一种挖泥船疏浚的土壤类型分析方法及控制方法与流程

本发明涉及一种土壤类型分析方法，特别是一种挖泥船疏浚的土壤类型分析方法及控制方法。

背景技术：

随着国内疏浚市场的日益增长，挖泥船在沿海航道维护、港口建设、围海造田等疏浚工程中发挥巨大作用。土壤是挖泥船工作的主要对象，挖泥船的疏浚效率取决于挖泥船的泥泵转速、航速、耙头对地角度等控制参数的设置，而这些控制参数均需要根据疏浚土壤类型进行调整。目前，挖泥船疏浚作业操作主要依靠离线分析数据为主，获得土壤类型的途径一般是：首先，在疏浚作业之前，通过勘探船取得疏浚土壤；然后，进行取样，送到实验室分析出土壤类型；最后，将分析出的土壤类型传送至挖泥船，为施工人员提供参考。这种离线的土壤类型分析方式使得疏浚时间较长、疏浚成本较高。如若能够在疏浚作业过程中实时分析疏浚土壤类型，则可避免离线分析增加的勘探成本和时间，提高施工效率，降低施工成本。因此，如何实时给出疏浚的土壤类型成为挖泥船疏浚领域亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种挖泥船疏浚的土壤类型分析方法及控制方法，能够在挖泥船疏浚作业过程中实时分析土壤类型，避免离线分析增加的勘探成本和时间，提高施工效率，降低施工成本。

为实现上述目的，本发明提供一种挖泥船疏浚的土壤类型分析方法，包括以下步骤：

1)实时采集挖泥船的疏浚数据；

2)根据所述疏浚数据和泥舱模型，计算疏浚的土壤的未受扰动沉降速度；

3)根据所述未受扰动沉降速度计算出所述土壤的颗粒直径；

4)结合已知的不同土壤类型粒径分布范围和所述土壤的颗粒直径，确定所述土壤的类型。

进一步的，步骤1)中，所述的疏浚数据包括：混合物进舱流量，混合物溢流流量，混合物进舱密度。

进一步的，步骤1)中，使用挖泥船的可编程逻辑控制器结合安装在挖泥船上的传感器采集所述疏浚数据，同时使用以太网连接所述可编程逻辑控制器和以太网服务器，完成所述疏浚数据的实时传输。

进一步的，步骤2)包括以下过程：

2.1)根据所述疏浚数据和泥舱模型计算装舱质量；

2.2)在溢流阶段，根据所述疏浚数据和泥舱模型计算溢流流量中的清水流量；

2.3)根据所述疏浚数据和泥舱模型计算混合物的溢流密度；

2.4)采用误差最小化的方法计算土壤的未受扰动沉降速度，当误差不满足要求时，进行下一次未受扰动沉降速度的计算。

进一步的，步骤2.1)中的装舱质量的计算公式为：

步骤2.2)中的清水流量的计算公式为：

步骤2.3)中的混合物的溢流密度的计算公式为：

步骤2.4)中的误差计算公式为：

其中，mt为混合物总重量，其单位为t；qi为进舱流量，其单位为m³/s；ρi为进舱密度，其单位为t/m³；qo为混合物溢流流量，其单位为m³/s；ρo为混合物溢流密度，其单位为t/m³；qw溢流流量中的清水流量，其单位为m³/s；s为泥舱底面积，其单位为m²；μ为混合物冲刷系数；vs为未受扰动沉降速度，其单位为mm/s；vt为装舱体积，其单位为m³；ρw为疏浚区域水的密度，其单位为t/m³；ρq为天然沙的密度，其单位为t/m³；j为装舱质量的方差，为k时刻的计算的装舱质量，mt(k)为k时刻的实测的装舱质量，m为数据的总个数。

进一步的，步骤3)中土壤的颗粒直径由下式确定：

式中，d为土壤粒径，其单位为mm；vs为未受扰动沉降速度，其单位为mm/sρw为疏浚区域水的密度，其单位为t/m³；ρq为天然沙的密度，其单位为t/m³。

本发明还提供一种挖泥船疏浚的控制方法，包括以下步骤：

采用上述的挖泥船疏浚的土壤类型分析方法，分析出挖泥船疏浚的土壤类型；

根据分析出的所述土壤类型调整包含泥泵转速、航速、耙头对地角度在内的控制参数的设置；

使用调整后的控制参数控制挖泥船疏浚。

与现有技术相比，本发明的技术方案的有益效果体现在：

1、本发明的挖泥船疏浚的土壤类型分析方法，是一种在线分析土壤类型的方法，可实时给疏浚施工人员提供土壤类型参考，避免离线勘探土壤类型带来的工程量，有助于减少疏浚时间，提高疏浚效率，降低疏浚成本，可适用于挖泥船在不同的土壤类型下施工。

2、本发明的挖泥船疏浚的控制方法，利用本发明的挖泥船疏浚的土壤类型分析方法实时分析出土壤类型，并根据分析出的土壤类型及时调整相关的控制参数，从而能够有助于减少疏浚时间，提高疏浚效率。

附图说明

图1为本发明具体实施例的挖泥船疏浚的土壤类型分析方法流程图；

图2为本发明具体实施例的泥舱模型示意图；

图3为本发明具体实施例的挖泥船疏浚的控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的挖泥船疏浚的土壤类型分析方法以及控制方法做出详细说明。

如图1所示，本发明提供一种挖泥船疏浚的土壤类型分析方法，可以使用挖泥船的可编程控制器通过传感器采集疏浚数据，计算土壤参数，计算土壤颗粒直径，判断土壤类型，具体包括以下步骤：

1)实时采集挖泥船的疏浚数据；

2)根据所述疏浚数据和泥舱模型，计算疏浚的土壤的未受扰动沉降速度；

3)根据所述未受扰动沉降速度计算出所述土壤的颗粒直径；

4)结合已知的不同土壤类型粒径分布范围和所述土壤的颗粒直径，确定所述土壤的类型。

在步骤1)中，主要是使用挖泥船的可编程逻辑控制器控制安装在挖泥船上的传感器实时采集疏浚数据，同时使用以太网将所述可编程逻辑控制器和一服务器连接，完成实时采集的疏浚数据的传输。实时采集的疏浚数据包括：混合物进舱流量qi，混合物溢流流量qo，混合物进舱密度ρi。

在步骤2)中，根据实时采集的疏浚数据和泥舱模型，来计算土壤参数未受扰动沉降速度vs，其中，泥舱模型如图2所示，该模型用于对挖泥船的泥舱进行模拟，在该泥舱模型中，进舱流量为qi、进舱密度为ρi的混合物进入泥舱，开始时，泥舱内装载物的高度ht低于溢流堰的高度h0，当泥舱内装载物的高度ht达到溢流堰的高度h0时，进入溢流阶段，此阶段中，溢流堰高度h0保持不变，高出溢流堰高度的清水或低密度混合物将以流量qo通过溢流堰流到舱外，混合物溢流密度为ρo。

在步骤2)中，根据所述泥舱模型和实时采集的疏浚数据，计算土壤参数未受扰动沉降速度vs的具体过程如下：

2.1)根据所述泥舱模型和实时采集的疏浚数据，估算装舱质量，装舱质量的估算公式如下：

式中：mt为混合物总重量，即装舱质量，其单位为t；qi为进舱流量，其单位为m³/s；ρi为进舱密度，其单位为t/m³；qo为混合物溢流流量，其单位为m³/s；ρo为混合物溢流密度，其单位为t/m³。

2.2)在溢流阶段，根据所述泥舱模型和实时采集的疏浚数据，估算溢流流量中的清水流量，清水流量的估算公式如下：

式中：qw溢流流量中的清水流量，其单位为m³/s；s为泥舱底面积，其单位为m²；μ为混合物冲刷系数；vs为泥沙颗粒未受扰动沉降速度，其单位为mm/s；vt为装舱体积，其单位为m³；ρw为疏浚区域水的密度，其单位为t/m³；ρq为天然沙的密度，其单位为t/m³。

2.3)根据所述泥舱模型和实时采集的疏浚数据，估算混合物的溢流密度ρo，溢流密度ρo的估算公式如下：

式中：qw溢流流量中的清水流量，其单位为m³/s；ρw为疏浚区域水的密度，其单位为t/m³；vt为装舱体积，其单位为m³；qo为混合物溢流流量，其单位为m³/s；mt为混合物总重量，即装舱质量，其单位为t。

4)采用误差最小化的方法估算土壤参数未受扰动沉降速度，使用的误差为装舱质量的方差，所述方差的计算公式如下：

式中：j为装舱质量的方差，为k时刻的估算的装舱质量，mt(k)为k时刻的实测的装舱质量，m为数据的总个数。

如若误差不满足要求，则先不进行步骤3)，直接返回步骤2)的2.1)，进行下一次未受扰动沉降速度的估算。

步骤3)中根据得到的未受扰动沉降速度vs计算土壤颗粒直径，土壤颗粒直径由下式确定：

式中：d为土壤粒径，其单位为mm；ρw为疏浚区域水的密度，其单位为t/m³；ρq为天然沙的密度，其单位为t/m³。

步骤4)中，将步骤3)中确定的土壤颗粒直径和不同土壤类型所对应的粒径范围进行对比，从而实时确定挖泥船疏浚的土壤类型。

由上所述，本发明的挖泥船疏浚的土壤类型分析方法，可以根据实时采集的挖泥船疏浚数据和泥舱模型对疏浚土壤颗粒直径进行计算，从而实时确定出土壤类型，可用于挖泥船疏浚土壤类型的实时分析，适用于挖泥船在不同的土壤条件下施工，避免离线勘探土壤类型带来的工程量，有助于减少疏浚时间，提高疏浚效率，降低疏浚成本。

请参考图3，本发明还提供一种挖泥船疏浚的控制方法，包括以下步骤：

0)预先设置好挖泥船的初始控制参数，在所述初始控制参数的控制下，挖泥船开始疏浚作业；

1)实时采集挖泥船的疏浚数据；

2)根据所述疏浚数据和泥舱模型，计算疏浚的土壤的未受扰动沉降速度；

3)根据所述未受扰动沉降速度计算出所述土壤的颗粒直径；

4)结合已知的不同土壤类型粒径分布范围和所述土壤的颗粒直径，确定所述土壤的类型；

5)根据分析出的所述土壤类型调整包含泥泵转速、航速、耙头对地角度在内的控制参数的设置；

6)使用调整后的控制参数控制挖泥船疏浚。

之后循环步骤1)至6)，直至挖泥船的疏浚作业停止或竣工。

上述的步骤1)至4)即本发明提供的挖泥船疏浚的土壤类型分析方法，其中涉及的泥舱模型以及各个相关量的具体计算公式均可以参考上文中对本发明提供的挖泥船疏浚的土壤类型分析方法的详细介绍内容，在此不再赘述。

本发明的挖泥船疏浚的控制方法，由于利用了本发明的挖泥船疏浚的土壤类型分析方法，而能够实时分析出土壤类型，并因此可以根据实时分析出的土壤类型来及时调整相关的控制参数，从而能够有助于进一步减少疏浚时间，提高疏浚效率。而且，利用实时分析出的土壤类型来调整相关的控制参数，能够减少疏浚工艺调控操作的复杂程度，使疏浚工艺自动化程度更高。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。