本發(fā)明涉及耙吸挖泥船疏浚過(guò)程裝艙優(yōu)化，尤其涉及一種耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、作為水利式挖泥船的一種，耙吸挖泥船在航行中通過(guò)耙頭挖掘水底泥砂并經(jīng)管線(xiàn)輸送至泥艙沉淀，來(lái)周期性完成疏浚裝艙作業(yè)。相比于其它挖泥船型，其具有自航、自挖、自裝、自卸、挖深大、靈活機(jī)動(dòng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已廣泛用于港口、航道、海灘的建設(shè)與維護(hù)，清淤防洪，吹填造陸等諸多工程領(lǐng)域。

2、在耙吸挖泥船到達(dá)特定的施工區(qū)域后，隨著裝艙溢流作業(yè)的進(jìn)行，被耙頭挖掘的泥砂在艙內(nèi)逐步沉淀形成沙床的同時(shí)，低密度的泥水混合物會(huì)經(jīng)過(guò)溢流堰流出舷外，從而導(dǎo)致裝艙質(zhì)量的下降和裝艙時(shí)間的延長(zhǎng)，進(jìn)而影響到挖泥船疏浚作業(yè)過(guò)程中的產(chǎn)量和效率。及時(shí)、準(zhǔn)確的獲取溢流流量和溢流密度，有助于船員能夠?qū)崟r(shí)掌握泥艙中泥砂的沉積情況，進(jìn)而方便其調(diào)整疏浚策略和修正設(shè)備參數(shù)。然而，因?yàn)橐缌餮邇?nèi)存在空氣等原因，致使溢流流量和溢流密度不能通過(guò)儀器設(shè)備測(cè)量得到。船員只能憑借自身的能力和經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷溢流損失的大小，這無(wú)疑增加了船員操控設(shè)備的難度和工作量。雖然能夠通過(guò)建立泥艙沉積模型并結(jié)合實(shí)船數(shù)據(jù)估算溢流損失，但模型中包含難以處理的時(shí)變土壤參數(shù)，給溢流流量和密度的求取造成了一定困難。因此，需探索實(shí)用可行的方法對(duì)溢流堰內(nèi)混合物的流量和密度進(jìn)行切實(shí)、有效的估計(jì)，擺脫對(duì)船員施工能力和經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)，這對(duì)于耙吸挖泥船裝艙性能的優(yōu)化和輔助智能決策支持系統(tǒng)的創(chuàng)建都具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法，提高溢流損失估算的精度和準(zhǔn)度，并縮短估計(jì)的時(shí)間，從而使裝艙性能得到優(yōu)化。

2、本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

3、一種耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法：

4、收集耙吸挖泥船正常挖泥裝艙作業(yè)時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行去噪處理；

5、根據(jù)泥艙沉積模型體積和質(zhì)量的平衡方程、泥水混合物溢流流量和溢流密度的維納過(guò)程模型方程，分別確定溢流子系統(tǒng)1的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程、溢流子系統(tǒng)2的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程；

6、構(gòu)建cd-fpf-ukf組合算法的級(jí)聯(lián)觀測(cè)器對(duì)溢流流量和溢流密度進(jìn)行分散估計(jì)：基于cd-fpf算法的觀測(cè)器1運(yùn)用溢流子系統(tǒng)1的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程，估算出溢流流量；基于ukf算法的觀測(cè)器2運(yùn)用溢流子系統(tǒng)2的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程和觀測(cè)器1的溢流流量估算結(jié)果，估計(jì)得到溢流密度。

7、進(jìn)一步地，所述耙吸挖泥船正常挖泥裝艙作業(yè)時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括泥水混合物總質(zhì)量和總體積、泥水混合物進(jìn)艙流量和進(jìn)艙密度、溢流堰高度。

8、更進(jìn)一步地，所述泥艙沉積模型體積和質(zhì)量的平衡方程為：

9、

10、式中，vt為泥艙內(nèi)泥水混合物的總體積，mt為泥艙內(nèi)泥水混合物的總質(zhì)量，qi為泥水混合物進(jìn)艙流量，ρi為泥水混合物進(jìn)艙密度，qo為泥水混合物溢流流量，ρo為泥水混合物溢密度。

11、更進(jìn)一步地，所述泥水混合物溢流流量和溢流密度的維納過(guò)程模型方程為：

12、

13、式中，qo,t+1是在時(shí)刻t+1時(shí)的泥水混合物溢流流量，ρo,t+1是在時(shí)刻t+1時(shí)的泥水混合物溢流密度，ωq,t是在時(shí)刻t時(shí)的泥水混合物溢流流量的過(guò)程噪聲，ωρ,t是在時(shí)刻t時(shí)的泥水混合溢流密度的過(guò)程噪聲。

14、更進(jìn)一步地，溢流子系統(tǒng)1的狀態(tài)向量x1、輸入變量u1和觀測(cè)變量z1定義為：x1＝[vtqo]t，u1＝qi，z1＝vt。

15、更進(jìn)一步地，所述溢流子系統(tǒng)1的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程為：

16、

17、式中，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)1的第一個(gè)狀態(tài)變量，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)1的輸入變量，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)1的第二個(gè)狀態(tài)變量，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)1的過(guò)程噪聲的第一個(gè)分量，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)1的過(guò)程噪聲的第二個(gè)分量，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)1的觀測(cè)變量，為在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)1的測(cè)量噪聲，ts為船上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣間隔時(shí)間。

18、更進(jìn)一步地，溢流子系統(tǒng)2的狀態(tài)向量x2、輸入向量u2和觀測(cè)變量z2定義為：x2＝[mtρo]t，u2＝[qi?ρi?qo]t，z2＝mt。

19、更進(jìn)一步地，所述溢流子系統(tǒng)2的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程為：

20、

21、式中，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)2的第一個(gè)狀態(tài)變量，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)2的第二個(gè)狀態(tài)變量，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)2的過(guò)程噪聲的第一個(gè)分量，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)2的過(guò)程噪聲的第二個(gè)分量，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)2的觀測(cè)變量，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)2的第一個(gè)輸入變量，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)2的第二個(gè)輸入變量，表示在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)2的第三個(gè)輸入變量，為在時(shí)刻t時(shí)的溢流子系統(tǒng)2的測(cè)量噪聲，ts為船上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣間隔時(shí)間。

22、進(jìn)一步地，所述去噪處理具體是采用時(shí)域內(nèi)savitzky-golay濾波方法進(jìn)行的。

23、進(jìn)一步地，還包括采用歸一化均方誤差和絕對(duì)誤差作為評(píng)估級(jí)聯(lián)觀測(cè)器性能的評(píng)價(jià)函數(shù)。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

25、(1)本發(fā)明通過(guò)構(gòu)建耙吸挖泥船cd-fpf-ukf組合算法的級(jí)聯(lián)觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于溢流流量和溢流密度的分散估計(jì)，較好地解決了挖泥船溢流損失難以精確測(cè)量和有效估計(jì)的問(wèn)題。而且船員能夠根據(jù)溢流流量和溢流密度的瞬時(shí)估計(jì)值，實(shí)時(shí)掌握耙吸挖泥船泥艙內(nèi)泥砂沉積的實(shí)際情況，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整疏浚策略，優(yōu)化裝艙性能，提高挖泥產(chǎn)量。

26、(2)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的級(jí)聯(lián)觀測(cè)器結(jié)構(gòu)中由于包含引入偽時(shí)間概念的cd-fpf算法，因此可以解決在較大采樣間隔時(shí)間下的觀測(cè)器精度和效率顯著下降問(wèn)題。

技術(shù)特征：

1.一種耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法，其特征在于，所述耙吸挖泥船正常挖泥裝艙作業(yè)時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括泥水混合物總質(zhì)量和總體積、泥水混合物進(jìn)艙流量和進(jìn)艙密度、溢流堰高度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法，其特征在于，所述泥艙沉積模型體積和質(zhì)量的平衡方程為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法，其特征在于，所述泥水混合物溢流流量和溢流密度的維納過(guò)程模型方程為：

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法，其特征在于，溢流子系統(tǒng)1的狀態(tài)向量x1、輸入變量u1和觀測(cè)變量z1定義為：x1＝[vt?qo]t，u1＝qi，z1＝vt。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法，其特征在于，所述溢流子系統(tǒng)1的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程為：

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法，其特征在于，溢流子系統(tǒng)2的狀態(tài)向量x2、輸入向量u2和觀測(cè)變量z2定義為：x2＝[mt?ρo]t，u2＝[qi?ρi?qo]t，z2＝mt。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法，其特征在于，所述溢流子系統(tǒng)2的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程為：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法，其特征在于，所述去噪處理具體是采用時(shí)域內(nèi)savitzky-golay濾波方法進(jìn)行的。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法，其特征在于，還包括采用歸一化均方誤差和絕對(duì)誤差作為評(píng)估級(jí)聯(lián)觀測(cè)器性能的評(píng)價(jià)函數(shù)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種耙吸挖泥船溢流流量和溢流密度分散估計(jì)方法，收集耙吸挖泥船正常挖泥裝艙作業(yè)時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行去噪處理；根據(jù)泥艙沉積模型體積和質(zhì)量的平衡方程、泥水混合物溢流流量和溢流密度的維納過(guò)程模型方程，分別確定溢流子系統(tǒng)1的狀態(tài)和觀測(cè)方程、溢流子系統(tǒng)2的狀態(tài)和觀測(cè)方程；構(gòu)建CD?FPF?UKF組合算法的級(jí)聯(lián)觀測(cè)器對(duì)溢流流量和溢流密度進(jìn)行分散估計(jì)：基于CD?FPF算法的觀測(cè)器1運(yùn)用溢流子系統(tǒng)1的狀態(tài)和觀測(cè)方程，估算出溢流流量；基于UKF算法的觀測(cè)器2運(yùn)用溢流子系統(tǒng)2的狀態(tài)和觀測(cè)方程和觀測(cè)器1的溢流流量估算結(jié)果，估計(jì)得到溢流密度。本發(fā)明在較大采樣時(shí)間間隔下具有較高的估算準(zhǔn)確度和較短的運(yùn)行時(shí)間。

技術(shù)研發(fā)人員：周泊龍,俞孟蕻,蘇貞,袁偉,杜昭平,趙楊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15