CN103092071A - 基于自适应算法的非自航船舶智能移位系统和移位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自适应算法的非自航船舶智能移位系统及移位方法，所述系统包括控制单元和与控制单元相连的GPS模块、锚机及变频器，所述锚机的数量至少为2，分别设置于船舶的不同位置，锚机分别通过缆绳与独立的锚点连接；所述方法包括GPS定位、在施工图纸上加载大地坐标系、船舶移位等步骤，本发明使GPS模块的实时定位信息与施工图纸上的目标位置信息有机结合，确保了船舶位移符合施工要求，自适应算法可以及时对外界因素的干扰进行修正，实现了移船过程的自动化，使船舶及时在受风、浪等荷载作用和潮位涨落的影响下也能自动调整船舶的运动，应用该系统的船舶的移船过程自动完成，在节省人力资源成本的同时提升了移船的速度和精度。

Description

基于自适应算法的非自航船舶智能移位系统和移位方法

技术领域

本发明涉及海洋工程的船舶定位移位领域，更具体地，涉及一种基于自适应算法的非自航船舶智能移位系统及移位方法。

背景技术

诸如海上堤坝、人工岛、跨海桥梁、海底管道等海洋工程，都要求施工船舶定位误差小于0.5米，为了达到精确定位移船，施工船舶大都通过锚机收放缆绳实现移位，不需要船舶动力系统，所以目前的海上施工船舶也多为非自航船舶。不过现有的非自航船舶定位移船控制大多依赖简单的人工控制装置，控制过程需要多名操作人员，同时由于海上施工船舶受风浪等作用力影响相当显著，实际操作中需要经验丰富的操作人员根据不同工况综合协调控制各锚机缆绳的收放，最终实现船舶的定位移动，不过目前这种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难以保证。

发明内容

本发明的目的，即克服现有技术的不足，提供一种基于自适应算法的非自航船舶智能移位系统和基于该系统的船舶智能移位方法，使用该系统和方法可以实现移船过程的自动化，并大大提高移船作业的速度和精度。

为了达到上述第一方面之目的，采用如下技术方案：

在计算机上安装船舶智能移位系统，通过向变频器发送通讯指令，控制各锚机协同工作，实现移船过程的自动化。

为了达到上述第二方面之目的，采用技术方案：

船舶智能移位系统实时接收GPS定位信息，在不同风浪流作用下，分析移船过程的运动状态，调整船舶定位偏差，提高移船作业的速度和精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的船舶智能移位系统及方法通过在施工图纸上加载大地坐标系，使GPS模块的实时定位信息与施工图纸上的目标位置信息有机结合，确保船舶位移符合施工要求，控制单元通过对来自GPS模块的信息对锚机的转动不断进行调整，可以及时对外界因素的干扰进行修正，实现了移船过程的自动化，进一步保证了移船的精确性，使船舶及时在受风、浪等荷载作用和潮位涨落的影响下也能自动调整船舶的运动，应用该系统的船舶的移船过程自动完成，在节省人力资源成本的同时提升了移船的速度和精度。同时，本发明的船舶智能移位系统采用电动锚机为动力，在施工船舶领域拥有更广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述船舶智能移位系统的组成示意图。

图2是本发明所述船舶智能移位系统的锚机分布示意图。

图3是本发明所述移位方法中船舶移位过程示意图

图4是本发明所述移位方法中自适应算法结构图。

图5是本发明所述移位方法中自适应算法的寻优流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明：

参见图1-图2，一种基于自适应算法的非自航船舶智能移位系统，包括控制单元6和与控制单元相连的GPS模块，还包括固定于船舶上的锚机51-54及分别用于控制锚机51-54的变频器71-74，所述变频器71-74与控制单元6相连，所述锚机的数量至少为2，分别设置于船舶甲板的不同位置，每个锚机分别通过缆绳与独立的锚点1-4连接，控制单元6包括中心处理模块和与中心处理模块连接的施工图纸加载模块，其中：

中心处理模块用于根据GPS模块的定位信息生成船舶运动路径并指令变频器控制锚机51-54动作；

施工图纸加载模块用于读取施工图纸并在施工图纸中加载大地坐标系；

GPS模块用于获取定位信息并反馈给控制单元6；

锚机51-54用于通过收放缆绳改变船舶的位置，每台锚机的供电系统按照电源—变频器—锚机的形式连接。

在本实施例中，控制单元6为PC，锚机的数量为4，分别设置于船舶的四个角点附近，上述GPS模块包括两台形成差分式定位系统的GPS定位仪，为了保证系统的通用性，GPS模块和变频器71-74之间均通过RS485通讯线与计算机的COM口连接。

在移位作业开始前，将非自航船舶由拖轮牵引至施工地段，抛四口边锚并收紧锚缆，使边锚分别与锚点1-4通过缆绳连接。

参见图3，一种基于上述船舶智能移位系统的移位方法，包括以下步骤实现：

S1：GPS模块测量自身所在的位置并生成定位信息；

为了实现对船舶的精确定位，GPS模块包括两台移动式GPS定位仪81和82，其中一台起到坐标定位的作用，另一台起到控制船舶角度的作用，两台GPS定位仪配合形成差分式定位系统，GPS模块通过数据转接线接入控制单元。

S2：控制单元读取GPS模块的定位信号并计算船舶在大地坐标系中的当前坐标；

大地坐标系亦称为地理坐标系，是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系，地面点的位置用大地经度、大地纬度和大地高度表示，大地坐标系的确立包括选择一个椭球、对椭球进行定位和确定大地起算数据，一个形状、大小和定位、定向都已确定的地球椭球叫参考椭球，参考椭球一旦确定，则标志着大地坐标系已经建立。在本实施例中，所述设定大地参考系优选为目前作为我国规划、设计、施工标准的北京1954坐标系，控制单元在读取GPS模块的定位信息后，采用滤波算法将GPS定位信息转化为北京1954坐标系中的坐标。由于GPS模块在船上的位置固定不变，因此，控制单元根据获取的坐标位置信息以及GPS与船舶的相对位置，即可计算出船舶任意点的坐标，从而精确定位船舶的位置。

S3：控制单元读入施工图纸并在施工图纸中加载大地坐标系；

所述控制单元包括用于读取施工图纸并在施工图纸中加载大地坐标系的施工图纸加载单元，当施工图纸加载单元打开CAD图档后，根据CAD图档和大地坐标系之间的对应关系加载大地坐标系，使施工图纸位置和大地坐标系中的位置重合对应，则控制单元根据GPS的定位信息可以得到船舶的当前在坐标并在施工图上绘制出船舶的当前位置10。

由于施工图纸也是以北京1954坐标系绘制，因此GPS模块采集的坐标和施工图纸上标注的坐标为同一坐标系下的坐标，在加载施工图纸后，可直接通过智能定位系统软件中的CAD模块在施工图纸中实时绘制船舶当前位置，直观显示船舶移动路径及终点位置。

上述CAD读取模块可以根据施工图纸的绘制软件进行开发使两者兼容，由于目前大多数施工图纸采用AutoCAD绘制，故本实施例中的CAD读取模块相应地识别AutoCAD的图档，这些图档的后缀名通常为DWG或DXF。

S4：在施工图纸中输入船舶的目标坐标及停泊角度，则控制单元可以自动施工图上绘制出船舶的目标坐标（对应目标位置10’），通过上一步骤得到的船舶当前坐标及角度，直观反映出船舶当前位置与施工区域的相对关系。

S5：控制单元根据当前坐标和目标坐标确定船舶在设定坐标系中的运行轨迹AB，并指令变频器控制锚机运转；

基于上一步骤的结果，控制单元通过计算每个锚机收放缆绳的长度，并协调四台锚机的收放速度，使船舶在四台锚机的共同作用下沿预定轨迹运行。

S5：控制单元通过周期性或非周期性地读取GPS的定位信息得到船舶的当前坐标并与目标坐标进行比较，如当前坐标与目标坐标相同，则指令变频器控制锚机停止转动，如两者不同，则返回步骤S1。

参见图4，在本实施例中，控制单元每秒采集一次GPS定位信息，并根据定位信息对施工图上的船舶当前坐标进行实时更新，通过对实际运行轨迹与给定轨迹的比较，控制单元可以计算当前风、浪等外界干扰因素对船舶移位的影响，并由此反向分析抵消其作用所需的锚机频率、转速，通过遗传算法快速寻找最优参数，最后向变频器发送命令，控制锚机收放修正工程船舶的轨迹，以达到避免风、浪等因素对定位移船干扰、控制船舶按照给定轨迹运行的效果。

换个角度来说，在以上过程中，控制单元通过不断读取GPS坐标信息并实时对船舶的设定轨迹和实际运行轨迹进行比较，最后通过更改锚机的收放速度来对船舶的实际运行轨迹进行修正，该方法在设定轨迹和实际运行轨迹之间建立了闭环反馈系统，使得船舶的移位作业具有较高的精度。其控制过程的总体流程图见图6。

图4中的遗传算法是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型，它具有很强的宏观搜索能力和良好的全局优化性能。通过遗传算法对PID控制器的参数和比例因子进行优化和整定，就是针对每个采样时间实现PID控制参数的遗传算法优化。在采样时间内，选取足够多的个体，计算不同个体的自适应度，通过遗传算法的优化，选择自适应度大的个体所对应的PID控制参数作为该采样时间下的PID控制参数。这样通过遗传算法优化的PID控制算法可以得到比常规PID控制算法更优的结果。本发明中通过吸收了遗传算法的智能控制算法（即自适应算法）对船舶分别在风、浪、流作用下的受力状态进行分析，得出在风、浪、流综合作用中的船舶运动状态方程，推导出船舶移动的误差传递公式，结合遗传算法对船舶控制参数进行寻优求解，调整船舶控制参数消除风、浪、流对船舶的影响，使船舶定位移动误差保持在控制范围内。具体说来，如图4所示，PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为：

$u\left(t\right)=K_p(e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}})---\left(2.14\right)$

其中，K_p、T₁、T_d为比例因子。

PID控制器的比例因子对PID控制器的控制性能有很大影响，下面将通过遗传算法对它们进行优化，以提高系统的控制精度。

1、编码

需优化的参数个数为3，将每个参数用一定长度的二进制串进行编码，并形成1个组合代码串。设参数取值范围为（P_min-j，P_max-j），则参数串的表示值和实际参数值之间的关系为

$P_j=P_{\min -j}+\frac{(P_{\max -j}-P_{\min -j})R}{2^{i-2}-1}---\left(2.15\right)$

式中：i为参数个数，R为一个（i-1）位二进制串所表示的二进制整数。

2、适应度函数

适应度函数是遗传算法应用的关键，直接影响到遗传算法的收敛速度以及能否找到最优解。研究表明，下式这种目标函数用于控制系统的优化，效果很好。

$J\left(\mathrm{ITAE}\right)={\∫}_0^{\∞}t\left|e\left(t\right)\right|\mathrm{dt}---\left(2.16\right)$

适应度函数采用界限构造法进行改进：

3、种群大小

使用遗传算法前，需先确定种群的大小，一般选择较大数目的初始种群可同时处理更多的解，容易找到全局最优解，但其增加了每次迭代的时间，一般种群大小取编码长度的2-3倍为宜。

4、交叉和变异

交叉概率P_c和变异概率P_m的选择是影响遗传算法行为和性能的关键，通过自适应遗传算法，P_c和P_m能随适应度自动改变。

$P_c=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{c1}-\frac{(P_{c1}-P_{c2})(f^{\&prime;}-f_{\mathrm{avg}})}{f_{\max }-f_{\mathrm{avg}}}& f^{\&prime;}\&GreaterEqual;f_{\mathrm{avg}}\\ P_{c1}& f^{\&prime;}<f_{\mathrm{avg}}\end{array}\right.---\left(2.18\right)$

取值范围P_c1=0.9，P_c2=0.6

$P_m=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{m1}-\frac{(P_{m1}-P_{m2})(f_{\max }-f)}{f_{\max }-f_{\mathrm{avg}}}& f\&GreaterEqual;f_{\mathrm{avg}}\\ P_{m1}& f<f_{\mathrm{avg}}\end{array}\right.---\left(2.18\right)$

取值范围P_m1＝0.1，P_m2=0.001

其中f_max为群体最大适应度，f_avg为每代群体平均适应度，f‘为交叉的2个个体中较大的适应度，f为变异个体的适应度。

群体经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体，以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，计算结束。其中寻优流程见图5.

应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

Claims (7)

1.一种基于自适应算法的非自航船舶智能移位系统，其特征在于，包括控制单元和与控制单元相连的GPS模块，还包括固定于船舶上的锚机及用于控制锚机的变频器，所述变频器与控制单元相连，所述锚机的数量至少为2，分别设置于船舶甲板的不同位置，每个锚机分别通过缆绳与独立的锚点连接，控制单元包括中心处理模块和与中心处理模块连接的施工图纸加载模块，其中： 

中心处理模块用于根据GPS模块的定位信息生成船舶运动路径并指令变频器控制锚机动作； 

施工图纸加载模块用于读取施工图纸并在施工图纸中加载大地坐标系； 

GPS模块用于获取定位信息并反馈给控制单元； 

锚机用于通过收放缆绳改变船舶的位置。 

2.如权利要求1所述基于自适应算法的非自航船舶智能移位系统，其特征在于，所述锚机的数量为4。 

3.如权利要求1所述基于自适应算法的非自航船舶智能移位系统，其特征在于，所述GPS模块包括两台形成差分式定位系统的GPS定位仪。 

4.如权利要求1所述基于自适应算法的非自航船舶智能移位系统，其特征在于，所述大地坐标系为北京1954坐标系。 

5.如权利要求1所述基于自适应算法的非自航船舶智能移位系统，其特征在于，所述施工图纸为CAD图档。 

6.如权利要求5所述基于自适应算法的非自航船舶智能移位系统，其特征在于，所述CAD图档为.dwg或.dxf格式。 

7.一种如权利要求1-6任一项所述的基于自适应算法的非自航船舶智能移位系统的移位方法，其特征在于，包括以下步骤实现： 

S1：GPS模块测量自身位置并生成定位信息； 

S2：控制单元读取GPS模块的定位信息并计算船舶在大地坐标系中的当前坐标； 

S3：控制单元读入施工图纸并在施工图纸中加载大地坐标系； 

S4：在上一步骤的施工图纸中输入船舶的目标坐标； 

S5：控制单元根据当前坐标和目标坐标确定船舶在大地坐标系中的运行轨迹，并指令变频器控制锚机运转； 

S6：控制单元基于GPS的定位信息得到船舶的当前坐标并将其与目标坐标进行比较，如当前坐标与目标坐标相同，则指令变频器控制锚机停止转动，如两者不同，则返回步骤S1。 

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