全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法

1.本发明涉及船舶工程技术领域，具体而言，尤其涉及一种全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法。


背景技术：

2.在海上吊装实际作业过程中，起重系统的吊装轨迹规划与压载系统的调拨决策分别由不同技术人员实现，因此吊装轨迹与压载水调拨间的匹配程度完全取决于相关技术人员的经验和默契。如此的人工操作容易受到人员因素、海况条件、天气状况等干扰而影响整个海上作业的质量与安全，因此传统人工操作存在决策时间长、能耗损失大、工作效率低以及安全性差等问题。随着起重船向大型化和智能化方向发展，传统依靠人工经验的操作方式已经难以满足海上起重作业对安全性和高效率的要求。因此，围绕全回转起重船海上作业现状，亟需提出智能且高效的解决方案。
3.公开号为cn113221247a的中国专利申请提出了一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法，该方法以压载舱注水时间、压载水舱的进排水阀的响应动作时间和压载水进入各个舱室时间的总时间作为优化目标，以保持船体平衡、船舶压载水量及压载水舱水位要求为约束条件，建立全回转起重船压载水调拨优化模型，通过sqp算法优化计算，得到总时间最小的调拨方案。此发明中仅研究了压载过程的优化决策，忽略了吊装过程与压载过程间的强耦合关系。
4.刘志杰等人基于船舶静力学和优化理论，以起重船舶各压载舱室液位变化量为优化变量，压载水总调配量最小为优化目标，起重调配过程船体平衡为约束条件，建立了起重船舶压载水调配优化模型，并利用matlab优化了具有8个压载舱室的起重船舶压载水调配过程，以降低起重船舶能耗。同样，此论文中的压载水调拨优化方法忽略了重物吊装轨迹对于高效压载水调拨决策和船舶能耗的影响。
5.国内外学者针对全回转起重船吊装作业轨迹规划与压载水调拨提出了相关的解决方案，但大多数忽略了吊装轨迹与压载水调拨之间的强耦合关系，只是孤立地从船载吊机的轨迹规划角度或压载水调拨角度进行优化决策分析，所得到的非全局最优吊装方案有可能脱离工程实际需要。因此，为了面向海上起重作业的大型化和智能化发展方向，亟需一种综合考虑吊装轨迹与压载水调拨间强耦合关系的协同匹配优化方法。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术的不足，本发明提供一种全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法。本发明有效解决了吊装轨迹与压载水调拨间的强耦合问题，并显著提高了全回转起重船作业安全和节能水平。
7.本发明采用的技术手段如下：
8.一种全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法，包括以下步骤：
9.s1、确定全回转起重船海上吊装任务信息，包括吊装始末位置信息、目标负载信息
以及海况信息；
10.s2、分别建立起重系统与压载系统作业模型，起重系统作业模型包括动力学模型、轨迹规划模型，压载系统作业模型包括压载舱初始水位模型、压载水调拨模型；
11.s3、对全时域进行时间离散化处理，建立起时间点、吊装轨迹位置坐标与各压载舱水位间的一一对应关系；
12.s4、考虑全回转起重船吊装作业安全性约束、起重系统动态约束、压载系统动态约束条件并建立协同匹配优化模型，并执行迭代寻优；
13.s5、若求解收敛，则输出最优吊装轨迹与压载水调拨协同匹配方案，反之，则更新设计变量继续执行迭代求解。
14.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
15.本发明提出了一种面向智能化全回转起重船的吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法。该方法以极大化作业安全性、极小化起重系统能耗、极小化压载系统能耗以及极小化吊装作业耗时为目标进行建模，并基于时间离散化思想进行寻优求解。最终结果表明，本发明所提出的全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法有效解决了吊装轨迹与压载水调拨间的强耦合问题，并显著提高了全回转起重船作业安全和节能水平，为全回转起重船面向智能化方向发展奠定了理论基础。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明一种全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法流程图。
18.图2为本发明全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配原理示意图。
19.图3为本发明实施例中全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化框架示意图。
20.图4为本发明实施例中全回转起重船压载系统简化管路图。
21.图5为本发明实施例中起重船压载舱布置右舷视图。
22.图6为本发明实施例中起重船压载舱布置俯视图。
23.图7为本发明实施例中协同匹配方法获得的最优吊装轨迹和最终姿态示意图。
24.图8为本发明实施例中协同匹配方法获得的全回转起重船各舱室最优压载水位曲线示意图。
25.图9为本发明实施例中协同匹配方法获得的全回转起重船船体横纵倾角度变化情况示意图。
26.图10为实施例中顺序设计方法获得的最优吊装轨迹和最终姿态示意图。
27.图11为实施例中顺序设计方法获得的各舱室最优压载水位曲线示意图。
具体实施方式
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
29.如图1所示，本发明公开了一种全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法，包括以下步骤：
30.s1、确定全回转起重船海上吊装任务信息，包括吊装始末位置信息、目标负载信息以及海况信息。
31.s2、分别建立起重系统与压载系统作业模型，起重系统作业模型包括动力学模型、轨迹规划模型，压载系统作业模型包括压载舱初始水位模型、压载水调拨模型。
32.s3、对全时域进行时间离散化处理，建立起时间点、吊装轨迹位置坐标与各压载舱水位间的一一对应关系。
33.s4、考虑全回转起重船吊装作业安全性约束、起重系统动态约束、压载系统动态约束条件并建立协同匹配优化模型，并执行迭代寻优。
34.s5、若求解收敛，则输出最优吊装轨迹与压载水调拨协同匹配方案，反之，则更新设计变量继续执行迭代求解。
35.全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化，在本质上是一个求解任意时刻最优吊装轨迹位置和各压载舱最优水位的过程，其中，吊装轨迹位置和各压载舱水位之间存在实时的一一对应关系。对此，本发明在寻优过程中采取时间离散化思想将整个作业时间域均匀离散为足够数量的等时间间隔，并通过这一方式建立了全回转起重船吊装轨迹与各压载舱水位在任意特定时刻的协同匹配(如图2所示)，进而在后续的优化迭代过程中实现吊装轨迹位置和压载水位的实时预测和更新。在图2中，整个时间域被离散为n等份，每个时间点定义为ti(i＝1,2,3,
…
,)，其中，对应的吊装轨迹位置由三维坐标(d
xi
,d
yi
,d
zi
)表示，对应的各压载水舱水位由h
pi
表示。
36.在本技术中，作为优选的实施方式，以一实际全回转起重船为例进行模拟，该实施例起重船的关键参数详见表1。该起重船配备了一个泵压载系统和八个压载水舱，其中，压载系统简化管路图如图3所示，而压载舱的布置右舷视图和俯视图分别如图4和图5所示。这些详细的图表信息有助于更好地理解本发明的实施方式。
37.表1实施例起重船关键参数
[0038][0039]
进一步地，该实施例工况设定为：起重机负载300t；吊装任务起始位置为(31.7，0，60.0)(底座回转角度为0
°
，吊臂变幅角度为65
°
)；吊装任务目标位置为(0，19.4，66.0)(底座回转角度为90
°
，吊臂变幅角度为75
°
)；吊装货物质量为300t；压载系统作业模式选择为内部调拨。
[0040]
进一步地，本发明中所提出的全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化算法的优化目标设定为：极大化作业安全性、极小化起重系统能耗(e
l
,kj)、极小化压载系统能耗(eb,kj)以及极小化吊装作业耗时(tf,min)。其中，全回转起重船作业安全性主要取决于作业过程中船体横倾角和纵倾角是否处于行业要求(《船舶与海上设施起重设备规范》)的安全范围内。通常情况下，全回转起重船由于自身结构的原因(其船体总长要远大于船体宽度)，船体对应的纵稳性力矩要远大于横稳性力矩，故在实际起重过程中多是因船体出现较为严重的横倾现象而发生危险。因此，本发明以极小化船体极限横倾角(θ
lim
，degree)为优化目标来确保全回转起重船作业过程的高安全性。
[0041]
所述全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化算法的目标函数为：
[0042]
min[θ
lim
，e
l
，eb，tf]
[0043]
显然，全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化是一个多目标优化问题。考虑到本发明旨在提供全回转起重船海上吊装作业的智能解决方案，根据专家经验对各项优化目标进行了权重分配，将其转化为单目标优化问题。这样的优化方案不仅实现起来更为方便，而且不需要额外的决策，能够有效地完成智能海上吊装作业。在实际吊装操作过程中，相关技术人员可以根据海上作业的实际需求(如海况、吊物类型等)合理调整权重，以更好地利用该优化算法。因此，本发明提出的协同匹配优化算法的目标函数转化为：
[0044][0045]
其中，
[0046][0047]
式中，γ1～γ4为各优化目标权重，对应的取值根据海上作业的实际需求进行调整。
[0048]
进一步地，所述全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化算法的设计变量选取流程如下：
[0049]
在全回转起重船海上吊装作业过程中，吊装轨迹与各压载舱中水位之间的协同匹配是一个实时连续的过程，正是基于这一实时特性，本发明拟采用时间离散化的思想，将整个时间域离散为等时间间隔，如下：
[0050]
t0＝t1＜t2＜
…
＜tu＝tf[0051]
式中，t0为吊装作业初始时刻，tf为吊装作业末态时刻，u为等时间间隔个数，时间间隔δt可表示为：
[0052][0053]
在时间离散化的基础上，全回转起重船在任意时刻的压载舱水位和任意时刻的吊装轨迹坐标均可利用二者间的力矩平衡原理求解获得。
[0054]
本发明选取高次多项式来描述各压载舱中的水位变化过程，以此可以将压载水调拨决策这一最优控制问题转化为求解最优高次多项式系数的非线性规划问题。进一步，由于6次多项式具有较高的自由度和多样性，并且能够实现复杂位移、速度和加速度过程的精确预测，故压载水舱p的水位h
p
(p＝1，2，
…
，8)可以表示为：
[0055]hp
(t)＝w
p0
+w
p1
t+w
p2
t2+w
p3
t3+w
p4
t4+w
p5
t5+w
p6
t6[0056]
式中，w
pn
为多项式系数；p为第p个压载水舱的标记号；n为多项式系数的序号。
[0057]
根据实际工程中压载泵的作业特性，压载水位多项式系数的求解要考虑实际压载水调拨过程中的边界条件：
[0058]hpi
＝δ
pi
；h
pf
＝δ
pf
[0059]vpi
＝0；v
pf
＝0
[0060]api
＝0；a
pf
＝0
[0061]
式中，h
pi
(m)和h
pf
(m)分别表示第p个压载水舱中的初始水位(数值为δ
pi
)与末态水位(数值为δ
pf
)；v
pi
(m/s)和v
pf
(m/s)分别表示第p个压载水舱中的初始水位变化速率与末态水位变化速率；a
pi
(m/s2)和a
pf
(m/s2)分别表示第p个压载水舱中的初始水位变化加速度与末态水位变化加速度。基于上述边界条件，压载水位多项式系数w
p0
～w
p5
可以确定为：
[0062][0063]
为了更确切地描述全回转起重船在任意时刻的吊装轨迹坐标，应先建立一个与船体相对应的坐标系统(如图4和图5所示)。该系统是以基平面、中纵剖面、中横剖面的交点为
坐标原点o。其中，基平面与中纵剖面的交线为x轴，沿船长方向向首为正，向尾为负。基平面与中横剖面的交线为y轴，沿型宽方向向左舷为正，向右舷为负。中横剖面与中纵剖面的交线为z轴，沿型深方向向上为正，向下为负。进而，吊装轨迹在x，y，z三个轴向上的位移表达式如下：
[0064]sx
＝xc+l2cosβ2cosβ1[0065]
sy＝l2cosβ2sinβ1[0066]
sz＝h+hb+l2sinβ
2-lr[0067]
式中，s
x
(m)，sy(m)，sz(m)分别为吊装货物在x，y，z轴上的位移；xc(m)表示吊机回转中心与坐标系原点间的纵向距离；12(m)表示吊臂长度；β1(
°
，degree)表示吊机回转角度；β2(
°
，degree)表示吊臂变幅角度；h(m)表示全回转起重船型深；hb(m)表示吊机回转基座的高度；lr(m)表示起吊绳索的长度。由吊装轨迹表达式可知，负载实时位置坐标主要由吊机的回转角度β1、变幅角度β2以及起吊绳索的长度lr所决定。因此，针对β1，β2，lr，此处依然选取6次多项式进行定义与描述，相应表达式为：
[0068]
β1(t)＝a
10
+a
11
t+a
12
t2+a
13
t3+a
14
t4+a
15
t5+a
16
t6[0069]
β2(t)＝a
20
+a
21
t+a
22
t2+a
23
t3+a
24
t4+a
25
t5+a
26
t6[0070]
lr(t)＝a
30
+a
31
t+a
32
t2+a
33
t3+a
34
t4+a
35
t5+a
36
t6[0071]
式中，a
jk
为多项式系数；j为回转角度(j＝1)、变幅角度(j＝2)以及绳索长度(j＝3)的标记号；k为多项式系数的序号。考虑到全回转起重船的真实作业过程，吊装轨迹寻优同样需要考虑相关的边界条件：回转角度β1、变幅角度β2以及起吊绳索的长度lr的初始和最终状态均为定值；由于海上起重过程中安全要求很高，全回转起重船在回转、变幅、起吊过程中均不能有刚性或柔性冲击，进而海上起重作业的初始和最终状态(包括速度、加速度)均应被限制为零。
[0072]
综上，本发明将吊装轨迹和压载水调拨协同匹配问题转化为了求解最优轨迹多项式系数和最优压载水位多项式系数的非线性规划问题。因此，吊装轨迹多项式系数和压载水位多项式系数均选为设计变量。同时，本发明中所研究的协同匹配问题属于典型的终端状态受约束问题，因此全回转起重船吊装作业时长(tf，min)和各压载水舱的末态水位(δ
pf
，m)也确定为设计变量。除此之外，初始时刻各压载水舱水位(δ
pi
，m)和初始装载压载水总量(qi，t)会对整个吊装过程安全性产生影响，因此，δ
pi
与qi也确定为设计变量。
[0073]
基于以上分析，本发明所提出的全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化算法的设计变量可整理为：
[0074]
x＝[a
1～36
，δ
1～8f
，w
1～86
，δ
1～8i
，qi，tf]
[0075]
进一步地，所述全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化算法的约束条件要根据实际海上起重作业情况来确定，包括：
[0076]
起重机底座回转速度与加速度约束；起重机吊臂变幅角度、速度、加速度约束；起吊绳索长度、提升速度、提升加速度约束；起重机回转、变幅、提升运动中驱动装置功率约束；吊装轨迹末态位置坐标约束；船体横、纵倾角度约束；各压载水舱水位约束；压载系统流量约束；初始时刻船体平衡约束；压载水预装载量约束。因此，本发明所建立优化模型中的不等式约束g与等式约束h可表示为：
[0077][0078][0079]
其中，分别表示吊机底座的回转速度、吊臂的变幅速度以及吊绳的提升速度；吊臂的变幅速度以及吊绳的提升速度；分别表示吊机底座的回转加速度、吊臂的变幅加速度以及吊绳的提升加速度；分别表示满足吊机机械特性的前提下吊机底座的最大回转速度、吊臂的最大变幅速度以及吊绳的最大提升速度；分别表示满足吊机机械特性的前提下吊机底座的最大回转加速度、吊臂的最大变幅加速度以及吊绳的最大提升加速度；p1(kw)，p2(kw)，pr(kw)分别为起重机回转、变幅、提升运动中驱动装置消耗功率；p
1e
(kw)，p
2e
(kw)，p
re
(kw)分别为起重机回转、变幅、提升运动中驱动装置额定功率；β
2min
(
°
，degree)与β
2max
(
°
，degree)分别为吊机吊臂所允许变幅范围中的最小值与最大值；l
min
(m)与l
rmax
(m)分别为吊机吊绳所允许长度范围中的最小值与最大值；θ(
°
，degree)与分别表示吊装作业过程中船体的横倾角与纵倾角；[θ](
°
，degree)与(
°
，degree)分别表示安全吊装作业过程中船体横倾角与纵倾角可允许的阈值；h
p
(m)与h
pmax
(m)分别表示各压载水舱中的水位以及各压载水舱中可允许注入的最高水位；q
p
(t/h)与q
pmax
(t/h)分别表示各压载水舱对应管路的流量以及各压载水舱对应管路中可允许的最大流量；q
t
(t)与q
pmax
(t)分别表示总压载水调拨量以及压载泵可允许的最大调拨量；β
1f
(
°
，degree)，β
2f
(
°
，degree)，l
rf
(m)分别为吊装作业末态时刻底座回转角度、吊臂变幅角度以及吊绳长度；(s
xf
，s
yf
，s
zf
)为吊装作业目标点位置坐标；θi(
°
，degree)与分别表示吊装作业初始时刻船体的横倾角与纵倾角；q(t)表示任意时刻压载水装载量。
[0080]
进一步地，基于上述所确定的目标函数、设计变量与约束条件，本发明所建立的全
回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化模型整理如下：
[0081][0082]
进一步地，利用基于时间离散化思想的求解策略对吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化模型进行求解。全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配是一个动态连续的决策过程，其在任意时刻的决策不仅取决于当前的吊装轨迹位置与各压载水舱的水位，还会对后续的轨迹规划与压载水调拨优化产生影响。与传统的动态规划求解策略不同，本发明中所提出的全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化策略采用时间离散化思想，利用高次多项式对实时吊装轨迹位置与各压载水舱中实时水位进行描述，使得优化迭代过程中的待求轨迹/水位已知而实现整个优化过程中的随时调用。在寻优迭代过程中，需要对上述每个轨迹/水位中间预测模型在整个作业时间域内进行细致的离散化处理，并且引入相关约束以确保作业系统最基本的运动学与动力学规律，进而实现全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨实时协同匹配。全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配求解过程的伪代码详见表1。
[0083]
从表2可以看出，在确定了优化模型的三要素(优化目标，设计变量，约束条件)并对设计变量进行初始化后，设置有一个完整的优化循环。该循环的执行条件设置为目标函数迭代残差大于残差标准值或迭代次数小于最大允许迭代次数。当优化迭代过程满足执行条件时，优化迭代持续执行。反之，当优化迭代过程不满足执行条件时，寻优迭代结束，即获得最优吊装轨迹与压载水调拨协同匹配方案。执行过程中，构建全回转起重船吊装轨迹中间模型与压载水调载中间模型，之后对整个作业时间域进行离散化处理，进而以轨迹模型与压载水调载模型的多项式系数为设计变量，确定协同匹配优化目标并执行寻优。本次寻优完毕后，更新协同匹配优化设计变量，执行下一个寻优循环。
[0084]
表2协同匹配优化过程伪代码
[0085][0086]
进一步地，采用本发明所提出的全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化算法求解后，起重机的最优吊装轨迹和相应的最终姿态如图6所示。可以看出，规划的吊
装轨迹平滑连续且没有任何突变，能够可靠满足全回转起重船吊装过程的稳性要求。此外，与最优吊装轨迹协同匹配的各压载舱水位变化如图7所示。由图7可以观察到，与起重负载回转方向同侧的压载舱1水位呈下降趋势，而异侧的压载舱(压载舱5、压载舱6和压载舱8)水位呈上升趋势。并且随着吊机的回转，距离负载越远的舱室(压载舱1和压载舱5)水位变化程度越明显。图8展示了协同匹配优化方法对应的整个吊装过程中全回转起重船船体的横纵倾角度变化情况，可以看出横倾角始终维持在1
°
以内，纵倾角始终维持在0.5
°
以内，完全符合中国船级社发布的《船舶与海上设施起重设备规范》中提到的倾角规范(横倾角为
±5°
，纵倾角为
±2°
)。由此可见，本发明所提出的协同匹配优化方法能够可靠、稳定地找到吊装轨迹与压载水调拨间的最优匹配方案，具有可实施特性。
[0087]
进一步地，为证明本发明所提出的全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法的优越性，现选取传统顺序设计方法(先轨迹后压载水调拨)予以对比。利用传统顺序设计方法求解后的起重机的最优吊装轨迹和相应的最终姿态如图9所示，各压载舱中的水位变化如图10所示。结果发现，本发明所提出的协同匹配优化方法与传统顺序设计方法在面临相同的吊装任务时，所规划出的最优吊装轨迹在形状上高度相似，且均呈现出平滑且无突变的特点。同时，二者对应的水位变化趋势相似，例如，它们都主要调用四个舱室(压载舱1，5，6，8)来实现压载作业，随着吊机回转，负载同侧的压载舱1中的水位逐渐下降，而与负载异侧的压载舱6和8则呈上升趋势。在各压载舱室中水位变化程度方面，协同匹配优化方法得到的压载方案中的水位变化程度明显低于顺序设计方法，这一特点尤其体现在压载舱6的水位变化上。这也意味着协同匹配优化方法可以有效减少压载水调拨量、削减时间成本并降低系统能耗。
[0088]
进一步地，针对一些主要的作业性能指标，协同匹配优化方法与传统顺序设计方法对应的求解结果如表3所示。
[0089]
表3协同匹配优化方法与顺序设计方法结果对比
[0090][0091]
从表3可看出，与传统的顺序设计方法相比，本发明所提出的协同匹配优化方法将作业时间从13.48min缩短至11.97min，降低了11.20％，显著提升了全回转起重船海上吊装作业效率。在压载水调拨量方面，本研究所提出的协同匹配优化方法在整个作业过程中仅需调配399.92t压载水，相较于顺序设计方法减少了86.83t，变相降低了作业能耗。从计算决策时间角度，协同匹配优化方法相较于顺序设计方法节省了一半以上的时间，更加契合智能化海上吊装作业对于方案决策快速响应的需求。因此可以得出结论：本发明所提出的协同匹配优化方法在满足海上起重作业安全的前提下，无论是在作业时间、压载水调拨量、吊装作业总能耗，还是计算决策时间上，都要优于传统相关方法，在显著提升吊装作业效率
的同时降低了作业能耗，提升了全回转起重船在复杂海况下的综合作业性能。
[0092]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、确定全回转起重船海上吊装任务信息，包括吊装始末位置信息、目标负载信息以及海况信息；s2、分别建立起重系统与压载系统作业模型，起重系统作业模型包括动力学模型、轨迹规划模型，压载系统作业模型包括压载舱初始水位模型、压载水调拨模型；s3、对全时域进行时间离散化处理，建立起时间点、吊装轨迹位置坐标与各压载舱水位间的一一对应关系；s4、考虑全回转起重船吊装作业安全性约束、起重系统动态约束、压载系统动态约束条件并建立协同匹配优化模型，并执行迭代寻优；s5、若求解收敛，则输出最优吊装轨迹与压载水调拨协同匹配方案，反之，则更新设计变量继续执行迭代求解。2.根据权利要求1所述的一种全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法，其特征在于，所述设计变量为：x＝[a
1～36
，δ
1～8f
，w
1～86
，δ
1～8i
，q
i
，t
f
]其中，a
1～36
为吊装轨迹多项式系数，δ
1～8f
为各压载水舱的末态水位，w
1～86
为压载水位多项式系数；δ
1～8i
为吊装作业初始时刻各压载水舱水位，q
i
为全回转起重船压载水预装载量，t
f
为全回转起重船吊装作业时长。3.根据权利要求1所述的一种全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法，其特征在于，对全时域进行时间离散化处理，包括：将整个时间域离散为n等份，每个时间点定义为t
i
，i＝1，2，3，
…
，n，其中，对应的吊装轨迹位置由三维坐标(d
xi
，d
yi
，d
zi
)表示，对应的各压载水舱水位由h
pi
表示。4.根据权利要求1所述的一种全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法，其特征在于，所述协同匹配优化模型的优化目标为：极大化作业安全性指标、极小化起重系统能耗指标、极小化压载系统能耗指标以及极小化吊装作业耗时；其中，极大化作业安全性指标等价为极小化船体极限横倾角；所述协同匹配优化模型的目标函数为：min其中，式中，θ
lim
表示船体极限横倾角，e
l
表示起重系统能耗指标，e
b
表示压载系统能耗指标，t
f
表示吊装作业耗时，γ1～γ4为优化目标权重，对应的取值根据海上作业的实际需求进行调整。5.根据权利要求4所述的一种全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法，其特征在于，所述协同匹配优化模型的约束条件包括：起重机底座回转速度与加速度约束；起重机吊臂变幅角度、速度、加速度约束；
起吊绳索长度、提升速度、提升加速度约束；起重机回转、变幅、提升运动中驱动装置功率约束；吊装轨迹末态位置坐标约束；船体横、纵倾角度约束；各压载水舱水位约束；压载系统流量约束；初始时刻船体平衡约束；以及压载水预装载量约束。6.根据权利要求5所述的一种全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法，其特征在于，所述协同匹配优化模型的约束包括不等式约束g与等式约束h，其中：法，其特征在于，所述协同匹配优化模型的约束包括不等式约束g与等式约束h，其中：其中，分别表示吊机底座的回转速度、吊臂的变幅速度以及吊绳的提升速度；分别表示吊机底座的回转加速度、吊臂的变幅加速度以及吊绳的提升加速度；分别表示满足吊机机械特性的前提下吊机底座的最大回转速度、吊臂的最大变幅速度以及吊绳的最大提升速度；分别表示满足吊机机械特性的前提下吊机底座的最大回转加速度、吊臂的最大变幅加速度以及吊绳的最大提升加速度；p1，p2，p
r
分别为起重机回转、变幅、提升运动中驱动装置消耗功率；p
1e
，p
2e
，p
re
分别为起重机回转、变幅、提升运动中驱动装置额定功率；β
2min
与β
2max
分别为吊机吊臂所允许变幅范围中的最小值与最大值；l
rmin
与l
rmax
分别为吊机吊绳所允许长度范围中的最小值与最大值；θ与分别表示吊装作业过程中船体的横倾角与纵倾角；[θ]与分别表示安全吊装作业过程中船体横倾角与纵倾角可允许的阈值；h
p
与h
pmax
分别表示各压载水舱中的水位以及各压载水舱中可允许注入的最高水位；q
p
与q
pmax
分别表示各压载水舱对应管路的
流量以及各压载水舱对应管路中可允许的最大流量；q
t
与q
pmax
分别表示总压载水调拨量以及压载泵可允许的最大调拨量；β
1f
，β
2f
，l
rf
分别为吊装作业末态时刻底座回转角度、吊臂变幅角度以及吊绳长度；(s
xf
，s
yf
，s
zf
)为吊装作业目标点位置坐标；θ
i
与分别表示吊装作业初始时刻船体的横倾角与纵倾角；q表示任意时刻压载水装载量。

技术总结
本发明提供一种全回转起重船吊装轨迹与压载水调拨协同匹配优化方法，包括：确定全回转起重船海上吊装任务信息；分别建立起重系统与压载系统作业模型；对全时域进行时间离散化处理，建立起时间点、吊装轨迹位置坐标与各压载舱水位间的一一对应关系；考虑全回转起重船吊装作业安全性约束、起重系统动态约束、压载系统动态约束条件并建立协同匹配优化模型，并执行迭代寻优；若求解收敛，则输出最优吊装轨迹与压载水调拨协同匹配方案，反之，则更新设计变量继续执行迭代求解。本发明有效解决了吊装轨迹与压载水调拨间的强耦合问题，并显著提高了全回转起重船作业安全和节能水平。高了全回转起重船作业安全和节能水平。高了全回转起重船作业安全和节能水平。


技术研发人员：王晓邦 李思育 于洋 刘鑫鹏 梁冰 刘志杰
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/24