一種水流作用下的沉管平移控制優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及拖航控制方法，特別涉及一種水流作用下的沉管平移控制優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于工期短、隧道延長(zhǎng)短、地質(zhì)條件制約小、現(xiàn)場(chǎng)施工期短等優(yōu)點(diǎn)，沉管隧道逐漸 成為水下大型隧道工程的首選施工方法。而沉管浮運(yùn)是沉管隧道施工過(guò)程中較為復(fù)雜、極 具挑戰(zhàn)性的一道關(guān)鍵工序。一般情況下，沉管自身沒(méi)有航行的動(dòng)力，需要一定數(shù)量的拖船協(xié) 助才能航行。
[0003] 直航（包括前進(jìn)、后退）、橫移（包括左橫移、右橫移）是沉管浮運(yùn)的典型工況，本 文將它們統(tǒng)稱為平移。在水流作用下，受沉管自身的尺度、受力特性以及拖航動(dòng)力等因素的 影響，沉管平移運(yùn)動(dòng)中的浮運(yùn)控制具有一定的復(fù)雜性。而沉管法往往應(yīng)用于航運(yùn)密度較大、 航運(yùn)要求較高的水域，浮運(yùn)工作有航道寬度、時(shí)間窗口等限制。因此需要對(duì)水流作用下的沉 管平移控制進(jìn)行研宄。
[0004] 目前已有不少技術(shù)體現(xiàn)在在拖輪拖帶、沉管浮運(yùn)這兩個(gè)方面，但針對(duì)沉管浮運(yùn)過(guò) 程中的拖輪控制與優(yōu)化的技術(shù)還較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種水流作用下的沉管平移控制優(yōu)化方法，建立沉管平移控 制模型，并通過(guò)PSO算法對(duì)控制模型進(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)的拖輪拖力大小、拖力角度。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種水流作用下的沉管平移控制優(yōu)化方法，其特點(diǎn)是，該方法包含如下步驟：
[0008] S1，分別從速度、阻力、拖輪拉力、拖力合力及拖力合力矩對(duì)水流作用下的沉管平 移進(jìn)行數(shù)學(xué)描述；
[0009] S2,通過(guò)對(duì)拖輪合力、拖輪合力矩的分析建立沉管平移控制模型；
[0010] S3,基于PSO算法對(duì)沉管平移控制模型進(jìn)行優(yōu)化得出各拖輪拖力大小、拖力角度。
[0011] 所述的SI具體包含如下步驟：
[0012] SI. 1，對(duì)沉管平移的速度進(jìn)行數(shù)學(xué)描述：令水流速度為Vtl，沉管平移速度為V1，沉 管相對(duì)于水的平移速度為V，VpVpV與X軸正方向的夾角為分別為θρ θρ θ，v在X軸、 y軸方向的分量Vx、Vy分別為：
[0013] Vx= V fos Θ A (-V0) cos Θ Q= V fos Θ fVgeos Θ 〇
[0014] Vy= V !sin Θ 丄+ (-V0) sin θ 〇= V pin Θ「Vgsin Θ 〇;
[0015] SI. 2,對(duì)沉管平移的阻力進(jìn)行數(shù)學(xué)描述：
[0016] Rt= I. 15(Rf+RB)；
[0017] Rf= I. BTA1IvIl83XIO-3;
[0018] Rb= 0. 62 δ A 2V2,其中RT、Rf、Rb分別為拖航總阻力、沉管的摩擦阻力、沉管的剩余 阻力，A 1為沉管的水下濕表面積，δ為被拖物艏部形狀系數(shù)，A2為浸水部分的沉管橫剖面 積；
[0019] IfxI = RTx、IfyI = RTy，其中，RTx，RTy為 1^在叉軸、7軸方向的阻力；
[0020] SI. 3,對(duì)沉管平移的拖輪拉力進(jìn)行數(shù)學(xué)描述：令第i條拖輪Gi與沉管的系固點(diǎn)為 Ai (i = 1，2,…，N)，坐標(biāo)為（X i，yi)，Gi的拖力為Fi, X軸正方向逆時(shí)針到夾角為 Cii，將Cii稱為Fi的角度，且
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種水流作用下的沉管平移控制優(yōu)化方法，其特征在于，該方法包含如下步驟： Sl，分別從速度、阻力、拖輪拉力、拖力合力及拖力合力矩對(duì)水流作用下的沉管平移進(jìn) 行數(shù)學(xué)描述； 52, 通過(guò)對(duì)拖輪合力、拖輪合力矩的分析建立沉管平移控制模型； 53, 基于PSO算法對(duì)沉管平移控制模型進(jìn)行優(yōu)化得出各拖輪拖力大小、拖力角度。
2. 如權(quán)利要求1所述的水流作用下的沉管平移控制優(yōu)化方法，其特征在于，所述的Sl 具體包含如下步驟： SI. 1，對(duì)沉管平移的速度進(jìn)行數(shù)學(xué)描述：令水流速度為Vtl，沉管平移速度為V1，沉管相 對(duì)于水的平移速度為V，VpVpV與X軸正方向的夾角為分別為Θ p θρ Θ，V在X軸、y軸 方向的分量Vx、Vy分別為： Vx= V fos Θ A (-V0) cos Θ Q= V fos Θ fVgCos Θ 〇 Vy= V !sin Θ ^(-V0) sin θ 〇= V lSin Θ「Vosin θ 〇; SI. 2,對(duì)沉管平移的阻力進(jìn)行數(shù)學(xué)描述： Rt= 1. 15 (R f+RB)； Rf= LeTA1IvI1-83XlO-3; Rb= 0. 62 δ A 2V2,其中RT、Rf、RB分別為拖航總阻力、沉管的摩擦阻力、沉管的剩余阻力， A1為沉管的水下濕表面積，δ為被拖物艏部形狀系數(shù)，A2S浸水部分的沉管橫剖面積； f x I = RTx、I fy I = RTy，其中，RTx，RTy為R T在X軸、y軸方向的阻力； SI. 3,對(duì)沉管平移的拖輪拉力進(jìn)行數(shù)學(xué)描述：令第i條拖輪Gi與沉管的系固點(diǎn)為AiQ =1，2,…，N)，坐標(biāo)為（X i，yi)，Gi的拖力為Fi, X軸正方向逆時(shí)針到夾角為a i， 將a i稱為Fi的角度，且
式（3-8)、（3-9)中，i = 1，2，···，Ν; 51. 4,對(duì)沉管平移的拖力合力及合力矩進(jìn)行數(shù)學(xué)描述：阻力f與拖力合力F大小相同， 方向相反，即：F = -f ; 且，所述的拖力合力矩T = 0。
3. 如權(quán)利要求2所述的水流作用下的沉管平移控制優(yōu)化方法，其特征在于，所述的步 驟S2包含： 52. 1，對(duì)拖力合力分析，建立拖力合力的控制模型，具體為：
N為拖輪的數(shù)量； S2. 2,對(duì)拖輪合力矩分析，建立拖輪合力矩的控制模型，具體為：
4. 如權(quán)利要求1所述的水流作用下的沉管平移控制優(yōu)化方法，其特征在于，所述沉管 平移控制模型的目標(biāo)函數(shù)為：
Fi表示第i條拖輪的拖力，N為拖輪的數(shù)量，為第i條拖輪最大拖力。
5. 如權(quán)利要求1所述的水流作用下的沉管平移控制優(yōu)化方法，其特征在于，所述的沉 管平移控制模型的約束式為： 6maX-= 其中，F(xiàn)iscX)是拖輪i的最小拖力裕量。
6. 如權(quán)利要求4所述的水流作用下的沉管平移控制優(yōu)化方法，其特征在于，在所述的 步驟S3中作為PSO算法的適應(yīng)度函數(shù)為：
式（5-7)中 A1, λ2, λ3>〇。
7. 如權(quán)利要求6所述的水流作用下的沉管平移控制優(yōu)化方法，其特征在于，所 述的PSO算法中決策變量取V1, F1，…，F(xiàn)N_3, a i，…，α Ν，并求出FN_2, Fn+ Fn，具體有
8. 如權(quán)利要求7所述的水流作用下的沉管平移控制優(yōu)化方法，其特征在于，所述的步 驟S3包含： S3. I，初始化種群的初始位置和速度； S3. 2,決策變量取 V1, F1，…，F(xiàn)n_3, a i，…，α N，并求出 Fn_2, Fim, Fn; S3. 3,根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算每個(gè)粒子的值，該粒子為粒子群優(yōu)化算法種群中的每個(gè)個(gè) 體并得出最優(yōu)解，該最優(yōu)解為每個(gè)拖輪拖力的大小、拖力角度。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種水流作用下的沉管平移控制優(yōu)化方法，該方法包含如下步驟：S1，分別從速度、阻力、拖輪拉力、拖力合力及拖力合力矩對(duì)水流作用下的沉管平移進(jìn)行數(shù)學(xué)描述；S2，通過(guò)對(duì)拖輪合力、拖輪合力矩的分析建立沉管平移控制模型；S3，基于PSO算法對(duì)沉管平移控制模型進(jìn)行優(yōu)化得出各拖輪拖力大小、拖力角度。本發(fā)明建立沉管平移控制模型，并通過(guò)PSO算法對(duì)控制模型進(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)的拖輪拖力大小、拖力角度。
【IPC分類】G06F17-50, E02D29-063, G06Q10-04
【公開(kāi)號(hào)】CN104766145
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510198767
【發(fā)明人】許波桅, 李軍軍
【申請(qǐng)人】上海海事大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年4月21日