散貨碼頭帶式輸送機(jī)調(diào)速節(jié)能研究進(jìn)展

曾 飛，吳 青，初秀民，代超磊

ZENG Fei1,2,WU Qing1,CHU Xiu-min3,DAI Chao-lei1

（1. 武漢理工大學(xué) 港口裝卸技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063；2. 南通大學(xué) 交通學(xué)院，南通 226019；3. 水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心，武漢 430063）

0 引言

隨著港口行業(yè)迅猛發(fā)展，我國(guó)港口擁有生產(chǎn)用碼頭泊位超3.1萬(wàn)，完成貨物吞吐量連續(xù)9年位居世界第一，已成為世界港口大國(guó)[1]。港口綜合運(yùn)輸能力的提升對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、對(duì)外貿(mào)易發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐,但同時(shí)也帶來(lái)了巨大能耗問(wèn)題。以2009年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，我國(guó)港口生產(chǎn)能源消耗量355.34萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，但單耗平均達(dá)5.6噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)噸，利用率遠(yuǎn)低于世界水平[2]。因此樹(shù)立綠色港口發(fā)展理念，增強(qiáng)節(jié)能技術(shù)科技創(chuàng)新及支撐能力，對(duì)促進(jìn)港口節(jié)能減排和加快綠色港口構(gòu)建具有重要現(xiàn)實(shí)意義。此外，交通部特別將干散貨碼頭節(jié)能減排技術(shù)研究開(kāi)發(fā)列為《“十二五”水運(yùn)節(jié)能減排總體推進(jìn)實(shí)施方案》([2011]474號(hào)文件)重要任務(wù)之一，最大限度降低帶式輸送機(jī)能耗是散貨碼頭節(jié)能任務(wù)的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外相繼采用優(yōu)化啟動(dòng)工藝、控制電機(jī)運(yùn)行數(shù)量、電機(jī)“Y”-“D”接法切換、物料流量自動(dòng)控制、加設(shè)軟啟動(dòng)裝置、優(yōu)化托輥性能及排列方式等技術(shù)對(duì)原設(shè)備改造來(lái)降低設(shè)計(jì)裕量過(guò)大造成的能耗，節(jié)電經(jīng)濟(jì)效益顯著[3～8]?？紤]到散料裝卸過(guò)程具有連續(xù)性、復(fù)雜性和不平衡性，基于系統(tǒng)級(jí)的帶式輸送機(jī)調(diào)速控制技術(shù)更具節(jié)能潛力[9]。筆者在剖析帶式輸送機(jī)控制機(jī)理基礎(chǔ)上，對(duì)帶式輸送機(jī)輸送狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)、變速傳送控制技術(shù)及系統(tǒng)優(yōu)化和智能決策3個(gè)方面研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和分析，提出以建立散貨碼頭帶式輸送機(jī)調(diào)速控制模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，結(jié)合多智能體(Multi-Agent)和協(xié)調(diào)學(xué)理論研究多帶式輸送機(jī)協(xié)調(diào)控制機(jī)理，構(gòu)建并優(yōu)化帶式輸送機(jī)群節(jié)能控制模型，并將研究港口散貨物流仿真及優(yōu)化作為調(diào)速策略有效性分析的重要技術(shù)手段。

1 帶式輸送機(jī)輸送狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，帶式輸送機(jī)上物料流連續(xù)性越強(qiáng)、平均流量越穩(wěn)定、分布越均勻，系統(tǒng)耗電量就越低。因此，根據(jù)物料瞬時(shí)傳送狀態(tài)(物料瞬時(shí)流量、物料分布、均勻性等)準(zhǔn)確、均勻地調(diào)節(jié)執(zhí)行設(shè)備作業(yè)速率，即可提高系統(tǒng)能效。帶式輸送機(jī)輸送狀態(tài)檢測(cè)包括檢測(cè)裝置開(kāi)發(fā)和識(shí)別算法研究?jī)刹糠帧?/p>

1.1 帶式輸送機(jī)物料狀態(tài)檢測(cè)裝置

帶式輸送機(jī)物料狀態(tài)檢測(cè)裝置是通過(guò)安置于現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)傳感器(光電發(fā)射帶和光電接收帶、攝像機(jī)等)采集皮帶上物料狀態(tài)信號(hào)并傳輸至現(xiàn)場(chǎng)控制分站或中控室，為管理人員調(diào)速策略研究和智能決策提供依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)帶式輸送機(jī)物料流量檢測(cè)裝置開(kāi)發(fā)與研究較多，包括皮帶秤、核子秤、視覺(jué)檢測(cè)等。上述3種物料流量檢測(cè)方式雖具有一定實(shí)用性，但仍存在一定缺陷：1)電子皮帶秤目前檢測(cè)精度最高，但因計(jì)量原理是基于散料為理想狀態(tài)分布前提下取計(jì)量段內(nèi)物料瞬時(shí)流量的平均值，故測(cè)量值沒(méi)有考慮真實(shí)散料分布隨機(jī)性、無(wú)規(guī)律等統(tǒng)計(jì)特性因素影響。另外，其測(cè)量精度易受稱(chēng)重傳感器、皮帶速度傳感器硬件限制；2)核子秤成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以適應(yīng)散貨碼頭干散貨作業(yè)的惡劣環(huán)境；3)物料流量視覺(jué)檢測(cè)方式柔性大、測(cè)量精度高、成本低，可真實(shí)反映物料流狀態(tài)(物料瞬時(shí)流量、物料分布、均勻性、物料速度等），是物料流非接觸式動(dòng)態(tài)計(jì)量較為理想檢測(cè)方案，但目前還沒(méi)有成熟的視覺(jué)檢測(cè)裝置問(wèn)世。因此，今后可進(jìn)一步對(duì)物料流視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)研制展開(kāi)研究。

1.2 散料特性識(shí)別

從前面分析可看出，散狀物料特性與帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有著密切關(guān)系，因此，如何準(zhǔn)確識(shí)別散狀物料特性也是當(dāng)前研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。散狀物料特性通?？赏ㄟ^(guò)單顆粒和顆粒體集合來(lái)表征，由堆積密度、流動(dòng)特性、粒徑分布、研磨性等參數(shù)體現(xiàn)。 目前，國(guó)外在煤礦混合配比、煤礦質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域?qū)ι钗锪咸匦宰R(shí)別稍有研究，主要通過(guò)機(jī)器視覺(jué)和圖像處理等方法在線實(shí)現(xiàn)。目前散料特性識(shí)別算法研究大多應(yīng)用于煤礦質(zhì)量檢測(cè)、配比方面，用于帶式輸送機(jī)帶速節(jié)能控制決策的實(shí)例還很少。事實(shí)上，帶式輸送機(jī)上散料分布狀態(tài)直接影響帶式輸送機(jī)能耗大小，因此，如何設(shè)計(jì)合理的帶式輸送機(jī)狀態(tài)視覺(jué)檢測(cè)裝置，提高物料狀態(tài)識(shí)別算法準(zhǔn)確性將是帶式輸送機(jī)調(diào)速節(jié)能控制的一個(gè)研究方向。

2 帶式輸送機(jī)速度傳送技術(shù)

帶式輸送機(jī)速度傳送技術(shù)是按照散貨碼頭物料裝船/卸船工藝，采用PLC作為控制核心，根據(jù)調(diào)速控制策略對(duì)帶式輸送機(jī)電機(jī)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程調(diào)速控制。帶式輸送機(jī)速度傳送技術(shù)包括帶式輸送機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置、帶式輸送機(jī)功率平衡研究、帶式輸送機(jī)調(diào)速控制策略三部分。

2.1 帶式輸送機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置

帶式輸送機(jī)輸送帶是粘彈性體，在靜止或運(yùn)行時(shí)內(nèi)部貯藏了大量能量。為確保帶式輸送機(jī)起動(dòng)平穩(wěn)性，降低啟動(dòng)張力對(duì)電氣和機(jī)械部分的沖擊，需加設(shè)調(diào)速啟動(dòng)裝置。目前，調(diào)速啟動(dòng)方式有直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、變頻調(diào)速、可控硅電動(dòng)機(jī)調(diào)速、調(diào)速型液力偶合器、液體粘性傳動(dòng)調(diào)速、CST可控驅(qū)動(dòng)等幾種，其中液力偶合器和變頻調(diào)速應(yīng)用較為廣泛。液力耦合器雖能部分解決帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)問(wèn)題，但較變頻器驅(qū)動(dòng)存在明顯劣勢(shì)：1)電機(jī)必須先空載啟動(dòng)，造成啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生巨大沖擊；2)長(zhǎng)時(shí)工作引起液體溫度升高，融化合金塞，引起漏液；3)由于帶式輸送機(jī)加載時(shí)間較短易引起皮帶張力變化，因此對(duì)皮帶帶強(qiáng)要求較高；4)難以解決多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)功率平衡問(wèn)題。隨著變頻調(diào)速技術(shù)成熟，帶式輸送機(jī)越來(lái)越多地采用變頻調(diào)速起動(dòng)。采用變頻器軟啟動(dòng)方式，可使皮帶在啟動(dòng)過(guò)程中緩慢釋放內(nèi)部能量，同時(shí)也能達(dá)到多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡。另外，因系統(tǒng)功率因數(shù)和效率均提高，所以其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益都非常明顯，具有良好的推廣價(jià)值。

2.2 帶式輸送機(jī)功率平衡研究

高強(qiáng)度、長(zhǎng)距離、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)主要采用多滾筒多電機(jī)驅(qū)動(dòng)。實(shí)際調(diào)速過(guò)程中，長(zhǎng)距離高速帶式輸送機(jī)功率平衡控制，也是帶式輸送機(jī)調(diào)速節(jié)能技術(shù)中值得研究的問(wèn)題。

根據(jù)帶式輸送機(jī)具有死區(qū)、時(shí)滯、摩擦和粘彈性等動(dòng)力學(xué)特性，國(guó)際上早期主要根據(jù)輸送帶運(yùn)動(dòng)的力平衡方程、幾何方程和物理方程對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并采用解析法和數(shù)值法建立其連續(xù)模型的動(dòng)力學(xué)方程解決其控制問(wèn)題[10,11]。然而，隨著多電機(jī)功率分配不均衡情況在長(zhǎng)距離、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中出現(xiàn)，采用經(jīng)典解析方法解決具有非線性和時(shí)變性復(fù)雜動(dòng)力學(xué)模型及其困難。因此，近年來(lái)針對(duì)多電機(jī)功率平衡控制問(wèn)題許多學(xué)者展開(kāi)了多機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡調(diào)整原理研究，探討了影響功率平衡的主要因素[12,13]，提出了模糊控制法[14,15]、內(nèi)?？刂品?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法[16]、轉(zhuǎn)矩分配法[17]四類(lèi)功率協(xié)調(diào)控制方法。

2.3 帶式輸送機(jī)調(diào)速控制策略

帶式輸送機(jī)傳送裝置的效率由其傳送速度決定，傳送速度越高則傳送效率也越高。目前港口現(xiàn)有帶式輸送機(jī)各處傳送速度均一致，若需要某段區(qū)間帶式輸送機(jī)帶速必須超過(guò)其規(guī)定速度，則需研制帶式輸送機(jī)變速傳送裝置[18]。然而，因帶式輸送機(jī)功耗設(shè)計(jì)公式尚未考慮真實(shí)散料分布隨機(jī)性、無(wú)規(guī)律等統(tǒng)計(jì)特性因素影響，現(xiàn)有控制策略模型與真實(shí)情況差異較大；另外，目前尚無(wú)帶式輸送機(jī)群并行協(xié)調(diào)控制定性研究方法，現(xiàn)存方法的普適性和實(shí)用性有待進(jìn)一步研究。

3 系統(tǒng)優(yōu)化和智能決策技術(shù)

散貨碼頭散料裝卸運(yùn)作是一個(gè)復(fù)雜、隨機(jī)、離散動(dòng)態(tài)過(guò)程，很難憑借經(jīng)驗(yàn)判斷或應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法進(jìn)行優(yōu)化,一般采用港口系統(tǒng)仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行研究。港口系統(tǒng)仿真是一種將系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用于港口系統(tǒng)，建立港口物流系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的方法。其中，建立可信的系統(tǒng)模型是研究港口系統(tǒng)仿真最重要前提。目前，港口系統(tǒng)建模方法有形式化建模技術(shù)(循環(huán)排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)法、極大代數(shù)法、擾動(dòng)分析法、PetriNet技術(shù))和非形式化建模技術(shù)(活動(dòng)循環(huán)圖、流程圖法、面向?qū)ο蠹夹g(shù))兩類(lèi)，大多用來(lái)解決港口裝卸設(shè)備配置、堆場(chǎng)作業(yè)、散料裝卸工藝等建模與優(yōu)化問(wèn)題。縱觀目前國(guó)內(nèi)外散貨碼頭仿真研究，取得的成果已經(jīng)能對(duì)碼頭設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)提供較高價(jià)值的數(shù)據(jù)分析結(jié)果與決策支持，但仍存在模型偏離實(shí)際、功能單一、適用范圍窄等不足。影響帶式輸送機(jī)系統(tǒng)功耗因素十分復(fù)雜，涉及阻力系數(shù)、帶速、物料輸送狀態(tài)等，為驗(yàn)證理論分析正確性及控制策略有效性，實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是有效的技術(shù)手段。

4 討論

分析國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展的帶式輸送機(jī)調(diào)速節(jié)能研究發(fā)現(xiàn)，由于影響帶式輸送機(jī)功耗的物料流狀態(tài)參數(shù)獲取不足，使得帶式輸送機(jī)能耗影響機(jī)理分析方法和手段有限。因此，采集并分析帶式輸送機(jī)輸送狀態(tài)相關(guān)信息，建立帶式輸送機(jī)群真實(shí)能耗數(shù)學(xué)模型是開(kāi)展調(diào)速控制策略研究的必要基礎(chǔ)。利用系統(tǒng)優(yōu)化和仿真技術(shù)，結(jié)合多智能體和協(xié)調(diào)學(xué)理論，構(gòu)建并優(yōu)化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)最優(yōu)調(diào)速控制策略和作業(yè)流程，是建立我國(guó)“綠色港口、智慧港口”有效技術(shù)保證。同時(shí)，由于國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一套用于功耗機(jī)理分析的帶式輸送機(jī)輸送狀態(tài)視覺(jué)檢測(cè)裝置和識(shí)別軟件。因此，構(gòu)建基于視覺(jué)技術(shù)、物流仿真及優(yōu)化技術(shù)于一體的散貨碼頭帶式輸送機(jī)調(diào)速控制模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展帶式輸送機(jī)系統(tǒng)調(diào)速節(jié)能協(xié)調(diào)控制、節(jié)能控制流程優(yōu)化與評(píng)價(jià)將是今后節(jié)能控制研究重點(diǎn)。

4.1 散貨碼頭帶式輸送機(jī)調(diào)速控制模擬系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

為開(kāi)展上述散貨碼頭帶式輸送機(jī)調(diào)速控制技術(shù)領(lǐng)域研究，筆者設(shè)計(jì)的散貨碼頭帶式輸送機(jī)調(diào)速控制模擬系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由信息采集層、控制執(zhí)行層、智能決策層組成。

圖1 散貨碼頭帶式輸送機(jī)調(diào)速控制模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.2.1 物料流狀態(tài)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)研制

物料流狀態(tài)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)包括物料流狀態(tài)視覺(jué)檢測(cè)裝置和物料流狀態(tài)識(shí)別軟件。物料流狀態(tài)視覺(jué)檢測(cè)裝置由圖像傳感器、圖像采集模塊、視頻圖像無(wú)線通訊、智能控制終端等組成，選取輸送帶合適段進(jìn)行安裝，以帶式輸送機(jī)上物料流為研究對(duì)象，實(shí)時(shí)采集物料流視頻圖像并無(wú)線傳輸至遠(yuǎn)程智能控制終端。由于受散貨碼頭惡劣環(huán)境所限，要求裝置具有實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、無(wú)線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，同時(shí)應(yīng)對(duì)粉層工作環(huán)境具備良好適應(yīng)性。物料流狀態(tài)識(shí)別軟件集視頻圖像預(yù)處理、物料流狀態(tài)檢測(cè)、提取、識(shí)別于一體，實(shí)現(xiàn)物料流狀態(tài)信息(瞬時(shí)流量、均勻性、連續(xù)性、分布性等)實(shí)時(shí)檢測(cè)與識(shí)別，要求物料流狀態(tài)識(shí)別率≥95%。

4.2.2 基于多智能體的多輸送機(jī)協(xié)同控制模型構(gòu)建

散貨碼頭帶式輸送機(jī)自適應(yīng)調(diào)速控制系統(tǒng)是以離散事件系統(tǒng)為主的復(fù)雜混合系統(tǒng)，具有調(diào)度復(fù)雜性、生產(chǎn)離散性、工作關(guān)聯(lián)性等特性。在調(diào)速過(guò)程中，由于多帶式輸送機(jī)組合受多種條件約束和隨機(jī)因素影響，其協(xié)同控制模型構(gòu)建具有多目標(biāo)、多因素、多層次等要求。針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)學(xué)優(yōu)化方法難以處理如此復(fù)雜系統(tǒng)現(xiàn)狀，具體可采用基于多智能體技術(shù)(Multi-Agent,MAS)構(gòu)建散料碼頭設(shè)備機(jī)群電機(jī)調(diào)速控制模型，以實(shí)現(xiàn)降低皮帶機(jī)能耗、減少電費(fèi)經(jīng)濟(jì)消耗、提高裝卸設(shè)備效率的優(yōu)化目標(biāo)。另外，可采用MATLAB 數(shù)值仿真技術(shù)優(yōu)化多輸送機(jī)協(xié)同控制模型參數(shù)。

4.2.3 散貨碼頭物流裝卸作業(yè)仿真技術(shù)

散貨碼頭物料裝卸系統(tǒng)是一類(lèi)復(fù)雜的混合離散系統(tǒng)，具有動(dòng)態(tài)非線性、問(wèn)題規(guī)模大、講求系統(tǒng)集成等特性，為此，采用Arena或Anylogic開(kāi)發(fā)平臺(tái)、數(shù)據(jù)計(jì)算平臺(tái)Matlab構(gòu)建散貨碼頭物料裝卸作業(yè)仿真平臺(tái)，應(yīng)用最優(yōu)化理論以及控制技術(shù)仿真并驗(yàn)證提出的物料流檢測(cè)及電機(jī)調(diào)速控制方法有效性，提出帶式輸送機(jī)調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)流程。所建立的模型應(yīng)滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)性、簡(jiǎn)明性和標(biāo)準(zhǔn)化等要求，為分析和提出帶式輸送機(jī)調(diào)速節(jié)能控制方法和技術(shù)流程提供可靠的依據(jù)。

5 結(jié)論

1)構(gòu)建帶式輸送機(jī)物料狀態(tài)視覺(jué)檢測(cè)裝置，開(kāi)發(fā)物料狀態(tài)檢測(cè)和識(shí)別算法，建立帶式輸送機(jī)真實(shí)能耗數(shù)學(xué)模型，為調(diào)速控制策略研究提供理論依據(jù)，是研究帶式輸送機(jī)節(jié)能控制技術(shù)的基礎(chǔ)。

2)分析散貨碼頭帶式輸送機(jī)調(diào)速控制優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，構(gòu)建多目標(biāo)約束的帶式輸送機(jī)調(diào)速策略模型。利用數(shù)值仿真技術(shù)，分析優(yōu)化目標(biāo)下各約束條件間相互制約關(guān)系，優(yōu)化調(diào)速策略模型參數(shù)。

3)引入多智能體及協(xié)調(diào)學(xué)相關(guān)理論，結(jié)合帶式輸送機(jī)群協(xié)調(diào)控制規(guī)律，開(kāi)展多輸送機(jī)狀態(tài)辨識(shí)、多輸送機(jī)分散協(xié)調(diào)控制等研究，是研究散貨碼頭帶式輸送機(jī)群協(xié)調(diào)節(jié)能控制的關(guān)鍵與難點(diǎn)。

4)引入半實(shí)物仿真技術(shù)，利用散貨碼頭帶式輸送機(jī)群調(diào)速控制模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集帶式輸送機(jī)輸送狀態(tài)數(shù)據(jù)，輸入至散料輸送仿真平臺(tái)，提出群協(xié)調(diào)控制優(yōu)化策略和技術(shù)流程。該技術(shù)將是研究帶式輸送機(jī)群控制策略重要技術(shù)手段。

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