CN116353811B - 一种用于全漂浮式整平船的调平方法及调平系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于整平船技术领域，涉及一种用于全漂浮式整平船的调平方法及调平系统。该调平方法包括力矩调平子方法，力矩调平子方法包括：建立整平船的三维坐标系；整平作业前将大小车移至作业起点位置并将船体调平，分别计算大小车系统和压载舱系统的初始重心坐标；整平作业期间，根据大小车的实时位置及抛石管内石料的实时重量，计算大小车系统的实时重心坐标，以计算大小车系统运动产生的实时重力力矩；构建力矩平衡方程以实时推导出动态调平后压载舱系统的实时重心坐标，进而按最小调拨策略解算动态调平时各压载舱压载水调拨量。本发明能迅速且准确计算出动态调平时各压载舱压载水调拨量，进而实现对全漂浮式整平船的自动精准快速调平。

Description

一种用于全漂浮式整平船的调平方法及调平系统

技术领域

本发明属于整平船技术领域，具体涉及一种用于全漂浮式整平船的调平方法及调平系统。

背景技术

在一些地质条件复杂的海域进行沉管隧道碎石基床施工时，目前较为先进的施工方式是全漂浮式施工作业方式，即整平船不需要插拔桩作业，船体处于全漂浮状态下进行碎石基床整平作业。

如图2所示，整平船本身为回字型框架结构船，框架中部为月池；整平船甲板上连接有大小车系统，大小车系统包括可在船艏与船艉之间往复移动的大车以及装于大车上并可沿大车往复移动的小车，小车上连接有抛石管，抛石管内装有石料；通过移动大车和小车带动抛石管在整个月池内移动并抛石，以进行碎石基床的整平作业。全漂浮式整平船上的压载水系统通常配备有八个压载舱组成的压载舱系统，其中四个压载舱是位于船体左侧，按船艏到船艉的顺序依次记作第一压载舱、第二压载舱、第三压载舱和第四压载舱，另外四个压载舱是位于船体右侧，按船艏到船艉的顺序依次记作第五压载舱、第六压载舱、第七压载舱和第八压载舱。因整平作业期间整平船船体处于全漂浮状态，且大小车的位置时刻变化，导致船体重心偏移、船体横纵倾时刻在变动，需要在压载舱之间进行压载水的调拨以对整平船进行动态调平，使整平作业期间船体始终保持水平，进而确保碎石基床的整平精度。

目前，整平作业期间压载水的调拨通常由经验丰富的操作人员手动操控，操作人员实时监控船体倾斜度及大车和小车的位置，估算压载水调拨量，手动操控压载水系统中各阀门及各压载泵的开关，以期实现整平船的动态调平。然而，整个整平作业过程需要操作人员全身心投入，工作负荷较大，而且因压载水调拨量依赖于操作人员的自身经验、主观感受和技术水平，压载水调拨容易出现欠调或超调的情况，尤其对于全漂浮式整平作业而言，人工手动调平的难度大且响应慢，因而导致全漂浮式整平船的调平精度较差、调平效率较低，进而导致碎石基床的整平精度较差、施工效率较低，难以满足沉管隧道碎石基床的施工要求。

发明内容

针对相关技术中存在的不足之处，本发明提供一种用于全漂浮式整平船的调平方法及调平系统，旨在提供一种简单实用且可靠性高的调平方法，以迅速且准确计算出动态调平时各个压载舱的压载水调拨量，进而实现整平作业期间对全漂浮式整平船的精准快速调平。

本发明提供一种用于全漂浮式整平船的调平方法，包括力矩调平子方法，力矩调平子方法包括以下步骤：

S1、建立整平船的三维坐标系；

S2、整平作业前，将大车和小车移至整平作业起点位置，并将整平船船体调平；计算大小车系统的初始重心坐标（,/>,/>），计算压载舱系统的初始重心坐标（/>,,/>）；

S3、整平作业期间，根据大车和小车的实时位置及抛石管内石料的实时重量，计算大小车系统的实时重心坐标（,/>,/>），进而计算出大小车系统运动产生的实时重力力矩/>；构建力矩平衡方程，以实时推导出动态调平后压载舱系统的实时重心坐标（/>,/>,/>），进而按照最小调拨策略对动态调平时各个压载舱的压载水调拨量进行优化解算。

上述技术方案通过力矩调平子方法的应用，能够在整平作业期间迅速解算出动态调平时各个压载舱的压载水调拨量，解决了现有整平作业期间人工估算压载水调拨量而导致工作量大、调平精度差、调平效率低等问题，实现了压载水调拨量的自动化准确计算，进而得以提高全漂浮式整平船的调平精度和调平效率。

在其中一些实施例中，力矩平衡方程为：

(1)；

在式(1)中，采用式(2)进行计算；/>为压载舱系统内压载水调拨产生的实时重力力矩，采用式(3)进行计算；

(2)；

(3)；

在式(2)-式(3)中，和/>分别为大小车系统和压载舱系统的重力矢量，分别采用式(4)和式(5)进行计算；/>和/>分别为大小车系统和压载舱系统的重心变化矢量，分别采用式(6)和式(7)进行计算；

(4)；

(5)；

(6)；

(7)；

将式(2)-式(7)代入到式(1)中，得到细化后的力矩平衡方程，表示为式(8)；

(8)；

在式(4)、式(5)及式(8)中，和/>分别为大小车系统和压载舱系统的重力，分别采用式(9)和式(10)进行计算；

(9)；

(10)；

在式(9)-式(10)中，为大车本身重量，/>为小车本身重量，/>为抛石管内石料的实时重量；/>为第i个压载舱的重量，其中，i=1、2、…、n；将式(9)-式(10)代入到式(8)中，解算出动态调平后压载舱系统的实时重心坐标（/>,/>,/>）。

在其中一些实施例中，最小调拨策略具体为，使参与压载水调拨的压载舱数量最少且压载舱之间的压载水调拨量最小；在对动态调平时各个压载舱的压载水调拨量进行优化解算时，还包括预判参与压载水调拨的压载舱在调拨过程中是否会达到满舱状态或空舱状态；若是，则增加参与压载水调拨的压载舱的数量。

在其中一些实施例中，满舱状态为压载舱内的压载水量大于等于压载舱额定容量的90%；空舱状态为压载舱内的压载水量小于等于压载舱额定容量的10%。

在其中一些实施例中，调平方法还包括倾角调平子方法，用于对力矩调平子方法解算出的各个压载舱的压载水调拨量进行验证；倾角调平子方法包括以下步骤：

在整平作业期间，计算大小车系统运动产生的实时横倾角和实时纵倾角/>；根据力矩调平子方法解算出的各个压载舱的压载水调拨量，计算压载舱系统内压载水调拨产生的实时横倾角/>和实时纵倾角/>；

验证、/>、/>和/>是否满足倾角调平方程；若是，则力矩调平子方法解算出的各个压载舱的压载水调拨量合格；若否，则重新执行步骤S3以重新解算动态调平时各个压载舱的压载水调拨量；倾角调平方程为：

(11)。

上述技术方案通过倾角调平子方法的应用，对力矩调平子方法的解算结果进行验证，确保动态调平时各个压载舱的压载水调拨量的计算准确性和可靠性，进而确保整套调平方法能够可靠应用于全漂浮式整平船的精准调平。

在其中一些实施例中，大小车系统运动产生的实时横倾角和实时纵倾角/>分别采用式(12)和式(13)进行计算；压载舱系统内压载水调拨产生的实时横倾角/>采用式(14)-式(15)进行计算，实时纵倾角/>采用式(16)-式(17)进行计算；

(12)；

(13)；

(14)；

(15)；

(16)；

(17)；

在式(12)-式(17)中，为整平船本身排水量；/>为大车本身重量，/>为小车本身重量，/>为抛石管内石料的实时重量；/>为小车沿大车移动的距离，/>为大小车系统同步移动的距离；/>为大小车系统运动时整平船的初稳性高度，/>为大小车系统运动时整平船的纵稳性高度，均通过整平船整平系统内置船舶软件自动计算得到；/>和/>分别为第i个压载舱压载水调拨产生的实时横倾角和实时纵倾角；/>为第i个压载舱压载水的调拨量，根据/>及第i个压载舱的实时液位高度，计算出第i个压载舱被调拨部分的压载水的重心坐标（/>,/>,/>）；/>为整平船的漂心横坐标，通过整平船整平系统内置船舶软件自动计算得到；/>为第i个压载舱压载水调拨时整平船的初稳性高度，采用式(18)进行计算；/>为第i个压载舱压载水调拨时整平船的纵稳性高度，采用式(19)进行计算；其中，i=1、2、…、n；

(18)；

(19)；

在式(18)-式(19)中，为整平船平均吃水量，通过整平船整平系统自动监测得到；为第i个压载舱平均吃水的增量，采用式(20)进行计算；

(20)；

在式(20)中，为整平船本身的每厘米吃水吨数。

本发明还提供一种用于全漂浮式整平船的调平系统，调平系统包括网络数据模块、调平方法模块、压载水系统操作模块和人机接口，调平方法模块内置前述的用于全漂浮式整平船的调平方法；

网络数据模块与整平船整平系统通讯连接，以实时接收整平系统对大小车系统及压载舱系统的实时监测信息，并将其实时传输至调平方法模块；

调平方法模块与网络数据模块通讯连接，以根据网络数据模块的实时传输信息，实时解算动态调平时各个压载舱的压载水调拨量；

压载水系统操作模块与调平方法模块通讯连接，以根据调平方法模块的解算结果实时进行压载水调拨；

人机接口与网络数据模块、调平方法模块及压载水系统操作模块均通讯连接；人机接口包括显示单元，显示单元对调平系统的运行情况进行可视化的动画显示；调平系统的运行情况包括整平作业期间各个压载舱的压载水调拨量的实时解算结果、压载水调拨的实时状态、各个压载舱的实时液位显示。

在其中一些实施例中，网络数据模块将实时接收到的整平系统对大小车系统及压载舱系统的监测信息作为输入数据，以触发对整平船的自动动态调平，进而通过调平方法模块对压载水调拨量的实时解算以及压载水系统操作模块对压载水的实时调拨，将整平作业期间整平船船体的倾斜值控制在±0.08°以内。

基于上述技术方案，本发明实施例中的用于全漂浮式整平船的调平方法及调平系统，能够迅速且准确地计算动态调平时各个压载舱压载水调拨量，进而实现整平作业期间对全漂浮式整平船的自动化一键精准调平，解决了现有整平作业期间人工实时监控船体姿态变化、手动调拨压载水而导致工作量大、响应慢、调平精度不高、施工效率低的问题，显著提高了整平作业期间全漂浮式整平船的调平精度和调平效率，进而能够可靠提高碎石基床的整平精度和施工效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的用于全漂浮式整平船的调平方法的流程图；

图2为整平船上各个压载舱及大车、小车的布置示意图；

图3为整平船上大车及小车的结构及位置尺寸俯视图；

图4为图3的右视图（旋转90度显示，未显示整平船船体）；

图5为整平船上各个压载舱的结构及位置尺寸俯视图；

图6为整平船大小车系统运动产生的实时横倾角的原理示意图；

图7为整平船大小车系统运动产生的实时纵倾角的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图5所示，本发明提供一种用于全漂浮式整平船的调平方法，该调平方法包括力矩调平子方法，力矩调平子方法具体包括以下步骤：

S1、建立整平船的三维坐标系；具体地，设整平船甲板上船艉与右舷相交点为三维坐标系的原点，X轴平行于整平船船体基线且X轴正向指向船艏，Y轴正向指向左舷，Z轴垂直于船体基线向上。

S2、整平作业前，将大车和小车移至整平作业起点位置，并将整平船船体调平；此时计算大小车系统的初始重心坐标（,/>,/>），计算压载舱系统的初始重心坐标（,/>,/>）。

S3、整平作业期间，根据大车和小车的实时位置以及小车抛石管内石料的实时重量，计算大小车系统的实时重心坐标（,/>,/>），进而根据大小车系统的重力和重心坐标的变化，计算出大小车系统运动产生的实时重力力矩/>；构建力矩平衡方程，以实时推导出动态调平后压载舱系统的实时重心坐标（/>,/>,/>），进而按照最小调拨策略对动态调平时各个压载舱的压载水调拨量进行优化解算。

进一步说明力矩调平子方法的原理：整平作业前，先将整平船船体调平；整平作业期间，大小车系统的运动会带来整平船船体重心改变，导致船体发生横倾或纵倾，因而需要进行压载舱系统内的压载水调拨，通过压载水调拨来调整船体重心，以平衡掉大小车系统运动导致的船体重心改变，从而实现船体姿态不变即调平。

参考图2-图4，简要说明大小车系统的初始重心坐标（,/>,/>）和实时重心坐标（/>,/>,/>）的计算原理；可以理解的是，图中/>、/>、/>、/>为整平船已知固有尺寸，/>、/>为大小车系统运动产生的实时尺寸，可通过整平船的整平系统监测得到；以整平作业起点位置位于船艉右舷处为例，当大小车位于整平作业起点位置时，即/>且时，计算出的大小车系统实时重心坐标（/>,/>,/>）即为初始重心坐标（/>,,/>）。大小车系统的实时重心坐标（/>,/>,/>）的计算过程包括如下步骤：

1）计算大车的实时重心坐标（,/>,/>）；将整个大车分为三部分，上方的主体段及主体段下方两侧的连接段，将主体段的重量记作/>、主体段的重心坐标记作（/>,/>,/>），将两连接段的重量分别记作/>和/>、两连接段的重心坐标分别记作（/>,/>,/>）和（/>,,/>）；由图3、图4可知，

那么大车的重心坐标（,/>,/>）通过以下公式计算出来；可以理解的是，在整平作业期间，大车本身仅沿X轴方向往复移动且大车本身重量不发生变化，因而大车本身重心坐标中的/>和/>的数值保持不变；

2）计算小车的实时重心坐标（,/>,/>）；其中，/>为小车抛石管装满时石料的重量；/>为抛石管内石料的实时重量；

3）计算大小车系统的实时重心坐标（,/>,/>）；其中，/>为小车本身重量；/>为大车本身重量，/>；

需要说明的是，上述大小车系统的实时重心坐标的计算过程仅为原理示意，详细计算过程需结合整平船及大小车系统的具体结构尺寸设置进行。

参考图2、图5所示，简要说明压载舱系统的初始重心坐标（,/>,/>）的计算原理；以全漂浮式整平船压载舱系统包括八个压载舱且八个压载舱呈前后左右对称设置为例，设每个压载舱长为/>、宽为/>、高为/>，压载舱顶面距离甲板的高度为/>，每个压载舱的液位高度分别为/>，/>为压载舱编号；可以理解的是，/>、/>、/>、/>及图中/>、/>为整平船压载舱的已知固有尺寸，/>可由整平船的整平系统通过液位传感器等监测得到；每个压载舱的重心坐标（/>,/>,/>）通过以下公式计算出来：

那么压载舱系统的初始重心坐标（,/>,/>）通过以下公式计算出来；其中，/>为第/>个压载舱的重量，i=1、2、…、n，在该实施例中n=8；

可以理解的是，对压载舱系统自身而言，压载舱系统的实时重心坐标（,/>,）和初始重心坐标（/>,/>,/>）的计算原理是一样的，因而在步骤S3的整平作业期间，在推导出动态调平后压载舱系统的实时重心坐标（/>,/>,/>）后，再参考上述公式即可反向解算出动态调平时各个压载舱的重量，进而按照最小调拨策略优化解算出动态调平时各个压载舱的压载水调拨量。

上述示意性实施例通过力矩调平子方法的应用，在整平作业期间能够根据大车和小车的实时位置及小车抛石管内石料的实时重量，迅速且准确解算出动态调平时各个压载舱的压载水调拨量，解决了现有整平作业期间人工估算压载水调拨量而导致工作量大、调平精度差、调平效率低等问题，实现了压载水调拨量的自动化计算且计算更为准确快速，在此基础上能够实现全漂浮式整平船的精准快速调平。

在一些实施例中，力矩平衡方程为：

(1)；

在式(1)中，为大小车系统运动产生的实时重力力矩，采用式(2)进行计算；/>为压载舱系统内压载水调拨产生的实时重力力矩，采用式(3)进行计算；

(2)；

(3)；

在式(2)-式(3)中，和/>分别为大小车系统和压载舱系统的重力矢量，分别采用式(4)和式(5)进行计算；/>和/>分别为大小车系统和压载舱系统的重心变化矢量，分别采用式(6)和式(7)进行计算；

(4)；

(5)；

(6)；

(7)；

将式(2)-式(7)代入到式(1)中，得到细化后的力矩平衡方程，表示为式(8)；

(8)；

在式(4)、式(5)及式(8)中，和/>分别为大小车系统和压载舱系统的重力，分别采用式(9)和式(10)进行计算；

(9)；

(10)；

在式(9)-式(10)中，为大车本身重量，/>为小车本身重量，/>为小车抛石管内石料的实时重量；/>为第i个压载舱的重量，其中，i=1、2、…、n，则/>为n个压载舱的总重量；

将式(9)-式(10)代入到式(8)中，解算出动态调平后压载舱系统的实时重心坐标（,/>,/>）。进一步说明，细化后的动态平衡方程中，大小车系统的实时重心坐标（,/>,/>）和小车抛石管内石料的实时重量/>为输入变量；根据前述大小车系统实时重心坐标的计算原理，更具体地说，小车抛石管内石料的实时重量/>和图3中的/>、/>为输入变量，决定着动态调平后压载舱系统的实时重心坐标（/>,/>,/>）这一输出变量的数值。

上述示意性实施例，通过力矩平衡方程的应用，实现了对动态调平后压载舱系统的实时重心坐标的推导计算。

在一些实施例中，最小调拨策略具体为，使参与压载水调拨的压载舱数量最少且压载舱之间的压载水调拨量最小。在对动态调平时各个压载舱的压载水调拨量进行优化解算时，还包括预判参与压载水调拨的压载舱在调拨过程中是否会达到满舱状态或空舱状态；若预判会达到满舱或空舱状态，则增加参与压载水调拨的压载舱的数量；若预判不会达到满舱或空舱状态，则可保持参与压载水调拨的压载舱数量不变。上述示意性实施例，能够在压载舱的承载能力范围内找到最接近当前压载舱内压载水存量的调拨方案，以实现压载舱系统内压载水的就近快速调拨，进而能够提高整平船的调平效率。

在一些实施例中，满舱状态为压载舱内的压载水量大于等于压载舱额定容量的90%；空舱状态为压载舱内的压载水量小于等于压载舱额定容量的10%。

如图1、图6、图7所示，在一些实施例中，调平方法还包括倾角调平子方法，用于对力矩调平子方法解算出的各个压载舱的压载水调拨量进行验证。倾角调平子方法具体包括以下步骤：

在整平作业期间，计算出大小车系统运动产生的实时横倾角和实时纵倾角；根据力矩调平子方法解算出的各个压载舱的压载水调拨量，计算压载舱系统内压载水调拨产生的实时横倾角/>和实时纵倾角/>；

验证、/>、/>和/>是否满足式(11)所示的倾角调平方程；若满足倾角调平方程，则力矩调平子方法解算出的各个压载舱的压载水调拨量合格；若不满足倾角调平方程，则重新执行力矩调平子方法中步骤S3，以重新解算动态调平时各个压载舱的压载水调拨量。倾角调平方程为：

(11)。

进一步说明倾角调平子方法对力矩调平子方法的验证原理：整平作业前将整平船船体调平时，参考图6、图7所示，整平船船体处于正浮状态，其初始水线为，此时船体的横倾及纵倾均为零；整平作业期间，大小车系统的运动会导致船体发生横倾或纵倾，压载舱系统内压载水的调拨也会导致船体发生横倾或纵倾；通过验证大小车系统运动产生的船体倾斜值和压载舱系统内压载水调拨产生的船体倾斜值能否相互抵消，即可预判整平作业期间船体姿态是否可被调平，进而验证力矩调平子方法解算出各个压载舱的压载水调拨量是否合格。

上述示意性实施例通过倾角调平子方法的应用，对力矩调平子方法解算出的各个压载舱的压载水调拨量进行验证，提高动态调平时各个压载舱的压载水调拨量的计算准确性和可靠性，确保整套调平方法能够可靠应用于全漂浮式整平船的精准调平，进而有效提高碎石基床的整平施工精度。

整平作业期间大小车系统中的大车带动小车沿X轴纵移，进行一条碎石垄的铺设整平，而小车还可沿大车进行Y轴上的横移，以使小车上的抛石管移动至下一条碎石垄的施工位置；由此通过大小车的运动，逐条进行碎石垄的铺设整平，直至完成碎石基床的整平施工。本领域技术人员可以理解的是，仅小车的横移运动会使船体产生横倾，大小车的纵移运动会使船体产生纵倾；参考图6可知，当小车由点移动至/>点时，整平船船体的重心从/>点横移至/>点，船体随小车移动产生横倾，随之浮心从/>点移至/>点，当新重心/>和新浮心/>又在一条铅垂线上时，重力和浮力达到新平衡，新水线为/>，横倾角为/>；参考图7可知，当大小车由/>点移动至/>点时，整平船船体的重心从/>点纵移至/>点，船体随小车移动产生纵倾，随之浮心从/>点移至/>点，当新重心/>和新浮心/>又在一条铅垂线上时，重力和浮力达到新平衡，新水线为/>，纵倾角为/>。

在一些实施例中，参考图1、图6所示可知，，根据平衡力移动原理有，其中，/>为整平船本身排水量，/>为小车本身重量，/>为抛石管内石料的实时重量，/>为小车的横移距离即沿大车移动的距离；由此可得到，/>，因而大小车系统运动产生的实时横倾角/>采用式(12)进行计算；

(12)；

进一步地，参考图1、图7所示可知，，根据平衡力移动原理有，其中，/>为整平船本身排水量，/>为大车本身重量，为小车本身重量，/>为抛石管内石料的实时重量，/>为大小车同步沿X轴纵移的距离；由此可得到，/>，因而大小车系统运动产生的实时纵倾角/>采用式(13)进行计算；

(13)；

在式(12)-式(13)及其相关推导式中，为大小车系统运动时整平船的初稳性高度，/>为大小车系统运动时整平船的纵稳性高度；本领域技术人员可以理解的是，/>和均通过整平船整平系统内置船舶软件自动计算得到，在此不做展开和详细表述。

进一步地，根据力矩调平子方法解算出的各个压载舱的压载水调拨量，并参考船舶原理，对压载舱系统内压载水调拨将产生的实时横倾角和实时纵倾角进行计算，其计算原理与大小车系统运动产生的实时横倾角和实时纵倾角的计算原理类似。具体地，压载舱系统内压载水调拨产生的实时横倾角采用式(14)-式(15)进行计算，压载舱系统内压载水调拨产生的实时纵倾角/>采用式(16)-式(17)进行计算；

(14)；

(15)；

(16)；

(17)；

在式(14)-式(17)中，为整平船本身排水量；/>和/>分别为第i个压载舱压载水调拨产生的实时横倾角和实时纵倾角；/>为第i个压载舱压载水的调拨量，根据/>及第i个压载舱的实时液位高度，计算出第i个压载舱被调拨部分的压载水的重心坐标（/>,/>,），进一步说明，对第i个压载舱进行压载水调拨，相当于在（/>,/>,/>）处增加或减少重量为/>的液态重物；/>为整平船的漂心/>的横坐标，本领域技术人员可以理解的是，/>通过整平船整平系统内置船舶软件自动计算得到，在此不做展开和详细表述；/>为第i个压载舱压载水调拨时整平船的初稳性高度，采用式(18)进行计算；/>为第i个压载舱压载水调拨时整平船的纵稳性高度，采用式(19)进行计算；其中，i=1、2、…、n；

(18)；

(19)；

在式(18)-式(19)中，为大小车系统运动时整平船的初稳性高度，/>为大小车系统运动时整平船的纵稳性高度，如前所述，/>和/>均通过整平船整平系统内置船舶软件自动计算得到；/>为整平船平均吃水量，通过整平船整平系统自动监测得到，具体地，，其中，/>、/>分别为整平船船艉和船艏的吃水量，均通过整平系统自动监测得到；/>为第i个压载舱平均吃水的增量，采用式(20)进行计算；

(20)；

本领域技术人员可以理解的是，在式(20)中，为整平船本身的每厘米吃水吨数。

上述示意性实施例，能够实现大小车系统运动产生的实时横倾角和实时纵倾角/>以及压载舱系统内压载水调拨产生的实时横倾角/>和实时纵倾角/>的计算。

本发明还提供一种用于全漂浮式整平船的调平系统，该调平系统包括网络数据模块、调平方法模块、压载水系统操作模块和人机接口；其中，调平方法模块内置上述的用于全漂浮式整平船的调平方法。

网络数据模块与整平船整平系统通讯连接，以实时接收整平系统对大小车系统及压载舱系统的实时监测信息和计算数据等，并将其实时传输至调平方法模块。实时监测信息包括但不限于大车和小车的实时位置、小车抛石管内石料的实时重量、整平船平均吃水量、压载舱系统各个压载舱的实时液位高度等。计算数据包括但不限于大小车系统运动时整平船的初稳性高度、大小车系统运动时整平船的纵稳性高度等。

调平方法模块与网络数据模块通讯连接，以根据网络数据模块的实时传输信息，实时解算动态调平时各个压载舱的压载水调拨量；调平方法模块为调平系统的最核心模块。具体地，调平方法模块通过调平方法中的力矩调平子方法和倾角调平子方法的联合应用，确保了动态调平时各个压载舱的压载水调拨量的计算准确性和可靠性。

压载水系统操作模块与调平方法模块通讯连接，以根据调平方法模块的解算结果实时进行压载水调拨，即根据解算出的动态调平时各个压载舱的压载水调拨量来操控相应压载舱阀门的开关以及压载泵的启停等。

人机接口与网络数据模块、调平方法模块及压载水系统操作模块均通讯连接。人机接口包括显示单元，显示单元对调平系统的运行情况进行可视化的动画显示，以使现场人员更直观了解调平系统的运行情况；人机接口还包括报警单元，当调平系统运行异常时，自动触发报警单元发出警报。进一步地，调平系统的运行情况包括整平作业期间各个压载舱的压载水调拨量的实时解算结果、压载水调拨的实时状态、各个压载舱的实时液位显示、网络数据模块接收到的监测信息等。

上述示意性实施例中的调平系统，通过网络数据模块、调平方法模块、压载水系统操作模块和人机接口的设置，实现了整平作业期间对全漂浮式整平船的自动化一键精准调平，解决了现有整平作业期间人工实时监控船体姿态变化、手动调拨压载水而导致工作量大、响应慢、调平精度不高、施工效率低的问题，减少了人员投入、降低了工作强度，显著提高了整平作业期间全漂浮式整平船的调平精度和调平效率，进而能够可靠提高碎石基床的整平精度和施工效率。

在一些实施例中，网络数据模块将实时接收到的整平系统对大小车系统及压载舱系统的监测信息作为输入数据，以触发对整平船的自动动态调平，进而通过调平方法模块对压载水调拨量的实时解算以及压载水系统操作模块对压载水的实时调拨，将整平作业期间整平船船体的倾斜值控制在±0.08°以内，进而使整平作业期间整平船船体姿态稳定可控。

通过对本发明的用于全漂浮式整平船的调平方法及调平系统的多个实施例的说明，可以看到本发明至少具有以下一种或多种优点：

1）本发明的调平方法简单实用且可靠性高，通过力矩调平子方法和倾角调平子方法的联合应用，能迅速计算动态调平时各个压载舱压载水调拨量，确保压载水调拨量的计算准确性和可靠性，进而确保整套调平方法能够可靠应用于全漂浮式整平船的精准调平；

2）本发明的调平系统，能够实现整平作业期间对全漂浮式整平船的自动化一键精准调平，解决了现有整平作业期间人工实时监控船体姿态变化、手动调拨压载水而导致工作量大、响应慢、调平精度不高、施工效率低的问题，减少了人员投入、降低了工作强度，显著提高了整平作业期间整平船的调平精度和调平效率，实现了全漂浮式整平船的精准快速调平，进而能够可靠提高碎石基床的整平精度和施工效率。

最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种用于全漂浮式整平船的调平方法，其特征在于，包括力矩调平子方法，所述力矩调平子方法包括以下步骤：

S1、建立整平船的三维坐标系；

S2、整平作业前，将大车和小车移至整平作业起点位置，并将整平船船体调平；计算大小车系统的初始重心坐标（,/>,/>），计算压载舱系统的初始重心坐标（/>,,/>）；

S3、整平作业期间，根据大车和小车的实时位置及抛石管内石料的实时重量，计算大小车系统的实时重心坐标（,/>,/>），进而计算出大小车系统运动产生的实时重力力矩/>；构建力矩平衡方程，以实时推导出动态调平后压载舱系统的实时重心坐标（,/>,/>），进而按照最小调拨策略对动态调平时各个压载舱的压载水调拨量进行优化解算；

所述力矩平衡方程为：

(1)；

在式(1)中，采用式(2)进行计算；/>为压载舱系统内压载水调拨产生的实时重力力矩，采用式(3)进行计算；

(2)；

(3)；

在式(2)-式(3)中，和/>分别为大小车系统和压载舱系统的重力矢量，分别采用式(4)和式(5)进行计算；/>和/>分别为大小车系统和压载舱系统的重心变化矢量，分别采用式(6)和式(7)进行计算；

(4)；

(5)；

(6)；

(7)；

将式(2)-式(7)整合到式(1)中，得到细化后的力矩平衡方程，表示为式(8)；

(8)；

在式(4)、式(5)及式(8)中，和/>分别为大小车系统和压载舱系统的重力，分别采用式(9)和式(10)进行计算；

(9)；

(10)；

在式(9)-式(10)中，为大车本身重量，/>为小车本身重量，/>为抛石管内石料的实时重量；/>为第i个压载舱的重量，其中，i=1、2、…、n；将式(9)-式(10)代入到式(8)中，解算出动态调平后压载舱系统的实时重心坐标（/>,/>,/>）。

2.根据权利要求1所述的用于全漂浮式整平船的调平方法，其特征在于，所述最小调拨策略具体为，使参与压载水调拨的压载舱数量最少且压载舱之间的压载水调拨量最小；在对动态调平时各个压载舱的压载水调拨量进行优化解算时，还包括预判参与压载水调拨的压载舱在调拨过程中是否会达到满舱状态或空舱状态；若是，则增加参与压载水调拨的压载舱的数量。

3.根据权利要求2所述的用于全漂浮式整平船的调平方法，其特征在于，所述满舱状态为压载舱内的压载水量大于等于压载舱额定容量的90%；所述空舱状态为压载舱内的压载水量小于等于压载舱额定容量的10%。

4.根据权利要求1所述的用于全漂浮式整平船的调平方法，其特征在于，所述调平方法还包括倾角调平子方法，用于对力矩调平子方法解算出的各个压载舱的压载水调拨量进行验证；所述倾角调平子方法包括以下步骤：

在整平作业期间，计算大小车系统运动产生的实时横倾角和实时纵倾角/>；根据力矩调平子方法解算出的各个压载舱的压载水调拨量，计算压载舱系统内压载水调拨产生的实时横倾角/>和实时纵倾角/>；

验证、/>、/>和/>是否满足倾角调平方程；若是，则力矩调平子方法解算出的各个压载舱的压载水调拨量合格；若否，则重新执行所述步骤S3以重新解算动态调平时各个压载舱的压载水调拨量；所述倾角调平方程为：

(11)。

5.根据权利要求4所述的用于全漂浮式整平船的调平方法，其特征在于，所述大小车系统运动产生的实时横倾角和实时纵倾角/>分别采用式(12)和式(13)进行计算；所述压载舱系统内压载水调拨产生的实时横倾角/>采用式(14)-式(15)进行计算，实时纵倾角采用式(16)-式(17)进行计算；

(12)；

(13)；

(14)；

(15)；

(16)；

(17)；

在式(12)-式(17)中，为整平船本身排水量；/>为大车本身重量，/>为小车本身重量，/>为抛石管内石料的实时重量；/>为小车沿大车移动的距离，/>为大小车系统同步移动的距离；/>为大小车系统运动时整平船的初稳性高度，/>为大小车系统运动时整平船的纵稳性高度，均通过整平船整平系统内置船舶软件自动计算得到；/>和/>分别为第i个压载舱压载水调拨产生的实时横倾角和实时纵倾角；/>为第i个压载舱压载水的调拨量，根据/>及第i个压载舱的实时液位高度，计算出第i个压载舱被调拨部分的压载水的重心坐标（/>,/>,/>）；/>为整平船的漂心横坐标，通过整平船整平系统内置船舶软件自动计算得到；/>为第i个压载舱压载水调拨时整平船的初稳性高度，采用式(18)进行计算；/>为第i个压载舱压载水调拨时整平船的纵稳性高度，采用式(19)进行计算；其中，i=1、2、…、n；

(18)；

(19)；

在式(18)-式(19)中，为整平船平均吃水量，通过整平船整平系统自动监测得到；/>为第i个压载舱平均吃水的增量，采用式(20)进行计算；

(20)；

在式(20)中，为整平船本身的每厘米吃水吨数。

6.一种用于全漂浮式整平船的调平系统，其特征在于，所述调平系统包括网络数据模块、调平方法模块、压载水系统操作模块和人机接口，所述调平方法模块内置如权利要求1-5任一项所述的用于全漂浮式整平船的调平方法；

所述网络数据模块与整平船整平系统通讯连接，以实时接收整平系统对大小车系统及压载舱系统的实时监测信息，并将其实时传输至调平方法模块；

所述调平方法模块与网络数据模块通讯连接，以根据网络数据模块的实时传输信息，实时解算动态调平时各个压载舱的压载水调拨量；

所述压载水系统操作模块与调平方法模块通讯连接，以根据调平方法模块的解算结果实时进行压载水调拨；

所述人机接口与网络数据模块、调平方法模块及压载水系统操作模块均通讯连接；所述人机接口包括显示单元，所述显示单元对调平系统的运行情况进行可视化的动画显示；所述调平系统的运行情况包括整平作业期间各个压载舱的压载水调拨量的实时解算结果、压载水调拨的实时状态、各个压载舱的实时液位显示。

7.根据权利要求6所述的用于全漂浮式整平船的调平系统，其特征在于，所述网络数据模块将实时接收到的整平系统对大小车系统及压载舱系统的监测信息作为输入数据，以触发对整平船的自动动态调平，进而通过调平方法模块对压载水调拨量的实时解算以及压载水系统操作模块对压载水的实时调拨，将整平作业期间整平船船体的倾斜值控制在±0.08°以内。