無人船在清淤工程中的應(yīng)用研究

(廣州市水電建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 510600)

1 工程概況

磁湖位于黃石市中心，磁湖徑流面積62.8km2，湖泊面積8.2km2，平均水深1.75m，湖體容量1748萬m3，是兼有防洪、排澇、養(yǎng)殖和游覽等功能的水資源地。

亞行貸款黃石水污染綜合治理項目生態(tài)修復(fù)子項目磁湖清淤第一期工程位于黃石市市中心。其中清淤工程范圍為南磁湖湖首生態(tài)港渠和南磁湖南岸清淤，總清淤量為382319m3。

2 選擇課題

磁湖是黃石市市區(qū)的一座城中湖，1997年被湖北省政府批準為省級風景區(qū)。磁湖底泥的淤積狀況直接決定水生態(tài)修復(fù)的成敗，因此磁湖清淤項目成為了水生態(tài)環(huán)境修復(fù)的重要環(huán)節(jié)。

通過對以往清淤項目進行調(diào)查(見圖1)，傳統(tǒng)清淤驗收方式，一般采用人工插標尺桿的方式進行驗收檢查。由于該方式人為因素干預(yù)大，導(dǎo)致以往清淤工程的誤差大，因此超欠挖值往往都在0.4～1m之間，甚至更高。

圖1 傳統(tǒng)清淤超欠挖誤差值統(tǒng)計

從圖1可知，傳統(tǒng)清淤誤差大，導(dǎo)致清淤效果達不到治理和恢復(fù)水生態(tài)的效果。為了改變以往的測量弊端，減少傳統(tǒng)清淤工程施工誤差，公司特組建無人船QC小組，對磁湖的河床清淤進行準確測量。無人船在清淤工程中的應(yīng)用課題產(chǎn)生原因流程見圖2。

圖2 課題選擇

3 設(shè)定目標

QC小組在前期的調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)清淤施工中，超欠挖量為-0.5～0.5m，而公司要求項目部在本工程中，減少傳統(tǒng)測量誤差，提高效率、降低復(fù)查成本。因此抽調(diào)“企業(yè)創(chuàng)新中心”的技術(shù)骨干，研究無人船水下測量技術(shù)。希望通過新技術(shù)的引進能將超欠挖誤差控制在-0.18～0.08m。

4 方案比選

清淤測量探測項目主要由測量探測方式和測量探測載體兩部分組成。QC小組通過同類項目的調(diào)查及網(wǎng)上查新，分別對測量探測設(shè)備和測量探測載體的選擇進行了分析比較。

4.1 測量探測設(shè)備比選

測量探測設(shè)備比選見表1。

表1 測量探測設(shè)備比選

續(xù)表

小結(jié)：通過以上分析，測量探測設(shè)備優(yōu)選方案為聲吶成像設(shè)備。

4.2 測量探測載體比選

測量探測載體比選見表2。

表2 測量探測載體比選

小結(jié)：通過以上分析，測量探測載體優(yōu)選方案為無人船。因此，最終清淤測量探測項目采用“無人船搭載聲吶成像儀”方案。

5 制定對策

“無人船搭載聲吶成像儀”方案由船體安裝和調(diào)試、聲吶成像儀連接和調(diào)試兩部分任務(wù)組成，因此，QC小組針對這兩項任務(wù)制定了對策表，見表3。

表3 任務(wù)對策實施計劃

6 對策實施

6.1 無人船控制系統(tǒng)

無人船控制系統(tǒng)如圖3所示，聲吶情況如圖4所示。

6.2 對策實施

6.2.1 船體安裝和調(diào)試

對策：優(yōu)選載體及完成制作安裝。

措施如下。

6.2.1.1 船型的優(yōu)選

船型的選擇主要從船身、船體材料、尺寸三方面進行考慮(見圖5)。通過對任務(wù)情況和廠商提供的船型尺寸進行分析(見表4)，最終確定了采用GFRP材質(zhì)的雙體船作為本次任務(wù)的載荷設(shè)備。

圖3 無人船控制系統(tǒng)

圖4 聲吶示意圖

圖5 船體類型示意圖

表4 船體分析及評估

總結(jié)：從理論參數(shù)、力學(xué)性能、經(jīng)濟性等方面對載體進行選擇，最終選用尺寸為2.1m×1.2m×0.7m、GFRP材料的雙體船為本次任務(wù)的載荷船體。

6.2.1.2 動力系統(tǒng)的優(yōu)選

動力系統(tǒng)選擇分為發(fā)動機選擇和螺旋槳選擇兩個部分，小組成員對發(fā)動機和螺旋槳進行比選分析，最后確定電機和定距漿為本項目的動力選擇。

動力系統(tǒng)如圖6所示，動力系統(tǒng)分析及評估如表5所列。

圖6 動力系統(tǒng)示意圖

表5 動力系統(tǒng)分析及評估

續(xù)表

6.2.1.3 定位系統(tǒng)的優(yōu)選

定位系統(tǒng)的優(yōu)選見圖7，定力系統(tǒng)精度及分析見表6。

小組成員通過定位原理與定位精度比較，結(jié)合項目要求，最終選定采用偽差分定位作為本項目的定位系統(tǒng)。

6.2.1.4 安裝和調(diào)試

a.將D-RTK接收機天線與測深儀換能器盡量安裝在同一測深桿上,測深桿位于船身重心上，以確保穩(wěn)定。換能器吃水深和D-RTK天線高為固定值，便于量取水位線深和天線高，并可減小由負載、航速、航向變化以及水深測量誤差。

圖7 定位系統(tǒng)示意圖

表6 定位系統(tǒng)精度及分析

b.對控制系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)整，校準電子磁羅盤。通過對磁羅盤的校準，船體能識別到自身相對地面的姿態(tài)。由于風浪影響而發(fā)生偏航情況時，船體能及時調(diào)整到正確的航線上。

c.小組成員攜帶設(shè)備在湖邊進行航線規(guī)劃測試，并觀察船體偏航距離是否小于5m(見表7)。

表7 航跡過程

從航跡數(shù)據(jù)可知，無人船在執(zhí)行任務(wù)過程中偏航距離一般小于5m，僅在航線轉(zhuǎn)彎處受風浪影響會出現(xiàn)偏航過大的跡象。航跡吻合度達到93.3%，滿足使用要求。

結(jié)論：小組通過測試驗證，船體能按照預(yù)先規(guī)劃的航線自主航行，航跡與預(yù)期航線吻合程度高達93.3%。達到預(yù)期效果。

6.2.2 聲吶成像儀連接和調(diào)試

對策：實現(xiàn)聲吶成像。

措施如下。

6.2.2.1 聲吶選擇

聲吶系統(tǒng)優(yōu)選分析見表8。

表8 聲吶系統(tǒng)優(yōu)選分析

通過方案比較，優(yōu)選采用側(cè)掃聲吶作為本次項目的主要任務(wù)設(shè)備。

6.2.2.2 聲吶安裝

將側(cè)掃聲吶換能器安裝在船身重心位置上，遠離螺旋槳、發(fā)動機等電子設(shè)備，以免相互干擾，確保安裝后不改變船身重心。將信號線接入船艙自動駕駛器中，與地面站平臺連接穩(wěn)定后，將接線口打膠并進行防水處理。確保無誤后進入調(diào)試階段。

6.2.2.3 調(diào)試及檢查

小組成員通過4次試驗(見表9)，并查閱資料，逐步將測量精度提高，最后將測深精度確保在小于1.0cm范圍以內(nèi)。

表9 聲吶試驗過程記錄

結(jié)論：通過試驗驗證，達到目標預(yù)期效果。

7 效果檢查

通過方案比選和實施，小組成員正式前往磁湖驗證研究成果。

實施對策后，在清淤前后進行了探測和比對，將欠挖的部分進行返工處理，使清淤工作的計量更加有效。

通過無人船對清淤前后的高程對比，我們找出了6個不符合業(yè)主要求的清淤點，其中5個欠挖點、1個超挖點(見表10)。隨后再次安排施工隊伍對這6個不合格點進行返工，返工后數(shù)據(jù)見表11。

表10 第一次清淤數(shù)據(jù)超欠挖過大的位置

表11 第二次清淤返工后數(shù)據(jù)

由第二次清淤數(shù)據(jù)可知，目前清淤誤差值在-0.08～+0.02m之間，滿足小組設(shè)定的誤差要求。

此次QC小組活動，小組成員首次在公司范圍內(nèi)將自動化無人船與傳統(tǒng)的水利工程項目相結(jié)合。采用無人船搭載聲吶成像系統(tǒng)的方式，對河床岸線進行全方位的探測，省去人工徒手插竹竿的復(fù)雜而繁重的工作，大大改善了以往河床清淤驗收的弊端，降低了傳統(tǒng)清淤驗收的誤差值，提高了河床清淤的準確度。清淤前后聲吶成像對比見圖8。

圖8 清淤前后聲吶成像圖

8 制定鞏固措施

8.1 標準化

小組將無人船在清淤工程的實施過程中行之有效的對策和相關(guān)措施納入到鞏固措施階段，編制了標準化措施(見表12)，經(jīng)公司工程技術(shù)部門審核、總工程師審批，已在公司相關(guān)工程上推廣應(yīng)用。

表12 無人船在清淤工程中的相關(guān)標準

8.2 鞏固期應(yīng)用

小組活動成果納入標準化成果后，小組連續(xù)3個月對成果進行多次應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果如表13所列。

表13 鞏固期的應(yīng)用

9 總結(jié)與下一步打算

9.1 QC活動總結(jié)

本次QC小組活動嚴格遵循PDCA程序，先后經(jīng)過10次大的活動、20次小的活動，陸續(xù)不斷開展了四個階段即計劃(Plan)、實施(Do)、檢查(Check)和處理(Action)的工作，分析問題時做到了一環(huán)緊扣一環(huán)、具有邏輯性；并且在各個階段的決策時能做到QC小組成員深入施工現(xiàn)場調(diào)查取證，以客觀事實為依據(jù)，用數(shù)據(jù)說話；能恰當準確地應(yīng)用統(tǒng)計圖表來歸納問題、發(fā)現(xiàn)問題和分析問題。

9.2 下一步打算

在以后的工作中，我們準備繼續(xù)以健全制度、提高質(zhì)量、創(chuàng)造效益為核心開展QC活動，針對無人船在內(nèi)河河床測量的問題開展新一輪的PDCA循環(huán)，全面提高無人船搭載聲吶的成像精度和項目組全體員工的綜合素質(zhì)。在此次的QC小組活動過程中，我們發(fā)現(xiàn)無人船在水利工程的應(yīng)用上仍然有提升的空間，因而，為了更好地開展無人船在水利行業(yè)上的應(yīng)用，我們下一個QC小組活動的課題初步定為“無人船在監(jiān)控內(nèi)河水質(zhì)上的應(yīng)用”。