專利名稱：基于自適應(yīng)算法的非自航船舶智能移位系統(tǒng)和移位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋工程的船舶定位移位領(lǐng)域，更具體地，涉及ー種基于自適應(yīng)算法的非自航船舶智能移位系統(tǒng)及移位方法。
背景技術(shù)：
諸如海上堤壩、人工島、跨海橋梁、海底管道等海洋工程，都要求施工船舶定位誤差小于0.5米，為了達(dá)到精確定位移船，施工船舶大都通過(guò)錨機(jī)收放纜繩實(shí)現(xiàn)移位，不需要船舶動(dòng)カ系統(tǒng)，所以目前的海上施工船舶也多為非自航船舶。不過(guò)現(xiàn)有的非自航船舶定位移船控制大多依賴簡(jiǎn)單的人工控制裝置，控制過(guò)程需要多名操作人員，同時(shí)由于海上施工船舶受風(fēng)浪等作用カ影響相當(dāng)顯著，實(shí)際操作中需要經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員根據(jù)不同エ況綜合協(xié)調(diào)控制各錨機(jī)纜繩的收放，最終實(shí)現(xiàn)船舶的定位移動(dòng)，不過(guò)目前這種人工移船定位操作方式落后、人力需求大，并且施工速度和精度也難以保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，即克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于自適應(yīng)算法的非自航船舶智能移位系統(tǒng)和基于該系統(tǒng)的船舶智能移位方法，使用該系統(tǒng)和方法可以實(shí)現(xiàn)移船過(guò)程的自動(dòng)化，并大大提高移船作業(yè)的速度和精度。為了達(dá)到上述第一方面之目的，采用如下技術(shù)方案:在計(jì)算機(jī)上安裝船舶智能移位系統(tǒng)，通過(guò)向變頻器發(fā)送通訊指令，控制各錨機(jī)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)移船過(guò)程的自動(dòng)化。為了達(dá)到上述第二方面之目的，采用技術(shù)方案:船舶智能移位系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收GPS定位信息，在不同風(fēng)浪流作用下，分析移船過(guò)程的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，調(diào)整船舶定位偏差，提高移船作業(yè)的速度和精度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明的船舶智能移位系統(tǒng)及方法通過(guò)在施工圖紙上加載大地坐標(biāo)系，使GPS模塊的實(shí)時(shí)定位信息與施工圖紙上的目標(biāo)位置信息有機(jī)結(jié)合，確保船舶位移符合施工要求，控制單元通過(guò)對(duì)來(lái)自GPS模塊的信息對(duì)錨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷進(jìn)行調(diào)整，可以及時(shí)對(duì)外界因素的干擾進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)了移船過(guò)程的自動(dòng)化，進(jìn)ー步保證了移船的精確性，使船舶及時(shí)在受風(fēng)、浪等荷載作用和潮位漲落的影響下也能自動(dòng)調(diào)整船舶的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用該系統(tǒng)的船舶的移船過(guò)程自動(dòng)完成，在節(jié)省人力資源成本的同時(shí)提升了移船的速度和精度。同時(shí)，本發(fā)明的船舶智能移位系統(tǒng)采用電動(dòng)錨機(jī)為動(dòng)力，在施工船舶領(lǐng)域擁有更廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明所述船舶智能移位系統(tǒng)的組成示意圖。圖2是本發(fā)明所述船舶智能移位系統(tǒng)的錨機(jī)分布示意圖。圖3是本發(fā)明所述移位方法中船舶移位過(guò)程示意圖
圖4是本發(fā)明所述移位方法中自適應(yīng)算法結(jié)構(gòu)圖。圖5是本發(fā)明所述移位方法中自適應(yīng)算法的尋優(yōu)流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步說(shuō)明:參見(jiàn)圖1-圖2，一種基于自適應(yīng)算法的非自航船舶智能移位系統(tǒng)，包括控制單元6和與控制單元相連的GPS模塊，還包括固定于船舶上的錨機(jī)51-54及分別用于控制錨機(jī)51-54的變頻器71-74，所述變頻器71-74與控制單元6相連，所述錨機(jī)的數(shù)量至少為2，分別設(shè)置于船舶甲板的不同位置，每個(gè)錨機(jī)分別通過(guò)纜繩與獨(dú)立的錨點(diǎn)1-4連接，控制單元6包括中心處理模塊和與中心處理模塊連接的施工圖紙加載模塊，其中:中心處理模塊用于根據(jù)GPS模塊的定位信息生成船舶運(yùn)動(dòng)路徑并指令變頻器控制錨機(jī)51-54動(dòng)作；施工圖紙加載模塊用于讀取施工圖紙并在施工圖紙中加載大地坐標(biāo)系；GPS模塊用于獲取定位信息并反饋給控制単元6 ；錨機(jī)51-54用于通過(guò)收放纜繩改變船舶的位置，每臺(tái)錨機(jī)的供電系統(tǒng)按照電源一變頻器一錨機(jī)的形式連接。在本實(shí)施例中，控制單元6為PC，錨機(jī)的數(shù)量為4，分別設(shè)置于船舶的四個(gè)角點(diǎn)附近，上述GPS模塊包括兩臺(tái)形成差分式定位系統(tǒng)的GPS定位儀，為了保證系統(tǒng)的通用性，GPS模塊和變頻器71-74之間均通過(guò)RS485通訊線與計(jì)算機(jī)的COM ロ連接。在移位作業(yè)開(kāi)始前，將非自航船舶由拖輪牽引至施工地段，拋四ロ邊錨并收緊錨纜，使邊錨分別與錨點(diǎn)1-4通過(guò)纜繩連接。參見(jiàn)圖3，一種基于上述船舶智能移位系統(tǒng)的移位方法，包括以下步驟實(shí)現(xiàn):SI =GPS模塊測(cè)量自身所在的位置并生成定位信息；為了實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的精確定位，GPS模塊包括兩臺(tái)移動(dòng)式GPS定位儀81和82，其中一臺(tái)起到坐標(biāo)定位的作用，另一臺(tái)起到控制船舶角度的作用，兩臺(tái)GPS定位儀配合形成差分式定位系統(tǒng)，GPS模塊通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接線接入控制單元。S2:控制單元讀取GPS模塊的定位信號(hào)并計(jì)算船舶在大地坐標(biāo)系中的當(dāng)前坐標(biāo)；大地坐標(biāo)系亦稱為地理坐標(biāo)系，是大地測(cè)量中以參考橢球面為基準(zhǔn)面建立起來(lái)的坐標(biāo)系，地面點(diǎn)的位置用大地經(jīng)度、大地緯度和大地高度表示，大地坐標(biāo)系的確立包括選擇ー個(gè)橢球、對(duì)橢球進(jìn)行定位和確定大地起算數(shù)據(jù)，ー個(gè)形狀、大小和定位、定向都已確定的地球橢球叫參考橢球，參考橢球一旦確定，則標(biāo)志著大地坐標(biāo)系已經(jīng)建立。在本實(shí)施例中，所述設(shè)定大地參考系優(yōu)選為目前作為我國(guó)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工標(biāo)準(zhǔn)的北京1954坐標(biāo)系，控制単元在讀取GPS模塊的定位信息后，采用濾波算法將GPS定位信息轉(zhuǎn)化為北京1954坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。由于GPS模塊在船上的位置固定不變，因此，控制単元根據(jù)獲取的坐標(biāo)位置信息以及GPS與船舶的相對(duì)位置，即可計(jì)算出船舶任意點(diǎn)的坐標(biāo)，從而精確定位船舶的位置。S3:控制單元讀入施工圖紙并在施工圖紙中加載大地坐標(biāo)系；所述控制單元包括用于讀取施工圖紙并在施工圖紙中加載大地坐標(biāo)系的施工圖紙加載単元，當(dāng)施工圖紙加載單元打開(kāi)CAD圖檔后，根據(jù)CAD圖檔和大地坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系加載大地坐標(biāo)系，使施工圖紙位置和大地坐標(biāo)系中的位置重合對(duì)應(yīng)，則控制単元根據(jù)GPS的定位信息可以得到船舶的當(dāng)前在坐標(biāo)并在施工圖上繪制出船舶的當(dāng)前位置10。由于施工圖紙也是以北京1954坐標(biāo)系繪制，因此GPS模塊采集的坐標(biāo)和施工圖紙上標(biāo)注的坐標(biāo)為同一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，在加載施工圖紙后，可直接通過(guò)智能定位系統(tǒng)軟件中的CAD模塊在施工圖紙中實(shí)時(shí)繪制船舶當(dāng)前位置，直觀顯示船舶移動(dòng)路徑及終點(diǎn)位置。
上述CAD讀取模塊可以根據(jù)施工圖紙的繪制軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)使兩者兼容，由于目前大多數(shù)施工圖紙采用AutoCAD繪制，故本實(shí)施例中的CAD讀取模塊相應(yīng)地識(shí)別AutoCAD的圖檔，這些圖檔的后綴名通常為DWG或DXF。S4:在施工圖紙中輸入船舶的目標(biāo)坐標(biāo)及停泊角度，則控制単元可以自動(dòng)施工圖上繪制出船舶的目標(biāo)坐標(biāo)(對(duì)應(yīng)目標(biāo)位置10’)，通過(guò)上ー步驟得到的船舶當(dāng)前坐標(biāo)及角度，直觀反映出船舶當(dāng)前位置與施工區(qū)域的相對(duì)關(guān)系。S5:控制單元根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)和目標(biāo)坐標(biāo)確定船舶在設(shè)定坐標(biāo)系中的運(yùn)行軌跡AB，并指令變頻器控制錨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；基于上ー步驟的結(jié)果，控制單元通過(guò)計(jì)算每個(gè)錨機(jī)收放纜繩的長(zhǎng)度，并協(xié)調(diào)四臺(tái)錨機(jī)的收放速度，使船舶在四臺(tái)錨機(jī)的共同作用下沿預(yù)定軌跡運(yùn)行。S5:控制單元通過(guò)周期性或非周期性地讀取GPS的定位信息得到船舶的當(dāng)前坐標(biāo)并與目標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行比較，如當(dāng)前坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)相同，則指令變頻器控制錨機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如兩者不同，則返回步驟SI。參見(jiàn)圖4，在本實(shí)施例中，控制單元每秒采集一次GPS定位信息，并根據(jù)定位信息對(duì)施工圖上的船舶當(dāng)前坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行軌跡與給定軌跡的比較，控制単元可以計(jì)算當(dāng)前風(fēng)、浪等外界干擾因素對(duì)船舶移位的影響，并由此反向分析抵消其作用所需的錨機(jī)頻率、轉(zhuǎn)速，通過(guò)遺傳算法快速尋找最優(yōu)參數(shù)，最后向變頻器發(fā)送命令，控制錨機(jī)收放修正工程船舶的軌跡，以達(dá)到避免風(fēng)、浪等因素對(duì)定位移船干擾、控制船舶按照給定軌跡運(yùn)行的效果。換個(gè)角度來(lái)說(shuō)，在以上過(guò)程中，控制單元通過(guò)不斷讀取GPS坐標(biāo)信息并實(shí)時(shí)對(duì)船舶的設(shè)定軌跡和實(shí)際運(yùn)行軌跡進(jìn)行比較，最后通過(guò)更改錨機(jī)的收放速度來(lái)對(duì)船舶的實(shí)際運(yùn)行軌跡進(jìn)行修正，該方法在設(shè)定軌跡和實(shí)際運(yùn)行軌跡之間建立了閉環(huán)反饋系統(tǒng)，使得船舶的移位作業(yè)具有較高的精度。其控制過(guò)程的總體流程圖見(jiàn)圖6。圖4中的遺傳算法是模擬達(dá)爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進(jìn)化過(guò)程的計(jì)算模型，它具有很強(qiáng)的宏觀搜索能力和良好的全局優(yōu)化性能。通過(guò)遺傳算法對(duì)PID控制器的參數(shù)和比例因子進(jìn)行優(yōu)化和整定，就是針對(duì)每個(gè)采樣時(shí)間實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的遺傳算法優(yōu)化。在采樣時(shí)間內(nèi)，選取足夠多的個(gè)體，計(jì)算不同個(gè)體的自適應(yīng)度，通過(guò)遺傳算法的優(yōu)化，選擇自適應(yīng)度大的個(gè)體所對(duì)應(yīng)的PID控制參數(shù)作為該采樣時(shí)間下的PID控制參數(shù)。這樣通過(guò)遺傳算法優(yōu)化的PID控制算法可以得到比常規(guī)PID控制算法更優(yōu)的結(jié)果。本發(fā)明中通過(guò)吸收了遺傳算法的智能控制算法(即自適應(yīng)算法)對(duì)船舶分別在風(fēng)、浪、流作用下的受カ狀態(tài)進(jìn)行分析，得出在風(fēng)、浪、流綜合作用中的船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程，推導(dǎo)出船舶移動(dòng)的誤差傳遞公式，結(jié)合遺傳算法對(duì)船舶控制參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)求解，調(diào)整船舶控制參數(shù)消除風(fēng)、浪、流對(duì)船舶的影響，使船舶定位移動(dòng)誤差保持在控制范圍內(nèi)。具體說(shuō)來(lái)，如圖4所示，PID控制器由比例単元(P)、積分單元(I)和微分単元(D)組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為:
權(quán)利要求
1.種基于自適應(yīng)算法的非自航船舶智能移位系統(tǒng)，其特征在于，包括控制單元和與控制單元相連的GPS模塊，還包括固定于船舶上的錨機(jī)及用于控制錨機(jī)的變頻器，所述變頻器與控制單元相連，所述錨機(jī)的數(shù)量至少為2，分別設(shè)置于船舶甲板的不同位置，每個(gè)錨機(jī)分別通過(guò)纜繩與獨(dú)立的錨點(diǎn)連接，控制單元包括中心處理模塊和與中心處理模塊連接的施工圖紙加載模塊，其中: 中心處理模塊用于根據(jù)GPS模塊的定位信息生成船舶運(yùn)動(dòng)路徑并指令變頻器控制錨機(jī)動(dòng)作； 施工圖紙加載模塊用于讀取施工圖紙并在施工圖紙中加載大地坐標(biāo)系； GPS模塊用于獲取定位信息并反饋給控制単元； 錨機(jī)用于通過(guò)收放纜繩改變船舶的位置。
2.權(quán)利要求1所述基于自適應(yīng)算法的非自航船舶智能移位系統(tǒng)，其特征在于，所述錨機(jī)的數(shù)量為4。
3.權(quán)利要求1所述基于自適應(yīng)算法的非自航船舶智能移位系統(tǒng)，其特征在于，所述GPS模塊包括兩臺(tái)形成差分式定位系統(tǒng)的GPS定位儀。
4.權(quán)利要求1所述基于自適應(yīng)算法的非自航船舶智能移位系統(tǒng)，其特征在于，所述大地坐標(biāo)系為北京1954坐標(biāo)系。
5.權(quán)利要求1所述基于自適應(yīng)算法的非自航船舶智能移位系統(tǒng)，其特征在于，所述施工圖紙為CAD圖檔。
6.權(quán)利要求5所述基于自適應(yīng)算法的非自航船舶智能移位系統(tǒng)，其特征在干，所述CAD圖檔為.dwg或.dxf格式。
7.種如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的基于自適應(yīng)算法的非自航船舶智能移位系統(tǒng)的移位方法，其特征在于，包括以下步驟實(shí)現(xiàn): 51:GPS模塊測(cè)量自身位置并生成定位信息； 52:控制單元讀取GPS模塊的定位信息并計(jì)算船舶在大地坐標(biāo)系中的當(dāng)前坐標(biāo)； 53:控制單元讀入施工圖紙并在施工圖紙中加載大地坐標(biāo)系； 54:在上一步驟的施工圖紙中輸入船舶的目標(biāo)坐標(biāo)； 55:控制單元根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)和目標(biāo)坐標(biāo)確定船舶在大地坐標(biāo)系中的運(yùn)行軌跡，并指令變頻器控制錨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)； 56:控制單元基于GPS的定位信息得到船舶的當(dāng)前坐標(biāo)并將其與目標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行比較，如當(dāng)前坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)相同，則指令變頻器控制錨機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如兩者不同，則返回步驟SI。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于自適應(yīng)算法的非自航船舶智能移位系統(tǒng)及移位方法，所述系統(tǒng)包括控制單元和與控制單元相連的GPS模塊、錨機(jī)及變頻器，所述錨機(jī)的數(shù)量至少為2，分別設(shè)置于船舶的不同位置，錨機(jī)分別通過(guò)纜繩與獨(dú)立的錨點(diǎn)連接；所述方法包括GPS定位、在施工圖紙上加載大地坐標(biāo)系、船舶移位等步驟，本發(fā)明使GPS模塊的實(shí)時(shí)定位信息與施工圖紙上的目標(biāo)位置信息有機(jī)結(jié)合，確保了船舶位移符合施工要求，自適應(yīng)算法可以及時(shí)對(duì)外界因素的干擾進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)了移船過(guò)程的自動(dòng)化，使船舶及時(shí)在受風(fēng)、浪等荷載作用和潮位漲落的影響下也能自動(dòng)調(diào)整船舶的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用該系統(tǒng)的船舶的移船過(guò)程自動(dòng)完成，在節(jié)省人力資源成本的同時(shí)提升了移船的速度和精度。
文檔編號(hào)G05D1/02GK103092071SQ20121052418
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者董志良, 張功新, 劉嘉, 張波云, 朱幸科 申請(qǐng)人:中交四航工程研究院有限公司, 中交第四航務(wù)工程局有限公司, 廣州港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司, 廣州四航巖土技術(shù)工程有限公司, 廣州四航材料科技有限公司