淺析自航耙吸式挖泥船的疏浚優(yōu)化機(jī)理

1、淺析自航耙吸式挖泥船的疏浚優(yōu)化機(jī)理摘要：在現(xiàn)代的疏浚市場(chǎng)中，越來(lái)越多的自航耙吸挖泥船投入疏浚工程中施工 作業(yè)，清理航道淤泥、圍海造田、建造碼頭等工程都可以用到耙吸挖泥船來(lái)施工。 最近幾年，耙吸挖泥船建造量增長(zhǎng)迅速，其操作越來(lái)越簡(jiǎn)易人性化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作 業(yè)，效率也有很大的提高。本文結(jié)合遺傳算法和模型預(yù)測(cè)控制來(lái)優(yōu)化耙吸挖泥船 的疏浚方法，可以把周期產(chǎn)能作為方向，使用最好的控制系數(shù)，以便把周期產(chǎn)能 發(fā)揮到最好的效果。按環(huán)境和工藝技術(shù)的差異建立不同耙吸挖泥船耙頭數(shù)學(xué)模型， 然后按照不一樣海域的疏浚參數(shù)對(duì)兩個(gè)模型加以試驗(yàn)，得出正確的結(jié)果，根據(jù)這 些精算出來(lái)的模型得出的試驗(yàn)結(jié)果，可以為技術(shù)人員進(jìn)行參考?，F(xiàn)在

2、依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù) 研究出了一種可以幫助優(yōu)化疏浚的系統(tǒng)，可以很直觀的反應(yīng)以往的疏浚數(shù)據(jù)記錄， 實(shí)施疏浚時(shí)可以參照數(shù)據(jù)更改疏浚已有的工作方式，效率更快更便捷。關(guān)鍵詞：耙吸挖泥船；疏浚優(yōu)化；模型預(yù)測(cè)控制；遺傳算法1自航耙吸式挖泥船的發(fā)展?fàn)顩r近幾年，我們國(guó)家的港口和航道發(fā)展迅速，各地沿海港口為了吸引超大型的 船只，包括貨輪，不停的拓寬、整治航道，清理砂石和淤泥。在疏浚作業(yè)過(guò)程中， 為了不讓挖泥船耽誤船舶正常的通行，較大的港口都選用自航耙吸挖泥船來(lái)對(duì)河 道進(jìn)行拓寬和整治。海岸線綿長(zhǎng)、湖泊眾多、江河流域廣闊的我國(guó)面臨的江河淤 泥堆積的問(wèn)題日益嚴(yán)重，各河口段最為顯著，早期這成為江河治理課題中的一大 難題。我們國(guó)家

3、的這個(gè)疏浚行業(yè)歷史悠久，百年之前荷蘭IHC公司就已幫助中國(guó) 造作了一艘可以進(jìn)行疏浚作業(yè)的工程船，專門清理河道里面的淤泥。和普通的船 相比，這種用于工程的船不管是內(nèi)部構(gòu)造還是外形設(shè)計(jì)都比較難，就像挖泥船這 樣的工程，技術(shù)還是比較落后，之前的河道由于當(dāng)初清理的不是很干凈，已經(jīng)開(kāi) 始導(dǎo)致淤泥堵塞很嚴(yán)重，常常發(fā)生水災(zāi)，我們國(guó)家的有很多的江河湖海，水資源 相當(dāng)豐富。有些地方的淤泥堵塞非常多，尤其是黃河，淤泥堵塞嚴(yán)重會(huì)造成河流 泄洪障礙，不是很順暢，清理河道淤泥、減少資源損失、增加挖泥船的投入施工 量、疏浚裝備的高效化和智能自動(dòng)化成為當(dāng)務(wù)之急。早些年大型耙吸式疏浚船建 造和投入施工，如“新?；ⅰ?、“新海龍

4、”、“新海鳳，使得我國(guó)的疏浚能力得到了 較大的提高，但是因?yàn)閲?guó)內(nèi)廣闊的疏浚市場(chǎng)和國(guó)際上激烈的競(jìng)爭(zhēng)，我們的疏浚之 道仍很長(zhǎng)，疏浚優(yōu)化的研究之路也很長(zhǎng)。2自航耙吸式挖泥船的簡(jiǎn)介自航耙吸式挖泥船是邊航行邊挖泥、吸泥的一種工程船舶。自航式耙吸挖泥 船疏浚的主要硬件設(shè)備有泥泵、泥耙、管道系統(tǒng)、閘閥、泥滄。SCADA監(jiān)測(cè)控制 和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、DLM吃水裝載系統(tǒng)、DTPS疏浚軌跡顯示系統(tǒng)、PMS功率管理 系統(tǒng)、APC自動(dòng)泥泵控制系統(tǒng)為自航式耙吸挖泥船疏浚的主要軟件系統(tǒng)。耙頭、 泥泵和吸管是自航耙吸挖泥船的特有設(shè)備。如今最為流行的耙頭是具有耙齒和高 壓沖水系統(tǒng)的耙頭，如圖1所示，其切削力極強(qiáng)，與吸管、泥泵組合

5、在一起后的 形狀如圖2所示。操耙人員在機(jī)艙集控臺(tái)通過(guò)操作手柄機(jī)動(dòng)的控制泥耙駛離甲板進(jìn)入河底，使 耙頭與河底泥層接觸，沉積物的凝聚性被鋒利的耙齒破壞和耙頭上的高壓沖水破 壞，離心泵通過(guò)泥管將泥漿吸入泥滄中，進(jìn)而通過(guò)泥滄內(nèi)的溢流堰排放低濃度的 混合物和水至船外。當(dāng)泥艙滿載泥沙，可通過(guò)管道抽艙或打開(kāi)泥艙底部的泥門卸 貨排放泥沙至指定的排泥區(qū)。如此往返完成耙吸疏浚作業(yè)的過(guò)程?？梢?jiàn)，整個(gè)疏 浚的周期包含疏浚、航行至排放區(qū)、卸泥、返回疏浚區(qū)四個(gè)階段。泥沙沉淀與挖 泥船裝艙時(shí)間的關(guān)系密切，泥沙的沉淀過(guò)程快慢由泥泵管線向泥艙輸送泥水混合 物的過(guò)程和泥沙在泥艙中沉淀的過(guò)程時(shí)效決定。顯然，高效的沉淀過(guò)程能縮短裝

6、艙時(shí)長(zhǎng)，縮短疏浚周期，進(jìn)而提升施工效率。從全局來(lái)看，疏浚高效率的離不開(kāi) 先進(jìn)的器具裝備，也受土壤特性、航行距離、排放時(shí)間等因素影響。結(jié)合現(xiàn)在廣 泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域的遺傳算法、模型預(yù)測(cè)控制原理，綜合評(píng)估各種因素、做出經(jīng) 濟(jì)的疏浚策略、優(yōu)化疏浚過(guò)程對(duì)提升疏浚效率必定有積極的意義。3疏浚挖泥船模型預(yù)測(cè)控制上世紀(jì)60年代，人們面對(duì)理論發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用之間的不協(xié)調(diào)，從工業(yè)過(guò)程控 制的特點(diǎn)與需求出發(fā)，探索各種對(duì)模型精度要求不高而同樣能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量控制的 方法。模型預(yù)測(cè)控制（MPC）就產(chǎn)生在這樣的背景之下。它可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的輸入 信息以及過(guò)程的歷史記錄，估算出的未來(lái)的輸出值。模型算法控制和動(dòng)態(tài)矩陣控 制是預(yù)測(cè)控制

7、中基本的非參數(shù)模型，分別采用系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)曲線和階躍響 應(yīng)曲線。現(xiàn)代很多實(shí)際工業(yè)過(guò)程都利用模型算法控制來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程。結(jié)合自航 耙吸挖泥船的疏浚過(guò)程和疏浚機(jī)理分析，采用模型預(yù)測(cè)控制的方法，選取最有的 疏浚策略，可對(duì)疏浚船在不同工況下進(jìn)行優(yōu)化控制，獲得最大的產(chǎn)能輸出。耙頭模型和泥艙模型組成疏浚模型，它是一個(gè)囊括挖泥裝艙整個(gè)過(guò)程的數(shù)學(xué) 模型，它研究疏浚時(shí)間、進(jìn)艙流量、活動(dòng)罩角度、溢流量、溢流損失之間的關(guān)系。 驅(qū)動(dòng)、航行、運(yùn)輸、挖掘、儲(chǔ)存成為該模型的五大關(guān)鍵詞。耙吸式挖泥船的裝艙 過(guò)程模型如圖3所示。圖3耙吸式挖泥船的裝艙過(guò)程模型其中，Qi=進(jìn)艙混合物的流量；Vsh=航行速度；Pi=混合物的進(jìn)艙

8、密度；ho=溢流堰的高度；Vt=裝艙的體積；mt=裝艙的質(zhì)量。由此模型得知上述的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)二維模式搜索的方法可估算出泥沙靜水沉降速度和 泥艙內(nèi)沙床的密度這2個(gè)參數(shù)值，進(jìn)而采用挖泥船在海港施工作業(yè)時(shí)實(shí)測(cè)的疏浚周期的數(shù)據(jù) 對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)。4疏浚優(yōu)化選用遺傳算法的依據(jù)遺傳算法是一種基于模擬生物的進(jìn)化過(guò)程模擬的在計(jì)算方法上自動(dòng)尋優(yōu)的優(yōu)化算法，它 在數(shù)學(xué)中引入自然遺傳和自然選擇的機(jī)制，它廣泛應(yīng)用于函數(shù)的優(yōu)化和組合優(yōu)化問(wèn)題解答中， 利用串編碼技術(shù)評(píng)估檢測(cè)對(duì)相應(yīng)問(wèn)題起初產(chǎn)生的初始碼群，然后進(jìn)一步的選擇、交叉和變異 等，直至滿足期望值?；谕谀啻杩＿^(guò)程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得知，耙吸挖泥船施工環(huán)境惡劣，工況 波動(dòng)較大

9、，采用遺傳算法可預(yù)估耙頭模型未知參數(shù)和優(yōu)化疏浚的周期產(chǎn)能。其主要依據(jù)有：（1）耙吸挖泥船施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)無(wú)規(guī)律性，受環(huán)境因素影響波動(dòng)較大，數(shù)據(jù)參 數(shù)之間存在一定的耦合關(guān)系；（2）遺傳算法具有更優(yōu)的全局尋優(yōu)效率、隱并行性、魯棒性、 靈活性；（3）遺傳算法利用目標(biāo)函數(shù)的自身信息建立尋優(yōu)方向，進(jìn)而直接操作結(jié)構(gòu)對(duì)象。5結(jié)論疏浚市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，疏浚技術(shù)也不斷的提升。耙吸式挖泥船是疏浚作業(yè)的主流工 具，在港口建造、防洪工程、航道疏通、圍海造田等方面發(fā)揮的作用越來(lái)越大。因而，提高 耙吸式挖泥船的施工效率是一個(gè)重要的研究課題。本文結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制和遺傳算法，簡(jiǎn)單 分析了挖泥船的疏浚優(yōu)化機(jī)理，肯定了科學(xué)性、有效性、易用性和非線性的預(yù)測(cè)控制對(duì)疏浚 工程的積極意義。參考文獻(xiàn)林風(fēng).大型耙吸挖泥船的發(fā)展動(dòng)向J.中國(guó)港灣建設(shè)，2001 (8).洪國(guó)軍，王健，林風(fēng).自航耙吸挖泥船耙頭模型試驗(yàn)研究J.中國(guó)港灣建設(shè)，2008(04).李彥，李志強(qiáng).絞吸式挖泥船的疏?；疛.科學(xué)技術(shù)與過(guò)程，2011(6).王湘，楊奕飛.基于遺傳算法的自航耙吸挖