CN113534667B - 堆石料振动压实参数的调节方法及装置 - Google Patents

堆石料振动压实参数的调节方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种堆石料振动压实参数的调节方法及装置，其中，该方法包括：实时获取堆石料振动压实过程中的系统信息，系统信息包括：系统动力信号和当前振动压实参数；基于预先构建的堆石料振动压实动力学模型，根据获取的系统信息确定堆石料当前压实质量，其中，堆石料振动压实动力学模型包括：堆石料部分，堆石料部分的压实变形包括：粘弹性部分和粘塑性部分；基于预先设置的最优振动压实参数信息，确定与堆石料当前压实质量相应的最优振动压实参数；根据确定的最优振动压实参数控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量，以对当前振动压实参数进行反馈调节至最优振动压实参数。通过本发明，可以对堆石料压实过程进行更准确地优化控制。

Description

堆石料振动压实参数的调节方法及装置
技术领域
本发明涉及堆石料填筑碾压施工控制技术领域，具体涉及一种堆石料振动压实参数的调节方法及装置。
背景技术
堆石料广泛应用于水利工程的土石坝、面板堆石坝中，一般采用振动压路机压至一定的压实度以获得足够的强度、刚度和抗变形能力。堆石料压实质量和压实效率是大坝建设的重点关注问题，直接关系到大坝的安全性和工程投资。传统大坝碾压施工通过现场碾压试验确定固定的压实参数(如碾压遍数、振动频率、行驶速度等)，然后采用抽样点检测方法检验压实质量，传统方案无法在压实过程中实时检测堆石料压实质量，也无法根据堆石料当前压实状态优化调整振动压实参数，因此压实效率较低且无法保障压实质量。
目前，压实质量连续检测指标与常规指标的相关关系主要通过现场碾压试验确定，在现场碾压试验中实时采集振动压路机-土体系统的动力响应，计算连续检测指标值，并在相应测点开展常规质量验收指标检测，通过回归分析或神经网络等方式建立压实质量评估模型。
振动压路机通过偏心块旋转产生激振力作用于被压土体，压路机与土体形成一个动力系统，振动压实参数对系统的动力响应和土体的压实效果有重要影响。在此基础上，提出了振动压实动力学模型，该模型可以用于分析不同振动压实参数对土体压实效果的影响。
然而，由于采用了基于现场试验建立相关关系的方法，鉴于土石料自身离散性、传统检测与连续检测的检测范围不同等原因，导致了建立土石料压实质量连续检测模型精度较低，且缺乏足够的理论依据。另外，虽然采用了振动压实动力学模型对振动压实参数优化进行了研究，然而大部分振动压实动力学模型基于弹性理论建立，无法真实地模拟堆石料振动压实过程的动力学模型，进而也无法准确地对堆石料压实过程进行优化控制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种堆石料振动压实参数的调节方法及装置，以解决上述提及的至少一个问题。
根据本发明的第一方面，提供一种堆石料振动压实参数的调节方法，所述方法包括：
实时获取堆石料振动压实过程中的系统信息，所述系统信息包括：系统动力信号和当前振动压实参数；
基于预先构建的堆石料振动压实动力学模型，根据获取的系统动力信号和当前振动压实参数确定堆石料当前压实质量，其中，所述堆石料振动压实动力学模型包括：堆石料部分，所述堆石料部分的压实变形包括：粘弹性部分和粘塑性部分；
基于预先设置的最优振动压实参数信息，确定与所述堆石料当前压实质量相应的最优振动压实参数，所述最优振动压实参数信息包括：堆石料压实质量与最优振动压实参数的对应关系；
根据确定的最优振动压实参数控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量，以对所述当前振动压实参数进行反馈调节至最优振动压实参数。
根据本发明的第二方面，提供一种堆石料振动压实参数的调节装置，所述装置包括：
系统信息获取单元，用于实时获取堆石料振动压实过程中的系统信息，所述系统信息包括：系统动力信号和当前振动压实参数；
堆石料当前压实质量确定单元，用于基于预先构建的堆石料振动压实动力学模型，根据获取的系统动力信号和当前振动压实参数确定堆石料当前压实质量，其中，所述堆石料振动压实动力学模型包括：堆石料部分，所述堆石料部分的压实变形包括：粘弹性部分和粘塑性部分；
最优振动压实参数确定单元，用于基于预先设置的最优振动压实参数信息，确定与所述堆石料当前压实质量相应的最优振动压实参数，所述最优振动压实参数信息包括：堆石料压实质量与最优振动压实参数的对应关系；
控制单元，用于根据确定的最优振动压实参数控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量，以对所述当前振动压实参数进行反馈调节至最优振动压实参数。
根据本发明的第三方面，提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
根据本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
由上述技术方案可知，通过基于堆石料振动压实动力学模型，对获取的堆石料振动压实过程中的系统动力信号和当前振动压实参数确定堆石料当前压实质量，随后根据预先设置的最优振动压实参数信息，确定与所述堆石料当前压实质量相应的最优振动压实参数，之后根据该最优振动压实参数控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量，以对当前振动压实参数进行反馈调节至最优振动压实参数，由于堆石料振动压实动力学模型真实模拟了堆石料振动压实过程，因而可以得到更准确的堆石料压实质量与最优振动压实参数的对应关系，基于该对应关系对当前振动压实参数进行反馈调节成最优振动压实参数，从而可以实现对堆石料压实过程的更准确地优化控制，保障堆石料的压实质量，提高压实效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的堆石料振动压实参数调节方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的堆石料振动压实参数调节系统示例结构图；
图3是根据本发明实施例的堆石料压实质量连续检测设备和堆石料振动压实参数反馈控制系统的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的堆石料振动压实参数优化模型的结构示意图；
图5是根据本发明实施例的建立堆石料压实质量综合评价模型和堆石料振动压实参数优化模型的流程示意图；
图6是根据本发明实施例的堆石料振动压实参数调节装置的结构框图；
图7为本发明实施例的电子设备600的系统构成的示意框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在实现本申请的过程中，申请人发现如下相关技术：
振动压路机(可以简称为压路机)通过偏心块旋转产生激振力作用于被压土体，压路机与土体形成一个动力系统，振动压实参数对系统的动力响应和土体的压实效果有重要影响。一些学者通过利用集中参数的“质-弹-阻”模型(例如，使用振动压路机、弹簧、阻尼等构建的模型)建立振动压实动力学模型，分析振动压实参数对压实效果的影响。1979年，T.S.Yoo等假设土体为弹性体，建立了二自由度振动压实动力学模型，也称为经典动力学模型，分析不同模型参数对“振动压路机-土体”(也可以称为振动轮-土体)系统动力特性的影响。该模型是目前应用最为广泛的模型，但模型对实际压实过程进行了过多的简化和假设。一些学者在经典动力学模型基础上，加入塑性元件以模拟土体的塑性变形，如Pietzsch在振动压实模型的土体和附加土体中加入塑性弹簧，建立了四自由度粘弹塑性振动压实模型，在理论上更加符合土体实际压实过程，但模型的缺点是参数较多、结构复杂。
振动压实动力学模型可以用于分析不同振动压实参数对土体压实效果的影响，因此一些学者利用振动压实动力学模型开展了振动压实参数优化研究。Popa利用二自由度振动压实动力学模型，分析了振动频率在不同土体刚度和阻尼条件下对土体吸收压实能量大小的影响，根据仿真计算结果认为振动频率等于土体的固有频率时压实效果最好，提出最优振动频率随着土体的压实不断增大。龚创先利用提出的振动压实动力学模型，研究了不同振动压实参数和土体参数条件下的“振动压路机-土体”系统的动力响应，并提出了振动压实参数的优化目标，即压路机激振力与振动轮-土体相互作用力之比为1，同时规定激振力不大于压路机前轮分配质量和上、下机架间减振系数大于20，其优化结果表明，压路机最优振动频率和行驶车速均随土体不断压实而增大。
以上虽然开展了压实质量连续检测研究，但均采用基于现场试验建立相关关系的方法，由于土石料自身离散性、传统检测与连续检测的检测范围不同等原因，导致了建立土石料压实质量连续检测模型精度较低，且缺乏足够的理论依据。同时，虽然采用振动压实动力学模型对振动压实参数优化进行了研究，但大部分振动压实动力学模型基于弹性理论建立，没有合理考虑堆石料的粘弹塑性压实变形特性，同时模型没有合理考虑压路机水平行驶，从而也未考虑行驶速度的影响，因此，无法准确地对堆石料压实过程进行优化控制。
基于此，本发明实施例提供一种堆石料振动压实参数的调节方案，该方案基于真实模拟堆石料振动压实过程的动力学模型，生成堆石料压实质量与最优振动压实参数的对应关系，基于该对应关系，可以对堆石料当前压实质量相应的振动压实参数进行调节成最优振动压实参数，从而可以实现对堆石料压实过程的优化控制。以下结合附图来详细描述本发明实施例。
图1是根据本发明实施例的堆石料振动压实参数调节方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
步骤101，实时获取堆石料振动压实过程中的系统信息，所述系统信息包括：系统动力信号(例如，振动轮加速度幅值、压实计值、地基反力)和当前振动压实参数(例如，振动频率、振幅、车速)。
在执行步骤101之前，可以在压路机顶部安装GPS定位设备，在压路机的振动轮上安装加速度传感器，在压路机的振动马达外壳上安装霍尔传感器；之后根据所述GPS定位设备获取的定位信息、所述加速度传感器获取的加速度信息和所述霍尔传感器获取的电压信息生成上述系统信息。
其中，系统动力信号可以基于振动轮竖向加速度(或者振动轮振动加速度)、振幅、振动轮-土体(或简称为振动轮-土)相互作用力等生成。
步骤102，基于预先构建的堆石料振动压实动力学模型，根据获取的系统动力信号和当前振动压实参数确定堆石料当前压实质量(即，压实度)，其中，所述堆石料振动压实动力学模型包括：堆石料部分，所述堆石料部分的压实变形包括：粘弹性部分和粘塑性部分。其中，粘弹性部分用于描述堆石料可恢复变形，粘塑性部分用于描述堆石料不可恢复变形，采用粘弹性部分与粘塑性部分串联方式建立堆石料变形力学模型，可以更加准确地描述堆石料在振动荷载作用下的变形特征以及振动轮-土系统动力特性(例如，振动轮竖向加速度、振幅、振动轮-土体相互作用力等)。
在具体实施过程中，堆石料振动压实动力学模型包括：压路机部分和堆石料部分。堆石料振动压实动力学模型采用集中参数的“质-弹-阻”模型来构建，其中，所述压路机部分由上机架和振动轮通过弹簧、阻尼并联组成，所述振动轮作用于所述堆石料部分，所述堆石料部分将堆石料划分为相同宽度的条块。
堆石料振动压实动力学模型考虑振动压路机竖直方向振动和水平方向行驶，同时考虑堆石料竖直方向变形。堆石料竖直方向变形包含弹性变形、粘性变形和塑性变形，由粘弹性部分和粘塑性部分串联组成。其中粘弹性部分为Maxwell模型，粘塑性部分为由塑性弹簧和阻尼器并联组成的Perzyna模型，塑性弹簧的受力与变形关系采用双曲线形式描述。通过堆石料振动压实动力学模型，可以计算每一遍碾压堆石料的压实变形，从而评价压实效果。
对于步骤102，优选地，可以将获取的系统动力信号和当前振动压实参数输入至堆石料压实质量综合评价模型，以确定堆石料当前压实质量，所述堆石料压实质量综合评价模型用于基于系统动力信号和振动压实参数确定相应的堆石料压实质量。
这里的堆石料压实质量综合评价模型可以通过如下方式来构建：首先，基于所述堆石料振动压实动力学模型的堆石料振动压实模拟训练结果确定系统动力信号和振动压实参数、与堆石料压实质量的映射关系；之后，根据所述系统动力信号和振动压实参数、与堆石料压实质量的映射关系构建所述堆石料压实质量综合评价模型。
也就是说，通过堆石料振动压实动力学模型的仿真计算，可以分析堆石料关键力学参数(如压实度、刚度等)和振动参数(振动频率、振动频率、车速等)与“振动压路机-土体”系统动力特性关系，从中可以提取出加速度幅值A、压实计值(CMV)、地基反力(Bs)作为连续检测指标(对应于步骤101的系统动力信号)，采用多元回归或神经网络方法构建连续检测指标和振动参数与堆石料压实质量的映射关系(参见如下公式(1))，建立堆石料压实质量综合评价模型，实现堆石料压实度实时检测。
K～f(A,CMV,Bs,f,v,a) (1)
式中：A为振动轮加速度幅值；CMV为压实计值；Bs为地基反力，为振动轮-土相互作用力最大值的平均值；f为振动频率；a为振幅；v为压路机行驶车速。
其中，压实计值CMV计算方法为：通过对振动加速度进行傅里叶变换，得到加速度频谱图，之后根据基波幅值和二次谐波幅值按照公式(2)计算：
Figure BDA0003188366650000071
式中：C为常数，一般取300；A2为二次谐波幅值；A0为基波幅值。
步骤103，基于预先设置的最优振动压实参数信息，确定与所述堆石料当前压实质量相应的最优振动压实参数，所述最优振动压实参数信息包括：堆石料压实质量与最优振动压实参数的对应关系。
在实际操作中，可以以单位长度堆石料压实度增长效率最大为优化目标，基于预定约束条件，采用预定算法(例如，神经网络算法)对不同堆石料压实质量相应的振动压实参数进行优化；根据优化结果生成所述最优振动压实参数信息。
具体而言，通过堆石料振动压实动力学模型计算不同堆石料压实状态下，采用不同振动参数(振动频率、振幅和车速)碾压堆石料，堆石料压实度的增量；以单位长度堆石料压实度增长效率最大为优化目标，采用神经网络算法或者遗传算法等智能优化算法进行振动压实参数优化，优化目标如下公式(3)所示：
maxΔKn+1·vn+1 (3)
其中：ΔKn+1～f(Kn,fn+1,an+1,vn+1)，由堆石料振动压实动力学模型计算得到；ΔKn+1为第n+1遍碾压堆石料压实度增量；Kn为第n遍碾压后的压实度；fn+1为第n+1遍振动频率；an+1为第n+1遍振幅；vn+1为第n+1遍车速。
需要说明的是，这里的神经网络算法或者遗传算法等智能优化算法可以采用现有技术中的相关算法，能够实现以单位长度堆石料压实度增长效率最大为优化目标、优化振动压实参数即可，本发明对此不作限制。
通过输入大量不同的当前压实度K，计算其所对应的下一遍碾压的最优振动压实参数(f，a，v)，最终形成表1所示的最优振动压实参数表(对应于上述的最优振动压实参数信息)。在实际振动压实过程，根据堆石料压实质量综合评估模型给出的堆石料当前压实度，通过快速查找表1，可以确定下一遍的最优振动压实参数。
当前压实度 最优频率 最优振幅 最优车速
K1 f1 a1 v1
K2 f2 a2 v 2
… … … …
Km fm am v m
表1
步骤104，根据确定的最优振动压实参数控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量，以对所述当前振动压实参数进行反馈调节至最优振动压实参数。
具体地，根据确定的最优振动压实参数调节压路机的电液比例阀的开口大小，以此控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量。
通过基于堆石料振动压实动力学模型，对获取的堆石料振动压实过程中的系统动力信号和当前振动压实参数确定堆石料当前压实质量，随后根据预先设置的最优振动压实参数信息，确定与所述堆石料当前压实质量相应的最优振动压实参数，之后根据该最优振动压实参数控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量，以对当前振动压实参数进行反馈调节至最优振动压实参数，由于堆石料振动压实动力学模型真实模拟了堆石料振动压实过程，因而可以得到更准确的堆石料压实质量与最优振动压实参数的对应关系，基于该对应关系对当前振动压实参数进行反馈调节成最优振动压实参数，从而可以实现对堆石料压实过程的更准确地优化控制，保障堆石料的压实质量，提高压实效率。
为了更好地理解本发明，以下结合图2所示的堆石料振动压实参数调节系统工作原理图来详细描述本发明实施例。
如图2所示，堆石料振动压实参数调节系统包括：堆石料压实质量连续检测设备1、堆石料压实质量综合评价模型2、堆石料振动压实动力学模型3、堆石料振动压实参数优化模型4和堆石料振动压实参数反馈控制系统5。其中，堆石料振动压实动力学模型3分析不同堆石料压实质量与振动参数对“振动压路机-土体”系统动力特性和堆石料压实效果的影响，基于此建立堆石料压实质量综合评价模型2和堆石料振动压实参数优化模型4；堆石料压实质量连续检测设备1实时采集振动压实过程中的动力信号与当前振动压实参数，并输入到堆石料压实质量综合评价模型2；堆石料压实质量综合评价模型2根据动力信号和当前振动压实参数，输出堆石料当前压实质量；堆石料振动压实参数优化模型4根据当前堆石料压实质量，以压实效率最大为目标进行振动压实参数优化，输出最优振动压实参数；堆石料振动压实参数反馈控制系统5通过调节压路机振动马达和行走马达液压油流量，实现振动压实参数的反馈调节。
图3是堆石料压实质量连续检测设备和堆石料振动压实参数反馈控制系统的结构示意图，如图3所示，堆石料压实质量连续检测设备由GPS(Global Positioning System，全球定位系统)接收机101、加速度传感器102、霍尔传感器103组成。GPS接收机101安装在振动压路机顶部，接收卫星定位信号，采用RTK-GPS(定位)技术，实时输出压路机高精度三维空间位置信息和行驶速度，并将数据传输到车载控制器104中。加速度传感器102安装在振动轮上，实时采集振动轮竖向加速度振动信号，霍尔传感器103安装在振动马达外壳上，振动马达旋转轴上安装有特制速度环，当振动压路机振动时，速度环与偏心块同步转动，霍尔传感器检测到电压信号，通过在速度环特定部位设置特殊磁粒，实现偏心块位置的实时检测。加速度传感器102采集到的加速度数据和霍尔传感器采集的数据传输到车载控制器中，车载控制器对加速度信号进行滤波、消除异常点等处理，并计算加速度幅值A、振动压实值CMV、土体刚度ks和地基反力Bs等连续检测指标。
堆石料振动压实参数反馈控制系统由车载控制器104、定量马达105、电液比例阀106、振动马达107、行走马达108组成。车载控制器104根据堆石料振动压实参数优化模型4输出的目标振动频率、振幅、车速，采用PID(Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分))算法调节电液比例阀106的开口大小，控制流入振动马达107、行走马达108的液压油流量，从而实现振动频率、车速等振动压实参数的反馈调节，使得压路机以最优振动压实参数工作。
图4是堆石料振动压实参数优化模型的结构示意图，如图4所示，该模型由振动压路机部分和堆石料部分组成：模型上部的振动压路机部分由上机架与振动轮组成，两者由简化为弹簧-阻尼并联的减震器连接；模型下部为堆石料部分，考虑振动压路机水平方向的行驶，将堆石料划分为宽度相等的条块，每个条块相互独立，只考虑条块的竖向变形。堆石料压实变形由粘弹性部分和粘塑性部分组成，其中，粘弹性部分为Maxwell模型，粘塑性部分由塑性弹簧和阻尼器并联组成的Perzyna模型。堆石料条块的受力-变形关系为：
Figure BDA0003188366650000091
其中，f(εvp(t))为塑性弹簧的荷载-变形关系，采用如下公式(5)的双曲线形式：
Figure BDA0003188366650000101
式中：σ(t)为t时刻的荷载；ε(t)为t时刻总变形；ke为弹性刚度；εve(t)为t时刻弹性变形；ce为弹性阻尼系数；εvp(t)为t时刻塑性变形；
Figure BDA0003188366650000102
为t时刻弹性变形速率；cp为塑性阻尼系数；/>
Figure BDA0003188366650000103
为t时刻塑性变形速率；A、B为双曲线形状特性参数，可以根据实际经验取值。
堆石料振动压实参数优化模型的计算流程包括如下步骤：
(1)在每个采样时间点首先计算振动轮中心位置，根据振动轮下方条块变形情况，确定与振动轮的接触条块：
Figure BDA0003188366650000104
式中：R为振动轮半径；b1为振动轮中心点后方振动轮与土体的接触宽度；b2为振动轮中心点前方振动轮与土体的接触宽度；εt为t时刻振动轮正下方土体条块的总变形，包括塑性变形与弹性变形；εp为该遍碾压土体发生的塑性变形。
(2)振动轮与堆石料的相互作用力Fs为各条块与振动轮相互作用力之和，公式(7)如下：
Figure BDA0003188366650000105
式中fs(i)为每个条块与振动轮的相互作用力，根据各条块的变形情况，由下式(8)计算：
Figure BDA0003188366650000106
式中：ke(i)为第i个条块的刚度；λ2(i)为第i个条块的弹性变形量；ce(i)为第i个条块的弹性阻尼系数；
Figure BDA0003188366650000107
为第i个条块的弹性变形速率。
(3)根据动力学原理，对“振动压路机-土体”系统的动力特性进行计算：
Figure BDA0003188366650000111
式中：mf为上机架质量；md为振动轮质量；
Figure BDA0003188366650000112
为上机架加速度；/>
Figure BDA0003188366650000113
振动轮加速度；λ1为弹性变形量；/>
Figure BDA0003188366650000114
为弹性变形速率，cf为减振器阻尼系数；kf为减振器刚度；F0为激振力；ω为角速度；t为时间，g为自由落体加速度。
由以上描述可知，本发明实施例的堆石料振动压实参数优化模型考虑了堆石料的粘弹塑性变形和压路机水平方向行驶，从而可以更准确地模拟了堆石料振动压实过程。
以下结合图5描述利用堆石料振动压实动力学模型建立堆石料压实质量综合评价模型和堆石料振动压实参数优化模型的流程：
(1)将不同的堆石料压实质量参数(包括弹性刚度系数、弹性阻尼系数、塑性弹簧参数、塑性阻尼系数)、振动频率f、振幅a、车速v输入到堆石料振动压实参数优化模型中，计算“振动压路机-土体”(也可以称为“振动压路机-土”)动力响应和压实效果(堆石料累积变形)。
(2)根据计算出的“振动压路机-土体”系统的振动轮竖向加速度、振幅、振动轮-土相互作用力，分别提取压实质量连续检测指标：加速度幅值A，压实计值CMV和地基反力Bs。
(3)利用多元回归模型或神经网络模型，构建堆石料压实质量、与振动压实参数和压实质量连续检测指标的映射关系(参见公式(1))，建立堆石料压实质量综合评价模型，实现堆石料压实度的实时检测。
(4)采用堆石料振动压实参数优化模型分析不同振动压实参数作用下堆石料压实效果，计算不同堆石料当前压实度Kn条件下，采用某组振动压实参数(fn+1,an+1,vn+1)进行下一遍碾压，堆石料压实度增的加量ΔKn+1：
ΔKn+1～f(Kn,fn+1,an+1,vn+1) (10)
(5)构建堆石料振动压实参数优化模型，该模型以单位长度堆石料压实度增长效率最大为优化目的，采用神经网络算法或遗传算法等智能优化算法，对振动压实参数(振动频率、振幅和车速等)进行优化，优化目标函数参见公式(3)。
在选择振动压实参数时还需要考虑冲击间距影响，冲击间距过大，则堆石料表面压实的平整度差，且有些部位无法有效压实；冲击间距过小，可能破坏已经压实的，因此需要设置堆石料振动压实参数优化的约束条件为：
Figure BDA0003188366650000121
(6)通过输入大量不同的当前压实度K，计算其所对应的下一遍碾压的最优振动压实参数(f，a，v)，最终堆石料振动压实参数优化模型形成表1所示的最优振动压实参数表。在实际振动压实过程，根据堆石料压实质量综合评价模型给出的堆石料当前压实度，通过快速查表可以确定下一遍的振动压实参数。
由以上描述可知，本发明实施例提出了一种基于振动压实动力学模型的堆石料振动压实过程优化控制方法，该方法建立了考虑堆石料粘弹塑性压实变形特性和压路机行驶的振动压实动力学模型，通过该模型可以分析堆石料力学参数和振动压实参数对“振动压路机-土体”系统动力特性和堆石料压实效果的影响，从而建立了堆石料压实质量综合评价模型和堆石料振动压实参数优化模型；在堆石料每一遍碾压中实时采集“振动压路机-土体”系统动力信号，对全碾压工作面压实质量实时检测，根据当前压实状况优化振动频率、振幅、行驶车速等参数，实现以最优振动压实参数进行碾压作业，以保障压实质量，提高压实效率。
基于相似的发明构思，本发明实施例还提供一种堆石料振动压实参数的调节装置，该装置优选地可用于实现上述堆石料振动压实参数调节方法的流程。
图6是该堆石料振动压实参数调节装置的结构框图，如图6所示，该装置包括：系统信息获取单元1、堆石料当前压实质量确定单元2、最优振动压实参数确定单元3和控制单元4，其中：
系统信息获取单元1，用于实时获取堆石料振动压实过程中的系统信息，所述系统信息包括：系统动力信号(例如，振动轮加速度幅值，压实计值CMV，地基反力Bs)和当前振动压实参数(例如，振动频率、振幅、车速)。
堆石料当前压实质量确定单元2，用于基于预先构建的堆石料振动压实动力学模型，根据获取的系统动力信号和当前振动压实参数确定堆石料当前压实质量，其中，所述堆石料振动压实动力学模型包括：压路机部分和堆石料部分，所述堆石料部分的压实变形包括：粘弹性部分和粘塑性部分。
具体地，堆石料当前压实质量确定单元可以将获取的系统动力信号和当前振动压实参数输入至堆石料压实质量综合评价模型，以确定堆石料当前压实质量，所述堆石料压实质量综合评价模型用于基于系统动力信号和振动压实参数确定相应的堆石料压实质量。
最优振动压实参数确定单元3，用于基于预先设置的最优振动压实参数信息，确定与所述堆石料当前压实质量相应的最优振动压实参数，所述最优振动压实参数信息包括：堆石料压实质量与最优振动压实参数的对应关系。
控制单元4，用于根据确定的最优振动压实参数控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量，以对所述当前振动压实参数进行反馈调节至最优振动压实参数。
具体地，控制单元4根据确定的最优振动压实参数调节压路机的电液比例阀的开口大小，以此控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量。
通过堆石料当前压实质量确定单元2基于堆石料振动压实动力学模型，对系统信息获取单元1获取的堆石料振动压实过程中的系统动力信号和当前振动压实参数确定堆石料当前压实质量，随后最优振动压实参数确定单元3根据预先设置的最优振动压实参数信息，确定与所述堆石料当前压实质量相应的最优振动压实参数，之后控制单元4根据该最优振动压实参数控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量，以对当前振动压实参数进行反馈调节至最优振动压实参数，由于堆石料振动压实动力学模型真实模拟了堆石料振动压实过程，因而可以得到更准确的堆石料压实质量与最优振动压实参数的对应关系，基于该对应关系对当前振动压实参数进行反馈调节成最优振动压实参数，从而可以实现对堆石料压实过程的更准确地优化控制，保障压实质量，提高压实效率。
在具体实施时，可以预先在振动压路机顶部安装GPS定位设备，在压路机的振动轮上安装加速度传感器，在压路机的振动马达外壳上安装霍尔传感器。
上述装置还包括：系统信息生成单元，用于根据所述GPS定位设备获取的定位信息、所述加速度传感器获取的加速度信息和所述霍尔传感器获取的电压信息生成所述系统信息，以便于系统信息获取单元1获取信息。
在具体实施过程中，上述装置还包括：堆石料振动压实动力学模型构建单元，该单元用于采用集中参数的“质-弹-阻”模型构建所述堆石料振动压实动力学模型，其中，所述压路机部分由上机架和振动轮通过弹簧、阻尼并联组成，所述振动轮作用于所述堆石料部分，所述堆石料部分将堆石料划分为相同宽度的条块。
在实际操作中，上述装置还包括：堆石料压实质量综合评价模型构建单元，用于构建所述堆石料压实质量综合评价模型。
所述堆石料压实质量综合评价模型构建单元包括：映射关系确定模块和堆石料压实质量综合评价模型构建模块，其中：
映射关系确定模块，用于基于所述堆石料振动压实动力学模型的堆石料振动压实模拟训练结果确定系统动力信号和振动压实参数、与堆石料压实质量的映射关系；
堆石料压实质量综合评价模型构建模块，用于根据所述系统动力信号和振动压实参数、与堆石料压实质量的映射关系构建所述堆石料压实质量综合评价模型。
在一个实施例中，上述装置还包括：最优振动压实参数信息生成单元，用于生成最优振动压实参数信息。
具体地，该最优振动压实参数信息生成单元包括：参数优化模块和最优振动压实参数信息生成模块，其中：
参数优化模块，用于以单位长度堆石料压实度增长效率最大为优化目标，基于预定约束条件，采用预定算法对不同堆石料压实质量相应的振动压实参数进行优化；
最优振动压实参数信息生成模块，用于根据优化结果生成所述最优振动压实参数信息，例如，上述表1所示的信息。
上述各单元、各模块的具体执行过程，可以参见上述方法实施例中的描述，此处不再赘述。
在实际操作中，上述各单元、各模块可以组合设置、也可以单一设置，本发明不限于此。
本实施例还提供一种电子设备，该电子设备可以是台式计算机、平板电脑及移动终端等，本实施例不限于此。在本实施例中，该电子设备可以参照上述方法实施例进行实施及堆石料振动压实参数调节装置的实施例进行实施，其内容被合并于此，重复之处不再赘述。
图7为本发明实施例的电子设备600的系统构成的示意框图。如图7所示，该电子设备600可以包括中央处理器100和存储器140；存储器140耦合到中央处理器100。值得注意的是，该图是示例性的；还可以使用其他类型的结构，来补充或代替该结构，以实现电信功能或其他功能。
一实施例中，堆石料振动压实参数调节功能可以被集成到中央处理器100中。其中，中央处理器100可以被配置为进行如下控制：
实时获取堆石料振动压实过程中的系统信息，所述系统信息包括：系统动力信号和当前振动压实参数；
基于预先构建的堆石料振动压实动力学模型，根据获取的系统动力信号和当前振动压实参数确定堆石料当前压实质量，其中，所述堆石料振动压实动力学模型包括：堆石料部分，所述堆石料部分的压实变形包括：粘弹性部分和粘塑性部分；
基于预先设置的最优振动压实参数信息，确定与所述堆石料当前压实质量相应的最优振动压实参数，所述最优振动压实参数信息包括：堆石料压实质量与最优振动压实参数的对应关系；
根据确定的最优振动压实参数控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量，以对所述当前振动压实参数进行反馈调节至最优振动压实参数。
从上述描述可知，本申请实施例提供的电子设备，通过基于堆石料振动压实动力学模型，对获取的堆石料振动压实过程中的系统动力信号和当前振动压实参数确定堆石料当前压实质量，随后根据预先设置的最优振动压实参数信息，确定与所述堆石料当前压实质量相应的最优振动压实参数，之后根据该最优振动压实参数控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量，以对当前振动压实参数进行反馈调节至最优振动压实参数，由于堆石料振动压实动力学模型真实模拟了堆石料振动压实过程，因而可以得到更准确的堆石料压实质量与最优振动压实参数的对应关系，基于该对应关系对当前振动压实参数进行反馈调节成最优振动压实参数，从而可以实现对堆石料压实过程的更准确地优化控制，保障堆石料的压实质量，提高压实效率。
在另一个实施方式中，堆石料振动压实参数调节装置可以与中央处理器100分开配置，例如可以将堆石料振动压实参数调节装置配置为与中央处理器100连接的芯片，通过中央处理器的控制来实现堆石料振动压实参数调节功能。
如图7所示，该电子设备600还可以包括：通信模块110、输入单元120、音频处理单元130、显示器160、电源170。值得注意的是，电子设备600也并不是必须要包括图7中所示的所有部件；此外，电子设备600还可以包括图7中没有示出的部件，可以参考现有技术。
如图7所示，中央处理器100有时也称为控制器或操作控件，可以包括微处理器或其他处理器装置和/或逻辑装置，该中央处理器100接收输入并控制电子设备600的各个部件的操作。
其中，存储器140，例如可以是缓存器、闪存、硬驱、可移动介质、易失性存储器、非易失性存储器或其它合适装置中的一种或更多种。可储存上述与失败有关的信息，此外还可存储执行有关信息的程序。并且中央处理器100可执行该存储器140存储的该程序，以实现信息存储或处理等。
输入单元120向中央处理器100提供输入。该输入单元120例如为按键或触摸输入装置。电源170用于向电子设备600提供电力。显示器160用于进行图像和文字等显示对象的显示。该显示器例如可为LCD显示器，但并不限于此。
该存储器140可以是固态存储器，例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、SIM卡等。还可以是这样的存储器，其即使在断电时也保存信息，可被选择性地擦除且设有更多数据，该存储器的示例有时被称为EPROM等。存储器140还可以是某种其它类型的装置。存储器140包括缓冲存储器141(有时被称为缓冲器)。存储器140可以包括应用/功能存储部142，该应用/功能存储部142用于存储应用程序和功能程序或用于通过中央处理器100执行电子设备600的操作的流程。
存储器140还可以包括数据存储部143，该数据存储部143用于存储数据，例如联系人、数字数据、图片、声音和/或任何其他由电子设备使用的数据。存储器140的驱动程序存储部144可以包括电子设备的用于通信功能和/或用于执行电子设备的其他功能(如消息传送应用、通讯录应用等)的各种驱动程序。
通信模块110即为经由天线111发送和接收信号的发送机/接收机110。通信模块(发送机/接收机)110耦合到中央处理器100，以提供输入信号和接收输出信号，这可以和常规移动通信终端的情况相同。
基于不同的通信技术，在同一电子设备中，可以设置有多个通信模块110，如蜂窝网络模块、蓝牙模块和/或无线局域网模块等。通信模块(发送机/接收机)110还经由音频处理器130耦合到扬声器131和麦克风132，以经由扬声器131提供音频输出，并接收来自麦克风132的音频输入，从而实现通常的电信功能。音频处理器130可以包括任何合适的缓冲器、解码器、放大器等。另外，音频处理器130还耦合到中央处理器100，从而使得可以通过麦克风132能够在本机上录音，且使得可以通过扬声器131来播放本机上存储的声音。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现上述堆石料振动压实参数的调节方法的步骤。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于振动压实动力学模型的堆石料振动压实过程优化控制方案，堆石料振动压实动力学模型考虑堆石料振动压实过程中的粘弹塑性变形和压路机水平方向的行驶，通过模型分析不同堆石料压实质量与振动参数对“振动压路机-土体”系统动力特性和堆石料压实效果的影响，建立堆石料压实质量连续评估模型和堆石料压实参数优化模型。通过堆石料压实质量连续检测设备实时采集振动压实过程中的压路机位置信息、系统动力响应信号和振动压实参数，并输入到堆石料压实质量连评估模型，得到堆石料当前压实质量；堆石料压实参数优化模型根据当前堆石料压实质量，以压实效率最大为目标进行振动压实参数优化，输出最优振动压实参数；堆石料振动压实参数反馈控制系统通过调节电液比例阀开口大小控制压路机振动马达和行走马达液压油流量，反馈调节振动压实参数，实现了堆石料振动压实过程优化控制，保障了压实质量，提高压实效率。
以上参照附图描述了本发明的优选实施方式。这些实施方式的许多特征和优点根据该详细的说明书是清楚的，因此权利要求旨在覆盖这些实施方式的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施方式限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种堆石料振动压实参数的调节方法，其特征在于，所述方法包括：
实时获取堆石料振动压实过程中的系统信息，所述系统信息包括：系统动力信号和当前振动压实参数；
基于预先构建的堆石料振动压实动力学模型，根据获取的系统动力信号和当前振动压实参数确定堆石料当前压实质量，其中，所述堆石料振动压实动力学模型包括：堆石料部分，所述堆石料部分的压实变形包括：粘弹性部分和粘塑性部分；
基于预先设置的最优振动压实参数信息，确定与所述堆石料当前压实质量相应的最优振动压实参数，所述最优振动压实参数信息包括：堆石料压实质量与最优振动压实参数的对应关系；
根据确定的最优振动压实参数控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量，以对所述当前振动压实参数进行反馈调节至最优振动压实参数；
根据获取的系统动力信号和当前振动压实参数确定堆石料当前压实质量包括：
将获取的系统动力信号和当前振动压实参数输入至堆石料压实质量综合评价模型，以确定堆石料当前压实质量，所述堆石料压实质量综合评价模型用于基于系统动力信号和振动压实参数确定相应的堆石料压实质量；
通过如下方式构建所述堆石料压实质量综合评价模型：
基于所述堆石料振动压实动力学模型的堆石料振动压实模拟训练结果确定系统动力信号和振动压实参数与堆石料压实质量的映射关系；
根据所述系统动力信号和振动压实参数与堆石料压实质量的映射关系构建所述堆石料压实质量综合评价模型；所述映射关系如下所示：
K～f(A,CMV,Bs,f,v,a)
式中：A为振动轮加速度幅值；CMV为压实计值；Bs为地基反力；f为振动频率；a为振幅；v为压路机行驶车速；
振动压实参数包括：振动频率、振幅、压路机车速，通过如下方式生成最优振动压实参数信息：
以单位长度堆石料压实度增长效率最大为优化目标，基于预定约束条件，采用预定算法对不同堆石料压实质量相应的振动压实参数进行优化；
根据优化结果生成所述最优振动压实参数信息；
优化目标如下所示：
maxΔKn+1·vn+1；
其中：ΔKn+1～f(Kn,fn+1,an+1,vn+1)，由堆石料振动压实动力学模型计算得到；ΔKn+1为第n+1遍碾压堆石料压实度增量；Kn为第n遍碾压后的压实度；fn+1为第n+1遍振动频率；an+1为第n+1遍振幅；vn+1为第n+1遍车速。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述堆石料振动压实动力学模型还包括：压路机部分，通过如下方式构建所述堆石料振动压实动力学模型：
采用集中参数的“质-弹-阻”模型构建所述堆石料振动压实动力学模型，其中，所述压路机部分由上机架和振动轮通过弹簧、阻尼并联组成，所述振动轮作用于所述堆石料部分，所述堆石料部分将堆石料划分为相同宽度的条块。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，实时获取堆石料振动压实过程中的系统信息之前，所述方法还包括：
在压路机顶部安装GPS定位设备，在压路机的振动轮上安装加速度传感器，在压路机的振动马达外壳上安装霍尔传感器；
根据所述GPS定位设备获取的定位信息、所述加速度传感器获取的加速度信息和所述霍尔传感器获取的电压信息生成所述系统信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压路机包括：电液比例阀，根据确定的最优振动压实参数控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量包括：
根据确定的最优振动压实参数调节电液比例阀的开口大小，以此控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量。
5.一种堆石料振动压实参数的调节装置，其特征在于，所述装置包括：
系统信息获取单元，用于实时获取堆石料振动压实过程中的系统信息，所述系统信息包括：系统动力信号和当前振动压实参数；
堆石料当前压实质量确定单元，用于基于预先构建的堆石料振动压实动力学模型，根据获取的系统动力信号和当前振动压实参数确定堆石料当前压实质量，其中，所述堆石料振动压实动力学模型包括：堆石料部分，所述堆石料部分的压实变形包括：粘弹性部分和粘塑性部分；
最优振动压实参数确定单元，用于基于预先设置的最优振动压实参数信息，确定与所述堆石料当前压实质量相应的最优振动压实参数，所述最优振动压实参数信息包括：堆石料压实质量与最优振动压实参数的对应关系；
控制单元，用于根据确定的最优振动压实参数控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量，以对所述当前振动压实参数进行反馈调节至最优振动压实参数；
所述堆石料当前压实质量确定单元具体用于：
将获取的系统动力信号和当前振动压实参数输入至堆石料压实质量综合评价模型，以确定堆石料当前压实质量，所述堆石料压实质量综合评价模型用于基于系统动力信号和振动压实参数确定相应的堆石料压实质量；
所述装置还包括：
堆石料压实质量综合评价模型构建单元，用于构建所述堆石料压实质量综合评价模型，
所述堆石料压实质量综合评价模型构建单元包括：
映射关系确定模块，用于基于所述堆石料振动压实动力学模型的堆石料振动压实模拟训练结果确定系统动力信号和振动压实参数、与堆石料压实质量的映射关系；
堆石料压实质量综合评价模型构建模块，用于根据所述系统动力信号和振动压实参数、与堆石料压实质量的映射关系构建所述堆石料压实质量综合评价模型；所述映射关系如下所示：
K～f(A,CMV,Bs,f,v,a)
式中：A为振动轮加速度幅值；CMV为压实计值；Bs为地基反力；f为振动频率；a为振幅；v为压路机行驶车速；
振动压实参数包括：振动频率、振幅、压路机车速，所述装置还包括：
最优振动压实参数信息生成单元，用于生成最优振动压实参数信息，
所述最优振动压实参数信息生成单元包括：
参数优化模块，用于以单位长度堆石料压实度增长效率最大为优化目标，基于预定约束条件，采用预定算法对不同堆石料压实质量相应的振动压实参数进行优化；
最优振动压实参数信息生成模块，用于根据优化结果生成所述最优振动压实参数信息；
优化目标如下所示：
maxΔKn+1·vn+1；
其中：ΔKn+1～f(Kn,fn+1,an+1,vn+1)，由堆石料振动压实动力学模型计算得到；ΔKn+1为第n+1遍碾压堆石料压实度增量；Kn为第n遍碾压后的压实度；fn+1为第n+1遍振动频率；an+1为第n+1遍振幅；vn+1为第n+1遍车速。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述堆石料振动压实动力学模型还包括：压路机部分，所述装置还包括：
堆石料振动压实动力学模型构建单元，用于采用集中参数的“质-弹-阻”模型构建所述堆石料振动压实动力学模型，其中，所述压路机部分由上机架和振动轮通过弹簧、阻尼并联组成，所述振动轮作用于所述堆石料部分，所述堆石料部分将堆石料划分为相同宽度的条块。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在压路机顶部安装GPS定位设备，在压路机的振动轮上安装加速度传感器，在压路机的振动马达外壳上安装霍尔传感器，所述装置还包括：
系统信息生成单元，用于根据所述GPS定位设备获取的定位信息、所述加速度传感器获取的加速度信息和所述霍尔传感器获取的电压信息生成所述系统信息。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述压路机包括：电液比例阀，所述控制单元具体用于：
根据确定的最优振动压实参数调节电液比例阀的开口大小，以此控制流入压路机振动马达和行走马达的液压油流量。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至4中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述方法的步骤。
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