CN117719630B

CN117719630B - 全漂浮整平的移船定位过程中收放缆控制方法

Info

Publication number: CN117719630B
Application number: CN202410180102.XA
Authority: CN
Inventors: 潘伟; 李一勇; 刘德进; 李进; 王殿文; 尚乾坤; 陈虓; 宋江伟; 赫亚峰; 朱春峰; 徐良; 吕护生; 李德洲; 王富敬; 张浩男; 贾延铄; 王冲; 王文标; 李颖; 王传彬
Original assignee: Tianjin Hairun Marine Technical Co ltd; CCCC First Harbor Engineering Co Ltd; No 2 Engineering Co Ltd of CCCC First Harbor Engineering Co Ltd
Current assignee: Tianjin Hairun Marine Technical Co ltd; CCCC First Harbor Engineering Co Ltd; No 2 Engineering Co Ltd of CCCC First Harbor Engineering Co Ltd
Priority date: 2024-02-18
Filing date: 2024-02-18
Publication date: 2024-04-30
Anticipated expiration: 2044-02-18
Also published as: CN117719630A

Abstract

本发明涉及海底隧道碎石基床整平技术领域，尤其涉及一种全漂浮整平的移船定位过程中收放缆控制方法，包括：S1、整平船的艏向角的计算；S2、艏向角的正、余弦计算；S3、计算整平船上出缆点的工程坐标；S4、计算锚点的工程坐标；S5、计算缆绳的长度变化量；本发明能够通过计算绳长变化量来确定收放缆的形式，实现对整平船上所有锚机的联合控制，最终达到锚泊自动定位的效果；通过整平船上的GPS定位系统提供船在初始点的两个GPS的当前横纵坐标，输入目标点的两个GPS横纵坐标值、船在初始点时缆绳的长度值来确定缆绳的变化量，控制锚机进行收放缆以实现精准定位，即通过收放缆把整平船从初始点准确移位到目标点。

Description

全漂浮整平的移船定位过程中收放缆控制方法

技术领域

本发明涉及海底隧道碎石基床整平技术领域，尤其涉及一种全漂浮整平的移船定位过程中收放缆控制方法。

背景技术

传统的抛石整平船是通过船上的四根桩固定在海底，以完成海底隧道碎石基床整平施工。由于海底地质条件复杂，传统的全抬升整平工艺存在插桩风险大、作业安全性差、整平船稳定性差等问题。为解决上述问题开发无需进行插桩的全漂浮碎石基床整平技术。

全漂浮碎石基床整平施工具有限制条件多、施工难度大，精度要求高等难点及特点。其中，整平船体定位时，需人工进行收放整平船6根锚缆，操作方式较为复杂、效率低下，而且可能因人员疲劳、操作失误造成严重的安全问题，大大降低施工效率。

为了确保整平的精度可满足要求，船体锚泊定位精度是十分重要的。在施工过程中，需要通过全球定位系统的实时测量位置和指定目标位置来实现船体的精确定位，区别于传统的插桩固定式施工，通过锚机收放缆控制以完成整个系统的精确定位，本发明提供一种全漂浮整平的移船定位过程中收放缆控制方法，以实现船体按照设计船位进行自动移船定位。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种能够实现整平船自动高精度定位的全漂浮整平的移船定位过程中收放缆的控制方法。

本发明提供一种全漂浮整平的移船定位过程中收放缆控制方法，包括如下步骤：

S1：整平船的艏向角的计算：

建立安装坐标系，以船尾右舷为坐标原点，确定整平船上位于船尾的第一GPS系统、位于船艏的第二GPS系统在所述安装坐标系下的安装坐标，分别为第一GPS系统、第二GPS系统/>；

所述第一GPS系统的实时工程坐标为，所述第二GPS系统的实时工程坐标为/>，

所述整平船以所述第一GPS系统为旋转中心，逆时针旋转角度，/>即为艏向角，分别计算整平船在安装坐标系下在其第一象限、第二象限、第三象限、第四象限范围内的艏向角/>；

S2、艏向角的正、余弦计算：

根据步骤S1分别计算得出的所述艏向角，计算正弦/>、余弦/>；

S3、计算整平船上出缆点的工程坐标：

获取整平船上每个出缆点在安装坐标系下的安装坐标；

计算整平船的艏向角为0时，出缆点的工程坐标为：

（1）

计算整平船的艏向角为时，出缆点的工程坐标/>为：

（2）

将公式（1）带入公式（2）后，得到出缆点的工程坐标为：

(3)

S4、计算锚点的工程坐标：

将整平船停留在三个不同的位置，根据三个不同的停船位置的工程坐标、出缆点的工程坐标、以及锚点到出缆点的缆绳的绳长/>的几何位置关系，计算得出各锚点的工程坐标/>；

S5、计算缆绳的长度变化量：

根据整平船在初始点时，出缆点对应的绳长、以及与所述出缆点对应的所述锚点的工程坐标/>、以及所述的出缆点工程坐标的关系，计算得出当前位置和时刻的海水深度h；

所述整平船移动至目标点时，根据步骤S3中计算得出的出缆点的工程坐标、海水深度，计算得出目标点处的绳长；

缆绳长度变化量为：。

本技术方案提供全漂浮整平的移船定位过程中收放缆控制方法，能够根据整平船的目标定位位置的控制指令，自动控制锚机进行收放缆以实现精准定位，即通过收放缆把船从初始点准确移位到目标点。

在本申请的一些实施例中，步骤S1中，当整平船在以第一GPS系统为旋转中心，在安装坐标系的第一象限范围内逆时针旋转角度，计算出此时的艏向角/>为:

（4）。

在本申请的一些实施例中，步骤S1中，当整平船在以第一GPS系统为旋转中心，在安装坐标系的第二象限范围内逆时针旋转角度，计算出此时的艏向角/>为:

（5）。

在本申请的一些实施例中，步骤S1中，当整平船在以第一GPS系统为旋转中心，在安装坐标系的第三象限范围内逆时针旋转角度，计算出此时的艏向角/>为:

（6）。

在本申请的一些实施例中，步骤S1中，当整平船在以第一GPS系统为旋转中心，在安装坐标系的第四象限范围内逆时针旋转角度，计算出此时的艏向角/>为:

（7）。

在本申请的一些实施例中，步骤S2中，根据安装坐标系下四个象限内的艏向角，得出艏向角的正弦/>为：

艏向角的余弦为:

。

在本申请的一些实施例中，步骤S4中，具体为：

S41、将整平船停在第一位置，测量此时对应出缆点i的绳长为，根据步骤S3计算得到此时出缆点i的工程坐标为/>，以及锚点的工程坐标/>，以及水深h，根据几何关系得到下式：

（8）

S42、将整平船停在第二位置，测量此时对应出缆点i的绳长为，根据步骤S3计算得到此时出缆点i的工程坐标为/>，以及锚点的工程坐标/>，以及水深h，根据几何关系得到下式：

（9）

S43、将整平船停在第三位置，测量此时对应出缆点i的绳长为，根据步骤S3计算得到此时出缆点i的工程坐标为/>，以及锚点的工程坐标/>，以及水深h，根据几何关系得到下式：

（10）

公式（8）、（9）、（10）联立方程组，计算得出出缆点i对应的锚点的工程坐标为：

。

在本申请的一些实施例中，步骤S5中，海水深度h：

所述目标点处的绳长为：

。

在本申请的一些实施例中，当绳长变化量时，所述出缆点放缆；当/>时，所述出缆点收缆，以使整平船平稳的移动至指定位置。

基于上述技术方案，本发明能够通过计算绳长变化量来确定收放缆的形式，实现对整平船上所有锚机的联合控制，最终达到锚泊自动定位的效果；

通过整平船上的GPS定位系统提供船在初始点的两个GPS的当前横纵坐标值，输入目标点的两个GPS横纵坐标值、船在初始点时缆绳的长度值来确定缆绳的变化量，控制锚机进行收放缆以实现精准定位，即通过收放缆把整平船从初始点准确移位到目标点。

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为本发明实施例的计算关系框图；

图2为本发明实施例中安装坐标系的示意图；

图3为本发明实施例中整平船船体以第一GPS系统为原点在安装坐标系的第一象限内逆时针旋转时艏向角的示意图；

图4为本发明实施例中整平船船体以第一GPS系统为原点在安装坐标系的第二象限内逆时针旋转时艏向角的示意图；

图5为本发明实施例中整平船船体以第一GPS系统为原点在安装坐标系的第三象限内逆时针旋转时艏向角的示意图；

图6为本发明实施例中整平船船体以第一GPS系统为原点在安装坐标系的第四象限内逆时针旋转时艏向角的示意图；

图7为本发明实施例中整平船上的出缆点在随船逆时针旋转角度后的坐标几何关系示意图；

图8为本发明实施例中整平船船体移动3个位置点时的锚点坐标几何关系示意图；

图9为本发明实施例中整平船船体从初始点移动至目标点时绳长变化量的几何关系示意图。

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”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”、“第三”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”、“第三”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。

本发明实施例一种全漂浮整平的移船定位过程中收放缆控制方法，通过锚泊定位，即通过对锚机的控制将船体在若干锚点确定的范围内，以缆绳的拉力进行控制在指定海域，最终来实现实时精确定位。该方法是以整平船上的锚泊自动定位控制系统为载体，该锚泊自动定位控制系统包括GPS定位系统、信息输入系统、测量系统、核心运算处理单元和若干个锚机控制单元；其中：

GPS定位系统，为核心运算处理单元提供船舶船艏和船艉两点实时位置数据，本实施例中有包括第一GPS系统、第二GPS系统，附图2中，GPS1为第一GPS系统，GPS2第二GPS系统；

信息输入系统，用于向核心运算处理单元输入船舶目标移动位置的控制指令信息；

测量系统，用于测量锚绳长度，为核心运算处理单元的控制收放缆运算过程中提供当前绳长数据；

核心运算处理单元，是整个锚泊自动定位控制系统的核心部分，采用初始化计算结果来负责系统根据输入控制输出的功能，通过收放缆以实现船舶锚泊自动定位；

锚机控制单元，能够与核心运算处理单元形成数据交互，根据系统输入（包括当前GPS位置信息、目标移动位置信息、当前绳长）对各个锚机进行控制，即锚机控制为系统输出，通过锚机的正反转直接实现系统的收放缆控制。

锚泊自动定位控制系统实现了操作人员一键定位移船、锚机自动操作、图形化监控操作及系统运行安全保护功能。其主要完成与船舶诱导系统的数据交换、运行移船定位的控制算法及介入整平自动化系统获取锚机状态数据和控制锚机。从系统层可分为数据接口模块、锚机控制模块、控制算法模块、人机接口及安全保护模块等。

数据接口模块，数据包括两个方面，一个是两个全球定位系统GPS的位置数据，为自动定位系统提供实时船位输入数据；一个是6个锚机的状态数据，为船舶的自动移位提供输入输出数据（一方面获取当前的锚机状态输入数据，另一方面通过控制算法模块计算出来的操作量形成的输出数据以控制锚机的正反转和运行速度）。

锚机控制模块，是实现移船时锚机各项操作自动完成的独立模块，依据锚机操作量（拉力、缆长的控制量）自动完成锚机运行的所有操作及在操作中必要的安全保护。该锚机控制模块共包括六台锚机，分别有3台在船艏，有3台在船艉，它的位置取决于船舶的布锚方式。

控制算法模块，用于数据接口模块采集到的相关数据通过定制的算法计算出各个锚机的实时执行量，智能调度锚机的启停与速度、缆绳张力的控制，最终通过缆绳变化量驱动整平船精准到达目标船位，该模块为自动定位最为核心的模块。

人机接口模块，为操作人员提供了系统的监控局面及操作窗口。具备施工作业区域底图导入、目标船位表格导入、系统参数设置、实时船位显示及辅助数据监控功能。

安全保护模块，通过预先设定的设备运行时的限值，由一组逻辑判断程序实现的安全保护模块。其主要功能是实时监测各个设备的运行状态，当发现异常时输出报警并执行相应的保护程序，确保系统设备的安全运行。

基于上述的锚泊自动定位控制系统，本实施例的全漂浮整平的移船定位过程中收放缆控制方法，是指缆绳的另一端固定在海底的六个锚点，通过船上的六个锚机控制六个出缆点处缆绳的收放缆控制，最终目的是实现船在有效范围内的自动精确定位。包括如下步骤：

S1：整平船的艏向角的计算：

如图2所示，建立安装坐标系，以船尾右舷为坐标原点，船艏指向正东方向为x轴正向，右舷指向正北方向为y轴正向，确定整平船上位于船尾的第一GPS系统（图2中GPS1）、位于船艏的第二GPS系统（图2中GPS2）在安装坐标系下的安装坐标，本实施例中，分别为第一GPS系统

第二GPS系统

第一GPS系统的实时工程坐标为第一GPS系统的测量值，第二GPS系统的实时工程坐标/>为第二GPS系统的测量值。

艏向角是指船艏指向正东为x轴正向，船体逆时针旋转后船艏的指向与x轴正向所形成的夹角，本实施例中，整平船以第一GPS系统为旋转中心，逆时针旋转角度，/>即为艏向角，根据三角函数法或直线斜率法，在/>时，分别计算整平船在安装坐标系下、在其第一象限、第二象限、第三象限、第四象限范围内的艏向角/>；具体为：

当整平船在以第一GPS系统为旋转中心，如图3所示，在安装坐标系的第一象限范围内逆时针旋转角度，θ1为GPS1和GPS2形成直线与x轴的夹角，θ2为GPS1'和GPS2'形成直线与x轴的夹角，利用直线斜率法计算出此时的艏向角/>为:

利用三角函数法，计算艏向角得：

在第一象限内，艏向角为：

（4）

当整平船在以第一GPS系统为旋转中心，在安装坐标系的第二象限范围内逆时针旋转角度，如图4所示，利用直线斜率法计算出此时的艏向角/>为:

利用三角函数法，计算艏向角得：

在第二象限内，艏向角为：

（5）

当整平船在以第一GPS系统为旋转中心，在安装坐标系的第三象限范围内逆时针旋转角度，如图5所示，利用直线斜率法计算出此时的艏向角/>为:

利用三角函数法，计算艏向角得：

在第三象限内，艏向角为：

（6）

当整平船在以第一GPS系统为旋转中心，在安装坐标系的第四象限范围内逆时针旋转角度，如图6所示，利用直线斜率法计算出此时的艏向角/>为:

利用三角函数法，计算艏向角得：

在第四象限内，艏向角为

（7）

上述关于在第一象限、第二象限、第三象限、第四象限内艏向角的计算中，、/>指的是初始点的工程坐标，/>、/>指的是目标点的工程坐标。

S2、艏向角的正、余弦计算：

根据步骤S1中分别计算得出的安装坐标系下四个象限内的艏向角，计算正弦、余弦/>，经过计算上述四种情况下的正余弦值一致均为：

艏向角的正弦为：

艏向角的余弦为:

；

S3、计算整平船上出缆点的工程坐标：

出缆点是指船上的6个锚机所处的点位。出缆点的安装坐标是指安装坐标系下且船体艏向角为零时的坐标，出缆点的工程坐标是指以赤道为原点的工程坐标系下且船体艏向角为零或者不为零时的坐标。出缆点的工程坐标是当前GPS的横纵坐标、艏向角的正余弦以及出缆点安装坐标的函数。具体为：

获取整平船上每个出缆点在安装坐标系下的安装坐标；

计算整平船的艏向角为0时，出缆点的实时工程坐标为：

（1）

本实施例中，由于第一GPS系统GPS1为旋转中心，也就是第一GPS系统的工程坐标不变，因此，以第一GPS系统为基准计算出缆点的工程坐标：

整平船旋转时以第一GPS系统为旋转中心逆时针旋转角度如图7所示，即整平船的艏向角为/>时，已知出缆点的初始坐标，求逆时针旋转后的出缆点的工程坐标/>为：

（2）

将公式（1）带入公式（2）后，得到出缆点的工程坐标为：

(3)

即：

本实施例有六个出缆点，分别带入六个出缆点的安装坐标，即可得到六个出缆点的工程坐标；

S4、计算锚点的工程坐标：

锚点的工程坐标是指6个锚机对应出缆点出去的缆绳固定在海底的点坐标。锚点的工程坐标是取的3个点的对应三组出缆点坐标及绳长的函数。将整平船的停留在三个不同的位置，根据三个不同的停船位置的工程坐标、出缆点的实时工程坐标、以及锚点到出缆点的缆绳的绳长/>的几何位置关系，如图8所示，计算得出各锚点的实时工程坐标；具体为：

（8）

（9）

（10）

根据计算所得六个锚点的坐标进行布锚作业；

S5、计算缆绳的长度变化量：

缆绳的长度变化量是指整平船在初始点到目标点的过程中缆绳长度的变化量。绳长变化量是目标点出缆点坐标、海水深度、原始点绳长以及锚点坐标的函数，也就是只要已知目标点的GPS坐标就可以推出每个出缆点需要的绳长。

如图9所示，根据整平船在初始点时，出缆点对应的绳长、以及与所述出缆点对应的所述锚点的工程坐标/>、以及所述的出缆点工程坐标的关系，计算得出当前位置和时刻的海水深度h；

整平船移动至目标点时，根据步骤S3中计算得出的出缆点的工程坐标、海水深度，计算得出目标点处的绳长；

缆绳长度变化量为：

当绳长变化量时，所述出缆点放缆；当/>时，所述出缆点收缆，以使整平船平稳的移动至指定位置。

本技术方案提供全漂浮整平的移船定位过程中收放缆控制方法，本发明能够通过计算绳长变化量来确定收放缆的形式，实现对整平船上所有锚机的联合控制，最终达到锚泊自动定位的效果；通过整平船上的GPS定位系统提供船在初始点的两个GPS的当前横纵坐标值，输入目标点的两个GPS横纵坐标值、船在初始点时缆绳的长度值来确定缆绳的变化量，控制锚机进行收放缆以实现精准定位，即通过收放缆把整平船从初始点准确移位到目标点。

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

1.一种全漂浮整平的移船定位过程中收放缆控制方法，其特征在于，使用锚泊自动定位控制系统，所述锚泊自动定位控制系统包括GPS定位系统、信息输入系统、测量系统、核心运算处理单元和若干个锚机控制单元；其中：

GPS定位系统，为核心运算处理单元提供船舶船艏和船艉两点实时位置数据，包括第一GPS系统、第二GPS系统；

锚机控制单元，能够与核心运算处理单元形成数据交互，根据系统输入对各个锚机进行控制，通过锚机的正反转直接实现系统的收放缆控制；

所述控制方法，包括如下步骤：

S1、整平船的艏向角的计算：

所述整平船以所述第一GPS系统为旋转中心，逆时针旋转角度，分别计算整平船在安装坐标系下在其第一象限、第二象限、第三象限、第四象限范围内的艏向角/>；

S2、艏向角的正、余弦计算：

S3、计算整平船上出缆点的工程坐标：

获取整平船上每个出缆点在安装坐标系下的安装坐标；

计算整平船的艏向角为0时，出缆点的工程坐标为：

（1）

计算整平船的艏向角为时，出缆点的工程坐标/>为：

（2）

将公式（1）带入公式（2）后，得到出缆点的工程坐标为：

(3)

；

S4、计算锚点的工程坐标：

S5、计算缆绳的长度变化量：

所述整平船移动至目标点时，根据海水深度h、以及步骤S3中计算得出的出缆点的工程坐标，计算得出目标点处的绳长/>；

缆绳长度变化量为：；

当绳长变化量时，所述出缆点放缆；当/>时，所述出缆点收缆。

2.根据权利要求1所述的全漂浮整平的移船定位过程中收放缆控制方法，其特征在于，步骤S4中，具体为：

S41、将整平船停在第一位置，测量此时对应出缆点i的绳长为，根据步骤S3计算得到此时出缆点i的工程坐标为 />，以及锚点的工程坐标/>，以及水深h，根据几何关系得到下式：

（8）

S42、将整平船停在第二位置，测量此时对应出缆点i的绳长为，根据步骤S3计算得到此时出缆点i的工程坐标为 />，以及锚点的工程坐标/>，以及水深h，根据几何关系得到下式：

（9）

S43、将整平船停在第三位置，测量此时对应出缆点i的绳长为，根据步骤S3计算得到此时出缆点i的工程坐标为 />，以及锚点的工程坐标/>，以及水深h，根据几何关系得到下式：

（10）

。

3.根据权利要求1所述的全漂浮整平的移船定位过程中收放缆控制方法，其特征在于，步骤S5中，海水深度h：

所述目标点处的绳长为：

。