港口和海港的防波堤旨在为港口设施内的安全海上作业提供庇护。传统上，防波堤可分为碎石堆和垂直防波堤。垂直防波堤通常由放置在岩堤上的混凝土箱体构成，岩堤既作为基础层也起到防冲刷作用（Vicinanza等人，2019年）。
混凝土箱体通常是在受保护的港口区域预先制造的（Rey Romero和Esteban Lefler，2009年）。建造完成后，这些箱体在没有压载物的情况下被拖运到最终位置。到位后，通过注水过程实现最终部署。在此阶段，箱体直接暴露在波浪、风力和水流的作用下。因此，箱体通过包括多条系泊线和绞车的系泊系统来确保其稳定性。绞车用于精确定位箱体，以减轻环境载荷的影响。
箱体的受控下沉采用并排配置，在正在安装的箱体与已定位的箱体之间形成狭窄的水隙。这种几何形状会导致水柱内的水动力共振（通常称为活塞模式共振，参见Feng和Bai，2015年；Zhao等人，2018年；Jing等人，2024年的研究）。这种现象表现为水隙内自由表面的显著振荡，可能对箱体壁产生高压并影响其稳定性。这些研究强调了（i）流体共振频率对水隙宽度、吃水和水深的敏感性，（ii）在大波幅下的非线性自由表面效应的重要性，以及（iii）流体-结构相互作用，特别是粘性阻尼和箱体自身的运动（纵荡/横摇）如何限制水的共振响应。
在下沉过程的最后阶段，箱体表现为接近海底的平底浮体。对于非常大的浮体结构，这种近底配置也已被研究过，其中海底与箱体之间的间隙减小会导致附加质量的显著增加和流体动力响应的明显变化（Ikoma等人，2022年）。
在箱体下沉操作中，这些机制非常重要，因为它们会影响下沉操作的安全裕度和降低过程中的控制策略。实验测试对于验证模拟这些效应的数值工具以及在真实环境中评估控制策略至关重要。为此，已经进行了不同的研究和缩比物理实验，以增进对箱体安装过程中响应的理解（参见Chakrabarti等人，2006年；Hiraishi和Arikawa，2023年；Meneses等人，2018年；Nakamura等人，2021年；Alderson，2015年；Hofland和Vink，2014年）。
尽管最近在理解混凝土箱体的水动力响应方面取得了进展，并实施了安全措施（Burgos Teruel等人，2008年），但在安装和下沉过程中手动控制箱体仍然具有挑战性，偶尔会对人员和设备构成风险。
因此，自动化混凝土箱体的动态定位（DP）操作是非常必要的，因为这代表了技术上的重大进步。这些过程的自动化不仅能够提高箱体部署的安全性，还能通过减少所需人员数量大幅降低成本。
过去的测试使用了1:12比例的箱体，以获得包括浮体动力学模型在内的各种数据（参见Meneses等人，2018年）。
在文献中，只有少数研究开发了旨在自动化箱体操作相关手动控制的控制系统。在Revestido Herrero等人（2021年）的研究中，提出了用于箱体动态定位的经典控制技术，包括在前馈网络和双控制回路中的积分作用。此外，还使用了无迹卡尔曼滤波器（UKF）来估计系统状态，同时减少了测量噪声和波浪引起的干扰。Sainz等人（2021年）的研究提出了应用最优控制技术，特别是线性二次调节器（LQR）与积分作用相结合的方法。在这项研究中，卡尔曼滤波器（KF）用于过滤模型的扰动输出，因为线性近似仅适用于低速操作。随后，Sainz等人（2023b）提出了使用多模型预测控制器的先进控制算法，以及Sainz等人（2023年）提出的基于L1自适应控制理论的自适应L1控制器。
在海洋车辆的DP应用中，控制分配系统对整个操作的性能起着重要作用。文献中报道的海洋车辆控制分配方法基于推进器（Fossen和Johansen，2006年；Fossen和Perez，2009年）。Aamo和Fossen（1999年；Berntsen等人，2008年；Chen等人，2013年）展示了基于推进器的系泊船舶的DP控制应用，并使用有限元对系泊系统进行了建模（Aamo和Fossen，2001年）。
尽管在基于推进器的DP控制方面取得了多种贡献，但关于无推进器的系泊箱体以及基于远程操作绞车的DP控制的特定贡献仍缺乏相关文献。在基于可转向推进器的海洋车辆的分配系统中，可以控制推进器的推力方向和大小，从而控制作用在车辆上的力的方向。然而，在本文讨论的基于系泊线的箱体分配系统中，箱体内的力的方向是不可控制的，它取决于箱体与锚点之间的相对位置。Revestido Herrero等人（2021年）提出的控制分配算法计算成本低且易于实施，但其在某些位置的适用性可能受到限制，因为需要在箱体横向安装四条锚线，这并不总是可行的。此外，算法没有考虑箱体与锚点之间的相对位置，可能导致拉力没有朝预期方向施加，从而引入系统不稳定性，使其更难以控制。
本文提出的分配算法与文献中报道的先前算法不同，它不依赖于系泊系统的配置：它允许改变系泊线的数量或锚点和导向绳的位置。这构成了一个挑战，因为新的控制分配可能需要设置线张力来定位箱体，而布局中可能没有横向线。另一方面，它在无法在箱体横截面安装锚点的情况下具有适应性，可以使用更少的绞车，并将系泊线锚定在任何方便的位置。特别是，锚点可以放置在之前的箱体上，简化了安装过程，降低了在海床锚定的风险，并减少了人员和安装成本。最后，新算法减少了绞车延迟的影响，提高了能源效率。
为了验证所提出的自动控制系统的性能，在IHCantabria设施使用1:20比例的模型进行了一系列缩比物理实验。在这些实验中，首先使用所提出的控制系统定位浮体箱体，然后将其完全浸入水中，完全消除了手动干预的需要。本文介绍了控制系统的设计以及为评估其有效性而进行的物理实验。
本文分为六个部分。第1部分介绍了研究问题，并提出使用自动控制系统作为减少混凝土箱体手动安装相关风险的可行解决方案。第2部分概述了箱体，并详细描述了用于评估所提控制系统性能的操作过程。第3部分描述了控制分配算法的主要特点。第4部分介绍了物理实验方法，包括使用的仪器。第5部分讨论了关键实验结果。最后，第6部分总结了研究的主要发现和结论。
