BE1020103A3 - Inrichting voor het baggeren van grondmateriaal onder water. - Google Patents

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het baggeren van grondmateriaal onder water. De inrichting omvat een ponton, voorzien van een graafwerktuig ingericht om grond onder water uit te graven, en aandrijfmiddelen ingericht om de beweging van de ponton en/of het graafwerktuig te sturen. De inrichting omvat verder eerste meetmiddelen ingericht om de positie van het graafwerktuig te bepalen; tweede meetmiddelen ingericht om de door het graafwerktuig ervaren krachten te bepalen; en rekenmiddelen ingericht om, op basis van gegevens verkregen van de eerste en de tweede meetmiddelen, stuursignalen voor de aandrijfmiddelen te berekenen. De uitvinding heeft ook betrekking op een werkwijze voor het baggeren van grondmateriaal onder water, met behulp van de beoogde inrichting, en op een computerprogramma dat programma-instructies omvat die na laden in een computer de werkwijze uitvoert.

Description

Inrichting voor het baggeren van grondmateriaal onder water

Deze uitvinding heeft betrekking op een inrichting, zoals een baggerschip met hydraulische arm ("backhoe dredger"), voor het baggeren van grondmateriaal onder water tot een voorgeschreven diepte. De uitvinding heeft ook betrekking op een werkwijze voor het baggeren van grondmateriaal onder water, evenals op een computerprogramma, dat programma-instructies omvat om de werkwijze uit te voeren.

Een inrichting, zoals een baggerschip met hydraulische arm, wordt in het algemeen gebruikt voor het uitgraven of baggeren van grondmateriaal onder water op locaties waar andere baggerschepen zoals sleephopperzuigers en cutterzuigers minder geschikt zijn. Dergelijke locaties omvatten drukke toegangskanalen, harde bodemsoorten, (zeer) ondiepe wateren en moeilijk bereikbare plaatsen, bijvoorbeeld haveningangen. Een conventioneel baggerschip met hydraulische arm omvat typisch een (soms land-gebaseerd) graafwerktuig aangebracht op een ponton. Het graafwerktuig omvat hijsbomen, welke worden aangedreven door hydraulische cilinders, en een graafbak om grondmateriaal op te graven van onder het watemiveau. Het gebaggerde grondmateriaal wordt tot boven het watemiveau gebracht en opgevangen in en afgevoerd door een in de nabijheid van de ponton geplaatst vrachtschip.

Een typische baggercyclus met behulp van een baggerschip met hydraulische arm behelst het uitvoeren van een inspectie van de toestand van de onderwaterbodem, welke toestand tenminste het in kaart brengen omvat van de diepte van de bodem en/of van de eigenschappen van het grondmateriaal in het relevante gebied. Vervolgens wordt er een werkplan opgesteld voor de operator van het baggerschip met hydraulische arm en het graafwerktuig, waarbij globaal genomen rekening wordt gehouden met de toestand van het te baggeren bodemgebied en de gewenste toestand van het bodemgebied (typisch het gewenste diepteprofiel). Het werkplan houdt in dat de lijnen moeten worden bepaald waarlangs de ponton dient te worden gepositioneerd, evenals het aangeven van een ruwe indicatie van de uitgraafdiepte langs genoemde lijnen. Het bodemgebied wordt vervolgens gebaggerd door de operator, hetgeen typisch de steppen omvat van het positioneren van de ponton op een uit te graven lijn, het uitgraven van grondmateriaal langs de lijn, het opnieuw positioneren van de ponton op een andere uit te baggeren lijn, en het herhalen van het bovenstaande.

Aangezien de eigenschappen van de grond echter slechts op zeer spaarzame punten bekend zijn, is deze benadering slechts een gemiddelde. De daadwerkelijke uitgraafhandeling wordt bepaald door het gevoel van de operator, gebaseerd op zeer subjectieve feedback (respons van het graafwerktuig wat betreft geluid, vibraties, beweging, etc.) en op zijn eerdere ervaring in vergelijkbare omstandigheden. Het rendement van het baggeren dient te worden verbeterd.

De onderhavige uitvinding stelt zich derhalve tot doel de nadelen van de bovenbeschreven inrichting en werkwijze volgens de stand der techniek te ondervangen, en een inrichting en werkwijze te verschaffen voor het baggeren van grondmateriaal onder water die een hoger rendement van de bewerking mogelijk maakt.

In één aspect van de uitvinding, wordt derhalve een inrichting verschaft voor het baggeren van grondmateriaal onder water, de inrichting omvattende: een ponton, voorzien van een graafwerktuig ingericht om grond onder water uit te graven; aandrijfmiddelen ingericht om de beweging van de ponton en/of het graafwerktuig te sturen; eerste meetmiddelen ingericht om de positie van het graafwerktuig te bepalen; waarbij de inrichting verder omvat: tweede meetmiddelen ingericht om door het graafwerktuig ervaren krachten te bepalen; en rekenmiddelen ingericht om, op basis van gegevens verkregen van de eerste en de tweede meetmiddelen, stuursignalen voor de aandrijfmiddelen te berekenen

Met de inrichting volgens de uitvinding is het mogelijk om grondmateriaal onder water snel en accuraat uit te graven tot een vooraf vastgesteld diepteprofiel, waarbij de diepte en/of de positie in het vlak van uitgraving automatisch worden geregeld, afhankelijk van de daadwerkelijke positie van het graafwerktuig en de uit de tweede meetmiddelen verkregen krachtwaarden. De beweging van de ponton omvat het nivelleren van de ponton.

De uitvinding heeft ook betrekking op een werkwijze voor het baggeren van grondmateriaal onder water, waarbij de werkwijze de stappen omvat van: het verschaffen van een inrichting volgens de uitvinding; het positioneren van de ponton van de inrichting in een watermassa; het dusdanig door de aandrijfmiddelen sturen van de beweging van het graafwerktuig van de inrichting dat grond onder water wordt uitgegraven; het bepalen van de positie van het graafwerktuig en de door het graafwerktuig tijdens haar beweging ervaren krachten; het op de basis van gegevens verkregen van de eerste en de tweede meetmiddelen berekenen van stuursignalen voor de aandrijfmiddelen; waarbij het graafwerktuig volgens deze stuursignalen wordt bewogen.

De werkwijze volgens de uitvinding is bijzonder bruikbaar voor het optimaliseren van een baggerbewerking langs één gesneden lijn, d.w.z. in een uitvoeringsvorm waar de ponton zelf zich in een (tijdelijke) stationaire positie bevindt. De werkwijze van de uitvinding elimineert in hoofdzaak de met menselijke handelingen geassocieerde variabiliteit door het verschaffen van een regellus, waarin de beweging van het graafwerktuig wordt gestuurd als een functie van haar daadwerkelijke positie en de daadwerkelijk ervaren krachten.

Met de inrichting en werkwijze van de uitvinding wordt het verkorten van storingsduur vanwege overbelaste mechanische constructies, het beschermen tegen overbelasting, en het in stand houden van een constantere kwaliteit van baggeren in de tijd mogelijk gemaakt. Ook is het met de inrichting en werkwijze van de uitvinding mogelijk dat rekening wordt gehouden met uiteenlopende eigenschappen van grondafzetting - juist de aard van afzetting is de oorzaak van een dergelijke variatie - die niet algemeen bekend zijn, bijvoorbeeld vanwege de over het algemeen lage roosterresolutie bij het nemen van monsters.

In een verder aspect van de uitvinding, wordt een inrichting verschaft waarin de rekenmiddelen zijn ingericht om de stuursignalen voor de aandrijfmiddelen dusdanig te berekenen dat een optimum criterium wordt geminimaliseerd. Het optimum criterium kan naar wens worden gekozen. In een bijzonder voordelige inrichting, omvat het optimum criterium het gemiddelde vermogen per eenheidsvolume uitgegraven grondmateriaal van het toegepaste graafwerktuig. Het vermogen van het graafwerktuig kan gemakkelijk worden verkregen door het vermenigvuldigen van de momentane verplaatsingen van het graafwerktuig en de door het graafwerktuig ervaren krachten, en deze producten op te tellen. Het vermogen van het graafwerktuig kan bijvoorbeeld worden geminimaliseerd of onder een zekere grenswaarde worden gehouden door het verlagen van krachten. Het verlagen van krachten kan worden bereikt door het begrenzen van de uitgraafsnelheid en/of de snijdiepte van uitgraving, waarbij de snij diepte de diepte is waarmee de graafbak de grond in wordt gedreven. De krachten hangen in het algemeen ook af van de eigenschappen van de grond, waarbij een dichtere of hardere grond zal leiden tot hogere krachten, en vice versa.

In een andere aspect van de uitvinding, wordt een inrichting verschaft waarin het optimum criterium de langst verwachte uitgraaftijd per eenheidsvolume uitgegraven grondmateriaal omvat.

Een typisch baggerschip met hydraulische arm is uitgerust met een graafwerktuig omvattende een boom, die schamierbaar is voorzien op een op het dek van de ponton aanwezige onderbouw, een stick, die schamierbaar is voorzien op één uiteinde van de boom, en een graafbak, die schamierbaar is voorzien op één uiteinde van de stick. De zwenkende beweging van de boom ten opzichte van de ponton, van de stick ten opzichte van de boom, en van de graafbak, met betrekking tot de stick worden bewerkstelligd door hydraulische cilinders, die respectievelijk voorzien zijn op de onderbouw van de ponton, op de boom, en op de stick. Het baggerschip met hydraulische arm heeft bij voorkeur de volgende vrijheidsgraden om haar taken te kunnen uitvoeren: 3 rotaties van het graafwerktuig rond een horizontale as (die overeenkomen met de 3 zwenkpunten van het hoofddeel en de stick, en de graafbak: hierdoor wordt het mogelijk om de graafbak onder water te positioneren, om in de grond te graven (slepen) en om het materiaal boven water te heffen; 1 rotatie rond een verticale as: deze vrijheidsgraad maakt de rotatiepositionering van de graafbak mogelijk, evenals het transport van het grondmateriaal naar het vrachtschip ernaast; 1 horizontale translatie (stap): wanneer het graven van grond binnen het bereik van het graafwerktuig klaar is, moet de ponton naar de volgende positie worden bewogen, dit wordt stappen genoemd en wordt bereikt door verplaatsing van één van de spudpalen van de ponton; 3 verticale translaties die lift en stabiliteit verschaffen en het nivelleren van de ponton (het bereiken van een horizontale positie) mogelijk maken.

Onder specifieke omstandigheden, kunnen er trimtanks worden gebruikt voor het verdelen van het gewicht om bijvoorbeeld horizontale nivellering van de ponton te bereiken. De specifieke rotaties rond een verticale as leiden plaatselijk tot een typisch rond graafpatroon rondom een centraal punt dat overeenkomt met de zwenking van de boom. Vanwege het stappende karakter van de ponton, zijn de globale patronen snijlijnen naast elkaar op dezelfde of wisselende diepte langs de centrale lijn of naast de centrale lijn.

Met de inrichting en werkwijze volgens de uitvinding wordt het mogelijk om grond onder water nauwkeurig af te graven volgens een vooraf vastgesteld diepteprofiel. Wanneer een waterbodem zoals een zeebodem of een navigatieroute in de beurt van een kade wordt uitgegraven, is het over het algemeen bijzonder gevaarlijk om de zeebodem of de navigatieroute voorbij een voorgeschreven uitgraafdiepte uit te graven omdat een dergelijke diepe uitgraving de fundering van de kade of in de zeebodem gevormde wanden kan vernietigen. Wanneer er te diep wordt uitgegraven, ontstaat de noodzaak een dergelijk te ver uitgegraven gedeelte te herladen, hetgeen echter extra mankracht en tijd kost. De inrichting en werkwijze volgens de uitvinding helpen bij het voorkomen van dit nadeel.

In een ander aspect van de uitvinding, wordt een inrichting verschaft waarin het graafwerktuig hijsbomen omvat, welke worden aangedreven door hydraulische cilinders, die deel uitmaken van een hydraulische circuit, en de tweede meetmiddelen hydraulische druksensoren omvatten die zijn ingericht om de druk te bepalen in het hydraulische circuit en/of de cilinders. Hydraulische druksensoren zijn op zich bekend maar niet in de context van het sturen van de beweging van bijvoorbeeld een baggerschip met hydraulische arm.

In weer een ander aspect van de uitvinding, wordt een inrichting verschaft waarin het graafwerktuig hijsbomen omvat, welke worden aangedreven door hydraulische cilinders, die deel uitmaken van een hydraulische circuit, en de eerste meetmiddelen verplaatsingssensoren omvatten die zijn ingericht om de relatieve verplaatsing van de hijsbomen te bepalen.

Hoewel in principe het verschaffen van eerste en tweede meetmiddelen voldoende is om de werkwijze volgens de uitvinding uit te voeren, geniet een inrichting die derde meetmiddelen omvat die zijn ingericht om de positie van de ponton te bepalen de voorkeur. Op deze wijze kan de beweging van het graaiwerktuig worden gerelateerd aan de toestand van de onderwaterbodem zoals door middel van een inspectie in kaart is gebracht, welke toestand tenminste het diepteprofiel van de bodem en/of de eigenschappen van het grondmateriaal in het relevante gebied omvat. In feite levert een voor de daadwerkelijke start van de baggerbewerking uitgevoerde inspectie een aanvangs-diepteprofiel. Na een doorgang van het baggerschip met hydraulische arm, en met kennis van de hoeveelheid gebaggerd grondmateriaal, kan de nieuwe locale diepte worden berekend. Door het bepalen van de positie van de ponton naast de positie van het graafwerktuig, wordt een herzien diepteprofiel verkregen.

In een aspect van de uitvinding wordt een inrichting verschaft waarin de derde meetmiddelen een "global positioning system" omvatten.

In weer een ander aspect van de uitvinding omvat de inrichting een input/output inrichting die is ingericht om de signalen van de eerste meetmiddelen naar de rekenmiddelen over te brengen.

In weer een ander aspect van de uitvinding omvat de inrichting een input/output inrichting die is ingericht om de signalen van de tweede en/of derde meetmiddelen naar _ de rekenmiddelen over te brengen.

In weer een ander aspect van de uitvinding omvat de inrichting beeldschermen die zijn ingericht om de positie van het graaiwerktuig en/of van de ponton weer te geven, evenals de door het graafwerktuig ervaren krachten.

In weer een ander aspect van de uitvinding omvat de inrichting een beeldscherm dat is ingericht om de diepte van de grond onder water weer te geven.

Bovenstaande en andere doelstellingen, kenmerken en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen blijken uit de hiernavolgende beschrijving en de bijgevoegde conclusies, in samenhang met de bijgaande tekeningen, waarin:

Figuur 1 een zijaanzicht is van de contourconstructie van een baggerschip met hydraulische arm;

Figuur 2 een bovenaanzicht is van het in figuur 1 getoonde baggerschip met hydraulische arm;

Figuur 3 een schematisch diagram is van de inrichting volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding; en

Figuur 4 op schematische wijze de vrijheidsgraden van een graafwerktuig volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding weergeeft.

Onder verwijzing naar figuur 1, wordt op schematische wijze een baggerschip met hydraulische arm 1 getoond. Het baggerschip met hydraulische arm 1 omvat een ponton 6 dat in watermassa 2 is gepositioneerd boven een te baggeren waterbodem 3. Ponton 6 is voorzien van een aantal spudpalen 4 die kunnen steunen op de waterbodem 3. De ponton 6 wordt dusdanig door een aantal wartels 7 op de spudpalen 4 gehouden dat de ponton 6 op en neer kan worden geschoven in de verticale richting 5 langs de spudpalen 4, maar in hoofdzaak weerhouden wordt om horizontaal over de watermassa 2 te bewegen. De ponton 6 gaat omhoog langs de spudpalen 4 naarmate het niveau onder invloed van de getijden stijgt, en gaat omlaag langs de spudpalen 4 naarmate het niveau onder invloed van de getijden daalt. De diepte hl van de waterbodem 3 (alsmede de afstand tussen de waterbodem 3 en de ponton 5) kan derhalve veranderen in overeenstemming met het eb- en vloedniveau. Het baggerschip met hydraulische arm 1 is verder uitgerust met een brug 8 die tenminste de aandrijfmiddelen omvat die zijn ingericht om de beweging van de ponton en een graafwerktuig met hydraulische arm 10 te sturen.

Graafwerktuig met hydraulische arm 10 omvat een boom 11 schamierbaar gedragen op het dek van ponton 6, een stick 12 zwenkbaar gedragen op de boom 11 rond scharnier 13, en een graafbak 14 draaibaar gedragen op de stick 12 rond scharnier 15. De hijsbomen (11, 12) en graafbak 14 van graafwerktuig 10 worden aangedreven door hydraulische cilinders (16, 17 en 18), die deel uitmaken van een hydraulische circuit (niet getoond). In de getoonde uitvoeringsvorm omvatten de vrijheidsgraden van baggerschip met hydraulische arm 10 die nodig zijn voor het uitvoeren van haar taak 3 rotaties van het graafwerktuig rond een horizontale as, die overeenkomen met de 3 zwenkpunten van de boom 11, de stick 12, en de graafbak 14, en worden aangedreven door hydraulische cilinders (16, 17 en 18). Hiermee wordt het mogelijk de graafbak 14 onder water te positioneren, zoals getoond door de positie in de gestippelde lijn in figuur 1, om in de grond van bodem 3 te graven door te slepen, en het grondmateriaal boven de watermassa 2 te heffen. Een andere vrijheidsgraad omvat de rotatie van de boom 11 om een draaischijf 19. Deze vrijheidsgraad maakt de rotatiepositionering van de graafbak 14 mogelijk, evenals het transport van het gebaggerde grondmateriaal 20 naar een vrachtschip 21, dat naast de ponton 6 ligt, zoals getoond in figuur 2. Een andere vrijheidsgraad omvat de horizontale translatie van de ponton 6 (een ‘stap’). Wanneer het graven van grondmateriaal 20 binnen het bereik 22 van het graafwerktuig 10 klaar is, moet de ponton 6 naar een volgende positie worden bewogen, naar dit proces wordt verwezen als 'stappen'. Dit wordt bereikt door het van de bodem 3 terugtrekken van tenminste één van de spudpalen 4 van de ponton 6, het bewegen (of slingeren) van de ponton 6 en het laten zakken van de spudpaal 4 in de bodem 3 om de ponton 6 weer in zijn nieuwe positie vast te zetten. Het is ook mogelijk om nog 3 andere vrijheidsgraden toe te voegen, te weten verticale translaties van de ponton 6 langs de spudpalen 4, die lift en stabiliteit verschaffen en het nivelleren van de ponton in een in hoofdzaak horizontale positie mogelijk maken.

Het baggerschip met hydraulische arm 1 omvat aandrijfmiddelen (7, 16, 17, 18, 19) die zijn ingericht om de beweging van de ponton 6 en van het graafwerktuig 10 te sturen.

De aandrijfmiddelen omvatten onder andere de wartels 7 voor de spudpalen 4 en aandrijfmiddelen (niet getoond) voor het positioneren van ponton 6, evenals draaischijf 19 en hydraulische cilinders (16, 17, 18) die onderdeel vormen van een hydraulisch circuit die de beweging van het graafwerktuig 10 stuurt. De aandrijfmiddelen (7, 16, 17, 18, 19) worden gestuurd door middel van rekenmiddelen zoals in het onderstaande in meer detail zal worden beschreven.

Onder verwijzing naar figuur 3, is het baggerschip met hydraulische arm 1 uitgerust met eerste meetmiddelen (30, 35) die zijn ingericht om de positie van het graafwerktuig 10, en in het bijzonder de positie van de graafbak 14 daarvan te bepalen, tweede meetmiddelen 31, die zijn ingericht om de door het graafwerktuig 10 ervaren krachten te bepalen, derde meetmiddelen 32 die zijn ingericht om de positie van de ponton 6 te bepalen, en rekenmiddelen 33 die zijn ingericht om, op basis van gegevens verkregen van de eerste en de tweede meetmiddelen (30, 31), stuursignalen voor de aandrijfmiddelen (7, 16, 17, 18, 19) te berekenen. Om de positiesignalen van het graafwerktuig van de eerste meetmiddelen naar de rekenmiddelen over te dragen.

De eerste meetmiddelen (30, 35) omvatten een aantal positie- en/of hoeksensoren (niet getoond), aangebracht op diverse posities op het graafwerktuig 10. Figuur 4 toont op schematische wijze een typische configuratie, waarin getoond wordt: de spil A van de boom 11 gedragen op het dek van de ponton 6, de spil B van de stick 12 gedragen op de boom 11, de spil C van de graafbak 14 gedragen op de stick 12 en de voorste rand D van de graafbak 14. Eveneens getoond worden de lengte Li van lijn A-B, de lengte L2 van lijn B-C, de lengte L3 van lijn C-D, de hoek α tussen een verticale lijn en de lijn A-B, de hoek β tussen de lijn A-B en de lijn B-C en de hoek γ tussen de lijn B-C en de lijn C-D. Verder definieert hi de huidige diepte van de bodem 3 en h2 de hoogte van spil A ten opzichte van het waterniveau. Ter illustratie, de uitgegraven diepte hi vanaf het watemiveau kan gemakkelijk worden uitgedrukt als een functie van de hoeken α, β en y, en de lengtes Lj, L2, L3 evenals hoogte h2. Aangezien de lengtes Li, L2, L3 en hoogte h2 bekend zijn, kan de uitgegraven diepte hi ten opzichte van het watemiveau worden vastgesteld wanneer men de relatieve hoeken α, β en γ detecteert door middel van geschikte hoekdetectoren. De door de hoeksensoren gegenereerde hoeksignalen 34 worden overgebracht door een geschikte input/output inrichting 35 naar verwerkingseenheid 30 voor eerste meetmiddelen, tenminste omvattende een geheugen voor het opslaan van de hoeksignaalgegevens. Indien gewenst kan de positie van het graafwerktuig 10 worden gevisualiseerd voor de operator van het baggerschip met hydraulische arm 1 op een beeldscherm 40.

De derde meetmiddelen (32, 36) die zijn ingericht om de positie van de ponton 6 te bepalen omvatten een "dynamic positioning/dynamic tracking"(DP/DT) systeem 32, een input/output inrichting 36 die is ingericht om de positie- er./of krachtsignalen van de tweede en/of derde meetmiddelen over te brengen naar de rekenmiddelen, en een aantal ponton positiesensoren (niet getoond). Het DP/DT systeem 32 stelt de operator van het baggerschip met hydraulische arm in staat om een kaart van het bodemdiepteprofiel online te bekijken door middel van een beeldscherminrichting 38. Een dergelijk profiel wordt verkregen door het invoeren van vooraf verkregen dieptemetingsgegevens in het DP/DT systeem 32. Het diepteprofiel van de bodem 3 wordt geüpdatet in real time ten gevolge van de baggerbewerking. Het DP/DT systeem 32 omvat ook een "global positioning system", waarmee de mondiale positie van de ponton 6 kan worden gevonden. Wanneer een baggerschip met hydraulische arm handmatig wordt bediend, vertrouwt men in het algemeen op de bovenvermelde verzameling meetapparatuur. Aangezien de operator onder het watemiveau werkt, is zichtbaarheid van de graafbak 14 nihil. De operator moet derhalve vertrouwen op een real-time visualisatie van de ponton 6 en in het bijzonder van het graafwerktuig 10. De eerste meetmiddelen (30, 35) zijn gebaseerd op sensoren voor het monitoren van de boom/stick/graafbak en draai-/zwenkhoeken en verschaffen een deel van de input. Deze informatie wordt gecombineerd met de systeemafmetingen om de graafbakpositie te reconstrueren. Wanneer deze informatie wordt gecombineerd met een "global positioning system" signaal afkomstig van het DP/DT systeem 32, wordt een real-time visualisatie van de positie van de graafbak 14 ten opzichte van de bodem 3 verkregen.

Volgens de uitvinding zijn de tweede meetmiddelen 31 ingericht om de door het graafwerktuig 10 ervaren krachten te bepalen, en omvatten ze een aantal druk- of krachtsensoren (niet getoond), typisch opgenomen in de hydraulische cilinders (16, 17, 18). De krachtsignalen 39 afkomstig van de sensoren worden overgebracht via de input/output inrichting 36 naar de rekenmiddelen (31, 33) voor verdere verwerking. Indien gewenst, kan een beeldscherm 41 worden verschaft dat is ingericht om de krachtsignalen 39 zoals ervaren door het graafwerktuig 10 weer te geven. Door de rekenmiddelen (33) gegenereerde stuursignalen (42, 43) kunnen ook op beeldscherm 41 worden weergegeven.

De rekenmiddelen (33) zijn ingericht om, op basis van de positiesignaalgegevens (34, 37), verkregen van de eerste en de derde meetmiddelen (30, 32), evenals op basis van de krachtsignaalgegevens (39), verkregen van de tweede meetmiddelen 31 stuursignalen (42, 43) te berekenen voor de aandrijfmiddelen (7, 16, 17, 18, 19).

De bij het baggeren van een bodem betrokken parameters 3 zijn talrijk. Typisch wordt er eerst een inspectie uitgevoerd van het diepteprofiel van de waterbodem 3 door het opnemen van dieptemetingsgegevens en het opslaan hiervan in het DP/DT systeem 32. Een gewenst baggerprofiel hangt af van vele eigenschappen zoals onderwater stabiliteit van de bodem 3 en de Theologische eigenschappen van het grondmateriaal. Andere factoren die belangrijk kunnen zijn omvatten constructie-aspecten van de baggerapparatuur (maximale laadniveaus en dergelijke), vaartuigstabiliteit, positiesturing, gedrag onder invloed van de getijden en waterstroming, enzovoorts. De inrichting volgens de uitvinding maakt het mogelijk om rekening te houden met een overgroot deel van deze parameters door een gesloten lus stuursysteem waarin positie en krachtgegevens worden gecombineerd om optimum actuator signalen te berekenen. De krachtgegevens zijn het gevolg van de werking van een aanzienlijk aantal relevante parameters met betrekking tot de bodem- en grondeigenschappen, hetgeen het in overweging nemen van deze krachtgegevens bijzonder bruikbaar maakt voor de onderhavige doelstelling. De uitvinding is niet beperkt tot de keuze van een bepaald optimum criterium en kan eigenlijk gebruik maken van welk criterium dan ook dat bruikbaar lijkt te zijn. Bij voorkeur, omvat het optimum criterium het gemiddelde vermogen van het toegepaste graafwerktuig per eenheidsvolume uitgegraven grondmateriaal, of de langst verwachte uitgraaftijd per eenheidsvolume uitgegraven grondmateriaal. Typische beperkingen omvatten dynamische beperkingen, zoals vermogens- en krachtrestricties.

De in de rekenmiddelen geladen algoritmes worden nu beschreven. Als de ponton zich eenmaal in hoofdzaak stabiel in zijn aanvangspositie bevindt, wordt het in de rekenmiddelen geladen uitgraafmodel uitgevoerd. Het uitgraafmodel omvat een op zich bekend continu pad geometrisch baanvolg algoritme. Een dergelijk algoritme is gebaseerd op te volgen banen, zoals aangegeven in trainingshandleidingen voor de beste praktijk en/of vermogenstabellen van de fabrikant voor een gegeven opstelling van het graafwerktuig (d.w.z. een boom-/stick-/graafbakcombinatie). De input voor het algoritme wordt verschaft door de resultaten van een bodeminspectie en een eerste meest aannemelijke schatting voor een te volgen baan voor het graafwerktuig, waaronder de diepte en het bereik van de graafbak. Met bereik wordt bedoeld de afstand vanaf het draaipunt van het graafwerktuig tot de positie waar de graafbak de grond raakt. De output van het algoritme voorziet het graafwerktuig van kinematica die de benodigde boom-/stick-/graafbak-geledingshoeken levert voor elk stadium van de uitgraving.

Een tweede algoritme gebruikt grondsnijtheorie voor het berekenen van krachten die de graafwerktuigcomponenten ervaren ten gevolge van de interactie tussen de graafbak en de grond (wanneer de graafbak daadwerkelijk door de grond beweegt), en sleeptheorie voor het berekenen van de krachten die worden uitgeoefend door waterstroming op onderdelen van het graafwerktuig die zich onder water bevinden. Dit mode! geeft de totaal verwachte krachten, waaraan het graafwerktuig wordt blootgesteld tijdens het graven. De output geeft het algemene model een uitgangspunt van waaruit verder kan worden gegaan.

Het uitgangspunt wordt bij voorkeur gekozen op basis van de meest geschikte combinatie van snijdiepte, snijsnelheid en bereik of schraaplengte. De schraaplengte wordt typisch gekozen op ongeveer 65% van het maximale bereik op een bepaalde diepte, met een algemeen geaccepteerd minimum van 6 m.

Wanneer de twee bovenstaande algoritmes in de rekenmiddelen zijn geladen en een uitgraving is opgestart, maken de metingen van krachten en kinematische parameters het mogelijk de operationele parameters, bij voorkeur de diepte van uitgraving, de snelheid van uitgraving, en het bereik van de graafbak, opnieuw te berekenen. Met de kennis van de bovenstaande output van de twee modellen, evenals van vermogencapaciteiten van de individuele hydraulische componenten van het graafwerktuig, kan de uitgraafbewerking worden geoptimaliseerd door de operator van het graafwerktuig door middel van het in elk stadium van de bewerking begrenzen van de krachten in het graafwerktuig door de aandrijfinstellingen terug te draaien, teneinde de maximaal toelaatbare belastingen niet te overschrijden. De instellingen voor de maximaal toelaatbare belasting voor de hydraulische componenten, zoals de hydraulische cilinders, zijn bekend van de fabrikant van deze componenten en worden voor een hydraulische cilinder bijvoorbeeld gegeven in termen van het product van maximale druk p en stroming Q. Gegeven de snelheid waarmee krachten variëren in het hydraulische systeem, zou een dergelijke nogal statisch systeem (gestuurd door een operator) altijd te laat proberen te interveniëren. Bovendien zal de combinatie van aandrijvers, hydraulische systeem en graafwerktuig systeem/werkelijke interactie resulteren in een systeem dat in hoge mate niet-lineair is.

Als zodanig wordt voorafgaand aan de bewerkingen bij voorkeur een aantal open lus experimenten uitgevoerd die aandrijfïnsteHingen correleren met karakteristieken van het hydraulische systeem (metingen van druk p en debiet Q) en afgelezen waarden van de geometrische meetinrichtingen (d.w.z. de inrichtingen voor standaardhoekmetingen die boom-/stick-/graafbak-geledingshoeken bepalen). Deze zullen dienen als input voor de verfijnde, instrument variabele identificatie hetgeen resulteert in een proportioneel integraal plus regelalgoritme voor elke geleding in het graafwerktuigsysteem. Als de parameters eenmaal bekend zijn, kan het niet-lineaire regelalgoritme (d.w.z. het proportionele integrale plus algoritme) de geledingshoeken sturen met behulp van de feedback van de hoekmetingsinrichtingen op de geleding zonder de noodzaak voor extra druk- of ontladingssensoren terwijl zo dicht mogelijk bij de toegestane hydraulische instellingen voor elke systeemcomponent wordt gebleven.

De uitvinding is niet beperkt tot welk optimaliseringsalgoritme dan ook en er kunnen er een groot aantal worden gebruikt. Dergelijke algoritmes zijn algemeen bekend bij de gemiddelde deskundige en minimaliseren in het algemeen een of andere functie f(x) die moet voldoen aan een voorwaarde zoals h(x) > 0. In de onderhavige uitvoeringsvorm kan de functie f(x) bijvoorbeeld het gemiddelde vermogen van het toegepaste graafwerktuig per eenheidsvolume uitgegraven grondmateriaal omvatten. De voorwaarde h(x) > 0 zou bijvoorbeeld de voorwaarde kunnen omvatten dat de diepte h(x) van de graafbak 14 groter moet zijn dan een zekere diepte hj. De voorwaarde wordt dan hi - h(x) > 0 (wanneer dieptes worden aangegeven met negatieve getallen). Een optimaliseringsschema wordt gestart door het kiezen van aanvangswaarden voor x, en het berekenen van zoekrichtingen Ax, met behulp van numerieke algoritmes zoals de algemeen bekende methode van Newton. Vervolgens wordt een stap naar een nieuw punt gemaakt en worden de berekeningen herhaald totdat het minimum gevonden is. In de context van de onderhavige uitvinding, levert de output van het optimaliseringsschema een volgende beweging van de graafbak 14 van het graafwerktuig 10 op, inclusief horizontale en verticale beweging, kantelhoeken, die de inzethoek definiëren en snelheid van beweging. Aldus wordt het mogelijk om de doorvoercapaciteit te optimaliseren en een gelijkmatigere kwaliteit te verkrijgen. Een bijkomend voordeel is dat door het verkrijgen van de krachtgegevens, er ook tijdens het baggeren gegevens worden verkregen over de grondeigenschappen. Met de werkwijze en inrichting volgens de uitvinding wordt derhalve ook het doorlopend updaten mogelijk van de grondeigenschappen, die eerder werden verkregen door de dieptemetingsgegevens.

De rekenmiddelen 33 sturen de beweging van het graafwerktuig 10, en in het bijzonder de graafbak 14 daarvan, evenals de beweging van de ponton 6, in hoofdzaak door het genereren van stuursignalen (42,43) voor respectievelijk het graafwerktuig 10 en ponton 6. In het bijzonder wordt, nadat de ponton 6 gepositioneerd is, een zone binnen bereik van de graafwerktuigbomen (11, 12) gebaggerd door de graafbak 14 automatisch naar een berekende diepte te laten zakken, door de graafbak 14 te positioneren en grondmateriaal 20 te schrapen om de graafbak 14 te vullen tot een gewenst niveau, en vervolgens de graafbak 14 op te heffen, en deze te zwaaien om de inhoud ervan in vrachtschip 21 te legen. Ondertussen wordt een nieuwe positie berekend door de optimaliseringsroutine en wordt de graafbak 14 terug gezwaaid naar deze optimale volgende positie. Nadat er een zone binnen het bereik van het graafwerktuig 10 is gebaggerd, wordt de ponton 6 naar een volgende positie 'gestapt', die ook is berekend door het optimaliseringsalgoritme, en wordt de cyclus herhaald.

De voorgaande openbaarmaking is uitsluitend uiteengezet ter illustratie van de uitvinding en is niet bedoeld om deze te beperken. Aangezien aanpassingen van de geopenbaarde uitvoeringsvormen waarin de geest en letter van de uitvinding zijn vervat zich zullen opdringen aan de vakman geschoold in de stand van de techniek, dient de uitvinding te worden opgevat om alles te omvatten dat binnen de omvang van de bijgevoegde conclusies en equivalenten daarvan valt.

Claims (17)

1. Inrichting voor het baggeren van grondmateriaal onder water, de inrichting omvattende: een ponton, voorzien van een graafwerktuig ingericht om grond onder water uit te graven; aandrijfmiddelen ingericht om de beweging van het ponton en/of het graafwerktuig te sturen; eerste meetmiddelen ingericht om de positie van het graafwerktuig te bepalen; waarbij de inrichting verder omvat: tweede meetmiddelen ingericht om de door het graafwerktuig ervaren krachten te bepalen; en rekenmiddelen ingericht om, op basis van gegevens verkregen van de eerste en de tweede meetmiddelen, stuursignalen voor de aandrijfmiddelen te berekenen.

2. Inrichting volgens conclusie 1, waarin de rekenmiddelen zijn ingericht om de stuursignalen voor de aandrijfmiddelen dusdanig te berekenen dat een optimum criterium wordt geminimaliseerd.

3. Inrichting volgens conclusie 2, waarin het optimum criterium het gemiddelde vermogen per eenheidsvolume uitgegraven grondmateriaal van het toegepaste graafwerktuig omvat.

4. Inrichting volgens conclusie 2, waarin het optimum criterium de langst verwachte uitgraaftijd per eenheidsvolume uitgegraven grondmateriaal omvat.

5. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarin het graafwerktuig hijsbomen omvat, welke worden aangedreven door hydraulische cilinders, die deel uitmaken van een hydraulisch circuit, en de tweede meetmiddelen hydraulische druksensoren omvatten die zijn ingericht om de druk te bepalen in het hydraulische circuit en/of cilinders.

6. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarin het graafwerktuig hijsbomen omvat, welke worden aangedreven door hydraulische cilinders, die deel uitmaken van een hydraulisch circuit, en de eerste meetmiddelen verplaatsingssensoren omvatten die zijn ingericht om de relatieve verplaatsing van de hijsbomen te bepalen.

7. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de inrichting derde meetmiddelen omvat die zijn ingericht om de positie van het ponton te bepalen.

8. Inrichting volgens conclusie 7, waarin de derde meetmiddelen een globaal positioneersysteem omvatten.

9. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de inrichting een input/output inrichting omvat die is ingericht om de signalen van de eerste meetmiddelen naar de rekenmiddelen over te brengen.

10. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de inrichting een input/output inrichting omvat die is ingericht om de signalen van de tweede en/of derde meetmiddelen naar de rekenmiddelen over te brengen.

11. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de inrichting beeldschermen omvat die zijn ingericht om de positie van het graafwerktuig en/of van het ponton weer te geven, evenals de door het graafwerktuig ervaren krachten.

12. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de inrichting een beeldscherm omvat dat is ingericht om de diepte van de grond onder water weer te geven.

13. Werkwijze voor het baggeren van grondmateriaal onder water, de werkwijze omvattende de stappen van: het verschaffen van een inrichting volgens een der conclusies 1-12; het positioneren van het ponton in een watermassa; het dusdanig door de aandrijfmiddelen sturen van de beweging van het graafwerktuig dat grond onder water wordt uitgegraven; het bepalen van de positie van het graafwerktuig en de door het graafwerktuig tijdens haar beweging ervaren krachten; het op basis van gegevens verkregen van de eerste en de tweede meetmiddelen berekenen van stuursignalen voor de aandrijfmiddelen; waarna het graafwerktuig volgens deze stuursignalen wordt bewogen.

14. Werkwijze volgens conclusie 13, waarin de stuursignalen voor de aandrijfmiddelen dusdanig worden berekend dat een optimum criterium wordt geminimaliseerd.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, waarin het optimum criterium het gemiddelde vermogen per eenheidsvolume uitgegraven grondmateriaal van het toegepaste graafwerktuig omvat.

16. Werkwijze volgens conclusie 14, waarin het optimum criterium de langst verwachte uitgraaftijd per eenheidsvolume uitgegraven grondmateriaal omvat.

17. Computerprogramma dat programma instructies omvat die na laden in een computer de werkwijze volgens één der conclusies 13-16 uitvoert.