一種基于粒子群優(yōu)化算法的沉井拖帶控制優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及拖航控制方法，特別涉及一種基于粒子群優(yōu)化算法的沉井拖帶控制優(yōu) 化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展對交通現(xiàn)代化的需求日益增大，近年來，世界上一些長大型 橋梁的修建日益增多。至2020年，我國將興建大中小橋梁約20萬座，總長度超過1萬公里， 其中大跨徑橋梁也將超過百座。在這些大跨徑橋梁的建設(shè)過程中，絕大部分橋梁都是建立 在水域的上方并需要進行水上施工，因此在其橋墩施工工藝中往往涉及到沉井的建造、拖 航及定位等一系列作業(yè)。其中最復雜也是最具挑戰(zhàn)性的就是沉井的拖航作業(yè)，主要受沉井 自身的尺度、受力特性、外界環(huán)境以及拖航動力等因素的影響，一般情況下，由于沉井自身 沒有航行的動力，需要借助外力的協(xié)助才能進行航行，因此在沉井的拖航過程中需要配置 一定數(shù)量的拖船，考慮到多艘拖輪拖帶控制的復雜性，對沉井拖帶控制方案進行設(shè)計和優(yōu) 化。
[0003] 目前已有不少技術(shù)體現(xiàn)在無動力船舶的拖帶與操縱。沉井雖也是無動力的，但其 特殊的結(jié)構(gòu)導致無動力船舶的拖帶控制方法不能直接應用于沉井的拖帶。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于粒子群優(yōu)化算法的沉井拖帶控制優(yōu)化方法，建立前 進、后退、橫移、轉(zhuǎn)向四種典型工況下的拖帶控制模型，并通過基于PSO算法的拖帶控制優(yōu) 化方法對控制模型進行優(yōu)化，得出最優(yōu)的拖輪拖帶控制方案。
[0005] 為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] -種基于粒子群優(yōu)化算法的沉井拖帶控制優(yōu)化方法，其特點是，該方法包含如下 步驟：
[0007] S1，分析沉井的結(jié)構(gòu)特點，對沉井前進或后退時的阻力、旋轉(zhuǎn)時的阻力矩進行數(shù)學 描述；
[0008] S2,通過受力分析建立前進、后退、橫移、轉(zhuǎn)向這四種典型工況下的拖帶控制模 型；
[0009] S3,設(shè)計基于對數(shù)加權(quán)的適應度函數(shù)，采用一種逆求解方法，提出一種基于粒子群 優(yōu)化（PSO)算法的拖帶控制優(yōu)化方法。
[0010] 所述的Sl具體包含如下步驟：
[0011] SI. 1，沉井的結(jié)構(gòu)特點，具體為：沉井為長方體結(jié)構(gòu)，設(shè)長、寬、高分別為：L、W、H， 拖航時沉井吃水為Hd。沉井的拖帶作業(yè)主要由前進、后退、橫移（左/右）、轉(zhuǎn)向（左/右） 幾組動作組成。所有動作的實現(xiàn)都需要拖輪實時采取相應的動作進行配合，其中拖輪的動 作主要為頂推或拖曳。
[0012] SL 2,對沉井前進或后退時阻力進行數(shù)學描述，具體為：正常氣象條件下（風力 3~4級）沉井的拖航水阻力RT:
[0013] Rt= I. 15(Rf+RB)
[0014] Rf為沉井拖航摩擦阻力：
[0016] 式中，P為沉井拖航所處的海水密度，υ為沉井拖航對水速度，S為沉井水下濕表 面積，Cf為沉井拖航摩擦阻力系數(shù)：
[0018] Re為雷諾系數(shù)：
[0020] △ Cf為粗糙度補貼系數(shù)，根據(jù)三因次方法，沉井粗糙度補貼系數(shù)描述為：
[0022] 式中：K--沉井表面粗糙度，按ITTC向各國水池推薦值取150X 10 6。
[0023] Rb為沉井拖航剩余阻力，經(jīng)《海上拖航指南》剩余阻力計算的形狀修正：
[0024] Rb= 0. 62F2A2V2
[0025] 式中，F(xiàn)2為被拖沉井艏艉部形狀系數(shù)（本發(fā)明取值1. 0)，A 2為被拖沉井的水下橫 剖面積，V為沉井拖航對水速度。若是直航，A2是沉井浸水部分的橫剖面積，A 2= W · H d;若 是橫移，A2是沉井浸水部分的縱剖面積，A 2= L · H d;
[0026] SI. 3,對沉井旋轉(zhuǎn)時的阻力矩進行數(shù)學描述，具體為：沉井旋轉(zhuǎn)時的阻力矩計算較 為復雜，本發(fā)明用橫移時的阻力與沉井旋轉(zhuǎn)速度折中值的乘積來近似。
[0028] 所述的步驟S2包含：
[0029] S2. 1，通過受力分析，建立前進工況下的拖帶控制模型，具體為：
[0030] 沉井拖帶是勻速運動或勻速旋轉(zhuǎn)，除沉井自身阻力f外，沉井受到了前進方向的 合力為：
[0031] F - F1+ F2+ F} cos a\ + F4 cos
[0032] 其中，F(xiàn)1' F2、F3、卩4分別為拖輪T p T2、T3、T4的拖力。
[0033] 無橫移約束：
[0034] F, sin a\ ~ F4 sin a\
[0035] 拖輪可拉可頂，因此角度范圍為
[0036] 無旋轉(zhuǎn)約束：
[0037] F1 力臂為 L ! = L lx;F 2力臂為 L 2= L 2x;
[0038] 拖輪T3前纜繩與沉井固定點為A 3, A3與沉井中心橫向距離、縱向距離分別為L 3x、 L3y0
[0046] 沉井不旋轉(zhuǎn)，沉井受到的合力矩為0(以順時針方向為正）：
[0047] T = F1 · L1-F2 · L2+F3 · L3-F4 · L4= 0
[0048] S2. 2,通過受力分析，建立后退工況下的拖帶控制模型，具體為：
[0049] 沉井受到了向后方向的合力（除沉井自身阻力f)為：
[0050] F-F1H- F2 + F3-. co^a^ + F4 cma^
[0051] 無橫移約束：
[0052] F, sina^ ^ F4 sina]1
[0053] 無旋轉(zhuǎn)約束：
[0054] T = F1 · L1-F2 · L2+F3 · L3-F4 · L4= 0
[0055] 其中，4和取值范圍分別為音和(Kabi F1力臂為L1= Llx，&力 臂為 L2= L2x，F(xiàn)3力臂為 =Z^cosiZ3，F(xiàn)4力臂為 1?}. = 。
[0056] S2. 3,通過受力分析，建立橫移工況下的拖帶控制模型，具體為：
[0057] 以左橫移為例，沉井向左橫移受力合力（不考慮沉井自身阻力）為：
[0059] 總轉(zhuǎn)矩約束約束：
[0060] T = FiLi+F^+fsLs-^^-f^-FgLg= 0
[0061] 前后無移動約束：
[0062] F1 - Fi + -<Q
[0063] 其中，L1= L lx，L2= L 2x，L3= L 3y，L4= L 4y，L6= L 6y，乙6 = ^Χ6? + L6r sin(a6 + β_ ) °
[0064] S2. 4,通過受力分析，建立轉(zhuǎn)向工況下的拖帶控制模型，具體為：
[0065] 以左轉(zhuǎn)向為例，拖輪總轉(zhuǎn)矩（除阻力矩）為
LlN 丄UO丄丄Λ 、" / JA
[0068] 無縱向運動約束：
[0070] 無橫向運動約束：
[0073] 所述的步驟S3包含：
[0074] S3. 1，針對不同工況，設(shè)置決策變量：前進工況，決策變量取V，F(xiàn)1, 后退工 況，決策變量取V，F(xiàn)1,議|,￡^ :;左轉(zhuǎn)向工況，決策變量取ω，F(xiàn)5, ;左橫移工況下，決策 變量取V，《67;
[0075] S3. 2,初始化種群的初始位置和速度；
[0076] S3. 3,對前進、后退、橫移三種工況，以式（3)作為適應度函數(shù)；對轉(zhuǎn)向工況，以式 (4)作為適應度函數(shù)。根據(jù)適應度函數(shù)，設(shè)定好決策變量，求出隱性決策變量，計算每個粒子 的值，該粒子為粒子群優(yōu)化算法種群中的每個個體并得出最優(yōu)解，該最優(yōu)解為每個拖輪拖 力的大小、拖力角度，以及速度/角速度。
[0077] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：
[0078] 本發(fā)明提出的模型和算法能適用于前進、后退、橫移、轉(zhuǎn)向這四種典型工況，能直 接計算出拖輪拖力大小、拖力角度，以及速度/角速度，具有適用性強的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0079] 圖1為本發(fā)明一種基于粒子群優(yōu)化算法的沉井拖帶控制優(yōu)化方法的流程圖；
[0080] 圖2為沉井拖帶動作示意圖；
[0081] 圖3為前進工況拖輪發(fā)力及角度示意圖；
[0082] 圖4為后退工況拖輪發(fā)力及角度示意圖；
[0083] 圖5為橫移工況拖輪發(fā)力及角度示意圖；
[0084] 圖6為轉(zhuǎn)向工況拖輪發(fā)力及角度示意圖。
【具體實施方式】
[0085] 以下結(jié)合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發(fā)明做進一步闡述。
[0086] 如圖1所示，一種基于粒子群優(yōu)化算法的沉井拖帶控制優(yōu)化方法，該方法包含如 下步驟：
[0087] S1，分析沉井的結(jié)構(gòu)特點，對沉井前進或后退時的阻力、旋轉(zhuǎn)時的阻力矩進行數(shù)學 描述；
[0088] S2,通過受力分析建立前進、后退、橫移、轉(zhuǎn)向這四種典型工況下的拖帶控制模 型；
[0089] S3,設(shè)計基于對數(shù)加權(quán)的適應度函數(shù)，采用一種逆求解方法，提出一種基于粒子群 優(yōu)化（PSO)算法的拖帶控制優(yōu)化方法。
[0090] 所述的Sl具體包含如下步驟：
[0091] SI. 1，沉井的結(jié)構(gòu)特點，具體為：沉井為長方體結(jié)構(gòu)，設(shè)長、寬、高分別為：L、W、H， 拖航時沉井吃水為Hd。沉井的拖帶作業(yè)主要由前進、后退、橫移（左/右）、轉(zhuǎn)向（左/右） 幾組動作組成。所有動作的實現(xiàn)都需要拖輪實時采取相應的動作進行配合，其中拖輪的動 作主要為頂推或拖曳。
[0092] SL 2,對沉井前進或后退時阻力進行數(shù)學描述，具體為：正常氣象條件下（風力 3~4級）沉井的拖航水阻力RT:
[0093] Rt= I. 15(Rf+RB)
[0094] Rf為沉井拖航摩擦阻力：
[0096] 式中，P為沉井拖航所處的海水密度，υ為沉井拖航對水速度，S為沉井水下濕表 面積，Cf為沉井拖航摩擦阻力系數(shù)：
[0098] Rf3為雷諾系數(shù)：
[0100] A Cf為粗糙度補貼系數(shù)，根據(jù)三因次方法，沉井粗糙度補貼系數(shù)描述為：
[0102] 式中：K--沉井表面粗糙度，按ITTC向各國水池推薦值取150X 10 6。
[0103] Rb為沉井拖航剩余阻力，經(jīng)《海上拖航指南》剩余阻力計算的形狀修正：
[0104] Rb= 0. 62F2A2V2
[0105] 式中，F(xiàn)2為被拖沉井艏艉部形狀系數(shù)（本發(fā)明取值1. 0)，A 2為被拖沉井的水下橫 剖面積，V為沉井拖航對水速度。若是直航，A2是沉井浸水部分的橫剖面積，A 2= W · H d;若 是橫移，A2是沉井浸水部分的縱剖面積，A 2= L · H d;
[0106] SI. 3,對沉井旋轉(zhuǎn)時的阻力矩進行數(shù)學描述，具體為：沉井旋轉(zhuǎn)時的阻力矩計算較 為復雜，本發(fā)明用橫移時的阻力與沉井旋轉(zhuǎn)速度折中值的乘積來近似。
[0108] 所述的步驟S2包含：
[0109] S2. 1，通過受力分析，建立前進工況下的拖帶控制模型，具體為：
[0110] 沉井拖帶是勻速運動或勻速旋轉(zhuǎn)，除沉井自身阻力f外，沉井受到了前進方向的 合力為：
[0111] F' = F1 + F2 + Fi COS a\ + F4 OOS
[0112] 其中，F(xiàn)1' F2、F3、卩4分別為拖輪T p T2、T3、T4的拖力。
[0113] 無橫移約束：
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