本發(fā)明屬于疏浚清淤，具體地說，是關(guān)于一種碼頭清淤量計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、隨著港口貿(mào)易的發(fā)展，碼頭作為貨物裝卸和集散的重要場(chǎng)所，發(fā)揮著極其重要的作用。然而，由于水流沖刷、港口作業(yè)、貨船來往等原因帶來的泥沙容易在碼頭附近區(qū)域沉降淤積。若不及時(shí)清理，淤泥會(huì)降低航道的深度，影響船只的通行，容易導(dǎo)致船只擱淺或觸礁，影響船只的安全；其次，淤泥堆積在碼頭附近，使得碼頭的?？俊⒀b卸作業(yè)受到限制，影響港口的吞吐量和效率；此外，淤泥還可能導(dǎo)致碼頭基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，帶來安全隱患。

2、為了延長(zhǎng)碼頭的使用壽命、更好地保障往來船只的通行效率和安全，需要及時(shí)對(duì)碼頭附近——尤其是碼頭后方和下方的淤積區(qū)域進(jìn)行清淤作業(yè)。在清淤作業(yè)過程中，需要準(zhǔn)確把控清淤量，既要保證清淤效果可滿足碼頭日常使用需求，又不可過多清挖淤泥以免影響碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3、目前常用的清淤量計(jì)算方法主要有以下幾種：

4、(1)橫截面面積法：通過測(cè)量清淤前后的河道或水體橫截面面積之差乘以河道長(zhǎng)度來計(jì)算總體清淤量。此法適用于河道或水域形狀規(guī)則且淤積較為均勻的情況。

5、(2)體積法：直接測(cè)量淤積層的厚度，再乘以受淤區(qū)域的面積得到淤積體積。此法可適用于局部淤積嚴(yán)重或形狀不規(guī)則的區(qū)域，但是難以精確測(cè)量淤積厚度和面積。

6、(3)物質(zhì)輸移模型法：運(yùn)用數(shù)學(xué)模型(如沉積物輸運(yùn)模型、泥沙輸運(yùn)模型等)來預(yù)測(cè)和模擬淤積過程，結(jié)合實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算清淤量。這種方法考慮了水流動(dòng)力學(xué)、沉積物特性等多種因素，精度相對(duì)較高，計(jì)算過程十分復(fù)雜，需要專業(yè)的軟件和大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為支持。

7、因此，雖然以上方法均可實(shí)現(xiàn)碼頭清淤量的計(jì)算，但仍存在一些難以忽視的弊端：橫截面面積法和體積法需要準(zhǔn)確測(cè)量河道尺寸、淤積厚度等參數(shù)，受制于測(cè)量工具的精度和地質(zhì)條件的復(fù)雜性，存在效率低、時(shí)效性差且精度不足的局限，無法及時(shí)測(cè)算得到清淤工作推進(jìn)過程中清淤量的實(shí)時(shí)變化。而物質(zhì)輸移模型法雖然精度較高，但模型構(gòu)建和參數(shù)校準(zhǔn)需要專業(yè)知識(shí)和大量數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)獲取成本過高且模型假設(shè)和簡(jiǎn)化可能與實(shí)際情況存在偏差，實(shí)施難度高、工作量大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是為了解決上述問題而進(jìn)行的，目的在于提供一種準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性較高的碼頭清淤量計(jì)算方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

3、一種碼頭清淤量計(jì)算方法，包括：

4、步驟s1：建立空間坐標(biāo)系，根據(jù)碼頭后方清淤作業(yè)使用的掃吸式清淤機(jī)具的結(jié)構(gòu)尺寸建立掃吸式清淤機(jī)具整體的外輪廓線方程；

5、步驟s2：對(duì)掃吸式清淤機(jī)具各刀臂上的所有刀齒依次進(jìn)行編號(hào)，確定所有刀齒的初始坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)半徑，建立各個(gè)刀齒隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)方程；

6、步驟s3：基于刀齒的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)方程，構(gòu)建各個(gè)刀齒的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，求解單個(gè)刀齒的切削厚度；

7、步驟s4：計(jì)算掃吸式清淤機(jī)具底面中心至各刀齒的矢量方程，逐個(gè)判斷各刀齒是否為有效刀齒；

8、步驟s5：計(jì)算每個(gè)有效刀齒的清淤量，進(jìn)而得到掃吸式清淤機(jī)具基于碼頭后方清淤工作時(shí)間的后方總體清淤量。

9、進(jìn)一步地，在步驟s1中，首先，以所述掃吸式清淤機(jī)具的底面中心為原點(diǎn)，建立空間坐標(biāo)系o-xyz，所述掃吸式清淤機(jī)具的底面落于xoy平面內(nèi)，絞刀尖端朝向z軸正方向；

10、然后，根據(jù)所述掃吸式清淤機(jī)具的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建其外輪廓線方程：

11、

12、其中，d為絞刀底部外徑；h為絞刀外輪廓線頂點(diǎn)高度，也即絞刀尖端到原點(diǎn)距離；d1為輪轂外徑；ω1為絞刀刀臂的外輪廓線包角，即刀臂外輪廓線在其與輪轂連接位置處的切線與輪轂頂面的夾角；θ為參變量，取值范圍在0～ω1之間；m為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，k1是絞刀介質(zhì)切削系數(shù)；k2為絞刀形狀系數(shù)。

13、進(jìn)一步地，在步驟s2中，假設(shè)絞刀具有nt條刀臂，每條刀臂上有q個(gè)刀齒，首先對(duì)所有刀臂從1至nt依次進(jìn)行編號(hào)，對(duì)各刀臂上的刀齒從1至q依次進(jìn)行編號(hào)；

14、根據(jù)刀齒在所述掃吸式清淤機(jī)具上的位置確定刀齒的初始坐標(biāo)，刀齒(i，j)的初始點(diǎn)位p0(x0，y0，z0)的坐標(biāo)表示為：(rij?cosβij?cosαij,rij?cosβij?sinαij,rij?sinβij)，其中，rij為刀齒初始點(diǎn)位p0與掃吸式清淤機(jī)具底面中心的空間距離，βij為初始點(diǎn)位p0至掃吸式清淤機(jī)具底面中心的連線與掃吸式清淤機(jī)具底面的夾角，αij為刀齒在初始點(diǎn)位p0的初相位角，tanαij＝y(tǒng)0/x0；

15、絞刀繞自身中心軸以ω的角速度旋轉(zhuǎn)t時(shí)間后，所述刀齒(i，j)的新位置p'(t)坐標(biāo)為(rij?cosβij?sin(αij+ωt),rij?cosβij?cos(αij+ωt),rij?sinβij)；

16、最后，結(jié)合絞刀作業(yè)傾角γ，引入坐標(biāo)變換矩陣r1和橫移速度向量

17、v為絞刀橫移平動(dòng)速度；

18、進(jìn)而得到刀齒(i，j)的t時(shí)刻瞬時(shí)坐標(biāo)：

19、

20、其中，rij是刀齒的旋轉(zhuǎn)半徑，rij＝rijcosβij。

21、進(jìn)一步地，在步驟s3中，首先確定第j條刀臂的運(yùn)動(dòng)軌跡線：

22、

23、清淤作業(yè)時(shí)絞刀繞自身中心軸以ω的角速度旋轉(zhuǎn)的同時(shí)以速度v沿x軸正方向橫移平動(dòng)，假設(shè)絞刀上一刀齒(i,j)產(chǎn)生兩個(gè)切削面，當(dāng)?shù)洱X運(yùn)動(dòng)到后一切削面上的f點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為t1，過f點(diǎn)作后一切削面的法線，交前一切削面于點(diǎn)e，線段ef的長(zhǎng)度即為刀齒的切削厚度d，刀齒在前一切削面上運(yùn)動(dòng)至e點(diǎn)的對(duì)應(yīng)時(shí)刻為t2且t2＜t1，則滿足：

24、

25、進(jìn)而得到切削厚度d為：

26、

27、進(jìn)一步地，在步驟s4中，設(shè)刀齒(i，j)相對(duì)于掃吸式清淤機(jī)具底面中心的位置矢量則有：

28、判斷aij(t)≥0或者cij(t)≤0是否成立，若其中任一項(xiàng)成立，則該刀齒為清淤作業(yè)時(shí)的有效刀齒；

29、若第(i，j)號(hào)刀齒為有效刀齒，則其在t時(shí)刻的瞬時(shí)清淤量近似為：其中，為刀齒的橫移平動(dòng)速度，w為刀齒切削寬度；若第(i，j)號(hào)刀齒非有效刀齒，則其在t時(shí)刻的清淤量qjt＝0。

30、進(jìn)一步地，在步驟s5中，基于各刀齒的清淤量，進(jìn)一步計(jì)算得到碼頭后方清淤工作進(jìn)行到t時(shí)刻時(shí)整個(gè)絞刀所實(shí)現(xiàn)的后方總體清淤量qt，即

31、進(jìn)一步地，碼頭清淤量計(jì)算方法還包括：

32、步驟s6：計(jì)算碼頭下方清淤作業(yè)t時(shí)間后的下方總體清淤量qt’：

33、qt’＝ximavmt，

34、其中，x為遺漏系數(shù)；im為碼頭后方清淤作業(yè)過程中δt時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測(cè)到的排泥管道內(nèi)的平均泥漿濃度；a為排泥管道的橫截面積；vm為碼頭后方清淤作業(yè)過程中δt時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測(cè)到的排泥管道內(nèi)的平均泥漿流速。

35、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

36、1、本發(fā)明的碼頭清淤量計(jì)算方法中，針對(duì)具體作業(yè)位置，采用與清淤作業(yè)方式相匹配的計(jì)量模型，能夠得到更準(zhǔn)確的清淤量計(jì)算結(jié)果，以供精確評(píng)估清淤工程的工作量與成效。

37、2、本發(fā)明的碼頭清淤量計(jì)算方法中，能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)淤積量隨時(shí)間的演變，實(shí)現(xiàn)清淤工作的精細(xì)化管理，既保障清淤效果、滿足實(shí)際需求，又避免了過渡清淤對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)安全的不利影響，有助于保障碼頭長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，提升經(jīng)濟(jì)效益。