本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)方艙，具體而言，涉及一種數(shù)據(jù)方艙施工的水箱壓載方法。

背景技術(shù)：

1、隨著海洋工程領(lǐng)域的快速發(fā)展，尤其是在動態(tài)和復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，傳統(tǒng)的固定壓載方法已逐漸顯示出其局限性。這些方法通常存在調(diào)整困難、控制精度不足以及施工效率低下等問題。例如，固定壓載的調(diào)整往往不夠靈活，難以迅速響應(yīng)海洋環(huán)境的快速變化；同時，由于缺乏精細的控制系統(tǒng)，其控制精度也難以滿足高精度作業(yè)的需求。此外，固定壓載的施工過程可能相對繁瑣，影響工程進度和效率。

2、液體壓載系統(tǒng)作為一種改進方案，雖然在一定程度上提高了調(diào)整的靈活性，但其控制系統(tǒng)仍存在不完善之處。實時監(jiān)測能力的不足以及缺乏高效的智能控制算法，限制了液體壓載系統(tǒng)性能的進一步提升。例如，海水液壓可調(diào)壓載系統(tǒng)(whvbs)雖然具有環(huán)境友好、系統(tǒng)簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但其精確控制能力仍有待提高，特別是在復(fù)雜作業(yè)工況及操縱精度要求較高的應(yīng)用場合中。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述技術(shù)背景提到的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)據(jù)方艙施工的水箱壓載方法。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種數(shù)據(jù)方艙施工的水箱壓載方法，包括以下步驟：

4、s1、安裝水箱并計算壓載水量：根據(jù)數(shù)據(jù)方艙的尺寸以及重量，在所述數(shù)據(jù)方艙的外周布置n個水箱，每一所述水箱設(shè)有一個與中央控制系統(tǒng)電性連接的控制閥，所述控制閥通過排水管路將所述水箱中的水排出，所述控制閥通過供水管路與外設(shè)的供水系統(tǒng)連接，所述供水系統(tǒng)通過離心泵抽吸水至所述水箱中形成壓載水，所述水箱中的壓載水量根據(jù)所述數(shù)據(jù)方艙的總量及所受到的浮力決定，滿足以下公式：

5、

6、式中，gw為每一所述水箱中壓載水的重量、α為所述數(shù)據(jù)方艙的抗浮系數(shù)、v為所述數(shù)據(jù)方艙的排水體積、ρw為水的密度、gt為所述數(shù)據(jù)方艙的總重量，其中g(shù)t不含所述水箱中壓載水的重量；

7、s2、安裝姿態(tài)傳感器：在所述數(shù)據(jù)方艙上安裝姿態(tài)傳感器，所述姿態(tài)傳感器實時監(jiān)測所述數(shù)據(jù)方艙的實際姿態(tài)數(shù)據(jù)并傳輸至所述中央控制系統(tǒng)；

8、s3、調(diào)整數(shù)據(jù)方艙的姿態(tài)：所述中央控制系統(tǒng)根據(jù)所述實際姿態(tài)數(shù)據(jù)以及目標姿態(tài),自動調(diào)節(jié)所述水箱中的壓載水量；

9、s4、調(diào)試與優(yōu)化：完成所述水箱和所述姿態(tài)傳感器的安裝后，模擬實際工作環(huán)境并對所述數(shù)據(jù)方艙進行試運行，根據(jù)試運行的結(jié)果優(yōu)化步驟s1中所述水箱的數(shù)量以及位置。

10、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，每一所述控制閥與所述中央控制系統(tǒng)之間設(shè)有獨立的控制線路和緊急關(guān)斷系統(tǒng)，每一所述控制閥與所述供水系統(tǒng)之間設(shè)有過濾裝置。

11、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述供水系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有穩(wěn)壓裝置以及緩沖裝置，所述供水管路設(shè)有流量計和壓力表。

12、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述水箱的材料選用聚氨酯增強纖維、高強度尼龍其中的一種。

13、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述數(shù)據(jù)方艙上還安裝有與所述中央控制系統(tǒng)電性連接的gps定位裝置，所述gps定位裝置用于實時追蹤并監(jiān)測所述數(shù)據(jù)方艙的位置。

14、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述數(shù)據(jù)方艙外設(shè)有與所述中央控制系統(tǒng)電性連接的監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)控所述數(shù)據(jù)方艙及其周圍環(huán)境的狀況。

15、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，步驟s2中所述實際姿態(tài)數(shù)據(jù)包括滾動角θr、俯仰角θp以及偏航角θy。

16、進一步地，步驟s3所述調(diào)整數(shù)據(jù)方艙的姿態(tài)，具體包括以下步驟：

17、1)實時監(jiān)測所述數(shù)據(jù)方艙的實際姿態(tài)數(shù)據(jù)并傳輸至所述中央控制系統(tǒng)，即滾動角θr、俯仰角θp以及偏航角θy；

18、2)所述中央控制系統(tǒng)計算所述實際姿態(tài)數(shù)據(jù)與目標姿態(tài)的差異，滿足以下公式：

19、

20、式中，θr*為目標滾動角、θp*為目標俯仰角、θy*為目標偏航角、er為滾動角差值、ep為俯仰角差值、ey為偏航角差值；

21、3)對所述數(shù)據(jù)方艙四周的n個所述水箱進行編號分為4組，分別對應(yīng)設(shè)置在所述數(shù)據(jù)方艙的4個角部，編號為n1、n2、n3、n4，所述n1和n3為對角設(shè)置；

22、4)計算所述水箱中的需要調(diào)節(jié)的壓載水量，通過水箱n1與水箱n3進行滾動角的修正，滿足以下公式：

23、

24、式中，δwr為修正滾動角所需調(diào)節(jié)的壓載水量、kr為滾動控制系數(shù)、δw1為所述水箱n1修正滾動角所需調(diào)節(jié)的壓載水量、δw2為所述水箱n2修正滾動角所需調(diào)節(jié)的壓載水量；

25、通過水箱n3與水箱n4進行俯仰角的修正，滿足以下公式：

26、

27、式中，δwp為修正俯仰角所需調(diào)節(jié)的壓載水量、kp為俯仰控制系數(shù)、δw3為所述水箱n3修正俯仰角所需調(diào)節(jié)的壓載水量、δw4為所述水箱n4修正俯仰角所需調(diào)節(jié)的壓載水量；

28、通過所述數(shù)據(jù)方艙對角線的水箱組合進行偏航角的修正，滿足以下公式：

29、

30、式中，δwy1為所述水箱n1與所述水箱n3修正偏航角所需調(diào)節(jié)的壓載水量、δwy2為所述水箱n2與所述水箱n4修正偏航角所需調(diào)節(jié)的壓載水量、ky為偏航控制系數(shù)；

31、綜上，所述水箱n1、n2、n3、n4修正滾動角、俯仰角以及偏航角時所需調(diào)節(jié)的壓載水量分別為δw1＇、δw2＇、δw3＇、δw4＇滿足以下公式：

32、

33、進一步地，所述中央控制系統(tǒng)根據(jù)pid控制算法計算修正滾動角、俯仰角以及偏航角所需調(diào)節(jié)的壓載水量，即δwr、δwp、δwy1以及δwy2，滿足以下公式：

34、

35、式中，ur(t)、up(t)和uy(t)分別為修正滾動角、俯仰角和偏航角所需調(diào)節(jié)的壓載水量、er(t)、ep(t)和ey(t)分別為滾動角、俯仰角和偏航角與目標姿態(tài)的差值、kpr、kpp和kpy為比例增益系數(shù)、kir、kip和kiy為積分增益系數(shù)、kdr、kdp和kdy為微分增益系數(shù)；

36、進一步地，所述中央控制系統(tǒng)根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計算修正滾動角、俯仰角以及偏航角所需調(diào)節(jié)的壓載水量，即δwr、δwp、δwy1以及δwy2，滿足以下公式：

37、

38、式中，xr(t)、xp(t)、xy(t)分別為滾動角、俯仰角和偏航角的輸入變量，所述輸入變量包括所述實際姿態(tài)數(shù)據(jù)e(t)、目標姿態(tài)r(t)和環(huán)境參數(shù)s(t)，所述環(huán)境參數(shù)s(t)包括所述水箱當前的水量、波浪、潮汐和風速環(huán)境條件，即xr(t)＝[er(t)，rr(t)，sr(t)]；xp(t)＝[ep(t)，rp(t)，sp(t)]；xy(t)＝[ey(t)，ry(t)，sy(t)]，w1為所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的輸入層到隱藏層的權(quán)重矩陣、b1為所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法隱藏層的偏置向量、w2為所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法隱藏層到輸出層的權(quán)重矩陣、b2為所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法輸出層的偏置向量、hr(t)、hp(t)和hy(t)分別為所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法隱藏層關(guān)于滾動角、俯仰角和偏航角的輸出、ur＇(t)、up＇(t)和uy＇(t))分別為修正滾動角、俯仰角和偏航角所需調(diào)節(jié)的壓載水量。

39、綜上所述，本發(fā)明的有益效果是：

40、1、本發(fā)明通過在數(shù)據(jù)方艙外周設(shè)置若干個水箱，并由中央控制系統(tǒng)和控制閥控制水箱自動化充排水，減少了人工操作，提高了工程進度和效率，實現(xiàn)了快速調(diào)整壓載水量，以適應(yīng)海洋環(huán)境的快速變化，解決了現(xiàn)有技術(shù)中固定壓載調(diào)整不靈活，難以迅速響應(yīng)海洋環(huán)境變化的問題。

41、2、本發(fā)明通過一系列的監(jiān)控手段確保供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，以及提高整個壓載系統(tǒng)的響應(yīng)能力和緊急情況下的安全性，如在供水系統(tǒng)內(nèi)設(shè)穩(wěn)壓裝置以及緩沖裝置，維持供水系統(tǒng)壓力的恒定，減少由于閥門快速關(guān)閉或管道中水流速度變化引起的壓力沖擊，從而預(yù)防水錘現(xiàn)象，保護管道和連接設(shè)備；在供水管路設(shè)流量計和壓力表實時監(jiān)測流量和壓力，有助于及時發(fā)現(xiàn)可能導致安全問題的壓力異常或流量變化，確保供水系統(tǒng)按預(yù)定參數(shù)運行；為每個控制閥提供獨立的控制路徑和緊急關(guān)斷系統(tǒng)，確保單個閥門的故障不會影響整個系統(tǒng)，且在檢測到異常時迅速切斷水路，防止事態(tài)擴大，保障系統(tǒng)安全。

42、3、通過在數(shù)據(jù)方艙上集成姿態(tài)傳感器、gps定位裝置以及監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)方艙的實時監(jiān)控，包括其姿態(tài)、位置和周圍環(huán)境狀況。中央控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信息及時作出調(diào)整手段，確保數(shù)據(jù)方艙能夠根據(jù)作業(yè)需求實時調(diào)整姿態(tài)和位置，這種集成監(jiān)控和控制的方法特別適用于復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，使方艙能夠迅速適應(yīng)環(huán)境變化，維持最佳工作狀態(tài)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中實時監(jiān)測能力不足，無法應(yīng)用在復(fù)雜作業(yè)工況及操縱精度要求較高的應(yīng)用場合的問題。

43、4、結(jié)合pid控制算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計算壓載水量，能夠快速響應(yīng)并精確調(diào)整水箱中的水量，保持數(shù)據(jù)方艙的平衡和穩(wěn)定。pid控制算法用于快速響應(yīng)和調(diào)整，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法用于復(fù)雜環(huán)境下的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。其中pid控制算法的目標是通過調(diào)節(jié)水箱中的壓載水量來控制數(shù)據(jù)方艙的姿態(tài)，通過比例增益系數(shù)控制當前誤差的調(diào)節(jié)、積分增益系數(shù)控制累積誤差的調(diào)節(jié)、微分增益系數(shù)控制誤差變化率的調(diào)節(jié)，減少誤差并穩(wěn)定系統(tǒng)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法目標是根據(jù)實際姿態(tài)數(shù)據(jù)、目標姿態(tài)以及環(huán)境參數(shù)，輸出適當?shù)膲狠d水量調(diào)節(jié)值，能夠處理復(fù)雜的非線性關(guān)系，使系統(tǒng)具備自學習和自優(yōu)化的能力，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實時反饋不斷優(yōu)化控制效果。解決了現(xiàn)有技術(shù)中缺乏高效的智能控制算法，控制精度不高的問題。