遠(yuǎn)距離輸砂在線效益優(yōu)化自動(dòng)控制系統(tǒng)

王帥　王二永　項(xiàng)恒　黃憲中

摘 要：遠(yuǎn)距離疏浚工程需要安裝多個(gè)加壓泵以克服沿程輸送阻力，多級(jí)加壓泵的同時(shí)運(yùn)行耗能較多，提高了系統(tǒng)運(yùn)行成本。本文針對(duì)現(xiàn)有效益優(yōu)化方法在實(shí)時(shí)控制方面的不足，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了輸砂在線效益優(yōu)化控制系統(tǒng)。在分析產(chǎn)量和能耗與含砂量關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，建立了輸砂效益優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)黃金分割法設(shè)計(jì)了在線優(yōu)化算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文提出方法可將輸砂效益提升20%，且具有較好的穩(wěn)定性，能顯著提升輸砂系統(tǒng)運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：疏浚系統(tǒng)； 效益優(yōu)化； 黃金分割法

Abstract： The long distance dredging project needs to install a number of pressure pumps to overcome the drag along the distance， and the multistage pressure pump has more energy consumption at the same time， which improves the operating cost of the system. In view of the shortcomings of the existing benefit optimization methods in real-time control， an on-line optimization control system for sand transport benefit is designed and implemented. On the basis of the analysis of the relation model of the output， the energy consumption and the sand content， the objective function of the optimization of the benefit of the sand transportation is established， and an online optimization algorithm is designed according to the golden section method. The experimental results show that the proposed method can enhance the sand transport benefit by 20%， and has good stability， which can significantly improve the operation efficiency of the sand conveying system.

Key words： dredging system； benefit optimization； the golden section method

引言

河道和港口碼頭淤積泥沙后，將影響原有水域的通航能力。清淤疏浚工程可以將水底沉積的泥沙輸送至指定位置，使河道的水深和寬度達(dá)到預(yù)定的要求。清淤疏浚工程不僅可以改善河道和港口的淤積現(xiàn)狀，還可利用清淤泥沙遠(yuǎn)距離輸送進(jìn)行丘陵、山區(qū)造田，煤礦采空區(qū)塌陷地質(zhì)改善，低洼坑塘、鹽堿地土質(zhì)改善等二次利用，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。當(dāng)需要清淤的河道距離淤區(qū)較遠(yuǎn)時(shí)，需要通過(guò)輸砂系統(tǒng)經(jīng)多級(jí)加壓后輸送至目的地。輸砂系統(tǒng)由加壓泵和管道組成，根據(jù)沿程水力損失情況，多臺(tái)加壓泵沿管道按需求布置，為流體提供克服沿程阻力所需的能量。輸砂系統(tǒng)運(yùn)行成本較高，同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的多臺(tái)加壓泵需要消耗大量電能。對(duì)于施工企業(yè)，從效益最大化的角度出發(fā)，希望能盡可能提高輸砂產(chǎn)量，同時(shí)盡量降低系統(tǒng)能耗，減少運(yùn)行成本。含砂量是影響系統(tǒng)效益的重要參數(shù)，含砂量越大，流速不變時(shí)可獲得更高產(chǎn)量，但輸砂能耗也更大。實(shí)際施工中多采用人工操作抽砂船龍頭升降的方式調(diào)節(jié)含砂量，但調(diào)節(jié)精度低且可靠性較差，操作人員為了防止含砂量過(guò)高導(dǎo)致堵管等故障，往往采取保守的做法，以犧牲產(chǎn)量為代價(jià)保證可靠性，使系統(tǒng)實(shí)際上長(zhǎng)期運(yùn)行在效益較低的狀態(tài)。

近年隨著通信電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)距離輸砂控制技術(shù)也在不斷進(jìn)步，自動(dòng)化和智能化程度逐步提高，相關(guān)理論和技術(shù)研究相繼蓬勃開(kāi)展。文獻(xiàn)[1]建立了改進(jìn)疏浚工藝的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)水下土質(zhì)變化情況， 進(jìn)行疏浚產(chǎn)量的優(yōu)化控制。文獻(xiàn)[2]開(kāi)發(fā)了抽砂船工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)壓力、深度、流量和轉(zhuǎn)速等疏浚工作的運(yùn)行參數(shù)。文獻(xiàn)[3]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析疏浚工程樣本，構(gòu)建疏浚系統(tǒng)狀態(tài)空間模型，優(yōu)化疏浚產(chǎn)量控制。以上文獻(xiàn)從不同角度提出了優(yōu)化抽砂效益的控制策略，但都是基于離線數(shù)據(jù)和理想模型條件下的優(yōu)化求解，難以滿足實(shí)際工程中復(fù)雜工況下對(duì)控制實(shí)時(shí)性的要求。針對(duì)前述現(xiàn)有研究的不足，本文提出了輸砂系統(tǒng)的在線效益優(yōu)化方法，首先分析了輸砂產(chǎn)量和能耗與含砂量的關(guān)系，然后考慮實(shí)際工程中對(duì)安全穩(wěn)定運(yùn)行的約束條件，建立了輸砂系統(tǒng)效益優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)了在線優(yōu)化算法，搭建了控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用效益優(yōu)化算法后，輸砂系統(tǒng)效益有顯著提升，穩(wěn)定性也明顯提高。

1 輸砂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輸砂管線與加壓泵布置縱斷面如圖1所示。輸砂系統(tǒng)由抽砂船、加壓泵和管道組成。1號(hào)泵為主泵，安裝在抽砂船上，沿管線每隔一段距離安裝加壓泵，管道末端連至淤區(qū)。其工作原理為，主泵水槍噴出高速水流沖擊河底泥砂，形成的砂水混合物被主泵龍頭吸入管道，在各級(jí)加壓泵提供的動(dòng)力作用下，沿管道傳輸，最后被送入淤區(qū)。根據(jù)沿程水力損失特點(diǎn)，可將整個(gè)管路分為Ⅰ、Ⅱ兩段。第Ⅰ段包含主泵及其與2號(hào)泵相連的管道，該段因爬堤存在較大坡度，主泵提供的動(dòng)力主要用于克服高程差帶來(lái)的水頭損失，屬于高揚(yáng)程管路系統(tǒng)。第Ⅱ段包括2～9號(hào)泵，由于沿程管線所在地勢(shì)較為平緩，各泥泵提供的動(dòng)力主要用于克服沿程阻力和局部阻力造成的水頭損失，屬于高摩阻加壓管路系統(tǒng)。

輸砂系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，輸砂產(chǎn)量和系統(tǒng)能耗是2個(gè)相互制約的重要參數(shù)。在管道流速恒定的情況下，輸砂產(chǎn)量取決于含砂量，即單位體積液體所含砂礫重量（kg/m3）。施工中通過(guò)控制龍頭與河底距離調(diào)節(jié)含砂量，龍頭與河底距離越近，含砂量越高，產(chǎn)量越高，反之越低。系統(tǒng)能耗取決于各加壓泵的能耗之和，含砂量越高，需要克服的高程差阻力和沿程阻力越大，耗能越高。由此可見(jiàn)，含砂量對(duì)產(chǎn)量和能耗的作用是相反的，為提高工程經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)科學(xué)合理地予以控制。

2 輸砂產(chǎn)量與能耗計(jì)算模型

輸砂系統(tǒng)投入運(yùn)行后，輸砂產(chǎn)量和系統(tǒng)能耗成為重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。如何在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，盡量提高輸砂產(chǎn)量和降低系統(tǒng)能耗，從而提高生產(chǎn)效益，是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中主要考慮的問(wèn)題。此問(wèn)題的關(guān)鍵是找到影響產(chǎn)量和能耗的參數(shù)并部署有效控制。輸砂管道和泵站布置完成后，整個(gè)輸砂系統(tǒng)的機(jī)理參數(shù)就基本確定下來(lái)。盡管這些參數(shù)在運(yùn)行過(guò)程中可能受外部干擾或設(shè)備老化等因素影響而發(fā)生漂移，但基本上不會(huì)有大幅變動(dòng)，對(duì)產(chǎn)量和能耗影響較小。由于使用的都是定速泵，轉(zhuǎn)速無(wú)法改變，也沒(méi)有安裝節(jié)流閥和調(diào)壓井等流量控制裝置，整個(gè)系統(tǒng)唯一的調(diào)控手段就是通過(guò)調(diào)節(jié)抽砂船龍頭入水深度改變含砂量。

4 輸砂系統(tǒng)效益優(yōu)化問(wèn)題的簡(jiǎn)化

式（12）較為完整地給出了輸砂系統(tǒng)效益優(yōu)化模型，同時(shí)也包括了需要滿足的約束條件。但式（12）在實(shí)際中很難直接應(yīng)用，主要原因是用到的參數(shù)較多，尤其是需要大量的壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。而實(shí)際中基于成本和維護(hù)方面的考慮，僅在個(gè)別泵附近設(shè)置了壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的全線覆蓋。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件和施工人員經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目對(duì)式（12）實(shí)用性方面做出適當(dāng)改進(jìn)。首先，對(duì)于約束條件式（8），要求電機(jī)具有足夠的功率克服輸砂沿程阻力。由于泥泵轉(zhuǎn)速恒定，只能通過(guò)調(diào)整龍頭入水深度，進(jìn)而改變含砂量的方法保證電機(jī)功率和輸砂能耗的平衡。在實(shí)際中可以通過(guò)設(shè)定含砂量上限的方法保證滿足式（8）條件，設(shè)定含砂量的下限保證滿足式（9）條件。對(duì)于式（10）的氣蝕條件，主要取決于泥泵安裝位置是否合理，同時(shí)也與含砂量的大小有關(guān)。如果兩泥泵間隔較遠(yuǎn)，或含砂量過(guò)大，可能會(huì)出現(xiàn)沿途水頭損失超出前級(jí)泥泵的供給，導(dǎo)致后級(jí)泥泵入口處壓力不足而引起氣蝕。因安裝位置不可調(diào)整，實(shí)際中可以通過(guò)將含砂量控制在合理范圍內(nèi)以保證式（10）的滿足。至于式（11）的流速條件比較簡(jiǎn)單，實(shí)際中安裝了流量傳感器，可以根據(jù)實(shí)測(cè)的流量進(jìn)行換算。根據(jù)上述分析，式（8） ～式（10）的約束條件均可歸結(jié)為對(duì)含砂量的約束。于是可將式（12）簡(jiǎn)化為：

5 輸砂系統(tǒng)效益優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

將輸砂系統(tǒng)效益優(yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)化后，接下來(lái)的工作就是如何有效求解式（13）。式（13）是典型的最優(yōu)化問(wèn)題，可以利用多種最優(yōu)化方法來(lái)運(yùn)算得出結(jié)果。本項(xiàng)目采用較為簡(jiǎn)單實(shí)用的黃金分割法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，輸砂系統(tǒng)效益與含砂量是單峰函數(shù)的關(guān)系，而黃金分割法是尋求單峰函數(shù)極值的有效方法。

黃金分割法是優(yōu)選法的一種，是在優(yōu)選時(shí)把嘗試點(diǎn)放在黃金分割點(diǎn)上來(lái)尋找最優(yōu)值的方法，使用該方法可以減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高尋優(yōu)效率。黃金分割法由數(shù)學(xué)家Jack Kiefer提出，是單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)最常用的方法。黃金分割法的基本思想如圖2所示。已知某試驗(yàn)因素有一個(gè)確定了范圍的取值域〔a，b〕。 先在此區(qū)間的0.618處取值，做第一次試驗(yàn)； 然后在0.618的對(duì)稱點(diǎn)0.382處取值，做第二次試驗(yàn)；比較2次試驗(yàn)的結(jié)果，去掉交差點(diǎn)以外的試驗(yàn)因素取值區(qū)間，然后在余下的較好試驗(yàn)點(diǎn)的對(duì)稱點(diǎn)處取值，做第三次試驗(yàn)，再次比較2次試驗(yàn)結(jié)果，而后去掉交差點(diǎn)以外的試驗(yàn)因素取值區(qū)間，逐步縮小試驗(yàn)范圍，找到最佳試驗(yàn)點(diǎn)，確定該因素的最佳取值。

在實(shí)際施工中，采用上述步驟，能夠以比較少的試探次數(shù)求得最佳含砂量控制點(diǎn)，將龍頭停留在能使輸砂系統(tǒng)效益最大化的位置。當(dāng)工況比較穩(wěn)定時(shí)，最佳含砂量控制點(diǎn)一般較為固定，不會(huì)頻繁變化，因此尋優(yōu)操作也不必過(guò)于頻繁。實(shí)際中對(duì)尋優(yōu)操作設(shè)置了定時(shí)管理，當(dāng)找到最佳含砂量控制點(diǎn)后，需等待一段時(shí)間后才能再次尋優(yōu)。這樣既能滿足效益控制實(shí)時(shí)性要求，又能避免龍頭頻繁調(diào)整對(duì)設(shè)備壽命的影響。

6 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

輸砂效益優(yōu)化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可分為3層。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。由圖3可知，第一層是中央控制層，第二層是現(xiàn)場(chǎng)控制單元，第三層是傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)屬于集散式控制結(jié)構(gòu)，采用集中式管理+分散式控制結(jié)合的方式，則會(huì)獲得系統(tǒng)整體的高效、安全和協(xié)調(diào)操作與運(yùn)行。這里，針對(duì)系統(tǒng)中各層的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可得闡釋解析如下。

（1）中央控制層。中央控制層是信息匯集終點(diǎn)和指令分發(fā)的源頭。中央控制服務(wù)器統(tǒng)一管理和指揮調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)各類(lèi)設(shè)備，接收智能控制器傳來(lái)的采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集、存儲(chǔ)和處理；向智能控制器發(fā)出龍頭升降控制指令；配置底層設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，適應(yīng)工況的不斷變化。中央控制服務(wù)器通過(guò)GPRS公網(wǎng)與底層設(shè)備傳遞信息，具有通信覆蓋面廣、接入方便和組網(wǎng)成本低的優(yōu)點(diǎn)，傳輸速率能夠滿足本項(xiàng)目的研發(fā)要求。

（2）現(xiàn)場(chǎng)控制單元。智能控制器選用巨控科技GRM200，集控制、采集和通信功能于一體，是連接中央控制層和傳感設(shè)備的紐帶。智能控制器安裝在加壓泵電氣控制柜內(nèi)，執(zhí)行中央控制服務(wù)器發(fā)來(lái)的狀態(tài)采集和設(shè)備控制指令，返回傳感器采集的數(shù)據(jù)，向龍頭升降開(kāi)關(guān)發(fā)出控制信號(hào)。智能控制器通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與中央控制服務(wù)器形成了互聯(lián)，除了相互傳遞監(jiān)控信息外，還配有在線編程功能，中央控制服務(wù)器能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)修改智能控制器內(nèi)部程序。

（3）傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。作為集散式監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最底層，安裝在加壓泵控制柜和管道上的各類(lèi)傳感器完成泥泵電壓、電流和流量的測(cè)量。本項(xiàng)目選擇的電壓變送器型號(hào)為格林GL-DJL-450，量程為0～450 VAC，輸出為4～20 mA，安裝時(shí)取加壓泵電源一相進(jìn)線并聯(lián)接入。電流變送器型號(hào)為美控MIK-DJI-500，量程為0～500 A，輸出為4～20 mA，安裝時(shí)選取一根電源進(jìn)線穿過(guò)電流變送器卡口。流量測(cè)量選擇新航電磁流量計(jì)XFB301F16P1BM1R，流量范圍為75.3～3 050 m3/h，輸出為標(biāo)準(zhǔn)電流4～20 mA，利用電磁感應(yīng)原理非接觸式測(cè)量流量，具有精度高、可靠性好和使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。含砂量測(cè)量選用WS3051-X-YC型在線密度計(jì)，測(cè)量范圍5 000 kg/m3，輸出為4～20 mA，通過(guò)卡箍方式安裝在管道上。

輸砂系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，安裝在各加壓泵上的智能控制器實(shí)時(shí)采集電壓、電流和流量數(shù)據(jù)，定時(shí)上傳至中央服務(wù)器。效益優(yōu)化程序運(yùn)行在服務(wù)器端，根據(jù)底層采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算最優(yōu)含砂量后發(fā)給主泵的智能控制器，該控制器將此含砂量作為設(shè)定值，通過(guò)PID算法控制龍頭升降，使實(shí)際含砂量始終保持在設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)輸砂系統(tǒng)的效益最大化。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為檢驗(yàn)輸砂效益優(yōu)化方法的有效性，在實(shí)際施工中對(duì)其進(jìn)行了完整測(cè)試。截取1 h內(nèi)采集的數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，對(duì)比的方法可綜述如下。

（1）先由人工根據(jù)泥泵1電流大小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)操作龍頭位置改變含砂量，操作時(shí)間為30 min，同時(shí)軟件在后臺(tái)自動(dòng)計(jì)算效益值。

（2）再由效益優(yōu)化軟件根據(jù)采集的電流、流量和計(jì)算得到的含砂量，利用輸砂系統(tǒng)效益優(yōu)化算法，自動(dòng)操作龍頭位置，操作時(shí)間為30 min。

（3） 將手工操作和軟件自動(dòng)操作得到的效益值繪制在一個(gè)曲線表上，用于兩者間的對(duì)照比較，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，采用效益優(yōu)化方法以后，輸砂系統(tǒng)的效益值明顯提升，提升幅度約20%左右，上下波動(dòng)幅度也相應(yīng)減小。傳統(tǒng)的人工操作根據(jù)泥泵運(yùn)行電流調(diào)整龍頭升降，主要目的是保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，沒(méi)有考慮效益的最大化問(wèn)題。另外，位于抽砂船上的操作人員僅了解船上加壓泵（1號(hào)泵）的運(yùn)行情況，無(wú)法獲取其它加壓泵的工況，因此也就不能從系統(tǒng)全局的角度來(lái)制定效益最大化的最優(yōu)決策。采用自動(dòng)控制操作，結(jié)合效益最大化算法，可以在綜合系統(tǒng)所有加壓泵信息的基礎(chǔ)上，給出當(dāng)前龍頭位置調(diào)整的最佳策略。由于利用了全局信息，可以更有效地實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的效益最大化，保證系統(tǒng)既能安全運(yùn)轉(zhuǎn)，又能在高產(chǎn)出和低耗能的狀態(tài)下長(zhǎng)期可持續(xù)運(yùn)行。另外，采用黃金分割方法進(jìn)一步提高了算法的執(zhí)行效率，增強(qiáng)了算法的實(shí)時(shí)性能。

8 結(jié)束語(yǔ)

遠(yuǎn)距離疏浚系統(tǒng)在增配多個(gè)加壓泵的同時(shí)，運(yùn)行卻需要消耗大量能量，如何有效地降低運(yùn)行成本，提高輸砂產(chǎn)量，優(yōu)化產(chǎn)出效益，是施工企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文在分析產(chǎn)量和能耗與含砂量關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了包含實(shí)際工程約束條件的效益優(yōu)化模型，并給出了基于黃金分割原理的在線效益優(yōu)化算法，可以實(shí)時(shí)計(jì)算最優(yōu)含砂量，使系統(tǒng)能始終運(yùn)行在最大化效益的工況下，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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