴(kuò)散污染，提高整船施工的環(huán)保性[1-3]。

裝艙溢流過(guò)程中如何調(diào)節(jié)環(huán)保閥開(kāi)度使溢流環(huán)保效果最佳是挖泥船環(huán)保疏浚的關(guān)鍵技術(shù)。操作人員需要頻繁調(diào)節(jié)環(huán)保閥，同時(shí)操作其它疏浚機(jī)具，勢(shì)必出現(xiàn)工作量大、注意力不集中，影響施工效率的同時(shí)降低施工標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重時(shí)造成安全事故[4-7]。

針對(duì)現(xiàn)階段環(huán)保閥人工操作的局限性，本文在分析環(huán)保閥控制需求的基礎(chǔ)上，綜合考慮耙吸船施工工藝和疏浚設(shè)備工作特性，研究環(huán)保閥全自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)環(huán)保閥自動(dòng)化與智能化控制策略，研發(fā)環(huán)保閥全自動(dòng)控制器。

1 環(huán)保閥裝置

溢流筒中的環(huán)保閥由耐磨閥板、支架結(jié)構(gòu)、中間連桿、長(zhǎng)連桿和液壓油缸以及線纜架組成，見(jiàn)圖1。

圖1 環(huán)保閥裝置Fig.1 Green valve equipment

環(huán)保閥對(duì)溢流的關(guān)鍵作用是減少氣泡的進(jìn)入。通過(guò)安裝可調(diào)節(jié)開(kāi)度的環(huán)保閥裝置，增加溢流混合物的流動(dòng)阻力，降低溢流流速，減少溢流筒入口處與大氣壓之間的壓力差，同時(shí)增加溢流筒上方的水位，使溢流筒保持一定的浸沒(méi)高度，直接降低溢流混合物的落差高度，減少與空氣的接觸時(shí)間，筒底排出的溢流混合物中氣泡的含量也相應(yīng)減少，進(jìn)而減少船尾泥沙顆粒懸浮擴(kuò)散，起到環(huán)保疏浚的作用[8]。

2 控制需求與技術(shù)路線

耙吸挖泥船挖泥時(shí)由耙頭挖掘泥沙，經(jīng)泥泵作用通過(guò)管路進(jìn)入泥艙，當(dāng)艙內(nèi)液位上升至溢流筒高度時(shí)發(fā)生溢流，操作人員需要持續(xù)觀察溢流情況來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)保閥開(kāi)度，使溢流效果達(dá)到施工環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還要兼顧操作其它疏浚設(shè)備，容易出現(xiàn)疲勞分心，影響施工安全。

針對(duì)環(huán)保閥人工操作的局限性，設(shè)計(jì)環(huán)保閥全自動(dòng)控制策略，從環(huán)保閥主流程控制邏輯、溢流過(guò)程自動(dòng)控制與智能尋優(yōu)方面，開(kāi)展環(huán)保閥自動(dòng)化與智能化控制技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)環(huán)保閥全自動(dòng)無(wú)人化調(diào)控，達(dá)到最佳環(huán)保溢流效果。

3 環(huán)保閥全自動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

環(huán)保閥全自動(dòng)控制器的控制對(duì)象是環(huán)保閥開(kāi)度，裝艙溢流過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)保閥開(kāi)度使溢流筒保持合適的浸沒(méi)高度，進(jìn)而減少溢流液面落差是關(guān)鍵控制目標(biāo)。

3.1 主流程控制

3.1.1 參數(shù)配置

耙吸挖泥船施工作業(yè)受環(huán)境工況和疏浚土質(zhì)影響因素大，因此挖泥前需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，見(jiàn)圖2。

圖2 環(huán)保閥全自動(dòng)控制器參數(shù)設(shè)置Fig.2 Parameter setting of fully automatic green valve controller

1）模式選擇

控制器配備了2種模式：自動(dòng)模式和智能模式。自動(dòng)模式中溢流筒浸沒(méi)高度的控制目標(biāo)值由人工設(shè)定，控制器調(diào)節(jié)環(huán)保閥開(kāi)度使溢流筒的實(shí)際浸沒(méi)高度匹配設(shè)定目標(biāo)值。智能模式中控制器根據(jù)實(shí)際裝艙溢流效果對(duì)環(huán)保閥開(kāi)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)尋優(yōu)調(diào)節(jié)。

2）目標(biāo)土方量

當(dāng)挖泥土方量大于設(shè)定目標(biāo)值時(shí)，環(huán)保閥自動(dòng)關(guān)閉，防止泥沙流失影響裝艙產(chǎn)量。

3）最大吃水

當(dāng)船體平均吃水超過(guò)最大吃水設(shè)定值時(shí)，環(huán)保閥自動(dòng)全開(kāi)，控制器報(bào)警提示。

3.1.2 流程總體設(shè)計(jì)

1個(gè)挖泥周期中環(huán)保閥全自動(dòng)控制器的主流程控制邏輯見(jiàn)圖3。

圖3 環(huán)保閥全自動(dòng)控制器主流程邏輯Fig.3 Main process logic of fully automatic green valve controller

挖泥前對(duì)環(huán)保閥全自動(dòng)控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)疏浚監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面激活控制器。挖泥時(shí)當(dāng)泥艙液位高于溢流筒時(shí)開(kāi)始溢流，控制器開(kāi)始切入。

控制器根據(jù)配置模式對(duì)環(huán)保閥開(kāi)度自動(dòng)調(diào)節(jié)。自動(dòng)模式中控制器通過(guò)控制閥體開(kāi)度將溢流筒實(shí)際浸沒(méi)高度控制在手動(dòng)設(shè)定的目標(biāo)值附近。智能模式時(shí)控制器根據(jù)當(dāng)前裝艙溢流情況對(duì)環(huán)保閥開(kāi)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)尋優(yōu)控制，使溢流環(huán)保效果最佳。

當(dāng)挖泥土方量大于設(shè)定目標(biāo)土方量時(shí)，控制器自動(dòng)關(guān)閉環(huán)保閥并切出，減少溢流損失并維持當(dāng)前產(chǎn)量。裝艙溢流過(guò)程中若船體平均吃水超過(guò)最大吃水設(shè)定值，控制器的安全保護(hù)機(jī)制觸發(fā)，環(huán)保閥自動(dòng)全開(kāi)并報(bào)警提示。

3.2 自動(dòng)控制

控制器的電氣控制對(duì)象是電磁閥的動(dòng)作，自動(dòng)模式中當(dāng)溢流筒實(shí)際浸沒(méi)高度與設(shè)定目標(biāo)值偏差較大時(shí)，采用控制環(huán)保閥開(kāi)、關(guān)液壓油缸電磁閥得電的方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)度自主調(diào)控，動(dòng)作表見(jiàn)表1。

表1 環(huán)保閥全自動(dòng)控制器動(dòng)作表Table 1 Action table of fully automatic green valve controller

其中ΔH為溢流筒浸沒(méi)高度實(shí)際值，通過(guò)液位雷達(dá)和溢流筒行程傳感器信號(hào)計(jì)算；ΔHs為溢流筒浸沒(méi)高度的目標(biāo)控制值；D為控制死區(qū)，根據(jù)船型泥艙結(jié)構(gòu)設(shè)置為固定值。結(jié)合環(huán)保閥的控制原理，采用常規(guī)PID控制策略的方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，控制架構(gòu)如圖4所示。

圖4 環(huán)保閥自動(dòng)控制架構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of automatic green valve controller

PID控制模塊的輸入為溢流筒浸沒(méi)高度目標(biāo)值、控制死區(qū)，kp、ki、kd為PID修正參數(shù)，反饋值為溢流筒的實(shí)際浸沒(méi)高度，輸出量為環(huán)保閥液壓油缸的電磁閥指令。

3.3 智能尋優(yōu)控制

實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)模式能夠根據(jù)溢流筒浸沒(méi)高度的實(shí)際值和目標(biāo)值對(duì)環(huán)保閥開(kāi)度進(jìn)行自主調(diào)控，但頻繁出現(xiàn)環(huán)保閥全開(kāi)、全關(guān)等大幅度開(kāi)度調(diào)節(jié)的問(wèn)題，導(dǎo)致液壓油缸頻繁動(dòng)作，長(zhǎng)期使用會(huì)降低液壓系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)溢流筒實(shí)際浸沒(méi)高度存在較大的振蕩性，溢流環(huán)保效果不明顯。這是由于挖泥裝艙具有可變性，疏浚土質(zhì)和工況環(huán)境是裝艙溢流過(guò)程的關(guān)鍵影響因子，采用自動(dòng)模式的控制器無(wú)法充分感知裝艙溢流參數(shù)，對(duì)工況的適應(yīng)能力差。

針對(duì)該問(wèn)題，設(shè)計(jì)裝艙溢流智能感知模塊，充分感知預(yù)測(cè)裝艙溢流的工作狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上引入智能尋優(yōu)算法，分析研究環(huán)保閥智能尋優(yōu)控制策略，最終實(shí)現(xiàn)閥體開(kāi)度的動(dòng)態(tài)尋優(yōu)調(diào)節(jié)。

滑動(dòng)聚束方式下波束在地面照射區(qū)域具有一定移動(dòng)速度vf，因此在增加定點(diǎn)聚束每個(gè)波位脈沖駐留數(shù)，打破波束掃描速度與飛機(jī)平臺(tái)速度的平衡，進(jìn)而使得波束在地面照射區(qū)域具有一定的移動(dòng)速度。這里引進(jìn)滑動(dòng)系數(shù)k(k≥1)，滑動(dòng)聚束方式下，波位駐留脈數(shù)N0=k·R·sin(θv)/va·PRF，通過(guò)設(shè)置k的取值，調(diào)節(jié)波束在地面的滑動(dòng)速度。

3.3.1智能感知模塊

裝艙溢流智能感知模塊不僅對(duì)疏浚監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)有手段采集的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，還能感知溢流損失等傳感器無(wú)法監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，同時(shí)預(yù)測(cè)裝艙溢流狀態(tài)。感知模塊架構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 裝艙溢流智能感知模塊架構(gòu)Fig.5 Structure diagram of intellisense for loading and overflow process

泥艙動(dòng)態(tài)沉積模型是智能感知模塊的關(guān)鍵數(shù)學(xué)模型，模型的輸入為進(jìn)艙流量Qi、進(jìn)艙密度ρi、溢流筒高度Ho、環(huán)保閥實(shí)時(shí)開(kāi)度Vo、當(dāng)前裝載量Mt和液位Ht，實(shí)時(shí)計(jì)算溢流混合物流量Qo、溢流密度ρo，在此基礎(chǔ)上輸出裝載量M^t和液位H^t的預(yù)測(cè)值。

泥艙動(dòng)態(tài)沉積模型的建模原理是基于泥艙裝載量、艙容量和艙內(nèi)液面高度建立基本平衡方程，根據(jù)泥艙和溢流筒的結(jié)構(gòu)按照挖泥工藝分階段計(jì)算溢流流量，通過(guò)引入疏浚土質(zhì)參數(shù)來(lái)構(gòu)建泥沙沉降模型，進(jìn)一步構(gòu)建水層模型來(lái)模擬艙內(nèi)泥漿混合物的密度分布情況，計(jì)算溢流混合物密度，同時(shí)對(duì)后續(xù)裝載量和液位進(jìn)行預(yù)測(cè)。泥艙動(dòng)態(tài)沉積模型的詳細(xì)建模原理和方法可參考相關(guān)文獻(xiàn)[9-11]。

3.3.2智能尋優(yōu)算法

針對(duì)耙吸挖泥船施工過(guò)程時(shí)可變性特點(diǎn)，采用自主適應(yīng)能力強(qiáng)、算法簡(jiǎn)易、配置參數(shù)少的粒子群尋優(yōu)算法[12-13]，對(duì)環(huán)保閥開(kāi)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)尋優(yōu)。粒子群算法尋優(yōu)步驟見(jiàn)圖6。

圖6 粒子群尋優(yōu)算法流程圖Fig.6 Flow chart of particle swarm optimization algorithm

針對(duì)尋優(yōu)算法在工程應(yīng)用的時(shí)效性問(wèn)題，設(shè)置粒子群體的數(shù)量為100個(gè)，由于裝艙溢流是連續(xù)性過(guò)程，因此每次尋優(yōu)的迭代周期設(shè)置為30 s。每個(gè)迭代周期內(nèi)粒子的初始參數(shù)為當(dāng)前泥艙液位、裝載量、溢流筒高度，所有粒子依次對(duì)環(huán)保閥開(kāi)度從0至100%進(jìn)行模擬。

粒子群體中每個(gè)粒子根據(jù)泥艙動(dòng)態(tài)沉積模型，對(duì)裝艙溢流過(guò)程進(jìn)行推演，計(jì)算并預(yù)測(cè)該周期內(nèi)的相關(guān)溢流參數(shù)，根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)（式（1））計(jì)算每個(gè)粒子的評(píng)估值：

4 實(shí)船試驗(yàn)與應(yīng)用

環(huán)保閥全自動(dòng)控制器已部署于“航浚3011”和“航浚4019”輪，并成功應(yīng)用于黃驊港、日照等施工現(xiàn)場(chǎng)。

實(shí)船試驗(yàn)時(shí)在相似工況條件下分別對(duì)環(huán)保閥全自動(dòng)控制器的自動(dòng)模式和智能模式進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)工況參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)船試驗(yàn)工況（開(kāi)始溢流后的30 min內(nèi)）Table 2 Actual testing conditions（within 30 min of starting to overflow）

自動(dòng)模式中手動(dòng)設(shè)定溢流筒浸沒(méi)高度為0.5 m，控制死區(qū)設(shè)置0.05 m；智能模式中評(píng)價(jià)參數(shù)k1、k2分別設(shè)置為0.2 m和0.5 m。由于溢流環(huán)保效果無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化標(biāo)識(shí)，因此實(shí)船試驗(yàn)時(shí)綜合分析環(huán)保閥控制開(kāi)度和溢流筒實(shí)際浸沒(méi)高度來(lái)對(duì)2種運(yùn)行模式的控制效果進(jìn)行評(píng)估。

圖7、圖8分別反映了溢流開(kāi)始后的30 min內(nèi)，控制器2種模式工作時(shí)溢流筒浸沒(méi)高度和環(huán)保閥開(kāi)度的實(shí)際控制效果。2種模式均能實(shí)現(xiàn)環(huán)保閥開(kāi)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制溢流落差減少溢流混合物的氣泡含量，從而達(dá)到環(huán)保溢流的效果。當(dāng)環(huán)保閥逐漸閉合時(shí)，溢流混合物流量小于進(jìn)艙流量，使溢流筒保持一定的浸沒(méi)高度；當(dāng)浸沒(méi)高度上升到一定值時(shí)逐漸開(kāi)啟環(huán)保閥，防止船體平均吃水大于最大吃水設(shè)定值，起到安全保護(hù)的作用。

圖7 環(huán)保閥全自動(dòng)控制器的溢流筒浸沒(méi)高度控制效果Fig.7 Control effect of overflow cylinder immersion height of fully automatic green valve controller

圖8 環(huán)保閥全自動(dòng)控制器的環(huán)保閥開(kāi)度控制效果Fig.8 Control effect of green valve opening degree of fully automatic green valve controller

對(duì)裝艙溢流過(guò)程的智能感知與自主預(yù)測(cè)，采用智能模式的控制器通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)保閥開(kāi)度使溢流混合物流量控制在進(jìn)艙流量值附近，使溢流筒全程保持相對(duì)穩(wěn)定的浸沒(méi)高度，控制效果更加平穩(wěn)，減少環(huán)保閥調(diào)控的幅度，在保證環(huán)保溢流效果的基礎(chǔ)上對(duì)環(huán)保閥的調(diào)控更加平滑，有效提升了控制效率，提高了設(shè)備使用壽命。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)環(huán)保閥全自動(dòng)控制需求的分析，本文梳理了環(huán)保閥全自動(dòng)主流程控制邏輯，根據(jù)工程應(yīng)用需求分別設(shè)計(jì)了環(huán)保閥自動(dòng)控制與智能控制策略，實(shí)現(xiàn)了裝艙溢流過(guò)程中環(huán)保閥開(kāi)度的安全穩(wěn)定與動(dòng)態(tài)尋優(yōu)控制。實(shí)船應(yīng)用表明，該技術(shù)控制效果穩(wěn)定可靠，能有效降低勞動(dòng)力，提高環(huán)保溢流效果，具備施工工況高度自適應(yīng)與自學(xué)習(xí)的特征，可快速推廣應(yīng)用至其它耙吸挖泥船。