CN106029990A - 操纵船舶的方法 - Google Patents

Abstract

一种船舶例如挖掘船(10)、堆叠器、驳船或湿式选矿厂的操纵方法，该船舶上提供有至少四个绞盘(20、22、24、26和28)，绞盘绳索(40、42、44、46和48)从该至少四个绞盘延伸至位于远离该船舶的锚定点，该绞盘(20，22，24，26和28)可操作以操纵船舶，其中，在限定的扭矩下，至少一个绞盘被保持，而三个绞盘用于控制船舶的运动。本发明还揭露了用于实施描述的操纵方法的操纵控制系统。

Description

操纵船舶的方法

技术领域

本发明涉及操纵船舶(Vessel)的方法。

在另一种形式中，本发明涉及一种采矿方法。更具体地，本发明的采矿方法包含挖掘，特别挖掘船的操纵。

在进一步的形式中，本发明涉及一种堆叠方法。更具体地说，本发明的堆叠方法适用于尾矿(tailings)的堆叠，这些尾矿的堆叠可以在采矿和矿物处理操作中产生。

在再进一步的形式中，本发明涉及一种实施前文所述和下文叙述的任何方法的操纵控制系统。

背景技术

采矿采用的传统挖掘方法通常利用一个定位桩(spud)(为挖掘船内包含的垂直杆形组件)来将挖掘船固定在床上，以及副绞盘(sideline winches)将挖掘船顺时针和逆时针旋转，同时它切入矿体。

在每个回转的最后，切割头通过延伸定位桩拖架(spud carriage)(定位桩拖架的最大延伸值为7-10m)来推进。一旦拖架全部伸出，辅助定位桩下降，主定位桩升高，使挖掘船向前“行走”。一旦在新的位置，定位桩拖架缩回，辅助定位桩升高，主定位桩下降，使得采矿得以继续。

这种类型的挖掘存在许多缺点。由于定位桩为切割器提供了主要反作用力，因此不可能在定位桩行走过程中继续开采未开采区域，导致每个“行走”有典型的5至15分钟的生产损失。因此，锚定定位桩设置的连续开采面积约为15×50米。

挖掘船切割架的长度限制每个定位桩中心线的采矿宽度，如图1所示。因此，对于通常大于定位桩挖掘摆弧(一般为50至60米)的采矿宽度，有必要有多个定位桩中心线，由于每个中心线变化的所需定位桩“蟹”运动(“crab”motion)，这也导致典型的15至60分钟的生产损失。

随着定位桩行走，采矿弧(mining-arcs)是非同心的，这是由于弧的中心和弧的半径在变化。这意味着除非回转速度被控制以补偿这种效应，否则整个面的有效切削速率会不一致。

定位桩挖掘船上的头部总是相对于矿面固定。头部不能更改以提高效率。

随着操作的深度，定位桩的长度和尺寸要求增加，其中定位桩挖掘应用通常限于22米的最大挖掘深度。

还需要一种复杂的锚定位置规划，以确保切割器足够的回转力，切割器往往需要更多的锚移动(anchor moves)。

本发明的一个目是基本上克服现有技术中的上述问题，或至少提供一种有用的替代方案。

申请人已经理解，并确定，为船舶例如采矿中使用的挖掘船或者堆叠机的操纵提供一种新的方法将是有利的。这些优点可以理解为包括，但不限于：使挖掘船在一条直线上运动，而不是现有技术典型的弧形运动；能控制航向，特别是来提高效率；最小化或减少由于定位桩行走和定位桩“蟹”运动导致的非生产性的停机时间；使用无定位桩挖掘船设计，相比于15×50米的典型定位桩挖掘采矿区域，为了每组锚定位置，采矿区域可以提高到至少约45×200米；对于定位桩挖掘开采200米宽的矿池，这转化为每中心线三个定位桩行走和跨过池的3个蟹运动，导致每个45×200米矿区大于一个小时的生产时间损失。

进一步的优点包括改善和流线化切割轨迹，以提高挖掘性能，特别是邻近的池塘角边(pond corner edges)，开发确保切入矿体的一致的穿透力的切割轨迹和切割顺序，提供最大化切削效率的头部，和开发可用于浅层和深层两种操作的挖掘操纵控制方法。对于超过22米的深度，使用定位桩挖掘机通常是很困难的，除非采取措施来减少池塘水位。

更进一步的优点包括：通过采用先进的控制技术，来尽量增加挖掘回转和切割速度，同时尽量减少因超载导致的切割行程，实现最大限度地增加整体生产速率，提高自动化水平，从而降低操作员的投入，并制定锚定迁移策略(anchor relocationstrategy)，该锚定迁移策略通过尽量降低锚定移动频率要求，而不减少有效的可用操纵力来优化整体生产量。

背景技术前面的讨论是为了便于本发明的理解。该讨论并非确认或承认任何提及的材料是或者曾经是作为本申请优先权日的部分公知常识。

在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则，词“包括”或变体诸如“包括”或“包含”，将被理解为暗示包括规定的整数或整数组，但不排除任何其它整数或整数组。

在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则，对“挖掘”或变体的引用，将被理解为包括对“船舶”的引用，反之亦然。同样地，除非上下文另有要求，否则，对挖掘船或船舶的引用，或它们的变形，都应当理解为包括对湿式选矿厂的引用，“堆叠器”、“堆叠器模块”、或可用于船舶停泊或对接中的模块。例如，挖掘船的引用被理解为包括深海挖掘船和渠道挖掘船的参考。另外，对船舶的引用被理解为包括对例如海上驳船的引用。

在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则，对“线”、“绳索”或“线缆”的引用或它们的变形，应当理解为包括对彼此术语的引用，每个应独立解释。另外，术语“绞盘”或其变体，除非上下文另有要求，否则，应理解为包括对任何其他机制的引用，通过该机制，这个船舶朝远离那个船舶的点移动。

在整个说明书和权利要求书，除非上下文另有需要，否则，对“定义的扭矩”的引用，或它们的变形，将被理解为对“扭矩控制模式”控制下的绞盘，或具有当放置在“速度控制模式”下具有扭矩极限的绞盘的引用。

在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有需要，否则，对“允许运动区域”的引用，或其任何变体，由于可能在特定情况下适用，应理解为包括对“允许切割区域”的引用，或者反之亦然。

发明内容

本发明提供了一种操纵船舶的方法，该船舶上提供有至少四个绞盘，绞盘绳索从该至少四个绞盘延伸至位于远离该船舶的锚定点，该绞盘可操作以操纵该船舶，其中，至少一个绞盘在限定的扭矩下被保持，而三个绞盘用于控制该船舶的运动。

优选地，在限定的扭矩下的该或每个绞盘保持在或接近该最低扭矩值，该最低扭矩值达到低势能，同时将该绞盘绳索保持在响应状态。

更优选地，该船舶通过操纵控制器操纵，该操纵控制器发送扭矩和速度参数到该绞盘。

再优选地，该船舶根据该船舶的优选轨迹来操纵。

一冗余绞盘标识符(Redundant Winch Identifier，RWI)组件优选地提供来确定不应该利用哪个绞盘或哪些绞盘来实现该船舶的期望的操纵。该冗余绞盘标识符通过分析哪个或哪些绞盘最不能够做有用工作来实现该期望的输出或结果，来实现这一目的。

绞盘冗余与否的该选择优选地是优选轨迹、船舶几何形状和期望速度各个参数的函数。

优选地，该冗余绞盘标识符采用主动方式对该或每个冗余绞盘做出选择。

更优选地，在该冗余绞盘标识符无法采取主动方式对该或每个冗余绞盘做出选择的情况下，采取被动方式来对该或每个冗余绞盘做出选择。

优选地，该冗余绞盘标识符组件的主动方式，包括：

(a)加速度计算器，该加速度计算器根据该船舶的期望速度计算该船舶的加速度；

(b)船舶—绞盘速度转换器，该船舶—绞盘速度转换器根据该船舶的几何形状和期望速度计算该绞盘的期望速度；

(c)标量投影计算器(scalar projection calculator)，该标量投影计算器提供了设置在该船舶上并且与每个绳索和绞盘相关的滑轮的该期望加速度与它们各自的绞盘绳索的该期望加速度的定量比较；以及

(d)定制的最小值选择器，该定制的最小值选择器在加速度计算器和标量投影计算器的输出的基础上识别该冗余绞盘。

优选地，该冗余绞盘标识符组件的被动方式包括：

(a)将绞盘扭矩反馈转换为线张力的计算器；

(b)用作识别最适合作为冗余绞盘选择的该或每个绞盘的定制的最小选择器；以及

(c)检查器，用于确定选择作为冗余绞盘的该或每个绞盘是按预期执行的。

再优选地，识别为冗余的该或每个绞盘的该预期性能是该绞盘的速度为或接近其期望速度。如果被识别为冗余的绞盘被确定为不按预期执行的，那么一段时间内不考虑它作为冗余绞盘。

优选地，该操纵控制器考虑限制该船舶的最大速度的因素。

限制该船舶的最大速度的该因素优选地包括输入/输出保护因子。该输入/输出保护因子优选地用作限制该船舶的该速度，以防止输入或输出设备提供不希望的结果。

在一种形式中，该输入或输出设备以切割头的形式提供。优选地，该输入/输出保护因子包括切割器跳闸保护装置(cutter trip protection)。

在另一种形式中，该输入或输出装置以堆叠吊杆的形式提供。

限制该船舶的该最大速度的另一个因素是工序保护因子。该工序保护因子优选地用作限制该船舶的该速度，以避免下游/上游工序中断或其它负面影响。

在本发明的一种形式中，该工艺保护因子以“挖掘至湿式选矿厂工艺线路沼泽保护(‘Dredge to WCP Process Line Bog Protection)”因子的形式提供。

操作者可以优选地修改该船舶的轨迹或经由图形用户界面(graphical user interface，GUI)向该操纵控制器发送指令来启动新的轨迹。

优选地，该图形用户界面包括描绘该船舶的俯视平面图的X-Y坐标曲线图。相对于当前的优选轨迹，该X-Y坐标曲线图优选地允许操作者将船舶实时具体化。更优选地，关于该船舶的该位置，该X-Y坐标曲线图进一步允许操作者将历史信息具体化。

更优选地，所述X-Y坐标曲线图上描绘的所述实时和历史信息以一个信息容易地与另一信息区别开的方式提供。在本发明的一种形式中，描绘在该X-Y坐标曲线图上的该实时和历史信息以不同的颜色来提供。

该X-Y坐标曲线图优选地被增强，以便在每个X、Y和Z坐标中提供该船舶的实时和历史信息的三维可视化图。

优选地，该操作员的该指令通过该操纵控制器解释，并且输出至该绞盘的该控制器相应地被调整，以实现该操作者的意图。

该锚定点的位置优选地通过识别允许移动区域来实现，在该区域内，由于所述锚定位置可以通过所述绞盘为所述运动提供足够的力，因而运动是可能的。

优选地，允许运动区域的该识别是通过使用锚定运动力计算器实现，通过该锚定运动力计算器，绞盘力可用于计算特定的锚定位置和轨迹。

在本发明的一种形式中，该船舶以无定位桩挖掘船的形式提供。

在本发明的另一种形式中，该船舶以无定位桩湿式选矿厂的形式提供。

在本发明的再一种形式中，该船舶以无定位桩堆叠器模块的形式提供。优选地，该堆叠器模块为尾矿堆叠器模块。

本发明还提供了一种采矿方法，该方法包括挖掘船的该操纵方法，该挖掘船上提供有至少四个绞盘，绞盘绳索从该至少四个绞盘延伸至位于远离该挖掘船的锚定点，该绞盘可操作以操纵该挖掘船，其中，至少一个绞盘在限定的扭矩下被保持，同时三个绞盘利用于控制该挖掘船的运动。

优选地，在限定的扭矩下，所述或每个绞盘保持在或接近该最低扭矩值，该最低扭矩值达到低势能，同时将该绞盘绳索保持在响应状态。

优选地，该挖掘船通过操纵控制器，该操纵控制器发送扭矩和速度参数到该绞盘。

再优选地，该挖掘船根据该挖掘船的优选轨迹来操纵。

一冗余绞盘标识符组件优选地提供来确定哪个绞盘或哪些绞盘不应该利用来实现该挖掘船的期望操纵。该冗余绞盘标识符优选地通过分析哪个或哪些绞盘最不能够做有用工作来实现该期望的输出或结果，来实现此目的。

绞盘冗余与否的该选择优选地是优选轨迹、船舶几何形状和期望速度各个参数的函数。

优选地，该冗余绞盘标识符采用主动方式对该或每个冗余绞盘做出选择。

更优选地，如果该冗余绞盘标识符无法采取主动方式对该或每个冗余绞盘做出选择的情况下，采取被动方式对该或每个冗余绞盘做出选择。

优选地，该冗余绞盘标识符组件的主动方式，包括：

(a)加速度计算器，该加速度计算器根据该挖掘船的期望速度计算该挖掘船的加速度；

(b)挖掘船—绞盘速度转换器，该挖掘船—绞盘速度转换器根据该挖掘船的几何形状和期望速度计算该绞盘的期望速度；

(c)标量投影计算器，该标量投影计算器提供了设置在挖掘船上并且与每个绳索和绞盘相关的滑轮的该期望加速度，与它们各自的绞盘绳索的该期望加速度的定量比较；以及

(d)定制的最小选择器，该定制的最小选择器在加速度计算器和标量投影计算器的输出的基础上识别该冗余绞盘。

优选地，该冗余绞盘标识符组件的被动方式包括：

(a)将绞盘扭矩反馈转换为线张力的计算器；

(b)用作识别最适合作为冗余绞盘选择的该或每个绞盘的定制的最小选择器；以及

(c)检查器，用于确定选择作为冗余绞盘的该或每个绞盘是按预期执行的。

更优选地，该或每个冗余绞盘的该期望性能是，该绞盘速度为或接近其期望速度。如果冗余绞盘被确定为不按预期执行的，那么一段时间内不考虑它作为冗余绞盘。

优选地，该操纵控制器考虑限制该挖掘船的最大速度的因素。

限制该挖掘船的最大速度的该因素优选地包括输入/输出保护因子。该输入/输出保护因子优选地用作限制该挖掘船的该速度，以防止输入或输出设备提供不希望的结果。

在本发明的一种形式中，该输入或输出设备以切割头的形式提供。优选地，该输入/输出保护因子包括切割器跳闸保护装置。

限制该挖掘船的最大速度的另一个因素是工序保护因子。该工序保护因子优选地用作限制该挖掘船的速度，以避免下游/上游工序中断或其它负面影响。

在本发明的一种形式中，该工艺保护因子以“挖掘至湿式选矿厂工艺线路沼泽保护”因子的形式提供。

操作者优选地可以修改该挖掘船的轨迹或经由图形用户界面向该操纵控制器发送指令来启动新的轨迹。

优选地，该图形用户界面包括描绘该船舶的俯视平面图的X-Y坐标曲线图。相对于当前优选轨迹，该X-Y坐标曲线图优选地允许操作者将挖掘船实时具体化。更优选地，关于该挖掘船的该位置，该X-Y坐标曲线图进一步允许操作者将历史信息具体化。

更优选地，描绘在该X-Y坐标曲线图上的该实时和历史信息以以下方式提供，每种信息容易从另一信息当中区别开来。在本发明的一种方式中，描绘在该X-Y坐标曲线图上的实时和历史信息以不同的颜色来提供。

该X-Y坐标曲线图优选地被增强，以便在每个X、Y和Z坐标中提供该挖掘船的实时和历史信息的三维可视化图。

优选地，该操作员的该指令通过该操纵控制器解释，并且输出至该绞盘的该控制器被相应调整，以实现该操作者的意图。

该锚定点的位置优选地通过识别允许切割区域来实现，在该区域内，由于所述锚定位置可以通过所述绞盘为运动提供足够的力，因而运动是可能的。

优选地，允许切割区域的该识别是通过使用锚定运动力计算器实现，通过该锚定力运动计算器，绞盘力可用于计算特定的锚定位置、估计的切割力和轨迹。

本发明还提供了一种堆叠方法，该堆叠方法包含堆叠模块的该操纵方法，该堆叠模块上提供有至少四个绞盘，绞盘绳索从该至少四个绞盘延伸至位于远离该堆叠模块的锚定点，该绞盘可操作以操纵该堆叠模块，其中，至少一个绞盘在限定的扭矩下被保持，而三个绞盘用于控制该挖掘船的运动。

本发明再提供了一种操纵模块的方法，该模块上提供有至少四个绞盘，绞盘绳索从该至少四个绞盘延伸至位于远离该模块的锚定点，该绞盘可操作以操纵该模块，其中，每个绞盘和绳索是动态维护的，至少一个绞盘在限定的扭矩下被保持，而三个绞盘用于控制该船舶的运动。

该模块为船舶、挖掘船、驳船、湿式选矿厂、或堆叠模块之一。

本发明还提供了用于实施上述任何一个或多个方法的操纵控制系统。

附图说明

本发明现在将仅通过示例的方式并参考若干实施例和附图进行描述，其中：

图1是现有技术传统定位桩挖掘的示意俯视平面图；

图2是本发明操纵船舶的方法和采矿方法中可能用到的挖掘船的俯视平面图；

图3是本发明采矿方法的示意俯视平面图；

图4是根据本发明操纵船舶方法和采矿方法的整体挖掘船几何形状动态模型的示意俯视平面图；

图5是图3动态模型的示意端视图，代表该模型如何允许对非对称的矿面或沙丘；

图6是图3挖掘船几何形状与绞盘力的示意俯视平面图，展示了所需的力、方向和角度的指引规则；

图7是本发明被操纵的船舶的示意俯视平面图，展示了在冗余绞盘识别中发挥作用的三种感兴趣的运动和力的平衡；

图8是本发明方法中使用的控制模型的开发中使用的锚定定位的两个例子的示意图；

图9是本发明一个实施例方法中示例性允许切割区域(PCR)和锚的前进路线的示意图；

图10本发明方法中使用的控制模型的开发中使用的单个绞盘的绞盘几何形状的示意图；

图11是绞盘力和加速度计算的示意图，据此绞盘2的力可以通过一组方程推导出来，以用于本发明方法中使用的控制模型的开发；

图12是本发明采矿方法中允许切割/运动区域(PCR/PMR)长度和相对锚位置的示意俯视平面图；以及

图13是本发明方法中的各个部件的示意图。

具体实施方式

本发明提供了操纵船舶例如挖掘机的方法、采矿整合挖掘方法，特别是挖掘机的操纵、特别应用于尾矿堆叠的堆叠方法，以及实施任何这些方法的操纵控制系统。本发明方法有利地将控制点(以下将描述)沿着优选的轨迹在船舶上移动，参考每个X和Y坐标、船舶头部和可供选择的Z坐标。

被操纵的容器，例如无定位桩挖掘船10，展示在图2中。挖掘船10设计来使用绞盘绳索来操控，从而旨在避免现有技术挖掘船使用定位桩存在的问题。挖掘船10包括平台12，其上设置有切割器14、切割架16、控制室18以及一系列绞盘。该系列绞盘包括右舷船头绞盘20、右舷船尾绞盘22、尾绞盘24、端口船尾绞盘(port aft winch)26和端口船头绞盘(port bow winch)28。

该挖掘船10还包括一个右舷船头滑轮30、右舷船尾滑轮32、尾滑轮34、端口船尾滑轮36和端口船头滑轮38。绞盘20至26中的每个设有绞盘线或绳40至48，该绞盘线或绳40至48分别延伸至各自的锚，该各自的锚在远离挖掘船10的位置。

通过一系列绞盘具体的和可选的操作(后文将描述)，在操纵挖掘船10的操纵中，挖掘或采矿方法，如图3，是可以实现的。在图3中，挖掘船10的轨迹被示为横穿池塘或通道50并延伸，分别在左、右采掘面52和54之间，限定了通道50，挖掘船10在通道50内工作。挖掘船10的轨迹与有效定义的矿面56重合。

挖掘船10的优选的操作模式或轨迹被理解为是一条直线，而无需挖掘船击中采掘面52和54。然而，优选的轨迹可以变化为接近采掘面52和54。是否是这种情况通过采掘面52和54的几何形状/地理位置多方面决定，其中，较高的采掘面/壁是更成问题的，当它接近采掘面52和54时，需要挖掘船10采取最终的弧形或横摆的(slewed)轨迹58，如图3所示。

本申请人理解，挖掘船10的轨迹在一定程度上取决于切割器14的属性，因为可能使用的每种形式的切割器具有其独特的几何形状。例如，玫瑰头切割器的几何形状与斗轮切割器的几何形状不同，并且将具有不同的偏移角度。采用特定几何形状的切割器可能需要不同的头部控制，以确保最大的切割效率。

操作员可以修改船舶的轨迹或通过经由图形用户界面(GUI)发送指令到操纵控制器来启动一个新的轨迹。该GUI包括X-Y坐标曲线图，描绘了船舶的俯视图，允许操作者将实时的船舶相对于当前优选轨迹具体化。此外，X-Y坐标曲线图进一步允许操作员将关于船舶位置的历史信息具体化。

值得注意的是，描绘在X-Y坐标曲线图上的实时和历史信息以以下方式提供，每种信息容易从另一信息当中区别开来。例如，描绘在X-Y坐标曲线图中的实时和历史信息，可以以不同的颜色来提供。

X-Y坐标曲线图可以优选地增强，以便在每个X、Y和Z坐标中提供船舶的实时和历史信息的三维可视化图。

操作员的操作指令通过操纵控制器解释，并且输出至绞盘的控制器被相应调整，以实现操作者的意图。

本发明方法相对于现有技术方法具有许多优点，这些优点将在下面进行详细讨论。但是应该理解的是，以下的实施例对挖掘船的引用是不限制的，并且所讨论的原理通常也同样适用于本发明方法，本实施可用于其他船舶，包括堆叠机和驳船。

控制模型开发

本发明方法的早期开发中，挖掘船或船舶几何形状的理论分析，以及用作实际的挖掘船或船舶代表的控制模型的开发，由本申请人进行。该模型的开发和应用促进了本发明方法的创新设计。

控制模型的目的是：

(a)了解挖掘操纵系统的机械动力学。

(b)开发、研究和优化挖掘操纵控制策略。

(c)相对于锚位置的不确定性，检查控制策略的稳定性。

(d)提供绞盘力对锚位置的影响的考察手段。

(e)提供锚运动的优化工具。

(f)便于自动化软件的全部功能测试。

控制模型由两部分组成，为：

(a)挖掘动态模型；和

(b)挖掘操纵力计算器。

模型的开发和实施选择的语言是一个行业标准仿真语言，Matlab^TM/Simulink^TM。该模型采用框图语言Simulink^TM的框图形式来描述。每个框图的模型参数指定为Matlab^TM变量，其值被存放在Matlab^TM宏文件中。不同的轨迹和锚位置可以通过模型用户界面输入到系统中。

该模型使用Mathworks^TM OPC Toolbox^TM连接到可编程逻辑控制器(PLC)软件，以便于软件的全部功能测试。

Matlab^TM、Simulink^TM和Mathworks^TM OPC Toolbox^TM是业界标准的软件产品，其得到广泛应用，并在mathworks.com.au中充分描述，而且还有其他网站和供应商。

挖掘动态模型

该模型的这部分模拟挖掘船操纵，并建立在整体挖掘几何图基础上，如图4所示，其中，参照图2中的挖掘船10，相同的数字表示相同的部件。图4描述并定义了分量坐标(component coordinates)，包括切割器(X_c，Y_c)，绳索轮2(X₂，Y₂)至6(X₆，Y₆)，锚2(A_x2，A_y2)至5((A_x5，A_y5)，绳长度L₂至L₅，绳角度^φ2至^φ6，以及航向角^φC，它们使用在模型方程中。图4的公开内容将在下文的实施例中更详细地讨论。

简单地说，模型的开发是基于以下的步骤。

使用三角法(trigonometry)推导绳长方程。利用这些方程的第一和第二阶微分确定绳速度和绳加速度。

由于绳长加速度与绞盘力(F＝m*A)直接相关，绞盘力可以与挖掘加速度相关。

使用该挖掘船和锚定点之间的几何关系，和力与加速度的牛顿法相关法，合力可以用来计算挖掘船的线加速度。同样，基于挖掘船10作为集中于其重心的点质量，以及原点(切割头14)为旋转点或控制点，挖掘船的角加速度可以利用力矩代替力来计算。围绕挖掘船原点的合力矩通过每个绞盘20、22、24、26和28提供的力矩得到。申请人理解，其它形式的船舶要求识别或提名合适的控制点以用于这些计算目的。

开发模型中需要处理的其他力包括：

(a)尾绳张力；

(b)切割力；

(c)水阻力(Water drag)；和

(d)绳重力。

挖掘动态模型连接到PLC控制器，以证明了控制策略的完整性，以方便测试，包括用于监测模拟操作的一个或多个人机界面(Human Machine Interface，HMI)显示器的使用。

挖掘动态模型的输入是绞盘速度和PLC控制器输出的扭矩引用(torquereferences)。该模型内有代表每个操纵绞盘绞盘驱动装置的单个PI控制器。这些迭代计算实际扭矩和驱动器的速度，并发送反馈给PLC控制器。此外，每个绞盘驱动扭矩用于确定线张力和线角度，求和挖掘船上的力得到净加速度(net acceleration)。然后将净加速度2次积分来确定挖掘位置，该挖掘位置被反馈给控制器，以作为GPS位置输入的代表。

挖掘操纵力计算器

开发模型的力计算部分是为了研究不同锚位置的影响。通过指定锚位置，估计的切割力和轨迹，力计算器计算所需的绞盘力。这有利于最优轨迹、锚方向和位置的研究。

优化锚运动通过识别允许切割区域(PCR，permissible cutting regions)和每组锚位置来实现。允许切割区域(PCR)定义为开采是切实可行的物理区域，定义为该当前组锚位置允许通过绞盘产生用于切割的足够的力。如果足够的力不能同特定组锚位置产生，则采矿将不会被认为是实际可行的。

锚运动力计算器延伸为确定每组锚位置的允许切割区域，允许优化这些位置，并允许确定锚步骤提高要求。

图形用户界面使用Matlab^TM来配置和运行挖掘模型和仿真。这种配置接口在HMI中实现并允许输入以下用户输入项：

(a)锚位置；

(b)初始挖掘位置；

(c)期望轨迹参数；

(d)矿业池塘规范(Mining pond specification)；以及

(e)采矿工作面的切割器上的仿真力。

一旦输入项已经被输入，则运行仿真。在仿真过程中，可以看到以下输出：

(a)轨迹的形状；

(b)挖掘位置；

(c)绞盘线的角度和长度；

(d)需要的绞盘线张力；

(e)最大和最小可用绞盘线张力；

(f)采矿工作面的挖掘船上的力的幅度和方向以及水阻力；

(g)运行时间；和

(h)捕捉和显示由超过最大绞盘扭矩、超过最大绞盘线长，与池塘采掘面的碰撞，和不兼容的绞盘线角引起的故障。

上述输出用于管理和优化锚定位置、采矿轨迹的形状和基本挖掘操作。

绞盘操纵船舶的冗余绞盘识别

在操纵船舶例如挖掘船10中，有三个感兴趣的运动，即，X轴运动、y轴运动和旋转，如图7。

兴趣运动：

期望的x位置(即北向)和x速度

期望的y位置(即东向)和y速度

期望的方向(即方位)和旋转速度

可控制：

绞盘扭矩和

n绞盘速度

约束：

最大绞绞盘扭矩和速度，

绞盘只能通过拉动来有助于运动控制(推动会产生松驰的绳或线，因此不会对运动有任何影响)。

运动控制通过力(通过绞盘扭矩产生)的平衡来实现。为了改变船舶的速度，有必要控制船舶上力的净差来创建必要的加速度，以实现期望的速度变化。

因为有3个关键的控制运动，这些运动可以通过使用由3个绞盘，也被称为“主要(leading)”绞盘产生的力来控制。当有超过3个绞盘可用于控制船舶时，控制系统必须‘选择’该3个绞盘来控制运动。其余绞盘实际上不需要。鉴于这个原因，任何这样的绞盘可称为“冗余绞盘”。

然而，任何这些多余的绞盘将会影响力的稳态平衡。为了解决操纵问题，这些冗余绞盘必须稳定在规定的扭矩下。为了确保操纵系统使用最少能量来实现操纵目标，这些冗余绞盘应当被设置为具有最低可能定义的扭矩，从而最小化功耗。这可以在一种形式中，通过在绳索中保持足够的张力来保持绳索高于水面，从而实现最小化功耗。换句话说，在定义扭矩下的该或每个绞盘稳定在或接近最低扭矩值，该最低扭矩值达到低势能，同时保持该绞盘绳索在响应状态。

在确定哪个绞盘(哪些绞盘)不应该被利用来实现期望输出方面，该冗余绞盘标识符系统是必不可少的。该RWI系统通过分析哪个绞盘(哪些绞盘)最不能够做有用工作来实现期望的输出或结果来实现这个目的。

该冗余绞盘标识符系统包括：

(a)加速度计算器，该加速度计算器根据船舶的期望速度来计算船舶的加速度；

(b)船舶—绞盘速度转换器，该船舶—绞盘速度转换器根据该船舶的几何形状(geometry)和期望速度来计算绞盘的期望速度；

(c)标量投影计算器，该标量投影计算器提供了绞盘的期望速度与绞盘的期望绳索速度的定量比较；以及

(d)定制的最小值选择器，该定制的最小选择器基于加速度计算器和标量投影计算器的输出基础上识别该冗余绞盘。

船舶的操纵通过操纵控制器发送扭矩和速度参数到绞盘。如上文所述，绞盘的绞盘线连接到远程或陆上的锚。用户或操作员可以修改船舶的轨迹或通过图形用户界面向操纵控制器发送指令从而启动新轨迹。这些指令由操纵控制器解释，并且输出到绞盘的控制器被相应调整，以实现操作者的意图。冗余或主要绞盘的选择是轨迹参数的函数。

加速度计算需要，作为输入，船舶的期望速度大小。从船舶当前期望速度大小(即在t＝tnow)中减去上次计算迭代(即在t＝tlast)的船舶期望速度大小，结果除以当前(tnow)和上次(tlast)之间的时间间隔。一个超前滞后滤波器(leadlag filter)随后用于对结果进行平滑：

${\mathrm{accel}}_{vessel}=\frac{\left|{\mathrm{velocity}}_{tnow}\right|-\left|{\mathrm{velocity}}_{tlast}\right|}{t_{now}-t_{last}}$

船舶—绞盘速度转换器的输入是船舶的期望速度、船舶的当前方位和相对于船舶参考点的单个绞盘位置。首先，计算船舶期望角速度和船舶当前方位的总和，得到船舶一秒钟的时间的期望方位。该量的余弦和正弦分量随后用于构建一个旋转矩阵。然后，这个旋转矩阵用于将船舶的期望速度转换为绞盘的期望速度：

Angular velocity_{1 second}＝angular velocity_now＋angular accel_vessel

a＝cos(angular velocity_{1 second})-cos(angular velocity_now)

b＝sin(angular velocity_{1 second})-sin(angular velocity_now)

$\left[\begin{array}{c}x{\mathrm{accel}}_{sheave}\\ y{\mathrm{accel}}_{sheave}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}x{\mathrm{accel}}_{sheave}\\ y{\mathrm{accel}}_{sheave}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}a& b\\ -b& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}relativex{\mathrm{position}}_{sheave}\\ relativey{\mathrm{position}}_{sheave}\end{array}\right]$

标量投影计算器输入是绞盘的期望速度(来自船舶—绞盘速度转换器)和绞盘期望的绳加速度。标量投影量的计算方法为两个输入向量的标量积(dot product)除以绞盘的期望绳索加速度幅值：

$\begin{array}{c}Scalarprojection\\ =\frac{\left(x{\mathrm{acceleration}}_{sheave}\right)\left(x{\mathrm{acceleration}}_{rope}\right)+\left(y{\mathrm{acceleration}}_{sheave}\right)\left(y{\mathrm{acceleration}}_{rope}\right)}{\left|{\mathrm{acceleration}}_{sheave}\right|}\end{array}$

定制的最小选择器，如果船舶正在加速，选择具有最小负标量投影的绞盘为冗余的，如果船舶正在减速，选择具有最小正标量投影的绞盘为冗余的。船舶加速度从加速度计算器输入，并且每个绞盘的标量投影从标量投影计算器输入。如果有n个绞盘，则n-3个绞盘将被设定为冗余的。对于具有四个绞盘的船舶，冗余绞盘将使用下面的代码来选择。

ScalarProj_TempMin＝arbitrarily large number for initiation

If((ScalarProj_winch1<＝0AND a_vessel>＝0)OR(ScalarProj_winch1>＝0AND a_vessel<＝0))

AND|ScalarProj_winch1|<ScalarProj_TempMin

then

ScalarProj_TempMin＝|ScalarProj_winch1|；

Redundant winch number＝1；

End；

If((ScalarProj_winch2<＝0AND a_vessel>＝0)OR(ScalarProj_winch2>＝0AND a_vessel<＝0))

AND|ScalarProj_winch2|<ScalarProj_TempMin

then

ScalarProj_TempMin＝|ScalarProj_winch2|；

Redundant winch number＝2；

End；

If((ScalarProj_winch3<＝0 AND a_vessel>＝0)OR(ScalarProj_winch3>＝0AND a_vessel<＝0))

AND|ScalarProj_winch3|<ScalarProj_TempMin

then

ScalarProj_TempMin＝|ScalarProj_winch3|；

Redundant winch number＝3；

End；

If((ScalarProj_winch4<＝0AND a_vessel>＝0)OR(ScalarProj_winch4>＝0AND a_vessel<＝0))

AND|ScalarProj_winch4|<ScalarProj_TempMin

then

ScalarProj_TempMin＝|ScalarProj_winch4|；

Redundant winch number＝4；

End；

因此，使用上文所述的RWI系统中，操纵控制器将绞盘归类为主要的或冗余的，以实现期望的输出。

本发明方法现在将参考以下非限制性实施例进行说明。

示例

如上文指出，使用挖掘船的几何形状的理论分析，开发控制模型来代表实际的挖掘船。开发控制模型的意图是：

(a)了解挖掘操纵系统的机械动力学。

(b)制定、研究和优化挖掘操纵控制策略。

(c)相对于锚位置的不确定性，检查控制策略的稳定性。

(d)提供绞盘力对锚位置的影响的调查手段。

(e)提供锚运动的优化工具。

(f)促进自动化软件的全部功能测试。

开发的挖掘控制模型由三部分组成：

(a)锚运动力计算器。

(b)锚运动优化器。

(c)挖掘和绞盘几何模型。

理论分析中采用的标号规则在控制系统中是一致的：

(a)正x方向—从港口向右舷。

(b)正y方向—从船尾到船头。

(c)正绞盘速度增加绳索长度(绳索放线(rope pay-out))。

(d)正挖掘方向为顺时针。

锚运动力计算器

开发锚运动力计算器以调查不同锚位置和相关的绞盘力的影响。它也被用来确保所有合力在指定的切割操作限制内：500kN的最大切割反作用力。

通过指定锚位置、估计的切割力和轨迹，力计算器计算所需的绞盘力。力计算器使最优轨迹和锚方向及位置的研究成为可能，如图8。

初步力计算分析表明，图8中示例方向2是可能的，但不是有利的，因为锚定器之间的间隔需要比示例方向1小得多。

锚运动优化器

优化锚的运动是通过确定允许切割区域(PCR)，或者允许运动区域(PMRs，permissible movement regions)实现，根据船舶，允许切割区域或者允许运动区域与每组锚位置是相称的(appropriate)。如上所述，允许切割区域被定义为开采是切实可行的物理区域，这意味着当前组锚位置可以提供足够的力。上一节的锚运动力计算器应扩展到确定允许切割区域。作为阴影横向区域，图9展示了示例允许切割区域和锚的前进路线，两者均相对于起点。

挖掘和绞盘几何形状

下面的假设条件应用到挖掘和绞盘几何形状，该挖掘和绞盘几何形状使用在模型中：

(a)挖掘船假定为“集中”在其重心的集中质量。

(b)由水阻力和风阻力引起的力被建模为抗拒挖掘运动方向的集中力。

(c)绳索长度应被假定为每个滑轮和其各自的锚之间的距离，不考虑锚链。

(d)从每个电动机的速度调节器的输出应被假设为正比于电动机转矩。

总体挖掘船几何形状如图4所示。已在模型实现中使用的变量以下面的方式定义。切割头选定作为挖掘船和绞盘几何计算的原点，或者控制点。如前面提到的，其它形式的船舶将需要指定(nomination)它们自己的控制点。切割头具有坐标(X_C，Y_C)。方位角定义为y方向和挖掘方位之间的角度。方位角记作其中y方向垂直于面。

切割器的操纵使用5个绞盘来控制。每个绞盘滑轮上都标有坐标(X₂，Y₂)...(X₆,，Y₆)。绞盘6是尾部绞盘，锚定到湿式选矿厂。对应于每个绞盘的是绳索长度，记作L₂(t)…L₆(t)。

本实施例具有四个陆上锚(onshore anchors)，标记为坐标(A_X2，A_Y2)…(A_X5，A_Y5)。尾部绞盘锚标有坐标(A_X6，A_Y6)。在绞盘滑轮处通过每个绳索和挖掘/切割方向形成的绳索角度记作绞盘速度记作ω₂…ω₅。应当注意的是，绞盘1指的是梯式绞盘。

模型中使用的几何关系在图10中详细说明。所示的例子是绞盘2。由于其物理对称性，绞盘2的几何关系也适用绞盘3、4和5。注意，该模型允许非对称性采矿工作面或沙丘高度(例如5米端口，20米右舷)。并且在这方面，可以参照图5。

在图10和图5中，定义以下变量：

(a)Z₂(t)—原点和锚之间的距离。

(b)R₂—原点和绞盘滑轮位置之间的距离。

(c)γ(t)的—从切割器到Z(t)的角度。

(d)α(t)的—从切割器到R的角度。

(e)H—锚高度。

使用三角法，关于L(t)、X、Y和γ(t)的一组方程组可以推导得到。通过微分绳索长度方程，绳索速度和绳索加速度方程可以导出。将绞盘2作为示例，下面导出绳索长度方程：

L₂(t)＝{S₂(t)+R₂ ²-2R₂Z₂(t)cos[γ₂(t)]+H²}^1/2

其中，

${\mathrm{\&gamma;}}_2\left(t\right)=arctan\left\{\frac{\left|X_C-A_{X2}\right|}{\left|Y_C-A_{y2}\right|}\right\}-{\mathrm{\&alpha;}}_2\left(t\right)$

去除下标(方程适用于四个绞盘中的每个，除了尾部绞盘)，并对L(t)求微分，得到绳索长度的变化率：

$\frac{\&part;L\left(t\right)}{\&part;t}=\frac{1}{2L\left(t\right)}\{\frac{\&part;}{\&part;t}S\left(t\right)-\frac{R}{Z\left(t\right)}cos\&lsqb;\mathrm{\&gamma;}\left(t\right)\&rsqb;\&CenterDot;\frac{\&part;}{\&part;t}S\left(t\right)+2RZ\left(t\right)\sin \&lsqb;\mathrm{\&gamma;}\left(t\right)\&rsqb;\&CenterDot;\frac{\&part;}{\&part;t}\mathrm{\&gamma;}\left(t\right)\}$

其中，

S(t)＝(X_C(t)-A_x)²+(Y_C(t)-A_y)²

$Z\left(t\right)=\sqrt{{\left(X_C\right(t)-A_x)}^2+{\left(Y_C\right(t)-A_y)}^2}=\sqrt{S\left(t\right)}$

$\frac{\&part;}{\&part;t}S\left(t\right)=2\left(X_C\right(t)-A_x)\&CenterDot;\frac{\&part;}{\&part;t}{X}_C\left(t\right)+2\left(Y_C\right(t)-A_y)\&CenterDot;\frac{\&part;}{\&part;t}{Y}_C\left(t\right)$

$\frac{\&part;}{\&part;t}\mathrm{\&gamma;}\left(t\right)=\frac{\&part;}{\&part;t}arctan\left\{\frac{|X_C\left(t\right)-A_x|}{|Y_C\left(t\right)-A_y|}\right\}-\frac{\&part;}{\&part;t}\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)$

这使得利用挖掘船相对于锚定点的几何关系计算有效挖掘加速度成为可能。然后，可以根据绳索长度加速度表达出挖掘船的有效加速度。

绳索长度加速度与绞盘力直接相关(力＝质量×加速度)，由此提供了一种将绞盘力与挖掘加速度相关的方法。图6示出了挖掘船几何形状和绞盘力，并展示了所需的力、方向和角度的指引规则(direction conventions)。需要注意的是，正绞盘速度增加绳索长度(绳索放线)，和负绞盘速度将绳索拉回(挖掘船朝锚定点移动)。

参考图11，一组方程可以推导出来自绞盘2的力

来自绞盘3、4和5的力可以以类似的方式导出。使用有关力和加速度有关的牛顿法则，合力可以用来得到挖掘船的线性加速度。

类似的方法可以用来计算角加速度，使用力矩代替力。假设该挖掘船是集中在其重心的点质量(point mass)，其中原点(切割头)作为旋转点，围绕挖掘船原点的合力矩通过每个绞盘提供的力矩求和得到。矢量方程用来计算力矩。力矩的计算由下面的向量方程表示：

在上述的力矩方程中，矢量r为从旋转点到力的作用点，而矢量F是力。每个绞盘提供的力矩相加在一起，得到引起该挖掘船旋转的合力矩。应用角动量的原理，角加速度可以按如下来确定。

其中：

m＝挖掘船的质量

r＝原点到挖掘船的重心的距离

如上文所指出的，需要在模型中考虑的其他因素是：

(a)尾绳张力—建模为固定力。

(b)切割力—从绞盘的合力中减去，作为切割力，一般与挖掘运动相反。

(c)水阻力—建模为恒定负荷，与挖掘运动相反。

(d)绳重量—建模为施加在绞盘上的恒定重量。

仿真模型

如上文所述，模型的开发和实施选择的语言是行业标准仿真语言，Matlab^TM/Simulink^TM。该模型使用框图语言Simulink^TM的框图形式进行说明。每个框图的模型参数指定为Matlab^TM变量，其值被存储在Matlab^TM宏文件中。不同的轨迹和锚定位置可以通过该模型的用户界面来输入到系统中。

该模型连接到使用Mathworks^TM OPC toolbox^TM的PLC软件，以便于软件的全部功能测试。

“下10个锚在先”管理

“下10个锚在先(Next 10Anchors Ahead)”管理是由申请人开发的，用于计划和实际标示出用于每个锚的下十个锚定位置。

该挖掘操纵力计算器被用于获取允许切割区域(PCR)长度和锚定位置，将允许良好的挖掘生产量，而不对绞盘提出过多要求。PCR长度和相关的锚定位置是锚定区域地形的函数，锚定区域地形包括例如服务道路标高(E)、休止角(repose angle)(θ_R)和池塘宽度、指定的轨迹参数(θ_T)和所需的反作用力，例如切割力，如图12所示。

该系统能够沿矿块的长度“堆叠”允许切割区域，并使用从挖掘操纵力计算器输出的数据和矿块以及锚定区域数据一起确定每个允许切割区域的锚定位置。

如果障碍物防止锚定器定位在计算位置，操作者应当人工使用编辑下一锚定位置功能来提供实际位置。如果不这样做，将导致挖掘船产量的减少。

停机时间减少

相对于现有技术方法，本发明方法停机时间减少。如上文所述，本发明方法通过最小化由于定位桩的行走和定位桩的蟹运动导致的生产性停机时间，提供改进的挖掘船产量的可用性。此外，相比于典型的现有技术15×50米的定位桩挖掘采矿面积，使用无定位桩挖掘船设计，采矿区域可扩大至每组锚定位置至少约45×200米。更进一步地，对于现有技术定位桩挖掘采矿200米宽矿池，这转化为每中心线3个定位桩行走和跨越池塘3个定位桩蟹运动，导致每45×200米采矿区域超过一小时的生产时间损失。

其它优点包括改善及精简了切割轨迹，以改善池塘角边附近的挖掘性能，开发切割轨迹和切割顺序，以保证切入矿体的一致的穿透力，以及开发可用于浅层和深层两种操作的挖掘操纵控制方法。对于超过22米的深度，使用现有技术定位桩挖掘船通常是很困难的，除非采取措施来减少池塘水平。

通过文中采矿方法示例，给出以下参数：

(i)200m宽和45mm穿过长度的池塘尺寸；

(ii)挖掘船18m/min的切割速度，0.7米的切割宽度；

(iii)每个角落0.5分钟的回转延迟(turn around delay)(最小化生产)；

(iv)5分钟的定位桩行走(重新定位前进)生产时间损失；

(v)15分钟的定位桩蟹运动(重新定位横向移动)生产时间损失，

本发明的采矿方法提供了理论性的停机时间，保存为限定区域的开采，该停机时间超过传统的现有技术定位桩挖掘约26％。

除了上述提到的这些，下文提供的表1详细提供了做出的假设和假设的计算变量，以确定上述理论性停机时间减少。

表1停机时间减少计算变量

本发明方法，尤其是涉及到的采矿方法，除了已经强调过的相比于现有技术的优点，还对可持续发展作出了重要贡献。

由于本发明方法控制挖掘船维持所需的轨迹和尽可能平滑地切入矿体，设备磨损最小化，从而增加了挖掘船资产的寿命和减少维护成本。这反过来又降低了持续维持资本要求、人力和精力投入，均为可持续发展做出贡献。

由于本发明方法提供更优异的轨迹控制方法，矿体的边界可更精确地开采，从而将资源回收最大化，并将对周围区域的意外影响最小化。

本发明方法优化了岸边锚相对于绞盘的移动要求，并且提供了精确的位置坐标。这些锚定器包括重型前端装载机和使用GPS定位的改良挖斗(buckets)。优化的锚定布置和位置降低了人力和精力的投入。

本发明方法典型地在远程站点上实现。因此，尽量降低现场人员要求和相关的运输和支持设备要求是有利的。申请人的总控制系统的设计有助于提高可靠性，有助于站外支持，从而减少了技术人员的现场要求。

在设计阶段过程中本发明方法应用到新挖掘船的情况下，定位桩、定位桩托架、辅助定位桩和相关设备/系统的随后移除大幅减少了资本支出。

从以上描述可以看出，本发明克服了许多，即便不是全部，现有技术中存在的问题，提供，除其他以外，适应灵活的切割轨迹的挖掘船、船舶或堆叠器操纵方法，而不需要定位桩。本发明方法能够以直轨迹的方式操纵挖掘船，或一些其他形式船舶，这在理论上表现为类似于定位桩挖掘船，其中定位桩具有无穷大的半径。

一个或多个本发明方法实现的优点是：

(a)每45米的掘进(对于200米的矿井宽度来说)约26％(通常是几个小时)的停机时间减少，这是由于消除了定位桩前进和中心线变化的需要。使用本发明采矿方法，有可能连续挖掘更大的区域，而没有任何由于锚移动导致的停机时间。

(b)多变量控制技术的使用，尽量减少了操纵绞盘之间的相互作用，提供最大可用的切削力，避免松弛绳索条件。

(c)允许提供灵活的操纵轨迹，以适应挖掘船的轮廓和挖掘路径，同时提高池塘角落挖掘效率，最大限度地减少来自矿体出露面的回落。位于挖掘船上的双D-GPS接收器为控制程序提供准确、快速的挖掘定位和方向反馈。应当注意的是，测试工作已经表明控制系统能够操纵挖掘船300mm内的所需轨迹。

(d)控制策略，允许切割器功率的最大化，同时最小化绞盘扭矩要求和能量消耗。

本发明另外特别的优点通过由本申请人开发的挖掘船、船舶或堆叠器操纵模型实现。如上所述，这种模式将初始和复杂的几何方程式转换为关于绞盘力和挖掘船、船舶和堆叠器加速度的二阶微分方程。形成部分模型的操纵力计算器，允许要被考察和优化的不同锚定位置的影响，包括每组锚定位置的允许移动或切割区域。这种方法允许挖掘船或船舶“无定位桩”的操纵控制，从而克服了使用定位桩的缺点。这种模型的使用允许挖掘操纵力的精确预测，以优化锚定位置。这种优化包括：

(a)为特定锚定间隔和设置，最大化允许移动或切割区域；

(b)最大化锚定间隔，以最小化锚定移动频率，以提高生产效率；和

(c)最大化锚定位置重复使用率和尽量使锚定调查的要求最小化的算法。这减少了该领域内太多锚定孔和不正确锚定位的风险。

本发明方法限定、包括和连接大量的组件，这些组件提供全面的挖掘船、船舶或堆叠器操纵控制方法。这种关系在图3中示意性地描述，本申请人参考的是舱口虚拟定位桩技术(HVST，Hatch Virtual Spud Technology)。

例如对本领域技术人员来说显而易见的修改和变化，被认为属于本发明的范围之内。

Claims (68)

1.一种操纵船舶的方法，所述船舶上提供有至少四个绞盘，绞盘绳索从所述至少四个绞盘延伸至位于远离所述船舶的锚定点，所述绞盘可操作以操纵所述船舶，其特征在于，至少一个绞盘在限定的扭矩下被保持，而三个绞盘用于控制所述船舶的运动。

2.如权利要求1的所述方法，其特征在于，在限定的扭矩下，所述或每个绞盘保持在或接近所述最低扭矩值，所述最低扭矩值达到低势能，同时将该绞盘绳索保持在响应状态。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述船舶通过操纵控制器操纵，所述操纵控制器发送扭矩和速度参数到所述绞盘。

4.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述船舶根据所述船舶的优选轨迹来操纵。

5.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，提供一冗余绞盘标识符组件来确定不应该利用哪个绞盘或哪些绞盘实现所述船舶的期望操纵。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述冗余绞盘标识符通过分析哪个或哪些绞盘最不能够做有用工作来实现所述期望的输出或结果来确定不应该利用哪个绞盘或哪些绞盘来实现所述船舶的期望操作。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，绞盘冗余与否的所述选择是各个优选轨迹、船舶几何形状和期望速度参数的函数。

8.如权利要求5至7中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述冗余绞盘标识符采用主动方式对所述或每个冗余绞盘做出选择。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述冗余绞盘标识符无法采取主动方式对所述或每个冗余绞盘做出选择的情况下，采取被动方式来对所述或每个冗余绞盘做出选择。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述冗余绞盘标识符组件的主动方式，包括：

(a)加速度计算器，所述加速度计算器根据所述船舶的期望速度计算所述船舶的加速度；

(b)船舶—绞盘速度转换器，所述船舶—绞盘速度转换器根据所述船舶的几何形状和期望速度计算所述绞盘的期望速度；

(c)标量投影计算器，所述标量投影计算器提供了设置在所述船舶上并且与每个绳索和绞盘相关的滑轮的所述期望加速度与它们各自的绞盘绳索的所述期望加速度的定量比较；以及

(d)定制的最小选择器，所述定制的最小选择器在加速度计算器和标量投影计算器的输出的基础上识别所述冗余绞盘。

11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述冗余绞盘标识符组件的被动方式包括：

(a)将绞盘扭矩反馈转换为线张力的计算器；

(b)用作识别最适合作为冗余绞盘选择的所述或每个绞盘的定制的最小选择器；以及

(c)检查器，用于确定选择作为冗余绞盘的所述或每个绞盘是按预期执行的。

12.如权利要求5至11中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，识别为冗余的所述或每个绞盘的所述期望性能是所述绞盘的速度为或接近其期望速度。

13.如权利要求5至12中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，如果被识别为冗余的绞盘被确定为不按预期执行的，那么一段时间内不考虑它作为冗余绞盘。

14.如权利要求3至13中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述操纵控制器考虑限制所述船舶的最大速度的因素。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，限制所述船舶的最大速度的所述因素包括输入/输出保护因子。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述输入/输出保护因子用于限制所述船舶的所述速度，以防止输入或输出设备提供不希望的结果。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述输入或输出设备以切割头的形式提供。

18.如权利要求15至17中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述输入/输出保护因子包括切割器跳闸保护装置。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述输入或输出装置以堆叠吊杆的形式提供。

20.如权利要求14至19中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，限制所述船舶的所述最大速度的另一个因素是工序保护因子。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述工序保护因子用于限制所述船舶的所述速度，以避免下游/上游工序中断或其它负面影响。

22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述工艺保护因子以“挖掘至湿式选矿厂工艺线路沼泽保护”因子的形式提供。

23.如权利要求3至22中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，操作者可以修改所述船舶的轨迹或经由图形用户界面向所述操纵控制器发送指令来启动新的轨迹。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述图形用户界面包括描绘所述船舶的俯视平面图的X-Y坐标曲线图。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，相对于当前的优选轨迹，所述X-Y坐标曲线图允许操作者将船舶实时具体化。

26.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，关于所述船舶的所述位置，所述X-Y坐标曲线图进一步允许操作者将历史信息具体化。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述X-Y坐标曲线图上描绘的所述实时和历史信息以一个信息容易地与另一信息区别开的方式提供。

28.如权利要求26或27所述的方法，其特征在于，所述X-Y坐标曲线图上描绘的所述实时和历史信息以不同的颜色来提供。

29.如权利要求26至28中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述X-Y坐标曲线图被增强，以便在每个X、Y和Z坐标中提供所述船舶的实时和历史信息的三维可视化图。

30.如权利要求23至29中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述操作员的所述指令通过所述操纵控制器解释，并且输出至所述绞盘的所述控制器相应地被调整，以实现所述操作者的意图。

31.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述锚定点的位置通过识别允许移动区域来实现，在所述区域内，由于所述锚定位置可以通过所述绞盘为所述运动提供足够的力，因而运动是可能的。

32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，允许运动区域的所述识别通过使用锚定运动力计算器实现，通过所述锚定运动力计算器，绞盘力可用于计算特定的锚定位置和轨迹。

33.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述船舶为无定位桩挖掘船、无定位桩湿式选矿厂、无定位桩堆叠器模块之一，后者任选地为尾矿堆叠器模块。

34.一种采矿方法，所述方法包括挖掘船的所述操纵方法，所述挖掘船上提供有至少四个绞盘，绞盘绳索从所述至少四个绞盘延伸至位于远离所述挖掘船的锚定点，所述绞盘可操作以操纵所述挖掘船，其特征在于，至少一个绞盘在限定的扭矩下被保持，同时三个绞盘利用于控制所述挖掘船的运动。

35.如权利要求34所述的采矿方法，其特征在于，在限定的扭矩下，所述或每个绞盘保持在或接近所述最低扭矩值，所述最低扭矩值达到低势能，同时将该绞盘绳索保持在响应状态。

36.如权利要求34或35所述的采矿方法，其特征在于，所述挖掘船通过操纵控制器，所述操纵控制器发送扭矩和速度参数到所述绞盘。

37.如权利要求34至36中任一项权利要求所述的采矿方法，其特征在于，所述挖掘船根据所述挖掘船的优选轨迹来操纵。

38.如权利要求34至37中任一项权利要求所述的采矿方法，其特征在于，提供一冗余绞盘标识符组件来确定不应该利用哪个绞盘或哪些绞盘实现所述挖掘船的期望操纵。

39.如权利要求38所述的采矿方法，其特征在于，所述冗余绞盘标识符通过分析哪个或哪些绞盘最不能够做有用工作来实现所述期望的输出或结果来确定不应该利用哪个绞盘或哪些绞盘来实现所述船舶的期望操作。

40.如权利要求39所述的采矿方法，其特征在于，绞盘冗余与否的所述选择是各个优选轨迹、船舶几何形状和期望速度参数的函数。

41.如权利要求38至40中任一项权利要求所述的采矿方法，其特征在于，所述冗余绞盘标识符采用主动方式对所述或每个冗余绞盘做出选择。

42.如权利要求33至41中任一项权利要求所述的采矿方法，其特征在于，如果所述冗余绞盘标识符无法采取主动方式对所述或每个冗余绞盘做出选择的情况下，采取被动方式对所述或每个冗余绞盘做出选择。

43.如权利要求41所述的采矿方法，其特征在于，所述冗余绞盘标识符组件的主动方式，包括：

(a)加速度计算器，所述加速度计算器根据所述挖掘船的期望速度计算所述挖掘船的加速度；

(b)挖掘船—绞盘速度转换器，所述挖掘船—绞盘速度转换器根据所述挖掘船的几何形状和期望速度计算所述绞盘的期望速度；

(c)标量投影计算器，所述标量投影计算器提供了设置在挖掘船上并且与每个绳索和绞盘相关的滑轮的所述期望加速度与它们各自的绞盘绳索的所述期望加速度的定量比较；以及

(d)定制的最小选择器，所述定制的最小选择器在加速度计算器和标量投影计算器的输出的基础上识别所述冗余绞盘。

44.如权利要43所述的方法，其特征在于，所述冗余绞盘标识符组件的被动方式包括：

(a)将绞盘扭矩反馈转换为线张力的计算器；

(b)用作识别最适合作为冗余绞盘选择的所述或每个绞盘的定制的最小选择器；以及

(c)检查器，用于确定选择作为冗余绞盘的所述或每个绞盘是按预期执行的。

45.如权利要求44所述的方法，其特征在于，所述或每个冗余绞盘的所述期望性能是所述绞盘速度为或接近其期望速度。

46.如权利要求45所述的方法，其特征在于，如果冗余绞盘被确定为不按预期执行的，那么一段时间内不考虑它作为冗余绞盘。

47.如权利要求34至46中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述操纵控制器考虑限制所述挖掘船的最大速度的因素。

48.如权利要求47所述的方法，其特征在于，限制所述挖掘船的最大速度的所述因素包括输入/输出保护因子。

49.如权利要求48所述的方法，其特征在于，所述输入/输出保护因子用于限制所述挖掘船的所述速度，以防止输入或输出设备提供不希望的结果。

50.如权利要求49所述的方法，其特征在于，所述输入或输出设备以切割头的形式提供。

51.如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述输入/输出保护因子包括切割器跳闸保护装置。

52.如权利要求47至51中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，限制所述挖掘船的最大速度的另一个因素是工序保护因子。

53.如权利要求52所述的方法，其特征在于，所述工序保护因子用于限制所述挖掘船的速度，以避免下游/上游工序中断或其它负面影响。

54.如权利要求52或53所述的方法，其特征在于，所述工艺保护因子以“挖掘至湿式选矿厂工艺线路沼泽保护”因子的形式提供。

55.如权利要求36至54中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，操作者可以修改所述挖掘船的轨迹或经由图形用户界面向所述操纵控制器发送指令来启动新的轨迹。

56.如权利要求55所述的方法，其特征在于，所述图形用户界面包括描绘所述船舶的俯视平面图的X-Y坐标曲线图。

57.如权利要求56所述的方法，其特征在于，相对于当前的优选轨迹，所述X-Y坐标曲线图允许操作者将挖掘船实时具体化。

58.如权利要求56或57所述的方法，其特征在于，关于所述挖掘船的所述位置，所述X-Y坐标曲线图进一步允许操作者将历史信息具体化。

59.如权利要求58所述的方法，其特征在于，在所述X-Y坐标曲线图上描绘的所述实时和历史信息以一个信息容易地与另一信息区别开的方式提供。

60.如权利要求59所述的方法，其特征在于，在所述X-Y坐标曲线图上描绘的实时和历史信息以不同的颜色来提供。

61.如权利要求59或60所述的方法，其特征在于，所述X-Y坐标曲线图被增强，以便在每个X、Y和Z坐标中提供所述挖掘船的实时和历史信息的三维可视化图。

62.如权利要求55至61中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述操作员的所述指令通过所述操纵控制器解释，并且输出至所述绞盘的所述控制器被相应调整，以实现所述操作者的意图。

63.如权利要求34至62中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述锚定点的位置通过识别允许切割区域来实现，在该区域内，由于所述锚定位置可以通过所述绞盘为运动提供足够的力，因而运动是可能的。

64.如权利要求63所述的采矿方法，其特征在于，允许切割区域的所述识别通过使用锚定运动力计算器实现，通过所述锚定力运动计算器，绞盘力可用于计算特定的锚定位置、估计的切割力和轨迹。

65.一种堆叠方法，所述堆叠方法包含堆叠模块的所述操纵方法，所述堆叠模块上提供有至少四个绞盘，绞盘绳索从所述至少四个绞盘延伸至位于远离所述堆叠模块的锚定点，所述绞盘可操作以操纵所述堆叠模块，其特征在于，在限定的扭矩下，至少一个绞盘被保持，而三个绞盘用于控制所述挖掘船的运动。

66.一种操纵模块的方法，所述模块上提供有至少四个绞盘，绞盘绳索从所述至少四个绞盘延伸至位于远离所述模块的锚定点，所述绞盘可操作以操纵所述模块，其特征在于，每个绞盘和绳索是动态维护的，在限定的扭矩下，至少一个绞盘被保持，而三个绞盘用于控制所述船舶的运动。

67.如权利要求66所述的方法，其特征在于，所述模块为船舶、挖掘船、驳船、湿式选矿厂或堆叠模块之一。

68.用于实施如权利要求1至67中任一项权利要求所述的任何一个或多个方法的操纵控制系统。