基于經(jīng)濟(jì)控制器模式的耙吸挖泥船疏浚性能分析

周丙浩，焦 鵬，朱時(shí)茂，鄭金龍

(中港疏浚有限公司，上海 200136)

21世紀(jì)初以來(lái)，市場(chǎng)需求快速變化，隨著疏浚工程規(guī)模與疏浚船舶的大型化發(fā)展，對(duì)施工質(zhì)量的要求越來(lái)越高[1]，人員配置大幅增加，隨之產(chǎn)生的成本也逐漸增加[2]。為在減少人工成本和提高疏浚效率的同時(shí)降低能耗，高度智能的自動(dòng)疏浚船舶是目前發(fā)展的趨勢(shì)。根據(jù)IHC的 INSIGHT報(bào)告(2018)，2006年，比利時(shí)德米集團(tuán)于“MARIEKE”耙吸挖泥船開(kāi)始基于ECO(經(jīng)濟(jì)控制器)模式的實(shí)船試驗(yàn)；2014年，印度疏浚公司在3艘中型姊妹船上進(jìn)行了全面測(cè)試[3-4]。

國(guó)內(nèi)方面，中港疏浚有限公司于2019年首次建造兩艘具有“一人疏浚”模式的智能船舶——“航浚6008”輪和“航浚6009”輪(圖1)。針對(duì)“一人疏浚”模式下的疏浚效果，2019年6月，在“航浚6008”輪進(jìn)行了MANUAL模式(手動(dòng))與ECO模式(自動(dòng))下的性能對(duì)比試驗(yàn)。

本文通過(guò)海上試驗(yàn)，對(duì)ECO模式下耙吸挖泥船的疏浚性能進(jìn)行分析。基于裝艙時(shí)間、產(chǎn)量、能耗、真空、流速和密度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析TSC(航速控制)、EPC(泥泵控制)、AVC(耙頭活動(dòng)罩自動(dòng)控制)等ECO模式作用下的挖泥船疏浚性能，并與MANUAL模式下的性能進(jìn)行對(duì)比分析，以達(dá)到提高疏浚效率和產(chǎn)量、節(jié)本、降耗的目的。

圖1 “航浚6009”輪

1 ECO工作原理

高自動(dòng)化的耙吸挖泥船疏?？刂葡到y(tǒng)主要由12個(gè)支系統(tǒng)組成，分別為：EPC、AGVC(環(huán)保溢流閥自動(dòng)控制)、PCS(推進(jìn)控制系統(tǒng))、ADC(吃水自動(dòng)控制系統(tǒng))、ALMO(低濃度自動(dòng)旁通系統(tǒng))、OLE(溢流損失評(píng)估)、DLM(吃水和裝載測(cè)量系統(tǒng))、TSC、AVC、ADWC/AWC(絞車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng))、APSS(耙臂順序自動(dòng)控制)、DTPS(疏浚軌跡顯示系統(tǒng))，如圖2所示(其中DCS為疏?？刂葡到y(tǒng)，Eco-APC即EPC，DGPS為差分全球定位系統(tǒng)，PRC為產(chǎn)量計(jì)算，TDSS為干土質(zhì)量，STPM為耙臂位置測(cè)量系統(tǒng)，Echo Sounding為測(cè)深儀，Gyro Compass為電羅經(jīng)，Beidou為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，ECDIS為電子海圖顯示與信息系統(tǒng)，Tidal為潮汐數(shù)據(jù)系統(tǒng))。ECO主要包括3個(gè)控制器:TSC、EPC和AVC。隨著疏浚過(guò)程中土壤性質(zhì)、挖掘深度、船舶吃水等條件的變化，人工智能系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整TSC、EPC和AVC的設(shè)定優(yōu)化疏浚作業(yè)，以保持整個(gè)疏浚周期的最大生產(chǎn)效率。

圖2 疏?？刂葡到y(tǒng)

船舶對(duì)地速度是疏浚作業(yè)的一個(gè)重要參數(shù)。疏浚過(guò)程中，在航行速度受到耙頭阻力等各種因素影響時(shí)，TSC通過(guò)向推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)出模擬信號(hào)，不斷調(diào)整推進(jìn)器槳角，自動(dòng)補(bǔ)償耙頭拖曳力，以保持疏浚作業(yè)期間航速的穩(wěn)定。

ECO根據(jù)泥泵特性、測(cè)量值和水力計(jì)算模型，估算理論揚(yáng)程和效率，并與實(shí)際測(cè)量揚(yáng)程和效率進(jìn)行比較。在小流速范圍內(nèi)，揚(yáng)程和效率測(cè)量值急劇下降，即汽蝕開(kāi)始時(shí)，ECO向泥泵驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送所計(jì)算出的減速信號(hào)?？刂扑惴▌?dòng)態(tài)地在降低流量和提高密度間尋找最佳平衡，以保持最高產(chǎn)量。

AVC根據(jù)船舶施工中的不同疏浚工況(如土壤、挖掘深度和船舶吃水)的變化及泥泵特性計(jì)算出最佳流速，通過(guò)調(diào)節(jié)活動(dòng)罩位置將流速穩(wěn)定在最佳流速附近，以穩(wěn)定最大產(chǎn)量，且最大限度地減少了外部干擾(如河床底部不規(guī)則)的影響，使疏浚過(guò)程更穩(wěn)定。

AVC與EPC相互配合，當(dāng)實(shí)際泥漿流速高于(最佳)設(shè)定值時(shí)，AVC將活動(dòng)罩下壓，使耙頭產(chǎn)量與泥泵真空極限相匹配；達(dá)到極限時(shí)，EPC通過(guò)降低泥泵轉(zhuǎn)速來(lái)降低泥漿流速，以達(dá)到最佳混合物流速。通過(guò)這種機(jī)制，AVC和EPC配合尋找最佳產(chǎn)量點(diǎn)。TSC、EPC和AVC顯示界面如圖3所示。

圖3 顯示界面

2 試驗(yàn)工況

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本試驗(yàn)在濱州港區(qū)3萬(wàn)噸級(jí)航道工程進(jìn)行，航道總長(zhǎng)17.5 km，有效寬度130 m，通航底高程-9.8 m，乘潮水位2.78 m，航道設(shè)計(jì)邊坡1:7。測(cè)試區(qū)段K5～K9，長(zhǎng)4 km，平均水深9.45 m。

2.2 氣象、水文等環(huán)境條件

該海區(qū)屬不正規(guī)半日潮海區(qū)，以風(fēng)浪為主，涌浪為輔。測(cè)試當(dāng)天天氣情況：白天晴，東南風(fēng)2～3級(jí)，陣風(fēng)5級(jí)，浪高0～0.5 m；夜間陰，西南風(fēng)4～5級(jí)，浪高1.0～1.5 m，平均流速0.15 m/s，槽中流壓角約10°。

2.3 土質(zhì)

施工底質(zhì)為密實(shí)粉土，d50體積含量47.95%、粒徑35.47 μm，顆粒分析曲線見(jiàn)圖4。

圖4 顆粒分析曲線

2.4 工藝參數(shù)

航速3 kn，波浪補(bǔ)償器壓力2.4 MPa，高壓沖水壓力0.9 MPa，除TSC、AVC、EPC外，開(kāi)啟ADWC(耙頭絞車(chē)自動(dòng)控制器)、ADC(自動(dòng)吃水控制器)等自動(dòng)功能。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次數(shù)據(jù)為2019-06-01—2019-07-03“航浚6008”輪的施工數(shù)據(jù)，根據(jù)工況的相同性、近似性及代表性原則，取2019-07-02的第3、6船次數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1性能

本文通過(guò)海上試驗(yàn)，在同種工況下，對(duì)比分析ECO和MANUAL控制時(shí)的吸入真空、流速和挖掘密度隨時(shí)間的趨勢(shì)。同種工況下，ECO和MANUAL控制模式的吸入真空、流速、挖泥密度時(shí)程曲線見(jiàn)圖5。

圖5 ECO和MANUAL控制模式的時(shí)程曲線

由圖5a)可知，ECO模式下的吸入真空整體大于MANUAL控制模式下的吸入真空。相對(duì)于人工操作的不穩(wěn)定性和偶然性，ECO模式下，無(wú)人工干涉，控制波動(dòng)小，穩(wěn)定時(shí)吸入真空最大可達(dá)81 kPa，體現(xiàn)了ECO模式在穩(wěn)定性方向的優(yōu)勢(shì)。

由圖5b)可知，ECO模式下的流速整體稍大于MANUAL控制模式下的流速，穩(wěn)定后兩者波動(dòng)相似，但ECO模式下流速穩(wěn)定更快，且波動(dòng)范圍更小，體現(xiàn)了ECO模式在流速控制方面的優(yōu)勢(shì)。

由圖5c)可知，ECO模式下的挖泥密度整體高于MANUAL控制模式下的挖泥密度；ECO模式下挖泥密度在1.065～1.214 t/m3之間，MANUAL模式下挖泥密度在1.055～1.201 t/m3。由此可知，通過(guò)與泥泵、航速等因素的尋優(yōu)匹配，ECO模式下挖泥密度提升，裝艙效率提高。

3.2.2產(chǎn)量

由于受波浪干擾、土壤條件和河床變化，產(chǎn)量很不穩(wěn)定。本文通過(guò)兩種模式下的產(chǎn)量時(shí)程曲線，直觀顯示出產(chǎn)量的波動(dòng)幅度，如圖6所示。

圖6 ECO和MANUAL控制模式的裝艙量

由圖6可知，與MANUAL控制模式相比，ECO模式下的產(chǎn)量穩(wěn)定性得到很大提升，且產(chǎn)量均值更大，裝艙量和裝艙效率得到顯著提高。

3.2.3經(jīng)濟(jì)性

裝艙時(shí)間和燃油消耗量是衡量疏浚效率及經(jīng)濟(jì)性的直觀、重要的指標(biāo)。在海上試驗(yàn)期間，在同樣裝艙時(shí)間下，MANUAL和ECO模式的裝艙土體積和燃料消耗量對(duì)比見(jiàn)圖7。

由圖7及海上試驗(yàn)結(jié)果可知，同樣的裝艙時(shí)間下，ECO模式的裝艙土體積為620 m3，油耗量為0.514 t；MANUAL模式的裝艙土體積為560 m3，油耗量為0.547 t；與MANUAL模式相比，ECO模式下，通過(guò)穩(wěn)定裝艙過(guò)程，同樣的裝艙時(shí)間內(nèi)疏浚土體積提升了10%，燃油消耗量降低了6%。

圖7 MANUAL和ECO模式的裝艙土體積和燃料消耗量對(duì)比

綜上，ECO模式下，操作人員的工作量大幅降低，耙吸挖泥船的疏浚性能得到了顯著提高。本次試驗(yàn)工程為平均水深9.45 m、土質(zhì)d50為35.47 μm的3萬(wàn)噸級(jí)航道工程。由于本次試驗(yàn)僅針對(duì)一個(gè)工程，缺乏不同土質(zhì)、不同水深的相關(guān)數(shù)據(jù)，后續(xù)將通過(guò)其他工程，繼續(xù)分析驗(yàn)證該船舶的疏浚性能。

4 結(jié)語(yǔ)

1)ECO模式減輕了操作人員的工作量，減少了人員干涉及偶然性誤差，降低了人工成本。

2)AVC、EPC、TSC的匹配控制顯著提高了耙吸挖泥船的裝載效率，真空、流速和密度控制在ECO模式下更穩(wěn)定，在產(chǎn)量穩(wěn)定性提高的同時(shí)，減少裝艙時(shí)間、提高裝艙量。

3)與MANUAL模式相比，ECO模式下，通過(guò)穩(wěn)定裝艙過(guò)程，同樣的裝艙時(shí)間，疏浚土方量提升10%，燃油消耗量降低6%。通過(guò)后期的運(yùn)用與調(diào)試，有望將裝艙時(shí)間與燃油消耗降低(縮短)15%，達(dá)到國(guó)際最先進(jìn)水平。

4)此外，通過(guò)感知系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、岸基通信技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)疏浚業(yè)未來(lái)實(shí)現(xiàn)疏浚船舶全智能化，達(dá)到無(wú)人疏浚，值得期待。