一种用于浅水软泥水域的水面清理船系统的制作方法

本发明涉及水面清理船，更具体地说，本发明涉及一种用于浅水软泥水域的水面清理船系统。

背景技术：

1、水面漂浮垃圾清理是内陆水库、湿地保护区及景观水域维护中的一项常规作业。在水库沿岸的小河入口、河湾以及沼泽边缘与库区水体相连的浅水区域，长期存在以树枝为主并夹杂塑料的漂浮垃圾，需要由水面清理船对漂浮垃圾进行收集并运送至处理码头。此类水域普遍存在水深不足、水面下为松软淤泥的情况，对水面清理船的吃水与航行能力提出了区别于常规水域的要求。

2、授权公告号为cn212828936u的专利公开了一种用于铺管船上的双层门结构，其在船艉舱壁的室内侧设置水密移门、室外侧设置开有第一通孔的双开门，并在双开门上以开孔盖板覆盖第一通孔、依据铺管管径选配具有相应第二通孔的开孔盖板，用于在铺管作业工况下降低船舶经通孔进水的可能性或减少进水量，保证船舶作业航行的安全。公开号为cn111874170a的专利申请公开了一种采用双船体的无人自清洁装置，其在双船体上方设置甲板桥，甲板桥下方设有水草及漂浮垃圾收集装置与水草切割装置，甲板桥上方的平台设有垃圾打捞装置与传送装置，并由推进及转向装置与控制系统实现无人清洁作业，用于在执行水上清洁任务的同时兼顾水质监测与勘探，提高一次下水的作业效率。

3、然而，在水库沿岸的小河入口、河湾以及沼泽边缘的浅水区域，水面下多为松软淤泥，现有的水面清理船须将收集的漂浮垃圾经船上的输送装置转运至存储舱，输送装置、其驱动装置以及存储舱使水面清理船自重较大、吃水较深，无法驶入水深不足且水底为软泥的区域；作业人员只能改用小船配合人工打捞并转运至岸边，作业过程受夏晒冬寒的工况影响，且打捞位置附近多无运输车辆通行的道路，导致浅水软泥区域的漂浮垃圾长期得不到清理、单位时间内的清理量偏低以及作业人员的作业安全难以保证。

技术实现思路

1、本发明适用于水库沿岸的小河入口、河湾以及沼泽边缘与库区水体相连的浅水区域，用于对水面漂浮的树枝及垃圾进行收集与运送，尤其适用于水深不足、水面下为松软淤泥、常规水面清理船无法进入的水域。水面清理船在收集作业阶段，通过设置于作业通道入口侧的入口旋转耙将入口侧的漂浮垃圾导入浮体中的作业通道，并通过设置于该作业通道内的通道旋转耙将漂浮垃圾继续推入水面清理船后部牵引的拖曳围栏；在收集作业结束后需要转弯减速、靠岸停泊或紧急避障时，水面清理船降低航速，牵引拖曳围栏及其内的漂浮垃圾行驶至漂浮垃圾处理码头。

2、为驶入水深不足且水底为松软淤泥的区域，水面清理船不在船上设置漂浮垃圾的输送装置与存储舱，以将吃水与接地压强维持在较低水平；水面清理船采用设有贯通作业通道的浮体结构，浮体中设有沿水面清理船前后方向贯通的作业通道，收集的漂浮垃圾经作业通道被推入牵引连接于水面清理船后部的拖曳围栏内，并依靠设置于浮体的叶轮推进机构航行，叶轮在水中划水、在软泥中划泥。所述浮体可以为具有内部贯通开口的一体式浮体，也可以为由多个浮体单元组合形成的组合式浮体；在组合式浮体中，作业通道可由浮体单元之间的间隔形成，浮体单元的具体数量不作限定。拖曳围栏仅具有被动漂浮特性，不具备主动动力与制动能力，与水面清理船之间以仅承受拉力而不承受推力的柔性单向牵引连接相连。在采用上述结构的条件下，水面清理船的吃水部分与水或软泥之间的基础流体阻力大于拖曳围栏仅浮于水面所受的漂浮阻力；当水面清理船接收减速指令并降低航速时，水面清理船减速较快，拖曳围栏自然减速较慢，二者之间产生沿航行方向的速度差，而牵引连接在减速时处于松弛状态、不能施加沿航行相反方向的约束力，拖曳围栏遂在自身运动惯性的作用下涌向水面清理船后部，与水面清理船后部发生碰撞，并使已推入的漂浮垃圾经作业通道向作业通道入口侧反向散落。拖曳围栏内收集的漂浮垃圾越多，其运动惯性越大，涌向水面清理船后部的程度越明显；而为将吃水与接地压强维持在较低水平，水面清理船一侧既未增设机械制动装置或缓冲装置，也未配置称重装置与测力装置，因而在减速指令触发之前无法获取拖曳围栏内累积载荷的大小，无法预知其涌向水面清理船后部的运动惯性，减速阶段拖曳围栏涌向水面清理船后部的运动趋势难以被预先约束。

3、为了克服现有技术中水面清理船因船上输送与存储机构而吃水较深、无法驶入浅水软泥区域，并且在柔性牵引拖曳围栏减速时容易发生拖曳围栏追尾碰撞及漂浮垃圾反向散落的缺陷，本发明提供一种用于浅水软泥水域的水面清理船系统。该系统通过采用设有贯通作业通道的浮体并配以设置于浮体的叶轮推进机构，使水面清理船在深水、浅水以及浅水软泥水域中保持浮行与推进；通过入口旋转耙与通道旋转耙将漂浮垃圾经浮体中的作业通道推入柔性单向牵引连接的拖曳围栏，而无需在船上转运与存储漂浮垃圾；通过主控板内的动态惯性预估模块，在未设置称重装置与测力装置的条件下，基于叶轮推进机构的实际输出功率、当前航行速度以及空载参考功率曲线，反演估算拖曳围栏内累积载荷所对应的动态惯性预估值；并通过减速防追尾模块响应减速指令，依据动态惯性预估值生成叶轮推进机构的目标减速曲线，同时控制通道旋转耙保持正向旋转并由收集作业转速提升至射流增强转速，在作业通道内形成朝向拖曳围栏的防追尾推水射流，以阻滞拖曳围栏涌向水面清理船后部的运动趋势，使水面清理船在浅水软泥水域中稳定作业，并在减速阶段避免拖曳围栏对水面清理船后部的碰撞以及已收集漂浮垃圾的散落。

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

5、一种用于浅水软泥水域的水面清理船系统，包括水面清理船及牵引连接于所述水面清理船后部的拖曳围栏，所述水面清理船包括浮体、叶轮推进机构、入口旋转耙、通道旋转耙及主控板，所述浮体中设有沿水面清理船前后方向贯通的作业通道，所述叶轮推进机构设置于所述浮体，所述入口旋转耙设置于所述作业通道的入口侧，所述通道旋转耙设置于所述作业通道内；

6、所述拖曳围栏与所述水面清理船之间通过承受拉力的柔性单向牵引连接；

7、所述主控板内设有动态惯性预估模块和减速防追尾模块，动态惯性预估模块用于反演估算拖曳围栏内累积载荷所对应的动态惯性预估值，减速防追尾模块用于响应减速指令阻滞拖曳围栏涌向水面清理船后部的运动趋势。

8、所述叶轮推进机构包括叶轮以及驱动叶轮转动的交流电机，所述叶轮设有划水桨式叶片，以在水域中划水推进所述水面清理船，并在陷入软泥时划泥推进所述水面清理船。

9、所述入口旋转耙由入口旋转耙对应的变频器变频控制的交流电机驱动，入口旋转耙对应的变频器具有正向旋转模式、反向旋转模式与停机模式；所述通道旋转耙由通道旋转耙对应的变频器变频控制的交流电机驱动，通道旋转耙对应的变频器具有正向旋转模式、反向旋转模式与停机模式，且正向旋转模式的转速能够在收集作业转速与高于收集作业转速的射流增强转速之间调节。

10、所述拖曳围栏由多个漂浮件依次连接围合而成，并设有两个牵引头，两个牵引头经所述柔性单向牵引连接牵引于水面清理船后部。

11、所述反演估算拖曳围栏内累积载荷所对应的动态惯性预估值的方法包括：

12、采集收集作业阶段中叶轮推进机构的实际输出功率序列与水面清理船的当前航行速度序列，根据实际输出功率序列提取功率偏差序列，对功率偏差序列进行计算生成动态惯性预估值，在收集作业阶段滚动更新动态惯性预估值并在减速指令触发时冻结动态惯性预估值，得到冻结的动态惯性预估值。

13、所述响应减速指令阻滞拖曳围栏涌向水面清理船后部的运动趋势的方法包括：

14、响应减速指令调用冻结的动态惯性预估值，生成叶轮推进机构的目标减速曲线，并将收集作业阶段以收集作业转速正向旋转的通道旋转耙保持正向旋转方向不变且提升至射流增强转速，以形成朝向拖曳围栏的防追尾推水射流，依据冻结的动态惯性预估值与目标减速曲线匹配通道旋转耙的射流增强转速与射流增强持续时间，在减速阶段获取减速阶段实时功率偏差，以减速阶段实时功率偏差为反馈再调整射流增强转速与射流增强持续时间，并在减速完成后复位作业状态，重启动态惯性预估值的滚动更新。

15、提取功率偏差序列之前，在拖曳围栏已与水面清理船连接且不含累积载荷的空载状态下，控制叶轮推进机构以多个不同的当前航行速度稳定航行，通过叶轮推进机构对应的变频器的电流反馈通道与电压反馈通道，按照三相交流电功率的计算方式得到叶轮推进机构在各航行速度下的参考输出功率，建立当前航行速度与参考输出功率一一对应的空载参考功率曲线。

16、所述功率偏差序列的获取方法包括：

17、水面清理船进入收集作业阶段后，获取叶轮推进机构的实际输出功率序列和水面清理船的当前航行速度序列，依据当前航行速度序列中每一个采样时刻的当前航行速度，得到与实际输出功率序列一一对应的参考输出功率序列，将实际输出功率序列与参考输出功率序列按对应时刻逐点相减，得到功率偏差序列。

18、所述动态惯性预估值的生成方法包括：

19、对功率偏差序列进行计算，得到功率偏差累积值，对于收集作业阶段的每一个采样时刻，利用当前采样时刻的当前航行速度对功率偏差累积值进行换算得到动态惯性预估值。

20、所述目标减速曲线的起始频率取叶轮推进机构在接收到减速指令时刻的实际运行频率，目标减速曲线的终止频率取减速指令所对应的目标航行速度所匹配的运行频率，目标减速曲线的持续时间与冻结的动态惯性预估值之间预先配置为单调递增的对应关系，冻结的动态惯性预估值越大，目标减速曲线的持续时间越长。

21、所述防追尾推水射流的形成方法包括：

22、将入口旋转耙对应的变频器由收集作业阶段的正向旋转模式切换为停机模式，将通道旋转耙对应的变频器保持正向旋转模式不变，并将通道旋转耙的转速由收集作业转速提升至高于收集作业转速的射流增强转速，控制通道旋转耙以正向旋转方式在作业通道内沿作业通道入口端至作业通道出口端、朝向拖曳围栏的方向推动水体流动，形成朝向拖曳围栏的防追尾推水射流。

23、在目标减速曲线执行的减速阶段，持续采集叶轮推进机构的实际输出功率与水面清理船的当前航行速度，计算减速阶段实时功率偏差，依据减速阶段实时功率偏差相对于零的取值关系再调整通道旋转耙的射流增强转速与射流增强持续时间，直至减速阶段实时功率偏差等于零。

24、当叶轮推进机构对应的变频器到达目标减速曲线的终止频率且减速阶段实时功率偏差等于零时，将通道旋转耙的转速由射流增强转速恢复为收集作业转速，或将通道旋转耙对应的变频器切换为停机模式，将入口旋转耙对应的变频器由停机模式恢复为正向旋转模式或维持停机模式，等待下一次收集作业指令。

25、相比于现有技术，本发明的有益效果为：

26、本发明的水面清理船系统采用设有贯通作业通道的浮体，所述浮体可为一体式浮体，或者为由多个浮体单元组合形成的组合式浮体，配合设置于浮体的叶轮推进机构，使水面清理船在深水、浅水以及浅水下为软泥的水域中均能够保持浮行与推进，扩展了可作业水域的范围；浮体中形成沿水面清理船前后方向贯通的作业通道，入口旋转耙将作业通道入口侧的漂浮垃圾导入作业通道，通道旋转耙将作业通道内的漂浮垃圾推入牵引连接于水面清理船后部的拖曳围栏，使漂浮垃圾经作业通道直接进入拖曳围栏而无需在水面清理船上转运与存储，减轻了水面清理船的自重，使水面清理船的吃水与接地压强维持在较低水平，适配浅水软泥水域的航行与作业需求；拖曳围栏与水面清理船之间采用柔性单向牵引连接，牵引连接仅承受拉力而不承受推力，简化了两者之间的连接结构；针对柔性单向牵引连接在减速阶段不能约束拖曳围栏涌向水面清理船后部的情形，驾驶室内主控板的动态惯性预估模块在水面清理船未配置称重装置与测力装置的条件下，利用叶轮推进机构的实际输出功率相对于空载参考功率的功率偏差，结合水面清理船的当前航行速度，反演估算拖曳围栏内累积载荷所对应的动态惯性预估值，为减速阶段提供载荷惯性的前馈依据；减速防追尾模块响应减速指令，依据动态惯性预估值延长或调整叶轮推进机构的目标减速曲线，并控制通道旋转耙保持正向旋转、提升至射流增强转速，在作业通道内形成朝向拖曳围栏的防追尾推水射流，使该防追尾推水射流的流动方向与拖曳围栏涌向水面清理船后部的运动趋势相反，从而在不增设机械制动装置与缓冲装置的条件下阻滞拖曳围栏的涌动，避免拖曳围栏对水面清理船后部的碰撞以及已收集漂浮垃圾自作业通道向作业通道入口侧反向散落。