一种压载水进排水控制系统、方法、装置及介质

本发明涉及浮式起重机压载系统和压载舱间压载水的动态分配控制，尤其是涉及一种压载水进排水控制系统、方法、装置及介质。

背景技术：

1、浮式起重机广泛用于海上救援、打捞和大型海上设施工程，在海洋工程中发挥着重要作用。考虑到海洋工程作业的复杂性，浮式起重机设计趋向于大规模多船协同的深海智能自动化作业。升降操作可导致浮式起重机的侧倾和前后倾。随着浮式起重机规格的扩大，这个问题变得更加突出和重要。吊装货物产生的倾覆力矩可使侧倾角达到7-8度甚至更大，严重影响操作安全。压载水系统通过在压载舱之间传递压载水，调节吃水和船身横纵平衡，抵消侧倾力矩和纵倾力矩，保证船舶的运行安全。因此，压载系统和压载舱间的压载水分配对于保证浮式起重机的运行安全至关重要。海上作业经常受到海洋环境的影响，适合海上作业的时间较短。此外，浮式起重机需要在安全的条件下快速进行起重作业。因此，研究浮式起重机分配方案的高效求解算法已成为当前的一项紧迫任务。它不仅可以保证浮式起重机海上作业的安全，而且可以提高海上作业的自动化程度。

2、近年来，一些研究者对船舶压载过程的数学建模、压载水分配的求解算法和优化设计方法进行了研究。对于优化建模和求解算法，samyn综合了压载舱质量、惯性和力矩的影响，提出了一种半潜式平台六自由度动态压载水控制系统；chen提出了一种基于li自适应理论的潜艇悬停控制方法，建立了压载舱和潜艇动力学模型；zhou提出采用基于分解技术的多目标优化算法对压载水配置进行优化。

3、从工程优化的角度来看，压载水配置优化是一个含约束条件的复杂工程优化问题，具有工程数学复杂性、建模求解复杂性等多重难点。影响压载水动态分配的因素包括吊货状态、海洋环境负荷、压载系统和船体状态。压载系统状态包括压载方式、压载舱布置和压载舱水位。以往的研究表明，仅依靠优化模型和通用求解算法求解方案的效率和质量难以满足工程需要。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种压载水进排水控制系统、方法、装置及介质，采集船体姿态信息，并根据其姿态信息采用多变量多目标任务的强化学习控制方法，自动调节和控制压载水进排水量，对压载水舱的进排水过程进行控制，从而达到控制船身稳定的目的，由此解决目前压载水舱进排水自动化程度低、效率慢等技术问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种压载水进排水控制系统，其压载水舱由多个子水舱构成，所述系统包括：

4、进水阀与排水阀，每个子水舱均配有两个电子阀门分别控制压载水舱的进水和排水；

5、透气阀，安装在子水舱的顶部，透气阀在子水舱进排水时开启，在子水舱非工作时关闭；

6、深度计，安装在每个子水舱侧壁，用于对压载水舱的水位进行测量；

7、驱动阀箱，安装在控制舱内，与所述进水阀、排水阀和透气阀通过信号线连接；

8、水平仪，安装在船身的前中后三处，用于检测船身的侧倾角度和前后倾角度；

9、进排水神经网络控制器，所述进排水神经网络控制器安装在控制舱中，分别与所述驱动阀箱、深度计和水平仪通过信号线连接，获取深度计和水平仪测量结果，并对测量结果进行解算和判断，根据所述判断结果对所述驱动阀箱发出控制指令，使所述驱动阀箱控制高压水泵、进排水阀和透气阀用以实现压载舱的进排水。

10、所述进水阀位于子水舱上侧，用于控制所述子水舱进水口开闭；所述排水阀位于子水舱下侧，用于控制子水舱排水口开闭。

11、所述深度计对称安装在所述子水舱的侧壁上。

12、一种压载水进排水控制方法，包括以下步骤：

13、s1、获取水平仪测量到的船身的侧倾角度和前后倾角度；

14、s2、获取每个子水舱的深度计测量到的深度检测信息；

15、s3、重复步骤s1与s2，将多个时刻的测量值记作压载水配载过程的状态量，并将状态量输入基于深度强化学习的进排水神经网络控制器，将压载水配载过程视为部分可观的马尔科夫过程，利用深度强化学习进行自学习实现控制策略输出；

16、s4、进排水神经网络控制器输出控制策略至驱动阀箱，使驱动阀分别驱动与其相连的进水阀、出水阀、透气阀和高压水泵，以实现对压在水仓进排水的自动控制；

17、s5、返回步骤s1和s2，测量船身的侧倾角度和深度检测信息，并实时计算奖励函数值，根据奖励值更新进排水神经网络控制器的参数；

18、s6、根据s5中所测量的结果，如果没有达到平衡或作业任务仍未停止，则返回s3继续压载水平衡配载作业；如果已经达到平衡且作业过程结束，则计算最终奖励函数值，并计算累计奖励，根据累计奖励和策略梯度更新进排水神经网络控制器的参数。

19、所述船身的侧倾角度和前后倾角度为相应水平仪测量结果的均值。

20、所述子水舱的深度检测信息以向量形式表示。

21、所述步骤s5中，奖励函数值的计算方法为：

22、

23、其中，αm为侧倾安全角度，βm为纵倾安全角度，|α(t)|为t时刻船身的侧倾角度的绝对值，|β(t)|为t时刻船身的纵倾角度的绝对值。

24、所述进排水神经网络控制器以最小总压载时间作为优化目标，其中，压载系统的总压载时间包括压载水舱间转移压载水的时间、舱阀的响应时间和压载水的排出时间。

25、一种压载水进排水控制装置，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的方法。

26、一种存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上述所述的方法。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、(1)本发明的压载水舱进排水控制系统结构简单，不要求对称性结构，安装灵活，实用性强。

29、(2)本发明的压载水舱进排水控制方法利用强化学习的奖励反馈优化控制参数，自动确定控制测量，且效率高，对于海面波浪的干扰有一定的鲁棒性，为压载水自动配载提供了可行方案。

技术特征：

1.一种压载水进排水控制系统，其压载水舱由多个子水舱构成，其特征在于，所述系统包括：

2.根据权利要求1所述的一种压载水进排水控制系统，其特征在于，所述进水阀位于子水舱上侧，用于控制所述子水舱进水口开闭；所述排水阀位于子水舱下侧，用于控制子水舱排水口开闭。

3.根据权利要求1所述的一种压载水进排水控制系统，其特征在于，所述深度计对称安装在所述子水舱的侧壁上。

4.一种压载水进排水控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种压载水进排水控制方法，其特征在于，所述船身的侧倾角度和前后倾角度为相应水平仪测量结果的均值。

6.根据权利要求4所述的一种压载水进排水控制方法，其特征在于，所述子水舱的深度检测信息以向量形式表示。

7.根据权利要求4所述的一种压载水进排水控制方法，其特征在于，所述步骤s5中，奖励函数值的计算方法为：

8.根据权利要求4所述的一种压载水进排水控制方法，其特征在于，所述进排水神经网络控制器以最小总压载时间作为优化目标，其中，压载系统的总压载时间包括压载水舱间转移压载水的时间、舱阀的响应时间和压载水的排出时间。

9.一种压载水进排水控制装置，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求4-8中任一所述的方法。

10.一种存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被执行时实现如权利要求4-8中任一所述的方法。

技术总结本发明涉及一种压载水进排水控制系统、方法、装置及介质，用于控制压载水舱的自动进排水，压载水仓由多个压载子水舱构成，每个压载子水舱安装有进水阀、排水阀与透气阀，同时在侧壁上安装有多个深度计，系统还包括安装在控制舱内的驱动阀箱和安装在船身的前中后三处的若干水平仪，用于检测船身的侧倾角度和前后倾角度，进排水神经网络控制器安装在控制舱中，用于获取深度计和水平仪测量结果，并对所述多个深度计的测量结果进行解算和判断，根据所述判断结果对所述驱动阀箱发出控制指令，使所述驱动阀箱控制高压水泵、进排水阀和透气阀用以实现压载舱的进排水。与现有技术相比，本发明具有自动化程度高、效率高等优点。技术研发人员：张卫东,欧林林,邹超,沈建东,李涛,詹世杰,刘炳言,郭东生,薛珊,曹刚受保护的技术使用者：海南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18