操縱船舶的方法

操縱船舶的方法
【專利摘要】一種船舶例如挖掘船(10)、堆疊器、駁船或濕式選礦廠的操縱方法，該船舶上提供有至少四個絞盤(20、22、24、26和28)，絞盤繩索(40、42、44、46和48)從該至少四個絞盤延伸至位于遠離該船舶的錨定點，該絞盤(20，22，24，26和28)可操作以操縱船舶，其中，在限定的扭矩下，至少一個絞盤被保持，而三個絞盤用于控制船舶的運動。本發明還揭露了用于實施描述的操縱方法的操縱控制系統。
【專利說明】
操縱船舶的方法
技術領域
[0001] 本發明設及操縱船舶(Vessel)的方法。
[0002] 在另一種形式中，本發明設及一種采礦方法。更具體地，本發明的采礦方法包含挖 掘，特別挖掘船的操縱。
[0003] 在進一步的形式中，本發明設及一種堆疊方法。更具體地說，本發明的堆疊方法適 用于尾礦(tailings)的堆疊，運些尾礦的堆疊可W在采礦和礦物處理操作中產生。
[0004] 在再進一步的形式中，本發明設及一種實施前文所述和下文敘述的任何方法的操 縱控制系統。
【背景技術】
[0005] 采礦采用的傳統挖掘方法通常利用一個定位粧(spud)(為挖掘船內包含的垂直桿 形組件）來將挖掘船固定在床上，W及副絞盤(sideline winches)將挖掘船順時針和逆時 針旋轉，同時它切入礦體。
[0006] 在每個回轉的最后，切割頭通過延伸定位粧拖架(spud carriage)(定位粧拖架的 最大延伸值為7-lOm)來推進。一旦拖架全部伸出，輔助定位粧下降，主定位粧升高，使挖掘 船向前"行走"。一旦在新的位置，定位粧拖架縮回，輔助定位粧升高，主定位粧下降，使得采 礦得W繼續。
[0007] 運種類型的挖掘存在許多缺點。由于定位粧為切割器提供了主要反作用力，因此 不可能在定位粧行走過程中繼續開采未開采區域，導致每個"行走"有典型的5至15分鐘的 生產損失。因此，錯定定位粧設置的連續開采面積約為15X50米。
[000引挖掘船切割架的長度限制每個定位粧中屯、線的采礦寬度，如圖1所示。因此，對于 通常大于定位粧挖掘擺弧(一般為50至60米)的采礦寬度，有必要有多個定位粧中屯、線，由 于每個中屯、線變化的所需定位粧"蟹"運動（"crab" motion)，運也導致典型的15至60分鐘的 生廣損失。
[0009] 隨著定位粧行走，采礦弧(mining-arcs)是非同屯、的，運是由于弧的中屯、和弧的半 徑在變化。運意味著除非回轉速度被控制W補償運種效應，否則整個面的有效切削速率會 不一致。
[0010] 定位粧挖掘船上的頭部總是相對于礦面固定。頭部不能更改W提高效率。
[0011] 隨著操作的深度，定位粧的長度和尺寸要求增加，其中定位粧挖掘應用通常限于 22米的最大挖掘深度。
[0012] 還需要一種復雜的錯定位置規劃，W確保切割器足夠的回轉力，切割器往往需要 更多的錯移動(anchor moves)。
[0013] 本發明的一個目是基本上克服現有技術中的上述問題，或至少提供一種有用的替 代方案。
[0014]
【申請人】已經理解，并確定，為船舶例如采礦中使用的挖掘船或者堆疊機的操縱提 供一種新的方法將是有利的。運些優點可W理解為包括，但不限于:使挖掘船在一條直線上 運動，而不是現有技術典型的弧形運動;能控制航向，特別是來提高效率;最小化或減少由 于定位粧行走和定位粧"蟹"運動導致的非生產性的停機時間；使用無定位粧挖掘船設計， 相比于15X50米的典型定位粧挖掘采礦區域，為了每組錯定位置，采礦區域可W提高到至 少約45 X 200米;對于定位粧挖掘開采200米寬的礦池，運轉化為每中屯、線=個定位粧行走 和跨過池的3個蟹運動，導致每個45 X 200米礦區大于一個小時的生產時間損失。
[0015] 進一步的優點包括改善和流線化切割軌跡，W提高挖掘性能，特別是鄰近的池塘 角邊(pond corner edges)，開發確保切入礦體的一致的穿透力的切割軌跡和切割順序，提 供最大化切削效率的頭部，和開發可用于淺層和深層兩種操作的挖掘操縱控制方法。對于 超過22米的深度，使用定位粧挖掘機通常是很困難的，除非采取措施來減少池塘水位。
[0016] 更進一步的優點包括:通過采用先進的控制技術，來盡量增加挖掘回轉和切割速 度，同時盡量減少因超載導致的切割行程，實現最大限度地增加整體生產速率，提高自動化 水平，從而降低操作員的投入，并制定錯定遷移策略(anchor relocation strategy)，該錯 定遷移策略通過盡量降低錯定移動頻率要求，而不減少有效的可用操縱力來優化整體生產 量。
【背景技術】 [0017] 前面的討論是為了便于本發明的理解。該討論并非確認或承認任何提及 的材料是或者曾經是作為本申請優先權日的部分公知常識。
[0018] 在整個說明書和權利要求書中，除非上下文另有要求，否則，詞"包括"或變體諸如 "包括"或"包含"，將被理解為暗示包括規定的整數或整數組，但不排除任何其它整數或整 數組。
[0019] 在整個說明書和權利要求書中，除非上下文另有要求，否則，對"挖掘"或變體的引 用，將被理解為包括對"船舶"的引用，反之亦然。同樣地，除非上下文另有要求，否則，對挖 掘船或船舶的引用，或它們的變形，都應當理解為包括對濕式選礦廠的引用，"堆疊器"、"堆 疊器模塊"、或可用于船舶停泊或對接中的模塊。例如，挖掘船的引用被理解為包括深海挖 掘船和渠道挖掘船的參考。另外，對船舶的引用被理解為包括對例如海上駁船的引用。
[0020] 在整個說明書和權利要求書中，除非上下文另有要求，否則，對"線"、"繩索"或"線 纜"的引用或它們的變形，應當理解為包括對彼此術語的引用，每個應獨立解釋。另外，術語 "絞盤"或其變體，除非上下文另有要求，否則，應理解為包括對任何其他機制的引用，通過 該機制，運個船舶朝遠離那個船舶的點移動。
[0021] 在整個說明書和權利要求書，除非上下文另有需要，否則，對"定義的扭矩"的引 用，或它們的變形，將被理解為對"扭矩控制模式"控制下的絞盤，或具有當放置在"速度控 制模式"下具有扭矩極限的絞盤的引用。
[0022] 在整個說明書和權利要求書中，除非上下文另有需要，否則，對"允許運動區域"的 引用，或其任何變體，由于可能在特定情況下適用，應理解為包括對"允許切割區域"的引 用，或者反之亦然。

【發明內容】

[0023] 本發明提供了一種操縱船舶的方法，該船舶上提供有至少四個絞盤，絞盤繩索從 該至少四個絞盤延伸至位于遠離該船舶的錯定點，該絞盤可操作W操縱該船舶，其中，至少 一個絞盤在限定的扭矩下被保持，而=個絞盤用于控制該船舶的運動。
[0024] 優選地，在限定的扭矩下的該或每個絞盤保持在或接近該最低扭矩值，該最低扭 矩值達到低勢能，同時將該絞盤繩索保持在響應狀態。
[0025] 更優選地，該船舶通過操縱控制器操縱，該操縱控制器發送扭矩和速度參數到該 絞盤。
[0026] 再優選地，該船舶根據該船舶的優選軌跡來操縱。
[0027] 一冗余絞盤標識符(Redundant Winch Identifier,RWI)組件優選地提供來確定 不應該利用哪個絞盤或哪些絞盤來實現該船舶的期望的操縱。該冗余絞盤標識符通過分析 哪個或哪些絞盤最不能夠做有用工作來實現該期望的輸出或結果，來實現運一目的。
[0028] 絞盤冗余與否的該選擇優選地是優選軌跡、船舶幾何形狀和期望速度各個參數的 函數。
[0029] 優選地，該冗余絞盤標識符采用主動方式對該或每個冗余絞盤做出選擇。
[0030] 更優選地，在該冗余絞盤標識符無法采取主動方式對該或每個冗余絞盤做出選擇 的情況下，采取被動方式來對該或每個冗余絞盤做出選擇。
[0031] 優選地，該冗余絞盤標識符組件的主動方式，包括：
[0032] (a)加速度計算器，該加速度計算器根據該船舶的期望速度計算該船舶的加速度；
[0033] (b)船舶一絞盤速度轉換器，該船舶一絞盤速度轉換器根據該船舶的幾何形狀和 期望速度計算該絞盤的期望速度；
[0034] (C)標量投影計算器（scalar projection calculator)，該標量投影計算器提供 了設置在該船舶上并且與每個繩索和絞盤相關的滑輪的該期望加速度與它們各自的絞盤 繩索的該期望加速度的定量比較；W及
[0035] (d)定制的最小值選擇器，該定制的最小值選擇器在加速度計算器和標量投影計 算器的輸出的基礎上識別該冗余絞盤。
[0036] 優選地，該冗余絞盤標識符組件的被動方式包括：
[0037] (a)將絞盤扭矩反饋轉換為線張力的計算器；
[0038] (b)用作識別最適合作為冗余絞盤選擇的該或每個絞盤的定制的最小選擇器；W 及
[0039] (C)檢查器，用于確定選擇作為冗余絞盤的該或每個絞盤是按預期執行的。
[0040] 再優選地，識別為冗余的該或每個絞盤的該預期性能是該絞盤的速度為或接近其 期望速度。如果被識別為冗余的絞盤被確定為不按預期執行的，那么一段時間內不考慮它 作為冗余絞盤。
[0041] 優選地，該操縱控制器考慮限制該船舶的最大速度的因素。
[0042] 限制該船舶的最大速度的該因素優選地包括輸入/輸出保護因子。該輸入/輸出保 護因子優選地用作限制該船舶的該速度，W防止輸入或輸出設備提供不希望的結果。
[0043] 在一種形式中，該輸入或輸出設備W切割頭的形式提供。優選地，該輸入/輸出保 護因子包括切割器跳閩保護裝置(cutter trip protection)。
[0044] 在另一種形式中，該輸入或輸出裝置W堆疊吊桿的形式提供。
[0045] 限制該船舶的該最大速度的另一個因素是工序保護因子。該工序保護因子優選地 用作限制該船舶的該速度，W避免下游/上游工序中斷或其它負面影響。
[0046] 在本發明的一種形式中，該工藝保護因子W "挖掘至濕式選礦廠工藝線路沼澤保 護（'Dredge to WCP Process Line Bog Protection)"因子的形式提供。
[0047] 操作者可W優選地修改該船舶的軌跡或經由圖形用戶界面（graphical user interface ,GUI)向該操縱控制器發送指令來啟動新的軌跡。
[0048] 優選地，該圖形用戶界面包括描繪該船舶的俯視平面圖的X-Y坐標曲線圖。相對于 當前的優選軌跡，該X-Y坐標曲線圖優選地允許操作者將船舶實時具體化。更優選地，關于 該船舶的該位置，該X-Y坐標曲線圖進一步允許操作者將歷史信息具體化。
[0049] 更優選地，所述X-Y坐標曲線圖上描繪的所述實時和歷史信息W-個信息容易地 與另一信息區別開的方式提供。在本發明的一種形式中，描繪在該X-Y坐標曲線圖上的該實 時和歷史信息W不同的顏色來提供。
[0050] 該X-Y坐標曲線圖優選地被增強，W便在每個X、Y和Z坐標中提供該船舶的實時和 歷史信息的=維可視化圖。
[0051] 優選地，該操作員的該指令通過該操縱控制器解釋，并且輸出至該絞盤的該控制 器相應地被調整，W實現該操作者的意圖。
[0052] 該錯定點的位置優選地通過識別允許移動區域來實現，在該區域內，由于所述錯 定位置可W通過所述絞盤為所述運動提供足夠的力，因而運動是可能的。
[0053] 優選地，允許運動區域的該識別是通過使用錯定運動力計算器實現，通過該錯定 運動力計算器，絞盤力可用于計算特定的錯定位置和軌跡。
[0054] 在本發明的一種形式中，該船舶W無定位粧挖掘船的形式提供。
[0055] 在本發明的另一種形式中，該船舶W無定位粧濕式選礦廠的形式提供。
[0056] 在本發明的再一種形式中，該船舶W無定位粧堆疊器模塊的形式提供。優選地，該 堆疊器模塊為尾礦堆疊器模塊。
[0057] 本發明還提供了一種采礦方法，該方法包括挖掘船的該操縱方法，該挖掘船上提 供有至少四個絞盤，絞盤繩索從該至少四個絞盤延伸至位于遠離該挖掘船的錯定點，該絞 盤可操作W操縱該挖掘船，其中，至少一個絞盤在限定的扭矩下被保持，同時=個絞盤利用 于控制該挖掘船的運動。
[0058] 優選地，在限定的扭矩下，所述或每個絞盤保持在或接近該最低扭矩值，該最低扭 矩值達到低勢能，同時將該絞盤繩索保持在響應狀態。
[0059] 優選地，該挖掘船通過操縱控制器，該操縱控制器發送扭矩和速度參數到該絞盤。
[0060] 再優選地，該挖掘船根據該挖掘船的優選軌跡來操縱。
[0061] -冗余絞盤標識符組件優選地提供來確定哪個絞盤或哪些絞盤不應該利用來實 現該挖掘船的期望操縱。該冗余絞盤標識符優選地通過分析哪個或哪些絞盤最不能夠做有 用工作來實現該期望的輸出或結果，來實現此目的。
[0062] 絞盤冗余與否的該選擇優選地是優選軌跡、船舶幾何形狀和期望速度各個參數的 函數。
[0063] 優選地，該冗余絞盤標識符采用主動方式對該或每個冗余絞盤做出選擇。
[0064] 更優選地，如果該冗余絞盤標識符無法采取主動方式對該或每個冗余絞盤做出選 擇的情況下，采取被動方式對該或每個冗余絞盤做出選擇。
[0065] 優選地，該冗余絞盤標識符組件的主動方式，包括：
[0066] (a)加速度計算器，該加速度計算器根據該挖掘船的期望速度計算該挖掘船的加 速度；
[0067] (b)挖掘船一絞盤速度轉換器，該挖掘船一絞盤速度轉換器根據該挖掘船的幾何 形狀和期望速度計算該絞盤的期望速度；
[0068] (C)標量投影計算器，該標量投影計算器提供了設置在挖掘船上并且與每個繩索 和絞盤相關的滑輪的該期望加速度，與它們各自的絞盤繩索的該期望加速度的定量比較； W及
[0069] (d)定制的最小選擇器，該定制的最小選擇器在加速度計算器和標量投影計算器 的輸出的基礎上識別該冗余絞盤。
[0070] 優選地，該冗余絞盤標識符組件的被動方式包括：
[0071] (a)將絞盤扭矩反饋轉換為線張力的計算器；
[0072] (b)用作識別最適合作為冗余絞盤選擇的該或每個絞盤的定制的最小選擇器；W 及
[0073] (C)檢查器，用于確定選擇作為冗余絞盤的該或每個絞盤是按預期執行的。
[0074] 更優選地，該或每個冗余絞盤的該期望性能是，該絞盤速度為或接近其期望速度。 如果冗余絞盤被確定為不按預期執行的，那么一段時間內不考慮它作為冗余絞盤。
[0075] 優選地，該操縱控制器考慮限制該挖掘船的最大速度的因素。
[0076] 限制該挖掘船的最大速度的該因素優選地包括輸入/輸出保護因子。該輸入/輸出 保護因子優選地用作限制該挖掘船的該速度，W防止輸入或輸出設備提供不希望的結果。
[0077] 在本發明的一種形式中，該輸入或輸出設備W切割頭的形式提供。優選地，該輸 入/輸出保護因子包括切割器跳閩保護裝置。
[0078] 限制該挖掘船的最大速度的另一個因素是工序保護因子。該工序保護因子優選地 用作限制該挖掘船的速度，W避免下游/上游工序中斷或其它負面影響。
[0079] 在本發明的一種形式中，該工藝保護因子W "挖掘至濕式選礦廠工藝線路沼澤保 護"因子的形式提供。
[0080] 操作者優選地可W修改該挖掘船的軌跡或經由圖形用戶界面向該操縱控制器發 送指令來啟動新的軌跡。
[0081] 優選地，該圖形用戶界面包括描繪該船舶的俯視平面圖的X-Y坐標曲線圖。相對于 當前優選軌跡，該X-Y坐標曲線圖優選地允許操作者將挖掘船實時具體化。更優選地，關于 該挖掘船的該位置，該X-Y坐標曲線圖進一步允許操作者將歷史信息具體化。
[0082] 更優選地，描繪在該X-Y坐標曲線圖上的該實時和歷史信息W W下方式提供，每種 信息容易從另一信息當中區別開來。在本發明的一種方式中，描繪在該X-Y坐標曲線圖上的 實時和歷史信息W不同的顏色來提供。
[0083] 該X-Y坐標曲線圖優選地被增強，W便在每個X、Y和Z坐標中提供該挖掘船的實時 和歷史信息的=維可視化圖。
[0084] 優選地，該操作員的該指令通過該操縱控制器解釋，并且輸出至該絞盤的該控制 器被相應調整，W實現該操作者的意圖。
[0085] 該錯定點的位置優選地通過識別允許切割區域來實現，在該區域內，由于所述錯 定位置可W通過所述絞盤為運動提供足夠的力，因而運動是可能的。
[0086] 優選地，允許切割區域的該識別是通過使用錯定運動力計算器實現，通過該錯定 力運動計算器，絞盤力可用于計算特定的錯定位置、估計的切割力和軌跡。
[0087] 本發明還提供了一種堆疊方法，該堆疊方法包含堆疊模塊的該操縱方法，該堆疊 模塊上提供有至少四個絞盤，絞盤繩索從該至少四個絞盤延伸至位于遠離該堆疊模塊的錯 定點，該絞盤可操作W操縱該堆疊模塊，其中，至少一個絞盤在限定的扭矩下被保持，而= 個絞盤用于控制該挖掘船的運動。
[0088] 本發明再提供了一種操縱模塊的方法，該模塊上提供有至少四個絞盤，絞盤繩索 從該至少四個絞盤延伸至位于遠離該模塊的錯定點，該絞盤可操作W操縱該模塊，其中，每 個絞盤和繩索是動態維護的，至少一個絞盤在限定的扭矩下被保持，而=個絞盤用于控制 該船舶的運動。
[0089] 該模塊為船舶、挖掘船、駁船、濕式選礦廠、或堆疊模塊之一。
[0090] 本發明還提供了用于實施上述任何一個或多個方法的操縱控制系統。
【附圖說明】
[0091] 本發明現在將僅通過示例的方式并參考若干實施例和附圖進行描述，其中：
[0092] 圖1是現有技術傳統定位粧挖掘的示意俯視平面圖；
[0093] 圖2是本發明操縱船舶的方法和采礦方法中可能用到的挖掘船的俯視平面圖；
[0094] 圖3是本發明采礦方法的示意俯視平面圖；
[0095] 圖4是根據本發明操縱船舶方法和采礦方法的整體挖掘船幾何形狀動態模型的示 意俯視平面圖；
[0096] 圖5是圖3動態模型的示意端視圖，代表該模型如何允許對非對稱的礦面或沙丘；
[0097] 圖6是圖3挖掘船幾何形狀與絞盤力的示意俯視平面圖，展示了所需的力、方向和 角度的指引規則；
[0098] 圖7是本發明被操縱的船舶的示意俯視平面圖，展示了在冗余絞盤識別中發揮作 用的=種感興趣的運動和力的平衡；
[0099] 圖8是本發明方法中使用的控制模型的開發中使用的錯定定位的兩個例子的示意 圖；
[0100] 圖9是本發明一個實施例方法中示例性允許切割區域(PCR)和錯的前進路線的示 意圖；
[0101] 圖10本發明方法中使用的控制模型的開發中使用的單個絞盤的絞盤幾何形狀的 示意圖；
[0102] 圖11是絞盤力和加速度計算的示意圖，據此絞盤2的力可W通過一組方程推導出 來，W用于本發明方法中使用的控制模型的開發；
[0103] 圖12是本發明采礦方法中允許切割/運動區域(PCR/PMR)長度和相對錯位置的示 意俯視平面圖；W及
[0104] 圖13是本發明方法中的各個部件的示意圖。
【具體實施方式】
[0105] 本發明提供了操縱船舶例如挖掘機的方法、采礦整合挖掘方法，特別是挖掘機的 操縱、特別應用于尾礦堆疊的堆疊方法，W及實施任何運些方法的操縱控制系統。本發明方 法有利地將控制點（W下將描述)沿著優選的軌跡在船舶上移動，參考每個X和Y坐標、船舶 頭部和可供選擇的Z坐標。
[0106] 被操縱的容器，例如無定位粧挖掘船10,展示在圖2中。挖掘船10設計來使用絞盤 繩索來操控，從而旨在避免現有技術挖掘船使用定位粧存在的問題。挖掘船10包括平臺12， 其上設置有切割器14、切割架16、控制室18W及一系列絞盤。該系列絞盤包括右艇船頭絞盤 20、右艇船尾絞盤22、尾絞盤24、端口船尾絞盤(port aft winch)26和端口船頭絞盤(port bow winch)28。
[0107] 該挖掘船10還包括一個右艇船頭滑輪30、右艇船尾滑輪32、尾滑輪34、端口船尾滑 輪36和端口船頭滑輪38。絞盤20至26中的每個設有絞盤線或繩40至48，該絞盤線或繩40至 48分別延伸至各自的錯，該各自的錯在遠離挖掘船10的位置。
[0108] 通過一系列絞盤具體的和可選的操作（后文將描述），在操縱挖掘船10的操縱中， 挖掘或采礦方法，如圖3,是可W實現的。在圖3中，挖掘船10的軌跡被示為橫穿池塘或通道 50并延伸，分別在左、右采掘面52和54之間，限定了通道50，挖掘船10在通道50內工作。挖掘 船10的軌跡與有效定義的礦面56重合。
[0109] 挖掘船10的優選的操作模式或軌跡被理解為是一條直線，而無需挖掘船擊中采掘 面52和54。然而，優選的軌跡可W變化為接近采掘面52和54。是否是運種情況通過采掘面52 和54的幾何形狀/地理位置多方面決定，其中，較高的采掘面/壁是更成問題的，當它接近采 掘面52和54時，需要挖掘船10采取最終的弧形或橫擺的（slewed)軌跡58,如圖3所示。
[0110] 本
【申請人】理解，挖掘船10的軌跡在一定程度上取決于切割器14的屬性，因為可能 使用的每種形式的切割器具有其獨特的幾何形狀。例如，玫瑰頭切割器的幾何形狀與斗輪 切割器的幾何形狀不同，并且將具有不同的偏移角度。采用特定幾何形狀的切割器可能需 要不同的頭部控制，W確保最大的切割效率。
[0111] 操作員可W修改船舶的軌跡或通過經由圖形用戶界面(GUI)發送指令到操縱控制 器來啟動一個新的軌跡。該GUI包括X-Y坐標曲線圖，描繪了船舶的俯視圖，允許操作者將實 時的船舶相對于當前優選軌跡具體化。此外，X-Y坐標曲線圖進一步允許操作員將關于船舶 位置的歷史信息具體化。
[0112] 值得注意的是，描繪在X-Y坐標曲線圖上的實時和歷史信息W W下方式提供，每種 信息容易從另一信息當中區別開來。例如，描繪在X-Y坐標曲線圖中的實時和歷史信息，可 W W不同的顏色來提供。
[0113] X-Y坐標曲線圖可W優選地增強，W便在每個X、Y和Z坐標中提供船舶的實時和歷 史信息的=維可視化圖。
[0114] 操作員的操作指令通過操縱控制器解釋，并且輸出至絞盤的控制器被相應調整， W實現操作者的意圖。
[0115] 本發明方法相對于現有技術方法具有許多優點，運些優點將在下面進行詳細討 論。但是應該理解的是，W下的實施例對挖掘船的引用是不限制的，并且所討論的原理通常 也同樣適用于本發明方法，本實施可用于其他船舶，包括堆疊機和駁船。
[01W 控制模型開發
[0117]本發明方法的早期開發中，挖掘船或船舶幾何形狀的理論分析，W及用作實際的 挖掘船或船舶代表的控制模型的開發，由本
【申請人】進行。該模型的開發和應用促進了本發 明方法的創新設計。
[011引控制模型的目的是：
[0119] (a) 了解挖掘操縱系統的機械動力學。
[0120] (b)開發、研究和優化挖掘操縱控制策略。
[0121] (C)相對于錯位置的不確定性，檢查控制策略的穩定性。
[0122] (d)提供絞盤力對錯位置的影響的考察手段。
[0123] (e)提供錯運動的優化工具。
[0124] (f)便于自動化軟件的全部功能測試。
[0125] 控制模型由兩部分組成，為：
[01%] (a)挖掘動態模型;和
[0127] (b)挖掘操縱力計算器。
[0128] 模型的開發和實施選擇的語言是一個行業標準仿真語言，Matlab?/Simulink?。 該模型采用框圖語言Simulink?的框圖形式來描述。每個框圖的模型參數指定為Matlab? 變量，其值被存放在Matlab?宏文件中。不同的軌跡和錯位置可W通過模型用戶界面輸入到 系統中。
[0129] 該模型使用Mathworks? OPC Too化OX?連接到可編程邏輯控制器(PLC)軟件，W 便于軟件的全部功能測試。
[0130] Matlab?、Simulink?和Mathworks? OPC Too化OX?是業界標準的軟件產品，其得 到廣泛應用，并在mathworks. com. au中充分描述，而且還有其他網站和供應商。
[0131] 挖掘動態模型
[0132] 該模型的運部分模擬挖掘船操縱，并建立在整體挖掘幾何圖基礎上，如圖4所示， 其中，參照圖2中的挖掘船10,相同的數字表示相同的部件。圖4描述并定義了分量坐標 (component coordinates)，包括切割器（Xe,Yc)，繩索輪2(X2，Y2)至6(X6，Y6)，錯2(Ax2，Ay2) 至5((Ax5，Ay5)，繩長度L2至Ls,繩角度至46，W及航向角Ac,它們使用在模型方程中。圖4的 公開內容將在下文的實施例中更詳細地討論。
[0133] 簡單地說，模型的開發是基于W下的步驟。
[0134] 使用S角法(trigonome化y)推導繩長方程。利用運些方程的第一和第二階微分確 定繩速度和繩加速度。
[0135] 由于繩長加速度與絞盤力(F=m*A)直接相關，絞盤力可W與挖掘加速度相關。
[0136] 使用該挖掘船和錯定點之間的幾何關系，和力與加速度的牛頓法相關法，合力可 W用來計算挖掘船的線加速度。同樣，基于挖掘船10作為集中于其重屯、的點質量，W及原點 (切割頭14)為旋轉點或控制點，挖掘船的角加速度可W利用力矩代替力來計算。圍繞挖掘 船原點的合力矩通過每個絞盤20、22、24、26和28提供的力矩得到。
【申請人】理解，其它形式的 船舶要求識別或提名合適的控制點W用于運些計算目的。
[0137] 開發模型中需要處理的其他力包括：
[013引（a)尾繩張力；
[0139] (b)切割力；
[0140] (C)水阻力（Water 化ag);和
[0141] (d)繩重力。
[0142] 挖掘動態模型連接到化C控制器，W證明了控制策略的完整性，W方便測試，包括 用于監測模擬操作的一個或多個人機界面化uman Machine Inte計ace,麗I)顯示器的使 用。
[0143] 挖掘動態模型的輸入是絞盤速度和P L C控制器輸出的扭矩引用 (torquereferences)。該模型內有代表每個操縱絞盤絞盤驅動裝置的單個PI控制器。運些 迭代計算實際扭矩和驅動器的速度，并發送反饋給化C控制器。此外，每個絞盤驅動扭矩用 于確定線張力和線角度，求和挖掘船上的力得到凈加速度(net acceleration)。然后將凈 加速度2次積分來確定挖掘位置，該挖掘位置被反饋給控制器，W作為GI^位置輸入的代表。
[0144] 挖掘操縱力計算器
[0145] 開發模型的力計算部分是為了研究不同錯位置的影響。通過指定錯位置，估計的 切割力和軌跡，力計算器計算所需的絞盤力。運有利于最優軌跡、錯方向和位置的研究。
[0146] 優化錯運動通過識別允許切割區域(PCR，pe;rmissible cutting regions)和每組 錯位置來實現。允許切割區域(PCR)定義為開采是切實可行的物理區域，定義為該當前組錯 位置允許通過絞盤產生用于切割的足夠的力。如果足夠的力不能同特定組錯位置產生，貝U 采礦將不會被認為是實際可行的。
[0147] 錯運動力計算器延伸為確定每組錯位置的允許切割區域，允許優化運些位置，并 允許確定錯步驟提高要求。
[0148] 圖形用戶界面使用Matlab?來配置和運行挖掘模型和仿真。運種配置接口在歷I中 實現并允許輸入W下用戶輸入項：
[0149] (a)錯位置；
[0150] (b)初始挖掘位置；
[0151] (C)期望軌跡參數；
[0152] (d)礦業池塘規范(Mining pond specif ication); W及
[0153] (e)采礦工作面的切割器上的仿真力。
[0154] 一旦輸入項已經被輸入，則運行仿真。在仿真過程中，可W看到W下輸出：
[0155] (a)軌跡的形狀；
[0156] (b)挖掘位置；
[0157] (C)絞盤線的角度和長度；
[0158] (d)需要的絞盤線張力；
[0159] (e)最大和最小可用絞盤線張力；
[0160] (f)采礦工作面的挖掘船上的力的幅度和方向W及水阻力；
[0161] (g)運行時間；和
[0162] 化)捕捉和顯示由超過最大絞盤扭矩、超過最大絞盤線長，與池塘采掘面的碰撞， 和不兼容的絞盤線角引起的故障。
[0163] 上述輸出用于管理和優化錯定位置、采礦軌跡的形狀和基本挖掘操作。
[0164] 絞盤操縱船舶的冗余絞盤識別
[0165] 在操縱船舶例如挖掘船10中，有=個感興趣的運動，即，X軸運動、y軸運動和旋轉， 如圖7。
[0166] 興趣運動：
[0167] 期望的X位置(即北向）和X速度
[0168] 期望的y位置(即東向）和y速度
[0169] 期望的方向（即方位)和旋轉速度
[0170] 可控制：
[0171] 絞盤扭矩和
[0172] n絞盤速度
[0173] 約束；
[0174] 最大絞絞盤扭矩和速度，
[0175] 絞盤只能通過拉動來有助于運動控制（推動會產生松馳的繩或線，因此不會對運 動有任何影響）。
[0176] 運動控制通過力（通過絞盤扭矩產生）的平衡來實現。為了改變船舶的速度，有必 要控制船舶上力的凈差來創建必要的加速度，W實現期望的速度變化。
[0177] 因為有3個關鍵的控制運動，運些運動可W通過使用由3個絞盤，也被稱為"主要 (leading)"絞盤產生的力來控制。當有超過3個絞盤可用于控制船舶時，控制系統必須'選 擇'該3個絞盤來控制運動。其余絞盤實際上不需要。鑒于運個原因，任何運樣的絞盤可稱為 "冗余絞盤"。
[0178] 然而，任何運些多余的絞盤將會影響力的穩態平衡。為了解決操縱問題，運些冗余 絞盤必須穩定在規定的扭矩下。為了確保操縱系統使用最少能量來實現操縱目標，運些冗 余絞盤應當被設置為具有最低可能定義的扭矩，從而最小化功耗。運可W在一種形式中，通 過在繩索中保持足夠的張力來保持繩索高于水面，從而實現最小化功耗。換句話說，在定義 扭矩下的該或每個絞盤穩定在或接近最低扭矩值，該最低扭矩值達到低勢能，同時保持該 絞盤繩索在響應狀態。
[0179] 在確定哪個絞盤(哪些絞盤)不應該被利用來實現期望輸出方面，該冗余絞盤標識 符系統是必不可少的。該RWI系統通過分析哪個絞盤(哪些絞盤)最不能夠做有用工作來實 現期望的輸出或結果來實現運個目的。
[0180] 該冗余絞盤標識符系統包括：
[0181] (a)加速度計算器，該加速度計算器根據船舶的期望速度來計算船舶的加速度；
[0182] (b)船舶一絞盤速度轉換器，該船舶一絞盤速度轉換器根據該船舶的幾何形狀 (geomet巧)和期望速度來計算絞盤的期望速度；
[0183] (C)標量投影計算器，該標量投影計算器提供了絞盤的期望速度與絞盤的期望繩 索速度的定量比較；W及
[0184] (d)定制的最小值選擇器，該定制的最小選擇器基于加速度計算器和標量投影計 算器的輸出基礎上識別該冗余絞盤。
[0185] 船舶的操縱通過操縱控制器發送扭矩和速度參數到絞盤。如上文所述，絞盤的絞 盤線連接到遠程或陸上的錯。用戶或操作員可W修改船舶的軌跡或通過圖形用戶界面向操 縱控制器發送指令從而啟動新軌跡。運些指令由操縱控制器解釋，并且輸出到絞盤的控制 器被相應調整，W實現操作者的意圖。冗余或主要絞盤的選擇是軌跡參數的函數。
[0186] 加速度計算需要，作為輸入，船舶的期望速度大小。從船舶當前期望速度大小（即 在t = tnow)中減去上次計算迭代（即在t = tlast)的船舶期望速度大小，結果除W當前 (tnow)和上次(tlast)之間的時間間隔。一個超前滯后濾波器（Ieadlag filter)隨后用于 對結果進行平滑：
[0187]
[0188] 船舶一絞盤速度轉換器的輸入是船舶的期望速度、船舶的當前方位和相對于船舶 參考點的單個絞盤位置。首先，計算船舶期望角速度和船舶當前方位的總和，得到船舶一秒 鐘的時間的期望方位。該量的余弦和正弦分量隨后用于構建一個旋轉矩陣。然后，運個旋轉 矩陣用于將船舶的期望速度轉換為絞盤的期望速度：
[0189] Angular velocityi sec〇nd = an邑ular velocityn〇w+an邑ular accelvessei
[0190] a = cos(angular velocityi second)-cos(angular velocitynow)
[01 91 ] H = QinrAncnilAT vp I n。i tvi 'l-si n T gncni I at vpI n。i 十 v。?')
[0192]
[0193] 標量投影計算器輸入是絞盤的期望速度(來自船舶一絞盤速度轉換器)和絞盤期 望的繩加速度。標量投影量的計算方法為兩個輸入向量的標量積(dot product)除W絞盤 的期望繩索加速度幅值：
[0194]
[01M]定制的最小選擇器，如果船舶正在加速，選擇具有最小負標量投影的絞盤為冗余 的，如果船舶正在減速，選擇具有最小正標量投影的絞盤為冗余的。船舶加速度從加速度計 算器輸入，并且每個絞盤的標量投影從標量投影計算器輸入。如果有n個絞盤，則n-3個絞盤 將被設定為冗余的。對于具有四個絞盤的船舶，冗余絞盤將使用下面的代碼來選擇。
[0196] ScalarProJTempMin=arbitrarily large number for initiation
[0197] If((Scala;rP;rojwincta< = 〇AND avessei〉= 〇)〇R(Scala;rP;rojwinchi〉= 〇AND avesse：L< = 〇))
[0198] AND I Scala;rP;ro jwinchi I <Scala;rP;ro jTempMin
[0199] then
[0200] ScalarPro jTempMin= I ScalarPro jwinchi I ;
[0201] Redundant winch number = !；
[0202] End；
[0203] If((Scala;rP;rojwinch2< = 〇AND avessei〉= 〇)〇R(Scala;rP;rojwinch2〉= 〇AND avesse：L< = 〇))
[0204] AND I Scala;rP;rojwinGh21 <Scala;rP;ro jTempMin
[0205] then
[0206] ScalarPro jTempMin= I ScalarPro jwinch21 ;
[0207] Redundant winch number = 2；
[020引 End;
[0209] If ((ScalarPro jwinch3< = 0 AND avessei> = 0)0R(ScalarPro jwinch3> = 0AND avessei< = 0))
[0^0] AND I Scala;rP;ro jwinch31 <Scala;rP;ro jTempMin
[0211] then
[0212] ScalarProjTempMin= I ScalarPro jwinchs I ;
[0213] Redundant winch number = 3；
[0214] 化d;
[0^5] If((ScalarProjwinch4< = 0AND avessei〉= 0)0R(Scala;rP;rojwinch4〉= 0AND avesse：L< = 〇))
[0216] AND I Scala;rP;ro jwincM I <Scala;rP;ro j'TempMin
[0217] then
[021 引 ScalarProjTempMin= I Scala;rP;rojwinch41 ;
[0219] Redundant winch number = 4；
[0220] End;
[0221] 因此，使用上文所述的RWI系統中，操縱控制器將絞盤歸類為主要的或冗余的，W 實現期望的輸出。
[0222] 本發明方法現在將參考W下非限制性實施例進行說明。
[0223]
[0224] ^文指出，使用挖掘船的幾何形狀的理論分析，開發控制模型來代表實際的挖 掘船。開發控制模型的意圖是：
[0225] (a) 了解挖掘操縱系統的機械動力學。
[0226] (b)制定、研究和優化挖掘操縱控制策略。
[0227] (C)相對于錯位置的不確定性，檢查控制策略的穩定性。
[0228] (d)提供絞盤力對錯位置的影響的調查手段。
[0229] (e)提供錯運動的優化工具。
[0230] (f)促進自動化軟件的全部功能測試。
[0231] 開發的挖掘控制模型由=部分組成：
[0232] (a)錯運動力計算器。
[0233] (b)錯運動優化器。
[0234] (C)挖掘和絞盤幾何模型。
[0235] 理論分析中采用的標號規則在控制系統中是一致的：
[0236] (a)正X方向一從港口向右艇。
[0237] (b)正y方向一從船尾到船頭。
[0238] (C)正絞盤速度增加繩索長度(繩索放線(rope pay-out))。
[0239] (d)正挖掘方向為順時針。
[0240] 錯運動力計算器
[0241] 開發錯運動力計算器W調查不同錯位置和相關的絞盤力的影響。它也被用來確保 所有合力在指定的切割操作限制內：SOOkN的最大切割反作用力。
[0242] 通過指定錯位置、估計的切割力和軌跡，力計算器計算所需的絞盤力。力計算器使 最優軌跡和錯方向及位置的研究成為可能，如圖8。
[0243] 初步力計算分析表明，圖8中示例方向2是可能的，但不是有利的，因為錯定器之間 的間隔需要比示例方向1小得多。
[0244] 錯運動優化器
[0245] 優化錯的運動是通過確定允許切割區域（PCR)，或者允許運動區域（PMRs， permissible movement regions)實現，根據船舶，允許切割區域或者允許運動區域與每組 錯位置是相稱的(appropriate)。如上所述，允許切割區域被定義為開采是切實可行的物理 區域，運意味著當前組錯位置可W提供足夠的力。上一節的錯運動力計算器應擴展到確定 允許切割區域。作為陰影橫向區域，圖9展示了示例允許切割區域和錯的前進路線，兩者均 相對于起點。
[02W 挖掘和絞盤幾何形狀
[0247] 下面的假設條件應用到挖掘和絞盤幾何形狀，該挖掘和絞盤幾何形狀使用在模型 中：
[0248] (a)挖掘船假定為"集中"在其重屯、的集中質量。
[0249] (b)由水阻力和風阻力引起的力被建模為抗拒挖掘運動方向的集中力。
[0250] (C)繩索長度應被假定為每個滑輪和其各自的錯之間的距離，不考慮錯鏈。
[0251] (d)從每個電動機的速度調節器的輸出應被假設為正比于電動機轉矩。
[0252] 總體挖掘船幾何形狀如圖4所示。已在模型實現中使用的變量W下面的方式定義。 切割頭選定作為挖掘船和絞盤幾何計算的原點，或者控制點。如前面提到的，其它形式的船 舶將需要指定(nomination)它們自己的控制點。切割頭具有坐標(Xg，Yg)。方位角定義為y方 向和挖掘方位之間的角度。方位角記作斬，其中y方向垂直于面。
[0253] 切割器的操縱使用5個絞盤來控制。每個絞盤滑輪上都標有坐標(X2，Y2) ... (X6,， Y6)。絞盤6是尾部絞盤，錯定到濕式選礦廠。對應于每個絞盤的是繩索長度，記作L2(t)，-L6 (t)。
[0254] 本實施例具有四個陸上錯（onshore anchorS)，標記為坐標(Ax2，Ay2 )... (Ax日，Ay5 )。 尾部絞盤錯標有坐標(Ax6，Ay6)。在絞盤滑輪處通過每個繩索和挖掘/切割方向形成的繩索 角度記作恥…化。絞盤速度記作應當注意的是，絞盤1指的是梯式絞盤。
[0255] 模型中使用的幾何關系在圖10中詳細說明。所示的例子是絞盤2。由于其物理對稱 性，絞盤2的幾何關系也適用絞盤3、4和5。注意，該模型允許非對稱性采礦工作面或沙丘高 度(例如5米端口，20米右艇）。并且在運方面，可W參照圖5。
[0256] 在圖10和圖5中，定義W下變量：
[0257] (a)Z2(t)-原點和錯之間的距離。
[0巧引（b)R2-原點和絞盤滑輪位置之間的距離。
[0259] (C) 丫（t)的一從切割器到Z(t)的角度。
[0260] (d)a(t)的一從切割器到R的角度。
[0%1] (e)H-錯高度。
[0262]使用S角法，關于L(t)、X、Y和丫（t)的一組方程組可W推導得到。通過微分繩索長 度方程，繩索速度和繩索加速度方程可W導出。將絞盤2作為示例，下面導出繩索長度方程：
[0%3] l2(t) = {S2(t)+R22-2I?2Z2(t)COS[丫 2(t)]+H2}l/2
[0264]其中，
[02 化]

[0266]去除下標(方程適用于四個絞盤中的每個，除了尾部絞盤），并對L(t)求微分，得到 繩索長度的變化率：
[0%7]
[0%引
[0269]
[0270]
[0271]
[0272]
[0273] 運使得利用挖掘船相對于錯定點的幾何關系計算有效挖掘加速度成為可能。然 后，可W根據繩索長度加速度表達出挖掘船的有效加速度。
[0274] 繩索長度加速度與絞盤力直接相關(力=質量X加速度），由此提供了一種將絞盤 力與挖掘加速度相關的方法。圖6示出了挖掘船幾何形狀和絞盤力，并展示了所需的力、方 向和角度的指引規則(direction conventions)。需要注意的是，正絞盤速度增加繩索長度 (繩索放線），和負絞盤速度將繩索拉回(挖掘船朝錯定點移動）。
[0275] 參考圖11，一組方程可W推導出來自絞盤2的力
[0276]
[0277] 來自絞盤3、4和5的力可W W類似的方式導出。使用有關力和加速度有關的牛頓法 貝1J，合力可W用來得到挖掘船的線性加速度。
[027引
[0279]類似的方法可W用來計算角加速度，使用力矩代替力。假設該挖掘船是集中在其 重屯、的點質量(point mass),其中原點（切割頭)作為旋轉點，圍繞挖掘船原點的合力矩通 過每個絞盤提供的力矩求和得到。矢量方程用來計算力矩。力矩的計算由下面的向量方程 表不：
[0280]
[0281] 化^還的刀巧為程中，大量r為從旋轉點到力的作用點，而矢量F是力。每個絞盤提 供的力矩相加在一起，得到引起該挖掘船旋轉的合力矩。應用角動量的原理，角加速度可W 按如下來確定。
[0282]
[0283] 其中；
[0284] m =挖掘船的質量
[02化]r =原點到挖掘船的重屯、的距離
[0286] 如上文所指出的，需要在模型中考慮的其他因素是：
[0287] (a)尾繩張力一建模為固定力。
[028引（b)切割力一從絞盤的合力中減去，作為切割力，一般與挖掘運動相反。
[0289] (C)水阻力一建模為恒定負荷，與挖掘運動相反。
[0290] (d)繩重量一建模為施加在絞盤上的恒定重量。
[029。仿真模型
[0292]如上文所述，模型的開發和實施選擇的語言是行業標準仿真語言，Matlab?/ Simulink?。該模型使用框圖語言Simulink?的框圖形式進行說明。每個框圖的模型參數指 定為Matlab?變量，其值被存儲在Matlab?宏文件中。不同的軌跡和錯定位置可W通過該模 型的用戶界面來輸入到系統中。
[0巧3]該模型連接到使用Mathworks? OPC too化OX?的化C軟件，W便于軟件的全部功 能測試。
[0巧4]"下10個錯在先"管理
[02巧]"下10個錯在先(Next IOAnchors Ahead)"管理是由
【申請人】開發的，用于計劃和實 際標示出用于每個錯的下十個錯定位置。
[0296] 該挖掘操縱力計算器被用于獲取允許切割區域(PCR)長度和錯定位置，將允許良 好的挖掘生產量，而不對絞盤提出過多要求。PCR長度和相關的錯定位置是錯定區域地形的 函數，錯定區域地形包括例如服務道路標高化）、休止角(repose angle)(0R)和池塘寬度、 指定的軌跡參數(0T)和所需的反作用力，例如切割力，如圖12所示。
[0297] 該系統能夠沿礦塊的長度"堆疊"允許切割區域，并使用從挖掘操縱力計算器輸出 的數據和礦塊W及錯定區域數據一起確定每個允許切割區域的錯定位置。
[0298] 如果障礙物防止錯定器定位在計算位置，操作者應當人工使用編輯下一錯定位置 功能來提供實際位置。如果不運樣做，將導致挖掘船產量的減少。
[0巧9] 停機時間減少
[0300] 相對于現有技術方法，本發明方法停機時間減少。如上文所述，本發明方法通過最 小化由于定位粧的行走和定位粧的蟹運動導致的生產性停機時間，提供改進的挖掘船產量 的可用性。此外，相比于典型的現有技術15X50米的定位粧挖掘采礦面積，使用無定位粧挖 掘船設計，采礦區域可擴大至每組錯定位置至少約45X200米。更進一步地，對于現有技術 定位粧挖掘采礦200米寬礦池，運轉化為每中屯、線3個定位粧行走和跨越池塘3個定位粧蟹 運動，導致每45 X 200米采礦區域超過一小時的生產時間損失。
[0301] 其它優點包括改善及精簡了切割軌跡，W改善池塘角邊附近的挖掘性能，開發切 割軌跡和切割順序，W保證切入礦體的一致的穿透力，W及開發可用于淺層和深層兩種操 作的挖掘操縱控制方法。對于超過22米的深度，使用現有技術定位粧挖掘船通常是很困難 的，除非采取措施來減少池塘水平。
[0302 ]通過文中采礦方法示例，給出W下參數：
[0303] (i )200m寬和45mm穿過長度的池塘尺寸；
[0304] (i O挖掘船18m/min的切割速度，0.7米的切割寬度；
[0305] (iii)每個角落0.5分鐘的回轉延遲(turn around delay)(最小化生產）；
[0306] (iv)5分鐘的定位粧行走(重新定位前進)生產時間損失；
[0307] (V) 15分鐘的定位粧蟹運動(重新定位橫向移動)生產時間損失，
[0308] 本發明的采礦方法提供了理論性的停機時間，保存為限定區域的開采，該停機時 間超過傳統的現有技術定位粧挖掘約26 %。
[0309] 除了上述提到的運些，下文提供的表1詳細提供了做出的假設和假設的計算變量， W確定上述理論性停機時間減少。
[0310]
[03111
[0312] 表1停機時間減少計算變量
[0313] 本發明方法，尤其是設及到的采礦方法，除了已經強調過的相比于現有技術的優 點，還對可持續發展作出了重要貢獻。
[0314] 由于本發明方法控制挖掘船維持所需的軌跡和盡可能平滑地切入礦體，設備磨損 最小化，從而增加了挖掘船資產的壽命和減少維護成本。運反過來又降低了持續維持資本 要求、人力和精力投入，均為可持續發展做出貢獻。
[0315] 由于本發明方法提供更優異的軌跡控制方法，礦體的邊界可更精確地開采，從而 將資源回收最大化，并將對周圍區域的意外影響最小化。
[0316] 本發明方法優化了岸邊錯相對于絞盤的移動要求，并且提供了精確的位置坐標。 運些錯定器包括重型前端裝載機和使用GI^定位的改良挖斗(buckets)。優化的錯定布置和 位置降低了人力和精力的投入。
[0317] 本發明方法典型地在遠程站點上實現。因此，盡量降低現場人員要求和相關的運 輸和支持設備要求是有利的。
【申請人】的總控制系統的設計有助于提高可靠性，有助于站外 支持，從而減少了技術人員的現場要求。
[0318] 在設計階段過程中本發明方法應用到新挖掘船的情況下，定位粧、定位粧托架、輔 助定位粧和相關設備/系統的隨后移除大幅減少了資本支出。
[0319] 從W上描述可W看出，本發明克服了許多，即便不是全部，現有技術中存在的問 題，提供，除其他W外，適應靈活的切割軌跡的挖掘船、船舶或堆疊器操縱方法，而不需要定 位粧。本發明方法能夠W直軌跡的方式操縱挖掘船，或一些其他形式船舶，運在理論上表現 為類似于定位粧挖掘船，其中定位粧具有無窮大的半徑。
[0320] 一個或多個本發明方法實現的優點是：
[0321] (a)每45米的掘進(對于200米的礦井寬度來說)約26% (通常是幾個小時）的停機 時間減少，運是由于消除了定位粧前進和中屯、線變化的需要。使用本發明采礦方法，有可能 連續挖掘更大的區域，而沒有任何由于錯移動導致的停機時間。
[0322] (b)多變量控制技術的使用，盡量減少了操縱絞盤之間的相互作用，提供最大可用 的切削力，避免松弛繩索條件。
[0323] (C)允許提供靈活的操縱軌跡，W適應挖掘船的輪廓和挖掘路徑，同時提高池塘角 落挖掘效率，最大限度地減少來自礦體出露面的回落。位于挖掘船上的雙D-GPS接收器為控 制程序提供準確、快速的挖掘定位和方向反饋。應當注意的是，測試工作已經表明控制系統 能夠操縱挖掘船300mm內的所需軌跡。
[0324] (d)控制策略，允許切割器功率的最大化，同時最小化絞盤扭矩要求和能量消耗。
[0325] 本發明另外特別的優點通過由本
【申請人】開發的挖掘船、船舶或堆疊器操縱模型實 現。如上所述，運種模式將初始和復雜的幾何方程式轉換為關于絞盤力和挖掘船、船舶和堆 疊器加速度的二階微分方程。形成部分模型的操縱力計算器，允許要被考察和優化的不同 錯定位置的影響，包括每組錯定位置的允許移動或切割區域。運種方法允許挖掘船或船舶 "無定位粧"的操縱控制，從而克服了使用定位粧的缺點。運種模型的使用允許挖掘操縱力 的精確預測，W優化錯定位置。運種優化包括：
[0326] (a)為特定錯定間隔和設置，最大化允許移動或切割區域；
[0327] (b)最大化錯定間隔，W最小化錯定移動頻率，W提高生產效率;和
[0328] (C)最大化錯定位置重復使用率和盡量使錯定調查的要求最小化的算法。運減少 了該領域內太多錯定孔和不正確錯定位的風險。
[0329] 本發明方法限定、包括和連接大量的組件，運些組件提供全面的挖掘船、船舶或堆 疊器操縱控制方法。運種關系在圖3中示意性地描述，本
【申請人】參考的是艙口虛擬定位粧技 術（HVST，化tch Virtual Spud Technology)。
[0330] 例如對本領域技術人員來說顯而易見的修改和變化，被認為屬于本發明的范圍之 內。
【主權項】
1. 一種操縱船舶的方法，所述船舶上提供有至少四個絞盤，絞盤繩索從所述至少四個 絞盤延伸至位于遠離所述船舶的錨定點，所述絞盤可操作以操縱所述船舶，其特征在于，至 少一個絞盤在限定的扭矩下被保持，而三個絞盤用于控制所述船舶的運動。2. 如權利要求1的所述方法，其特征在于，在限定的扭矩下，所述或每個絞盤保持在或 接近所述最低扭矩值，所述最低扭矩值達到低勢能，同時將該絞盤繩索保持在響應狀態。3. 如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述船舶通過操縱控制器操縱，所述操縱 控制器發送扭矩和速度參數到所述絞盤。4. 如前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，所述船舶根據所述船舶的優選軌跡 來操縱。5. 如前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，提供一冗余絞盤標識符組件來確定 不應該利用哪個絞盤或哪些絞盤實現所述船舶的期望操縱。6. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述冗余絞盤標識符通過分析哪個或哪些絞 盤最不能夠做有用工作來實現所述期望的輸出或結果來確定不應該利用哪個絞盤或哪些 絞盤來實現所述船舶的期望操作。7. 如權利要求5或6所述的方法，其特征在于，絞盤冗余與否的所述選擇是各個優選軌 跡、船舶幾何形狀和期望速度參數的函數。8. 如權利要求5至7中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述冗余絞盤標識符 采用主動方式對所述或每個冗余絞盤做出選擇。9. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，在所述冗余絞盤標識符無法采取主動方式對 所述或每個冗余絞盤做出選擇的情況下，采取被動方式來對所述或每個冗余絞盤做出選 擇。10. 如權利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述冗余絞盤標識符組件的主動方式， 包括： (a) 加速度計算器，所述加速度計算器根據所述船舶的期望速度計算所述船舶的加速 度； (b) 船舶一絞盤速度轉換器，所述船舶一絞盤速度轉換器根據所述船舶的幾何形狀和 期望速度計算所述絞盤的期望速度； (c) 標量投影計算器，所述標量投影計算器提供了設置在所述船舶上并且與每個繩索 和絞盤相關的滑輪的所述期望加速度與它們各自的絞盤繩索的所述期望加速度的定量比 較；以及 (d) 定制的最小選擇器，所述定制的最小選擇器在加速度計算器和標量投影計算器的 輸出的基礎上識別所述冗余絞盤。11. 如權利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述冗余絞盤標識符組件的被動方式 包括： (a) 將絞盤扭矩反饋轉換為線張力的計算器； (b) 用作識別最適合作為冗余絞盤選擇的所述或每個絞盤的定制的最小選擇器；以及 (c) 檢查器，用于確定選擇作為冗余絞盤的所述或每個絞盤是按預期執行的。12. 如權利要求5至11中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，識別為冗余的所述 或每個絞盤的所述期望性能是所述絞盤的速度為或接近其期望速度。13. 如權利要求5至12中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，如果被識別為冗余 的絞盤被確定為不按預期執行的，那么一段時間內不考慮它作為冗余絞盤。14. 如權利要求3至13中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述操縱控制器考 慮限制所述船舶的最大速度的因素。15. 如權利要求14所述的方法，其特征在于，限制所述船舶的最大速度的所述因素包括 輸入/輸出保護因子。16. 如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述輸入/輸出保護因子用于限制所述船 舶的所述速度，以防止輸入或輸出設備提供不希望的結果。17. 如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述輸入或輸出設備以切割頭的形式提 供。18. 如權利要求15至17中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述輸入/輸出保 護因子包括切割器跳閘保護裝置。19. 如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述輸入或輸出裝置以堆疊吊桿的形式提 供。20. 如權利要求14至19中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，限制所述船舶的所 述最大速度的另一個因素是工序保護因子。21. 如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述工序保護因子用于限制所述船舶的所 述速度，以避免下游/上游工序中斷或其它負面影響。22. 如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述工藝保護因子以"挖掘至濕式選礦廠 工藝線路沼澤保護"因子的形式提供。23. 如權利要求3至22中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，操作者可以修改所 述船舶的軌跡或經由圖形用戶界面向所述操縱控制器發送指令來啟動新的軌跡。24. 如權利要求23所述的方法，其特征在于，所述圖形用戶界面包括描繪所述船舶的俯 視平面圖的X-Y坐標曲線圖。25. 如權利要求24所述的方法，其特征在于，相對于當前的優選軌跡，所述X-Y坐標曲線 圖允許操作者將船舶實時具體化。26. 如權利要求24或25所述的方法，其特征在于，關于所述船舶的所述位置，所述X-Y坐 標曲線圖進一步允許操作者將歷史信息具體化。27. 如權利要求26所述的方法，其特征在于，所述X-Y坐標曲線圖上描繪的所述實時和 歷史信息以一個信息容易地與另一信息區別開的方式提供。28. 如權利要求26或27所述的方法，其特征在于，所述X-Y坐標曲線圖上描繪的所述實 時和歷史信息以不同的顏色來提供。29. 如權利要求26至28中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述X-Y坐標曲線 圖被增強，以便在每個X、Y和Z坐標中提供所述船舶的實時和歷史信息的三維可視化圖。30. 如權利要求23至29中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述操作員的所述 指令通過所述操縱控制器解釋，并且輸出至所述絞盤的所述控制器相應地被調整，以實現 所述操作者的意圖。31. 如前述任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述錨定點的位置通過識別允許 移動區域來實現，在所述區域內，由于所述錨定位置可以通過所述絞盤為所述運動提供足 夠的力，因而運動是可能的。32. 如權利要求31所述的方法，其特征在于，允許運動區域的所述識別通過使用錨定運 動力計算器實現，通過所述錨定運動力計算器，絞盤力可用于計算特定的錨定位置和軌跡。33. 如前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，所述船舶為無定位粧挖掘船、無定 位粧濕式選礦廠、無定位粧堆疊器模塊之一，后者任選地為尾礦堆疊器模塊。34. -種采礦方法，所述方法包括挖掘船的所述操縱方法，所述挖掘船上提供有至少四 個絞盤，絞盤繩索從所述至少四個絞盤延伸至位于遠離所述挖掘船的錨定點，所述絞盤可 操作以操縱所述挖掘船，其特征在于，至少一個絞盤在限定的扭矩下被保持，同時三個絞盤 利用于控制所述挖掘船的運動。35. 如權利要求34所述的采礦方法，其特征在于，在限定的扭矩下，所述或每個絞盤保 持在或接近所述最低扭矩值，所述最低扭矩值達到低勢能，同時將該絞盤繩索保持在響應 狀態。36. 如權利要求34或35所述的采礦方法，其特征在于，所述挖掘船通過操縱控制器，所 述操縱控制器發送扭矩和速度參數到所述絞盤。37. 如權利要求34至36中任一項權利要求所述的采礦方法，其特征在于，所述挖掘船根 據所述挖掘船的優選軌跡來操縱。38. 如權利要求34至37中任一項權利要求所述的采礦方法，其特征在于，提供一冗余絞 盤標識符組件來確定不應該利用哪個絞盤或哪些絞盤實現所述挖掘船的期望操縱。39. 如權利要求38所述的采礦方法，其特征在于，所述冗余絞盤標識符通過分析哪個或 哪些絞盤最不能夠做有用工作來實現所述期望的輸出或結果來確定不應該利用哪個絞盤 或哪些絞盤來實現所述船舶的期望操作。40. 如權利要求39所述的采礦方法，其特征在于，絞盤冗余與否的所述選擇是各個優選 軌跡、船舶幾何形狀和期望速度參數的函數。41. 如權利要求38至40中任一項權利要求所述的采礦方法，其特征在于，所述冗余絞盤 標識符采用主動方式對所述或每個冗余絞盤做出選擇。42. 如權利要求33至41中任一項權利要求所述的采礦方法，其特征在于，如果所述冗余 絞盤標識符無法采取主動方式對所述或每個冗余絞盤做出選擇的情況下，采取被動方式對 所述或每個冗余絞盤做出選擇。43. 如權利要求41所述的采礦方法，其特征在于，所述冗余絞盤標識符組件的主動方 式，包括： (a) 加速度計算器，所述加速度計算器根據所述挖掘船的期望速度計算所述挖掘船的 加速度； (b) 挖掘船一絞盤速度轉換器，所述挖掘船一絞盤速度轉換器根據所述挖掘船的幾何 形狀和期望速度計算所述絞盤的期望速度； (c) 標量投影計算器，所述標量投影計算器提供了設置在挖掘船上并且與每個繩索和 絞盤相關的滑輪的所述期望加速度與它們各自的絞盤繩索的所述期望加速度的定量比較； 以及 (d) 定制的最小選擇器，所述定制的最小選擇器在加速度計算器和標量投影計算器的 輸出的基礎上識別所述冗余絞盤。44. 如權利要43所述的方法，其特征在于，所述冗余絞盤標識符組件的被動方式包括： (a) 將絞盤扭矩反饋轉換為線張力的計算器； (b) 用作識別最適合作為冗余絞盤選擇的所述或每個絞盤的定制的最小選擇器；以及 (c) 檢查器，用于確定選擇作為冗余絞盤的所述或每個絞盤是按預期執行的。45. 如權利要求44所述的方法，其特征在于，所述或每個冗余絞盤的所述期望性能是所 述絞盤速度為或接近其期望速度。46. 如權利要求45所述的方法，其特征在于，如果冗余絞盤被確定為不按預期執行的， 那么一段時間內不考慮它作為冗余絞盤。47. 如權利要求34至46中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述操縱控制器考 慮限制所述挖掘船的最大速度的因素。48. 如權利要求47所述的方法，其特征在于，限制所述挖掘船的最大速度的所述因素包 括輸入/輸出保護因子。49. 如權利要求48所述的方法，其特征在于，所述輸入/輸出保護因子用于限制所述挖 掘船的所述速度，以防止輸入或輸出設備提供不希望的結果。50. 如權利要求49所述的方法，其特征在于，所述輸入或輸出設備以切割頭的形式提 供。51. 如權利要求50所述的方法，其特征在于，所述輸入/輸出保護因子包括切割器跳閘 保護裝置。52. 如權利要求47至51中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，限制所述挖掘船的 最大速度的另一個因素是工序保護因子。53. 如權利要求52所述的方法，其特征在于，所述工序保護因子用于限制所述挖掘船的 速度，以避免下游/上游工序中斷或其它負面影響。54. 如權利要求52或53所述的方法，其特征在于，所述工藝保護因子以"挖掘至濕式選 礦廠工藝線路沼澤保護"因子的形式提供。55. 如權利要求36至54中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，操作者可以修改所 述挖掘船的軌跡或經由圖形用戶界面向所述操縱控制器發送指令來啟動新的軌跡。56. 如權利要求55所述的方法，其特征在于，所述圖形用戶界面包括描繪所述船舶的俯 視平面圖的X-Y坐標曲線圖。57. 如權利要求56所述的方法，其特征在于，相對于當前的優選軌跡，所述X-Y坐標曲線 圖允許操作者將挖掘船實時具體化。58. 如權利要求56或57所述的方法，其特征在于，關于所述挖掘船的所述位置，所述X-Y 坐標曲線圖進一步允許操作者將歷史信息具體化。59. 如權利要求58所述的方法，其特征在于，在所述X-Y坐標曲線圖上描繪的所述實時 和歷史信息以一個信息容易地與另一信息區別開的方式提供。60. 如權利要求59所述的方法，其特征在于，在所述X-Y坐標曲線圖上描繪的實時和歷 史信息以不同的顏色來提供。61. 如權利要求59或60所述的方法，其特征在于，所述X-Y坐標曲線圖被增強，以便在每 個X、Y和Z坐標中提供所述挖掘船的實時和歷史信息的三維可視化圖。62. 如權利要求55至61中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述操作員的所述 指令通過所述操縱控制器解釋，并且輸出至所述絞盤的所述控制器被相應調整，以實現所 述操作者的意圖。63. 如權利要求34至62中任一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述錨定點的位置 通過識別允許切割區域來實現，在該區域內，由于所述錨定位置可以通過所述絞盤為運動 提供足夠的力，因而運動是可能的。64. 如權利要求63所述的采礦方法，其特征在于，允許切割區域的所述識別通過使用錨 定運動力計算器實現，通過所述錨定力運動計算器，絞盤力可用于計算特定的錨定位置、估 計的切割力和軌跡。65. -種堆疊方法，所述堆疊方法包含堆疊模塊的所述操縱方法，所述堆疊模塊上提供 有至少四個絞盤，絞盤繩索從所述至少四個絞盤延伸至位于遠離所述堆疊模塊的錨定點， 所述絞盤可操作以操縱所述堆疊模塊，其特征在于，在限定的扭矩下，至少一個絞盤被保 持，而三個絞盤用于控制所述挖掘船的運動。66. -種操縱模塊的方法，所述模塊上提供有至少四個絞盤，絞盤繩索從所述至少四個 絞盤延伸至位于遠離所述模塊的錨定點，所述絞盤可操作以操縱所述模塊，其特征在于，每 個絞盤和繩索是動態維護的，在限定的扭矩下，至少一個絞盤被保持，而三個絞盤用于控制 所述船舶的運動。67. 如權利要求66所述的方法，其特征在于，所述模塊為船舶、挖掘船、駁船、濕式選礦 廠或堆疊模塊之一。68. 用于實施如權利要求1至67中任一項權利要求所述的任何一個或多個方法的操縱 控制系統。
【文檔編號】E02F9/20GK106029990SQ201480049990
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年9月12日
【發明人】金泰·勞
【申請人】赫氏公司