一种绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法与流程

本发明属于工程船舶自动化，特别是涉及一种绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法。

背景技术：

1、泥浆密度是疏浚施工船舶至关重要的工艺参数，直接反应船舶的施工效率，也是疏浚施工人员特别重要的参考参数。如泥浆密度过低，需及时通过增加横移速度、提高泥泵转速、增加挖掘深度等方式提高泥浆密度，进而提高生产效率和产量；如泥浆密度过高，可能会导致堵管、泥泵功率过高等问题，需及时采取降低横移速度，减小挖掘深度等措施。

2、但由于受到密度计自身安装环境、管道布置、泵仓空间等条件限制，密度计通常安装于距绞刀吸口位置的管路长度长达60米以上，对于大型绞吸挖泥船距离会更长，绞吸船正常施工情况下的泥浆流速在5m/s左右，因此需要等待12s以上才能获取到绞刀吸口的泥浆密度，导致施工人员无法及时准确的获取绞刀吸口位置的泥浆密度，进而导致疏浚施工人员的操作存在相对滞后，影响船舶的施工效率。特别是在绞吸船自动挖泥或无人化操控挖泥过程中，如果能够根据预报泥浆密度数据进行自动化操作，可显著提高疏浚施工效率和控制精度。

3、吸入真空传感器虽然可安装于绞刀吸口位置附近，同时吸入真空和泥浆密度存在一定的相关性，但是吸入真空和泥浆密度不是线性关系，施工人员无法通过吸入真空数据直观的判断出当前绞刀位置的泥浆密度。

4、因此为解决上述问题，亟需开发一种采用绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报的方法，以提高施工人员的可操作性和控制精度，进一步提高疏浚施工效率。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法，该方法通过实时采集安装于绞刀吸口位置的吸入真空传感器、密度计及安装于密度计附近的流量计测量的吸入真空、密度以及流速数据，并将数据进行实时处理与存储；然后利用吸入真空传感器至密度计的管路长度和流速对吸入真空值进行时移运算，使其与密度值进行时间维度匹配，并分别提取特征值，最后对特征统计数据进行拟合运算，在完成上述数据拟合后，利用拟合运算结果得到拟合方程，并实时进行拟合修正，通过实时获取的吸入真空值代入拟合方程预测出绞刀吸口位置对应的密度值。

2、本发明是这样实现的，一种绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法，包括如下步骤：

3、s1、实时采集吸入真空值、密度值以及流速值，并将数据进行实时滤波处理及存储；

4、s2、利用吸入真空值采集位置至密度值采集位置的管路长度和流速值对吸入真空值进行时移运算，使其与密度值进行时间维度匹配，匹配成功后利用加权平均算法分别提取吸入真空值和密度值作为特征值进行存储；

5、s3、将作为特征值的吸入真空和密度的统计数据进行拟合运算；

6、s4、利用拟合运算得到拟合方程，将实时获取的吸入真空值输入拟合方程中即可获取当前的预测密度值；同时对拟合方程实时进行拟合修正。

7、优选的，步骤s1中，所述实时采集是通过船舶的疏浚集成监控系统数据采集模块完成。

8、优选的，步骤s1中，所述实时滤波处理是指采用高斯滤波算法进行数据处理，同时预设边界值，包括吸入真空最大值、吸入真空最小值、密度最大值、密度最小值、流速最大值以及流速最小值，当数据超过最大和最小边界值范围则判断为异常数据，直接进行丢弃。

9、优选的，步骤s1中，所述吸入真空值是通过采集安装于靠近绞刀吸口位置的吸入真空传感器的数据获得，密度值是通过采集安装于船舶输泥管路上的密度计的数据获得，流速值是通过采集安装于靠近密度计的流量计的数据获得。

10、进一步优选的，安装于靠近绞刀吸口位置的吸入真空传感器是指吸入真空传感器安装于距绞刀吸口1米以内的位置。

11、进一步优选的，安装于靠近密度计的流量计是指密度计直接嵌套在流量计外侧进行安装；或，密度计和流量计两者的安装距离在1米以内。

12、优选的，步骤s2中，所述时移运算是指首先通过管路长度和已存储的流速数据，计算出泥浆由吸入真空值采集位置流动至密度值采集位置所需的时间，然后在已存储的吸入真空值中，提取出对应的吸入真空值。

13、进一步优选的，所述时移运算的具体计算过程如下：首先从当前某一时间点开始，遍历已存储的流速数据，利用公式（1）计算出泥浆流动距离，然后利用公式（2）将管路长度与公式（1）计算的泥浆流动距离相减，当偏差值小于1m时，停止遍历，计算完成，提取该时间点对应的吸入真空值。

14、（1）

15、（2）

16、式中：为通过流速数据点和对应的时间间隔计算的泥浆流动距离，为已存储的流速；为流速存储的时间间隔；为管路长度，为管路长度和泥浆流动距离的差值。

17、优选的，步骤s2中，所述特征值是指当前某一时间点的密度值和通过时移运算之后得到的吸入真空值，通过加权平均算法计算后，最终得到的吸入真空值和密度值。

18、进一步优选的，步骤s2中，所述加权平均算法中，特征值存储距当前某一时间点越近，所占权重越高。

19、进一步优选的，参与加权运算的不同时间相同特征值的数量通过船舶的疏浚集成监控系统预设完成。

20、优选的，步骤s3中，所述拟合运算是指利用加权平均算法提取的吸入真空值和密度值，通过最小二乘法多项式拟合算法进行拟合运算，并计算出拟合方程的系数，最终得到多项式曲线拟合方程。

21、进一步优选的，通过最小二乘法多项式拟合算法计算拟合方程的系数的过程如下：设多项式曲线拟合方程为公式（3），利用公式（4）计算出各特征点到公式（3）的平方和 r2，为使平方和最小，首先对公式（4）右边求 ki的偏导数，然后对求偏导后的等式进行化简并整理成矩阵方程公式（5），再通过矩阵方程求出拟合方程的系数，最终得出多项式曲线拟合方程。

22、（3）

23、（4）

24、（5）

25、式中：为多项式曲线拟合方程；为拟合方程的系数；为拟合方程的阶数；为特征点个数；为吸入真空值；为不同特征点的吸入真空值；为不同特征点的密度值；为1,2,3,……n。

26、优选的，步骤s3中，所述拟合修正是指每次完成数据采集并成功提取特征值后都重新进行拟合运算。

27、本发明具有的优点和积极效果是：

28、本发明通过利用吸入真空、密度、流速并结合吸入真空传感器安装位置至密度计安装位置的管路长度、特征点数量、边界值等数据，采用时移运算及预测模型算法，并综合利用了计算机、网络、传感器和自动化等技术，解决了疏浚施工人员手动操作或自动挖泥过程无法准确及时的获取绞刀吸口位置的泥浆密度的问题，实现对绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度的快速、准确预报，极大程度地提高了疏浚施工操控的实时性和控制精度，进而提高了绞吸挖泥船的施工效率。

1.一种绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法，其特征在于，步骤s1中，所述实时采集是通过船舶的疏浚集成监控系统数据采集模块完成；

3.根据权利要求2所述的绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法，其特征在于，安装于靠近绞刀吸口位置的吸入真空传感器是指吸入真空传感器安装于距绞刀吸口1米以内的位置；

4.根据权利要求1所述的绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法，其特征在于，步骤s2中，所述时移运算是指首先通过管路长度和已存储的流速数据，计算出泥浆由吸入真空值采集位置流动至密度值采集位置所需的时间，然后在已存储的吸入真空值中，提取出对应的吸入真空值。

5.根据权利要求4所述的绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法，其特征在于，所述时移运算的具体计算过程如下：首先从当前某一时间点开始，遍历已存储的流速数据，利用公式（1）计算出泥浆流动距离，然后利用公式（2）将管路长度与公式（1）计算的泥浆流动距离相减，当偏差值小于1m时，停止遍历，计算完成，提取该时间点对应的吸入真空值；

6.根据权利要求1所述的绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法，其特征在于，步骤s2中，所述特征值是指当前某一时间点的密度值和通过时移运算之后得到的吸入真空值，通过加权平均算法计算后，最终得到的吸入真空值和密度值。

7.根据权利要求6所述的绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法，其特征在于，步骤s2中，所述加权平均算法中，特征值存储距当前某一时间点越近，所占权重越高；

8.根据权利要求1所述的绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法，其特征在于，步骤s3中，所述拟合运算是指利用加权平均算法提取的吸入真空值和密度值，通过最小二乘法多项式拟合算法进行拟合运算，并计算出拟合方程的系数，最终得到多项式曲线拟合方程。

9.根据权利要求8所述的绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法，其特征在于，通过最小二乘法多项式拟合算法计算拟合方程的系数的过程如下：设多项式曲线拟合方程为公式（3），利用公式（4）计算出各特征点到公式（3）的平方和r2，为使平方和最小，首先对公式（4）右边求ki的偏导数，然后对求偏导后的等式进行化简并整理成矩阵方程公式（5），再通过矩阵方程求出拟合方程的系数，最终得出多项式曲线拟合方程；

10.根据权利要求1所述的绞吸挖泥船绞刀吸口位置密度预报方法，其特征在于，步骤s4中，所述拟合修正是指每次完成数据采集并成功提取特征值后都重新进行拟合运算。