CN107942731A - 一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置及方法 - Google Patents

一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置及方法，该装置包括栈桥基座、控制器、伸缩支撑杆、MRU传感器、测距传感器和承载台。通过MRU传感器检测的浮体升沉位移/俯仰角度数据训练抽取出模式预测模型，***浮体在下一时间段内升沉距离/俯仰角度大小，通过控制***主动调整栈桥基座升降和伸缩支撑杆伸缩动作，补偿下一时刻波浪将引起的变化。本发明有效降低浮体随波浪起伏、俯仰造成的栈桥颠簸，提高人员通行的效率和安全性。

Description

一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置及方法
技术领域
本发明涉及人行栈桥安全稳定领域，具体涉及一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置及方法。
背景技术
海上浮体之间或固定物与浮体之间架设小型临时栈桥供人员通行，如引水员进入服务船只引航、舰船临时停靠不规则岸边补给、舰船与大型浮体人员物资补充替换等。
如何使人行栈桥在起伏颠簸的海面上尽量保持平稳，一直是一个难题。为了解决这一难题，人们设计出可以随波浪进行伸缩、俯仰变化的栈桥调节装置。随着传感、控制、计算机技术的飞速发展，栈桥调节装置从以往机械的被动补偿装置发展为程序控制的主动或被动补偿装置。
专利申请号：CN201610940497.4，《一种人行栈桥主动波浪补偿装置及方法》，主要采用对浮体升沉和俯仰波动数据进行傅里叶变换，根据主要功率普的幅度参数序列计算预测数值进行补偿。
目前对于人行栈桥的主动波浪补偿方法较少，急需有效的能够***波浪并提前主动采取补偿措施，降低浮体随波浪起伏、俯仰造成的栈桥颠簸，保障人员通行的效率和安全性。
发明内容
鉴于上述现有技术和需求状况，本发明的目的在于提供一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置及方法，提高海上浮体之间人员通行的效率和安全性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置，其特征在于，
海上两个浮体之间架设中间水平两端斜坡状的人行栈桥；
浮体上表面配置栈桥基座，承载台的一端可旋转的设于所述栈桥基座上，所述承载台的另一端悬空且最远端下表面安装有测距传感器，所述测距传感器的下方为另一侧的浮体，探测方向为向下方向；在所述栈桥基座上表面和所述承载台底面之间连接有伸缩支撑杆；
所述栈桥基座上表面垂直安装有MRU传感器和控制器；所述控制器根据所述MRU传感器和所述测距传感器的测试数据，控制驱动所述伸缩支撑杆和所述栈桥基座的动作，人行栈桥的水平段固定在所述承载台上。
进一步的，所述控制器包括微控制单元MCU、操作按键和控制接口；所述微控制单元MCU连接所述操作按键和所述控制接口；所述控制接口分别与所述栈桥基座和所述伸缩支撑杆的驱动装置、所述MRU传感器和所述测距传感器连接。
进一步的，所述操作按键包括设置按键和启动/停止按键。
进一步的，所述栈桥基座包括底盘和升降柱，所述升降柱垂直固定于所述底盘上。
进一步的，所述升降柱和所述伸缩支撑杆通过电机实现电控伸缩或通过电控液压传动装置实现伸缩。
一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿方法，包括如下步骤：
S1、采集数据：所述微控制单元MCU持续采集所述MRU传感器检测的浮体升沉位移和俯仰角度数据；
S2、启动主动波浪补偿；
S3、模式抽取：当数据积累到一固定时间段后，从所述浮体升沉位移和所述俯仰角度数据中抽取出浮体的升沉/俯仰角度模式集合PS/PA并存储；
S4、主动补偿判断：如果所述测距传感器检测的实时偏离距离d大于设定的最小安全偏离距离D，则需要主动进行补偿以保持安全平衡；否则返回步骤S3；
S5、主动预测模型：包括浮体升沉偏离距离预测模型和浮体俯仰角度偏离距离预测模型；
当所述MRU传感器检测到一个当前的浮体升沉/俯仰角度数据，利用固定数量的几个浮体升沉/俯仰角度数据组合成一个升沉/俯仰角度趋势模式p，从所述升沉/俯仰角度模式集合PS/PA中进行模式匹配，以距离最小的那个模式作为最相似模式pc，利用所述最相似模式pc的下一个模式pc+1为模式预测结果，预测了下一个时间段浮体的升沉距离/俯仰角度大小；
当存在多个最相似的模式pc时，存在多个不同下一个模式，综合计算获得模式预测结果；
S6、控制***执行补偿：
所述控制器根据步骤S5中预测的下一时间段浮体的升沉距离/俯仰角度大小，发送控制指令到所述控制接口，主动调整所述栈桥基座升降和所述伸缩支撑杆伸缩动作，补偿即将发生的变化，保持浮体的平衡性；
S7、补偿结果反馈与修正：
所述MRU传感器实时采集补偿后浮体发生的偏移距离，并与浮体预测的结果进行比对，如果浮体的偏移大小比预测结果大，则说明补偿不够理想，需进一步调整；如果浮体的偏移量小于预测结果，则说明主动补偿有效果；
S8、判断是否有按键停止波浪补偿：当有所述停止按键按下时结束波浪补偿，否则采集所述MRU传感器检测的浮体升沉位移、俯仰角度数据，测距传感器的距离数据，回到步骤S3。
进一步的，步骤S3中对所述浮体升沉位移和俯仰角度数据采用时间序列方法进行处理，把多个连续的值组合在一起成为一个模式，从而把抽取出的模式组成模式集合。
进一步的，步骤S5中所述综合计算以多个所述最相似模式pc的出现时间为基准，采用时间权重的方式，出现时间更久远的模式权重更小，而越近出现的模式的权重将越大，具体计算公式为：
其中是模式预测结果，ωi是第i个模式的时间权重，是第i个最相似模式pc的下一模式，m是匹配出最相似模式的个数。
所述微控制单元MCU还可以是PLC控制器、高速DSP芯片和嵌入式芯片。
所述MRU传感器能够高速检测浮体升沉位移变化量、俯仰角度变化量并将数据传递给所述微控制单元MCU。
装置上电后，所述微控制单元MCU自动持续高速采集所述MRU传感器检测的参数，持续分析浮体升沉、俯仰波形，并模拟预测其波形。
当波浪补偿尚未启动时，按键能够输出手工设定的补偿参数。
当按下波浪补偿启动按钮之后，装置进入自动补偿状态。
本发明在保证栈桥安全的前提下，尽量保证栈桥的平稳，也就是减少上下起伏和动态俯仰；通过调节栈桥动态升沉，抵消浮体升沉导致栈桥的起伏；通过调节栈桥动态俯仰，抵消浮体俯仰导致栈桥的俯仰变化。
预测浮体升沉波形、计算并输出升沉补偿参数：
通过浮体升沉的状态数据训练抽取一个模式预测模型，并利用模型提前预知浮体在一段时间内升沉的距离大小，通过控制***提前进行补偿。
预测浮体俯仰波形、计算并输出俯仰补偿参数：
通过浮体俯仰的偏移数据训练抽取一个模式预测模型，并利用模型提前预知浮体在一段时间内的俯仰的角度大小，通过控制***提前进行补偿。
相比现有技术,本发明具有如下有益效果:
本发明根据采集的数据，训练抽取出模式预测模型，***下一时间段波浪变化并主动采取波浪补偿措施，执行升降和俯仰角度的调整，有效降低浮体随波浪起伏、俯仰造成的栈桥颠簸，提高人员通行的效率和安全性。
附图说明
图1本发明一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置示意图；
图2本发明一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿方法流程图；
其中：1.浮体，2.栈桥基座，3.控制器，4.伸缩支撑杆，5.MRU传感器，6.测距传感器，7.承载台，8.人行栈桥。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。
图1为本发明一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置示意图，包括浮体1，栈桥基座2，控制器3，伸缩支撑杆4，MRU传感器5，测距传感器6，承载台7，人行栈桥8。
图2为本发明一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿方法流程图，装置上电开始，按照流程先后进行：
S1、采集数据：所述微控制单元MCU持续采集所述MRU传感器(5)检测的一段时间内的浮体升沉位移数据S(S1,S2,…,Sn)和俯仰角度数据A(A1,A2,…,An)；
S2、按键启动主动波浪补偿：按下所述操作按键进入主动波浪补偿状态；
S3、模式抽取：当数据积累到一段时间后，从所述升降位移数据S和所述俯仰角度数据A中抽取出浮体的升沉/俯仰角度模式集合PS/PA并存储；在所述升降位移数据S中，由于数据是每隔一个固定时间采集，符合时间序列的特征，是按照时间先后顺序的数列，利用时间序列方法对所述升降位移数据S进行处理，把多个连续的值(Si,Si+1,Si+2,…,Si+k-1)组合在一起成为一个模式pi，从而把抽取出的模式pi组成模式集合PS，同理，对俯仰角度数据A数据集采用同样的处理过程，得到俯仰角度趋势集合PA；
S4、主动补偿判断：如果所述测距传感器检测的实时偏离距离d大于设定的最小安全偏离距离D，则需要主动进行补偿以保持安全平衡；否则返回步骤S3；
S5、主动预测模型：包括浮体升沉偏离距离预测模型和浮体俯仰角度偏离距离预测模型；
当所述MRU传感器(5)检测到一个当前的浮体升沉/俯仰角度数据，利用最近的几个浮体升沉/俯仰角度数据组合成一个升沉/俯仰角度趋势模式p，从所述升沉/俯仰角度模式集合PS/PA中进行模式匹配，以距离最小的那个模式作为最相似模式pc，利用所述最相似模式pc的下一个模式pc+1为模式预测结果，预测了下一个时间段浮体的升沉距离/俯仰角度大小；
当存在多个最相似的模式pc时，存在多个不同下一个模式，此时需要对这些下一个模式进行综合，本专利基于最相似模式pc的出现时间为基准，采用时间权重的方式，出现时间更久远的模式权重更小，而最近出现的模式的权重将更大，如此计算得到模式预测结果。具体公式为：
其中是模式预测结果，ωi是第i个模式的时间权重，是第i个最相似模式pc的下一模式，m是匹配出最相似模式的个数。
当预测得到一个模式后，该模式提供了下一个时间段浮体的升沉距离/俯仰角度大小；
S6、控制***执行补偿，执行***主动调整升降柱22和伸缩支撑杆4执行实际升降/收缩动作，补偿即将发生的变化，保持浮体的平衡性；
S7、根据补偿结果反馈需要进一步调整；
S8、判断是否有按键停止波浪补偿：当有所述停止按键按下时结束波浪补偿，否则采集浮体升沉位移、俯仰角度数据，测距传感器(6)的距离数据，回到步骤S3；
采用主动补偿模型修正，重复执行步骤S3,S4,S5,S6，主动补偿模型逐步调整直至偏移量小于设定的偏离距离d，模型稳定。
通过上述措施，可以有效降低因浮体随波浪升沉起伏造成的栈桥颠簸，提高人员通行的效率和安全性。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置，其特征在于，
海上两个浮体之间架设中间水平两端斜坡状的人行栈桥(8)；
浮体(1)上表面配置栈桥基座(2)，承载台(7)的一端可旋转的设于所述栈桥基座(2)上，所述承载台(7)的另一端悬空且最远端下表面安装有测距传感器(6)，所述测距传感器(6)的下方为另一侧的浮体，探测方向为向下方向；在所述栈桥基座(2)上表面和所述承载台(7)底面之间连接有伸缩支撑杆(4)；
所述栈桥基座(2)上表面垂直安装有MRU传感器(5)和控制器(3)；所述控制器(3)根据所述MRU传感器(5)和所述测距传感器(6)的测试数据，控制驱动所述伸缩支撑杆(4)和所述栈桥基座(2)的动作，人行栈桥(8)的水平段固定在所述承载台(7)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置，其特征在于，所述控制器(3)包括微控制单元MCU、操作按键和控制接口；所述微控制单元MCU连接所述操作按键和所述控制接口；所述控制接口分别与所述栈桥基座(2)和所述伸缩支撑杆(4)的驱动装置、所述MRU传感器(5)和所述测距传感器(6)连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置，其特征在于，所述操作按键包括设置按键和启动/停止按键。
4.根据权利要求1所述的一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置，其特征在于，所述栈桥基座(2)包括底盘(21)和升降柱(22)，所述升降柱(22)垂直固定于所述底盘(21)上。
5.根据权利要求4所述的一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置，其特征在于，所述升降柱(22)和所述伸缩支撑杆(4)通过电机实现电控伸缩或通过电控液压传动装置实现伸缩。
6.一种基于权利要求2～5任一项所述的一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿装置的基于预测的人行栈桥主动波浪补偿方法，包括如下步骤：
S1、采集数据：所述微控制单元MCU持续采集所述MRU传感器(5)检测的浮体升沉位移和俯仰角度数据；
S2、启动主动波浪补偿；
S3、模式抽取：当数据积累到一固定时间段后，从所述浮体升沉位移和所述俯仰角度数据中抽取出浮体的升沉/俯仰角度模式集合PS/PA并存储；
S4、主动补偿判断：如果所述测距传感器(6)检测的实时偏离距离d大于设定的最小安全偏离距离D，则需要主动进行补偿以保持安全平衡；否则返回步骤S3；
S5、主动预测模型：包括浮体升沉偏离距离预测模型和浮体俯仰角度偏离距离预测模型；
当所述MRU传感器(5)检测到一个当前的浮体升沉/俯仰角度数据，利用固定数量的几个浮体升沉/俯仰角度数据组合成一个升沉/俯仰角度趋势模式p，从所述升沉/俯仰角度模式集合PS/PA中进行模式匹配，以距离最小的那个模式作为最相似模式pc，利用所述最相似模式pc的下一个模式pc+1为模式预测结果，预测了下一个时间段浮体的升沉距离/俯仰角度大小；
当存在多个最相似的模式pc时，存在多个不同下一个模式，综合计算获得模式预测结果；
S6、控制***执行补偿：
所述控制器(3)根据步骤S5中预测的下一时间段浮体的升沉距离/俯仰角度大小，发送控制指令到所述控制接口，主动调整所述栈桥基座(2)升降和所述伸缩支撑杆(4)伸缩动作，补偿即将发生的变化，保持浮体的平衡性；
S7、补偿结果反馈与修正：
所述MRU传感器(5)实时采集补偿后浮体发生的偏移距离，并与浮体预测的结果进行比对，如果浮体的偏移大小比预测结果大，则说明补偿不够理想，需进一步调整；如果浮体的偏移量小于预测结果，则说明主动补偿有效果；
S8、判断是否有按键停止波浪补偿：当有所述停止按键按下时结束波浪补偿，否则采集所述MRU传感器(5)检测的浮体升沉位移、俯仰角度数据，测距传感器(6)的距离数据，回到步骤S3。
7.根据权利要求6所述的一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于，步骤S3中对所述浮体升沉位移和俯仰角度数据采用时间序列方法进行处理，把多个连续的值组合在一起成为一个模式，从而把抽取出的模式组成模式集合。
8.根据权利要求6所述的一种基于预测的人行栈桥主动波浪补偿方法，其特征在于，步骤S5中所述综合计算以多个所述最相似模式pc的出现时间为基准，采用时间权重的方式，出现时间更久远的模式权重更小，而越近出现的模式的权重将越大，具体计算公式为：
<mrow> <mover> <mi>p</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>m</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>i</mi> </msub> <msubsup> <mi>p</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> </mrow>
其中是模式预测结果，ωi是第i个模式的时间权重，是第i个最相似模式pc的下一模式，m是匹配出最相似模式的个数。
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