一种深海扬矿立管作业窗口的快速计算方法

技术领域

本发明涉及深海扬矿立管作业窗口算法技术领域，尤其涉及一种深海扬矿立管作业窗口的快速计算方法。

背景技术

扬矿立管是深海采矿系统的核心部件，其功能是将采矿车采集的矿石以矿浆的形式输送至采矿船，另外还起到承载扬矿泵和中间舱的作用，扬矿立管的作业窗口又称为作业包络线，是指作业中为了保证扬矿立管系统强度以及作业功能而设定的，反映不同作业环境条件下作业安全性的图表，也是用户海上作业决策的重要参考。由于扬矿立管直接暴露在海洋环境下，在作业过程中，除上部悬挂位置及采矿车连接位置外，管柱的其余部分没有任何支撑，这种细长的悬挂结构在风、海流、采矿船升沉运动、海浪等复杂海洋环境载荷作用下极其脆弱，因此需要在设计过程中明确计算其适合作业的环境载荷条件。

目前国内外对作业窗口的计算普遍采用遍历算法，即针对每种环境条件或作业参数的组合分别进行分析，再根据分析结果进行安全性判断并绘制作业窗口，由于遍历算法计算作业窗口需要分析的工况数量多，耗费时间久，极大地影响了设计和分析工作的效率，为此我们提供一种深海扬矿立管作业窗口的快速计算方法。

发明内容

为解决上述背景技术中因遍历算法计算作业窗口需要分析的工况数量多，耗费时间久，极大地影响了设计和分析工作的效率问题，本发明提供一种深海扬矿立管作业窗口的快速计算方法。

本发明采用以下技术方案实现：一种深海扬矿立管作业窗口的快速计算方法，包括以下步骤：

S1、建立人工藤蔓生成、生长、萎缩、识别目标物和缠绕目标物的规则；

S2、根据藤蔓生成规则建立人工藤蔓；

S3、藤蔓根据规则持续生长和萎缩，并最终识别目标；

S4、依据规则缠绕目标轮廓，依次得出各缠绕节点；

S5、根据需要生成新的人工藤蔓，继续搜索；

S6、根据得出的缠绕节点绘制作业窗口。

作为上述方案的进一步改进，所述人工藤蔓算法计算过程包括搜索目标阶段以及缠绕目标阶段。

作为上述方案的进一步改进，所述搜索目标阶段包括人工藤蔓的生成、生长和萎缩。

作为上述方案的进一步改进，所述藤蔓的初始生成点为藤根，在有启发信息的情况下，藤根应根据启发信息靠近预估的目标轮廓位置生成。

作为上述方案的进一步改进，所述藤蔓的初始生长方向的确定应考虑模型和载荷更新的计算工作量大小，设定为计算工作量较小的方向。

作为上述方案的进一步改进，所述藤蔓上每个生长节点的坐标，需要根据前一个节点的安全状态，利用作业窗口的启发信息确定。

作为上述方案的进一步改进，所述作业窗口中，色块轮廓的特点是其关键因素值刚好等于限制值，搜索中可根据该特点来识别目标轮廓。

作为上述方案的进一步改进，所述缠绕目标可从一个方向顺序缠绕，也可分出两枝藤蔓从两个相对的方向依次缠绕至二者汇合。

作为上述方案的进一步改进，所述当一根藤蔓根据规则无法继续生长时，即表示该藤蔓的消亡，藤蔓消亡后，可根据需要继续生成新的藤蔓。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过快速找出作业窗口中不同安全区域之间的边界参数，能够极大地减少获得作业窗口所需的分析次数，从而节省大量非必要的计算时间，提高计算效率。

2、本发明在计算所允许的时间内，由于其具有更高的计算效率，可以获得更高的计算精度。

附图说明

图1为本发明常见的作业窗口；

图2为本发明用缠绕节点标示的作业窗口；

图3为本发明生成人工藤蔓；

图4为本发明藤蔓生长、萎缩、识别目标物；

图5为本发明缠绕轮廓；

图6为本发明生成新的人工藤蔓，继续搜索；

图7为本发明内波环境下扬矿立管系统收放作业窗口示例；

图8为本发明人工藤蔓算法计算内波环境下扬矿立管收放作业窗口的搜索过程。

具体实施方式

请结合图1-8，本实施例的一种深海扬矿立管作业窗口的快速计算方法，包括以下步骤：

S1、建立人工藤蔓生成、生长、萎缩、识别目标物和缠绕目标物的规则；

S2、根据藤蔓生成规则建立人工藤蔓；

S3、藤蔓根据规则持续生长和萎缩，并最终识别目标；

S4、依据规则缠绕目标轮廓，依次得出各缠绕节点；

S5、根据需要生成新的人工藤蔓，继续搜索；

S6、根据得出的缠绕节点绘制作业窗口。

人工藤蔓算法计算过程包括搜索目标阶段以及缠绕目标阶段。

搜索目标阶段包括人工藤蔓的生成、生长和萎缩，搜索开始前，先根据一定的规则生成若干人工藤蔓，藤蔓的初始生成点为藤根，藤蔓生成后即根据规则生长(往前查找)和萎缩(回退查找)，在有启发信息的搜索问题中，藤蔓的生成、生长和萎缩规则基于启发信息建立，在信息的指引下可实现较高的搜索效率，当一根藤蔓根据规则无法继续生长时，即表示该藤蔓的消亡，藤蔓消亡后，可根据需要继续生成新的藤蔓。

缠绕目标阶段包括搜索目标物以及缠绕目标物，藤蔓搜索到目标物后，会持续缠绕目标物的裸露部分，直至完全覆盖目标物，同样，人工藤蔓在搜索到目标物(点集)后，也会根据一定的规则缠绕目标(在目标点集边缘查找)，直至覆盖目标全部表面(找出目标点集与外部点之间的边界)。

人工藤蔓的生成：在有启发信息的情况下，藤根应根据启发信息靠近预估的目标轮廓位置生成，假设根据分析危险区域的轮廓在深度H

藤蔓生长和萎缩：藤蔓的初始生长方向的确定应考虑模型和载荷更新的计算工作量大小，设定为计算工作量较小的方向。在该实施例中，考虑到分析模型中收放深度的更新比内波载荷的更新的计算工作量要大，设定藤蔓的初始生长方向应沿流速变化的方向，若藤根位置的状态为安全(绿色)，可初步判断目标轮廓位于内波流速增大的方向，则设定该方向为藤蔓生长方向；反之若藤根位置的状态为不安全(红色)，可初步判断目标轮廓位于内波流速减小的方向，则设定该方向为藤蔓生长方向，藤蔓生长长度由下个生长节点{(v

式中，k

计算结果若|v

轮廓边界点识别：作业窗口中，色块轮廓的特点是其关键因素值刚好等于限制值，搜索中可根据该特点来识别目标轮廓，由于搜索过程中的步长不可能无限小，搜索中难以出现关键因素刚好等于限制值的情况，可定义一个容差δ，当生长节点的关键因素值k

缠绕边界：识别目标后，藤蔓需要缠绕目标以覆盖其整个轮廓，缠绕目标可从一个方向顺序缠绕，也可分出两枝藤蔓从两个相对的方向依次缠绕至二者汇合。

采用分枝缠绕的方法，藤蔓向两个相对的方向分别生长和缠绕目标，缠绕的过程即环绕目标轮廓生长，并不断识别缠绕住的轮廓节点的过程，分枝缠绕过程中生长节点的选取规则为：

式中，d

各项规则制定完成后，根据规则搜索目标轮廓点，搜索流程为：生成藤根，根据规则向左生成第一个生长节点并计算藤根点及生长节点的关键因素值，根据规则生成第二个生长节点并向右完成第一次萎缩，根据规则生成第三个生长节点并向右完成第二次萎缩以及根据识别规则确定其为目标轮廓点，向下缠绕并根据规则生长、萎缩以及识别新的目标轮廓点，向上缠绕并根据规则生长、萎缩以及识别新的目标轮廓点，继续向下、向上缠绕产生新的轮廓点，得出全部目标轮廓点，搜索结束并根据轮廓点坐标绘制作业窗口。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。