暗涵高效长距离清淤的方法及其清淤系统

技术领域

本发明涉及暗涵清淤技术领域，特别是涉及一种暗涵高效长距离清淤的方法及其清淤系统。

背景技术

下水道作为城市最重要的基建设施，对于在城市居住的市民来说起到极其重要的作用。而随着城市人口的逐渐增加，每天排入下水道内的污水及各种垃圾也越来也多，长此以往，下水道很容易发生淤积堵塞。目前，各个城市都会采用清淤机器人定期对下水道进行清淤处理。但是，受限于不同下水道内部水位环境不同，清淤机器人的操作人员在对不同环境下的清淤操作很依赖于其清淤年限及熟练度，这种不稳定的清淤操作会降低清淤效率，也使得清淤情况波动较大，不够稳定。此外，目前的清淤机器人都是采用电机水泵等，这种设备在遇到低水位等清淤环境时，不能自动实现变速调节，大部分都是需要操作人员根据水位或泥浆浓度自行进行变速调节，调节方式不够稳定，不能适用于复杂且多变的暗涵环境。

同时，目前的清淤系统里面并没有设置中转加压站，清淤机器人无法实现长距离的清淤，对于这种总线长度较长的城市下水道而言，清淤机器人需要进出多次才能完成整个清淤工作，这极大地影响了清淤效率。此外，目前的清淤机器人系统并没有设置额外的冷却系统，仅仅是依靠下水道内的水对各个设备进行冷却，在遇到低水位的环境时，清淤机器人无法及时散热，会导致部分设备损坏。

因此，设计一种结构简单、能够进行长距离清淤、能够适应低水位等复杂的环境、能够根据当前淤泥浓度进行自动变速调节的暗涵高效长距离清淤的方法及其清淤系统就很有必要。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种暗涵高效长距离清淤的方法及其清淤系统，通过设置中转站，增加了能够清淤的最大距离，并根据在线监测的泥浆浓度及时调节电机转速，从而实现自动化变速调节，确保清淤工作的顺利进行，自动化控制方式工作效率高且工作状态稳定。

为实现上述的目的，本发明采用的技术方案是：

一种暗涵高效长距离清淤的方法，包括以下步骤：

S1、以二阶时变差分方程的特征模型构建泥浆浓度的连续变化函数，

y(k)＝f

式中，y(k)为k时刻的泥浆浓度；y(k-1)为k-1时刻的泥浆浓度；y(k-2)为k-2时刻的泥浆浓度；k

S2、进行预挖试验得出预挖时泥浆浓度与电机转速，带入所述连续变化函数确定特征向量，并确定特征参数f

S3、根据所述特征参数的范围按照边界条件对所述特征参数求解；

S4、构建期望浓度与实际浓度之间的控制模型，

n(k)＝n

式中，n

式中，n

n

式中，f是滤波系数，λ

S5、根据浓度计实时反馈的当前泥浆浓度计算出期望电机转速，随后通过控制装置对电机转速进行调节。

进一步的，在步骤S2中，所述特征参数的范围为：

进一步的，在步骤S3中，边界条件为：

f

f

g

根据所述边界条件将所述公式(1)改写为：

随后，根据随机逼近法辨识所述特征参数，所述随机逼近法的递推公式为：

式中，π(x)为x到D

进一步的，在步骤S4中，公式(3)中各项参数的公式如下：

式中，η

进一步的，在对公式(3)进行计算时，在k时刻通过浓度误差预估的方法获取k+k

进一步的，为了保证浓度误差预估方法的准确性，在开始时的过渡阶段采用全量参数预估的方法，在后续的近稳态阶段采用误差量参数预估的方法。

一种暗涵高效长距离清淤的清淤系统，采用所述的暗涵高效长距离清淤的方法，包括水下清淤机器人、中转站、以及控制装置，所述清淤机器人包括行走装置、设置于所述行走装置的前端的清淤装置、用于提供动力的动力装置、对所述清淤装置与所述动力装置进行冷却的冷却装置、以及与所述控制装置信号连接的感应装置。

进一步的，所述行走装置包括导向轮、驱动轮、套设于所述导向轮与驱动轮的外周壁的履带、设置于所述履带上方的悬架、设置于所述履带内的张紧装置、以及驱动所述驱动轮转动的驱动组件，所述履带的内圈的底端设置有若干支重轮，所述履带的内圈的顶端设置有若干托带轮。

进一步的，所述清淤装置与所述悬架的前端转动连接，并包括装置主体、分设于所述装置主体左右两侧的两组电机、以及分别与两组所述电机的驱动端连接的搅拌件，所述装置主体上设置有泥浆泵，所述泥浆泵与输泥管的一端连接，所述中转站包括浮体、以及设置于所述浮体上的增压管道泵，所述输泥管的另一端与所述增压管道泵连接；

所述输泥管的进料端设置有浓度计与泥浆流量计，所述电机与所述浓度计均与所述控制装置信号连接。

进一步的，所述冷却装置包括液面传感器、冷却水供给组件、以及一端与所述冷却水供给组件连接的冷却水管道，所述冷却水管道的另一端正对所述清淤装置与所述动力装置，所述液面传感器设置于所述水下清淤机器人上，并与所述控制装置信号连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的暗涵高效长距离清淤的方法及其清淤系统，通过设置中转站，增加了能够清淤的最大距离，并根据在线监测的泥浆浓度及时调节电机转速，从而实现自动化变速调节，确保清淤工作的顺利进行，自动化控制方式工作效率高且工作状态稳定。

2.本发明的暗涵高效长距离清淤的方法及其清淤系统，通过设置冷却装置与液面传感器，能够根据当前水位环境自动控制冷却装置的启停，确保在低水位环境下冷却装置启动后对各个设备进行冷却，从而保证清淤系统能够顺利在低水位环境下工作。

3.本发明的暗涵高效长距离清淤的方法及其清淤系统，通过选用充电电池作为动力装置，能够使清淤系统自备动力，解决进行长距离清淤时，需要携带电缆等问题。

附图说明

图1是本发明的暗涵高效长距离清淤的方法的流程示意图；

图2是本发明的暗涵高效长距离清淤的方法的浓度误差预估精确度的判断流程示意图；

图3是本发明的暗涵高效长距离清淤的清淤系统的结构示意图；

图4是本发明的暗涵高效长距离清淤的清淤系统的行走装置的结构示意图；

图5是本发明的暗涵高效长距离清淤的清淤系统的清淤装置的结构示意图；

附图中各部件的标记如下：10、控制装置；20、清淤机器人；21、冷却装置；22、行走装置；221、履带；222、驱动轮；223、导向轮；224、支重轮；225、托带轮；226、张紧装置；228、驱动组件；23、清淤装置；231、电机；232、搅拌件；24、动力装置；25、感应装置；30、中转站。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

实施例

如图1所示，一种暗涵高效长距离清淤的方法，包括以下步骤：

S1、以二阶时变差分方程的特征模型构建泥浆浓度的连续变化函数，

y(k)＝f

式中，y(k)为k时刻的泥浆浓度；y(k-1)为k-1时刻的泥浆浓度；y(k-2)为k-2时刻的泥浆浓度；k

本申请的暗涵高效长距离清淤的方法采用自适应双闭环清淤控制结构，通过调节搅拌件(例如绞头)的旋转下切速度来控制淤积物的切削量，进而实现控制泥浆浓度。其中，搅拌件的旋转下切速度是由驱动其转动的电机的转速来控制。

如此设置，浓度计在线监测当前淤泥浓度值，并将清淤浓度反馈给控制装置10，控制装置10内置的算法模块会根据当前淤泥浓度值与期望浓度值计算出清淤达到期望浓度值的期望电机转速。控制装置10进而调节电机231的转速至期望电机转速，从而实现整个自动化调节泥浆浓度的工作。

S2、进行预挖试验得出预挖时泥浆浓度与电机转速，带入连续变化函数确定特征向量，并确定特征参数f

在本步骤中，清淤系统在进行清淤工作前，先进行预挖试验，根据预挖试验时的同一时刻的泥浆浓度与电机转速确定特征向量，并进一步分析得出特征参数的范围。特征参数的范围为：

依据基于特征模型的自动控制理论，当

考虑工程实际，取大值，

S3、根据特征参数的范围按照边界条件对特征参数求解。

在本步骤中，边界条件为：

f

f

g

其中，0.382是按照黄金分割模型设置的标准分割点。

根据边界条件将公式(1)改写为：

随后，根据随机逼近法辨识特征参数，随机逼近法的递推公式为：

式中，π(x)为x到D

S4、构建期望浓度与实际浓度之间的控制模型，

n(k)＝n

式中，n

式中，n

n

式中，f是滤波系数，λ

在本步骤中，公式(3)中各项参数的公式如下：

式中，η

在对公式(3)进行计算时，需要得知

如图2所示，为了保证浓度误差预估方法的准确性，在开始时的过渡阶段采用全量参数预估的方法，在后续的近稳态阶段采用误差量参数预估的方法。

具体来讲，先对采集的数值进行判定，若采集到的数值属于初始数值，则取初值参数θ(0)，并进行稳态判定；若采集到的数值不属于初始数值，则直接进行稳态判定。随后，数值在完成稳态判定后，若为稳态，则判断稳态误差

其中，△为一个较小的正数，并优选为允许的泥浆浓度误差量的1/3。当稳态误差

S5、根据浓度计实时反馈的当前泥浆浓度计算出期望电机转速，随后通过控制装置对电机转速进行调节。

如图3所示，一种暗涵高效长距离清淤的清淤系统，采用的暗涵高效长距离清淤的方法，包括水下清淤机器人20、中转站30、以及控制装置10，清淤机器人20包括行走装置22、设置于行走装置22的前端的清淤装置23、用于提供动力的动力装置24、对清淤装置23与动力装置24进行冷却的冷却装置21、以及与控制装置10信号连接的感应装置25。

其中，控制装置10采用模块化集成结构，能够根据工程需要集成各种清淤装备，操作人员通过地面操作站发出控制指令，命令经通讯电缆传输到控制装置10，控制装置10对控制命令进行处理，从而完成对行走装置22与清淤装置23的指令输出，控制底层设备执行相应动作。

其中，中转站30上设置有浮体与信号传输装置，并与清淤装置23通过输泥管连接。通过设置中转站30，增加了能够清淤的最大距离，并根据在线监测的泥浆浓度及时调节电机231转速，从而实现自动化变速调节，确保清淤工作的顺利进行，自动化控制方式工作效率高且工作状态稳定。

其中，通过选用充电电池作为动力装置24，能够使清淤系统自备动力，解决进行长距离清淤时，需要携带电缆等问题。充电电池采用铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池等。

如图4所示，在一些实施例中，行走装置22采用整体台车架式橡胶履带221底盘，并包括导向轮223、驱动轮222、套设于导向轮223与驱动轮222的外周壁的履带221、设置于履带221上方的悬架、设置于履带221内的张紧装置226、以及驱动驱动轮222转动的驱动组件228。

张紧装置226为常规设计，采用两组张紧弹簧，能够调节履带221的松紧程度。驱动组件228优选为液压驱动马达，液压驱动马达与液压驱动装置通过阀箱连接。履带221的内圈的底端设置有若干支重轮224，履带221的内圈的顶端设置有若干托带轮225。

如图5所示，在一些实施例中，清淤装置23采用双组反向旋转搅动装置，清淤装置23与悬架的前端转动连接，并包括装置主体、分设于装置主体左右两侧的两组电机231、以及分别与两组电机231的驱动端连接的搅拌件232。搅拌件232为铰刀或者绞笼，能够松动板结沉淀物，提高抽取浓度，实现自动铰吸，还可以防止大块的固体杂物将泵堵塞，将固体与液体充分混合，便于后续处理。装置主体上设置有泥浆泵，泥浆泵与输泥管的一端连接，输泥管的另一端与中转站30连接。泥浆泵采用泥浆管道泵，输泥管采用橡胶和塑料软管，每节软管配对接法兰，便于拆卸，并在输泥管上设置辅助浮体，能够方便拆卸。中转站30包括浮体、以及设置于浮体上的增压管道泵。输泥管的另一端与增压管道泵连接，以保证泥浆能够远距离输送至中转站30处。增压管道泵通过浮体漂浮在水面上，清淤机器人能够通过拖动输泥管实现增压管道泵的同步前行，无需工作人员下井安装中转站30。

特别的，输泥管的进料端设置有浓度计与泥浆流量计，电机231与浓度计均与控制装置10信号连接。浓度计在线监测当前淤泥浓度值，并将清淤浓度反馈给控制装置10，控制装置10内置的算法模块会根据当前淤泥浓度值与期望浓度值计算出清淤达到期望浓度值的期望电机231转速。控制装置10进而调节电机231的转速至期望电机231转速，从而实现整个自动化调节泥浆浓度的工作。

在一些实施例中，冷却装置21包括液面传感器、冷却水供给组件、以及一端与冷却水供给组件连接的冷却水管道，冷却水管道的另一端正对清淤装置23与动力装置24，当水位低于清淤装置23与动力装置24的发热位置时，冷却水通过冷却水管道对二者进行降温冷却，保障清淤机器人20在低水位的情况下，不因为发热问题而无法清淤。液面传感器设置于水下清淤机器人20上，并与控制装置10信号连接。如此设置，液面传感器能够根据当前水位环境自动控制冷却装置21的启停，确保在低水位环境下冷却装置21启动后对各个设备进行冷却，从而保证清淤系统能够顺利在低水位环境下工作。

在一些实施例中，感应装置25除上述液面传感器、浓度计与泥浆流量计以外，还包括设置于悬架前端与后端的水下高清摄像机、水下照明灯、磁通门罗盘、气体传感器、云台、以及声呐等。水下高清摄像机能够在暗涵或明渠内作业时，对水下环境进行视频拍摄，并且可以对特殊工况地点进行定点抓拍。水下照明灯能够为水下高清摄像机的工作提供光源。磁通门罗盘为首向定位装置，能够确保清淤机器人20的行走方向无误。气体传感器包括易燃易爆气体传感器、以及硫化氢等有害气体传感器，防止工作人员吸入有毒气体。云台采用TLS39A云台，具有角度反馈的功能，方便调整视角。

以上所述仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述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；凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。