耙吸式挖泥船“一人疏浚”技術(shù)介紹

朱暉宇

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，耙吸式挖泥船的設(shè)計與建造正在往大型化、智能化、綠色化的方向發(fā)展。目前各類挖泥船的作業(yè)過程主要依靠駕駛員憑經(jīng)驗進(jìn)行手動操作，在現(xiàn)代大型耙吸挖泥船駕駛室中，通常需要船舶駕駛?cè)藛T在繁忙的港口航道進(jìn)行施工時既要時刻控制船舶的航行狀態(tài)，又要隨時發(fā)出疏浚控制指令。操控臺儀表繁多，長時間的手動操作容易使駕駛員產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致誤操作、重復(fù)操作的可能性大大增加，而降低施工效率，嚴(yán)重時甚至可能造成船舶和設(shè)備安全事故。此外，手動操作嚴(yán)重依賴駕駛員的經(jīng)驗，而駕駛員的操作水平因人而異，優(yōu)秀駕駛員的經(jīng)驗更是難以批量復(fù)制和傳承。近年來隨著人口紅利的逐步消失，疏浚工程的用工成本也顯著增加。［1］為此，“一人疏?！备拍钤趪馐紫缺惶岢?。隨著人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來耙吸式挖泥船的疏?？刂葡到y(tǒng)已越來越高度集成化，使“一人疏?！背蔀榭赡?。

荷蘭IHC公司在此領(lǐng)域率先進(jìn)行了一系列智能疏浚控制技術(shù)的研究，已開發(fā)出了一套智能疏?？刂葡到y(tǒng)，初步實現(xiàn)了“一人疏?！钡墓δ堋Ｓ芍薪簧虾骄滞顿Y，振華重工及荷蘭IHC公司設(shè)計，上海振華啟東船廠建造的2艘耙吸挖泥船——“航浚6008”、“航浚6009”就運用了此項技術(shù)，在試航實驗測試中，“一人疏浚”技術(shù)提高約15%的施工效率。［2］

在國內(nèi)，中交疏浚工程研究中心、鎮(zhèn)江億華系統(tǒng)集成有限公司等企業(yè)對“一人疏浚”技術(shù)也已開展深入研究，相信在未來十年，該項技術(shù)將會逐步成熟，成為市場的主流。

耙吸式挖泥船集挖泥、裝泥和卸泥功能于一身，近年來備受航道部門青睞。其具有自航船的線型與總體外形，具備自載與自卸的能力，適合于海況較為復(fù)雜的海域疏浚；無需錨泊定位挖掘，適宜遷航，在填海造島以及疏通航道等工程方面具有天然的優(yōu)勢，尤其適合在黃浦江、長江等需要不斷遷航的水域發(fā)揮其作用。［3］

1 “一人疏?！奔夹g(shù)研究

要實現(xiàn)耙吸式挖泥船“一人疏浚”的功能，必須以智能化控制為導(dǎo)向、以集成化控制為目標(biāo)，通過設(shè)置快捷功能宏按鍵、自動控制和輔助控制等手段，最終實現(xiàn)該功能。

按照耙吸式挖泥船疏浚作業(yè)的3個主要工況分為挖泥、拋泥和吹泥3個控制流程。擁有“一人疏?！惫δ艿陌椅谀啻{駛室被設(shè)計成只由一名操作人員來操作，船舶駕駛?cè)藛T同時控制挖泥船的正常航行和挖泥作業(yè)。耙吸式挖泥船“一鍵式”作業(yè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工手動干預(yù)進(jìn)行疏浚作業(yè)系統(tǒng)不同，其在功能性能需求、系統(tǒng)架構(gòu)、軟硬件構(gòu)成和運維管理方面存在新的需求?！耙蝗耸杩！奔夹g(shù)研發(fā)前期首先需要針對耙吸式挖泥船開展“宏按鍵”一鍵式作業(yè)系統(tǒng)功能和性能需求分析，確定功能和性能指標(biāo)；其次在此基礎(chǔ)上研究“一鍵式”作業(yè)系統(tǒng)總體技術(shù)方案，確定系統(tǒng)架構(gòu)和軟硬件構(gòu)成；最后基于總體技術(shù)方案研究運維管理技術(shù)。

耙吸式挖泥船“一人疏?！奔夹g(shù)實際是基于當(dāng)下較為成熟的耙吸式挖泥船疏浚控制系統(tǒng)進(jìn)行升級，按照耙吸式挖泥船疏浚作業(yè)的3個主要工況分為挖泥、拋泥和吹泥3個主要控制流程，將控制操作分解并封裝成一個個獨立的宏按鍵控制器，對整個疏浚作業(yè)流程進(jìn)行“一鍵式”控制。這些宏按鍵控制器安裝在航行臺宏按鈕觸摸屏和便攜式移動控制板上。一般情況下，駕駛?cè)藛T將主要專注于船舶航行，只在疏浚作業(yè)開始時或需要干預(yù)時，按下控制臺上的宏按鈕進(jìn)行操作。這些宏按鈕替代了傳統(tǒng)的疏浚指令，具體的挖泥操作則交由全自動化疏浚系統(tǒng)去完成，實現(xiàn)挖泥、拋泥和吹泥三種疏浚作業(yè)模式的全自動控制。在環(huán)境良好的空曠施工水域，挖泥船的航行也可以通過船舶動力定位與動態(tài)追蹤技術(shù)（DP/DT Dynamic Positioning/Dynamic Tracking）實施，船員只需監(jiān)控自動化系統(tǒng)狀態(tài)即可，大大減少了船員的工作強(qiáng)度，并避免人為因素對施工效率的影響，保證了船舶長時間施工的效率和安全。

2 “一人疏?！毕到y(tǒng)構(gòu)成

2.1 “一人疏?！毕到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

耙吸挖泥船“一人疏?！钡氖杩？刂葡到y(tǒng)是基于工業(yè)控制以太網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、智能儀器儀表技術(shù)、現(xiàn)代疏浚技術(shù)的集成化監(jiān)視與控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)總體上分為三層結(jié)構(gòu)形式：底層為硬連線與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，中間層為工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，上層為信息管理網(wǎng)。而疏浚自動控制功能高度集成了疏浚船舶的各種作業(yè)工況的自動控制程序及安全保護(hù)功能，采用雙冗余PLC進(jìn)行分布式I/O采集和控制輸出，所有的邏輯程序均在PLC底層處理，可以達(dá)到穩(wěn)定可靠、響應(yīng)及時的要求。該系統(tǒng)的控制器、算法及自動控制程序都完全獨立于手動控制系統(tǒng)。全自動系統(tǒng)通過自動控制PLC以TCP/IP方式通訊，實現(xiàn)與手動控制系統(tǒng)I/O物理共享和控制參數(shù)同步。

2.2 “一人疏?！毕到y(tǒng)硬件構(gòu)成

“一人疏?！毕到y(tǒng)硬件部分主要由下列設(shè)備組成：

（1）安裝在航行控制臺上的“一人疏?！焙臧粹o操作屏，用于船舶航行時，駕駛?cè)藛T在駕駛船舶的同時進(jìn)行疏浚作業(yè)的操作；

（2）疏?？刂婆_，全套可手動操作的疏?？刂葡到y(tǒng)；

（3） 全自動疏浚PLC柜，用于運行全自動疏?？刂瞥绦颍?/p>

（4）疏浚工藝優(yōu)化服務(wù)器，用于挖泥工藝優(yōu)化決策；

（5）全自動SCADA服務(wù)器，用于參數(shù)設(shè)置和全自動過程監(jiān)視；

（6）便攜式移動控制板等。

3 “一人疏?！毕到y(tǒng)功能概述

耙吸式挖泥船有別于一般船舶，該船型會搭載一些重型疏浚設(shè)備，如泥泵及其驅(qū)動系統(tǒng)、高壓沖水泵及其驅(qū)動系統(tǒng)、耙頭、溢流筒、耙管系統(tǒng)、封水泵系統(tǒng)、耙頭耙臂絞車等。因此耙吸挖泥船全自動疏浚系統(tǒng)受控對象多，工藝復(fù)雜，一般采用主流程、控制器和宏按鈕相結(jié)合的控制方式，將耙吸挖泥船全部疏浚過程按作業(yè)方式拆分為挖泥、拋泥、吹泥3個主流程，每個主流程根據(jù)船舶作業(yè)需要調(diào)用多個疏浚設(shè)備子系統(tǒng)全自動控制器進(jìn)行疏浚控制，最后操作人員通過宏按鈕完成全自動疏浚，實現(xiàn)駕駛室“一人疏?！弊鳂I(yè)。在應(yīng)用形式方面采用完全獨立的設(shè)計原則，確保全自動疏浚系統(tǒng)與手動系統(tǒng)的物理隔離。

挖泥、拋泥和吹泥3個主流程的控制對象多有重疊，控制器功能集成時需要考慮不同主流程的個性化控制需求和接口需求：首先根據(jù)3個主流程的控制需求確定每個主流程需要調(diào)用的控制器和調(diào)用時機(jī)，然后針對不同主流程的調(diào)用需求設(shè)置控制器的輸入輸出接口。圖1為3個作業(yè)工況具體的宏控制器設(shè)置情況。

圖1 一人疏浚宏控制器設(shè)置

本系統(tǒng)的核心是通過自動耙臂順序控制系統(tǒng)調(diào)用自動耙管絞車、自動泥泵控制系統(tǒng)、自動耙唇控制系統(tǒng)、航速自動控制系統(tǒng)等系統(tǒng)，最終實現(xiàn)“一人疏浚”。

4 “一人疏?！毕到y(tǒng)主要控制器功能介紹

4.1 耙臂絞車自動控制器

本控制器僅使用在耙頭到達(dá)設(shè)定深度，且被激活的情況下，通過控制耙管絞車和波浪補償器實現(xiàn)耙頭的定深控制。同時，通過檢測調(diào)整耙管間夾角、耙管與船體距離來保障設(shè)備和船體的安全。根據(jù)不同水深，可自動調(diào)整耙管姿態(tài)以提高挖泥效率。

4.2 耙臂順序控制器

開始放耙時，所有耙臂吊架在吊架角度、限位開關(guān)和角度測量的保護(hù)下自動收放，所有耙臂絞車實現(xiàn)耙臂預(yù)設(shè)角度的自動升降。這些操作會由疏?？刂葡到y(tǒng)自動執(zhí)行。該功能可為耙臂放出的操作過程節(jié)約大量時間。

4.3 挖泥航速自動控制器

該系統(tǒng)允許船舶挖泥作業(yè)情況下自動保持一定的挖泥航速，并對耙頭拖曳阻力和諸如風(fēng)、浪、流產(chǎn)生的其他阻力進(jìn)行補償，且通過基于模型的控制進(jìn)行推進(jìn)功率分配。

4.4 自動吃水控制器

自動裝載吃水控制器僅在挖泥裝艙過程中起作用，通過估算的裝艙時間來尋找裝艙效率最高點，改變可調(diào)節(jié)溢流筒的位置以及環(huán)保閥位置連續(xù)地控制耙吸式挖泥船的吃水。該系統(tǒng)還會根據(jù)吃水變化輸出裝艙停止命令以防吃水超限，保障船舶施工及航行安全。

4.5 自動耙頭控制器

耙吸挖泥船挖泥作業(yè)過程中，自動耙頭控制功能是在保證設(shè)備安全下使主動耙頭本體和耙唇按設(shè)定狀態(tài)保持對地角度，以維持穩(wěn)定的破土能力和較高的施工效率。在特定的情況下，耙唇可切削較厚的泥層。該系統(tǒng)通過對耙唇油缸收放控制實現(xiàn)以上功能。

4.6 自動濃度排放控制器

耙吸挖泥船挖泥作業(yè)過程中，自動濃度排放控制系統(tǒng)通過檢查泥漿流速及密度，控制“進(jìn)艙閘閥”和“旁通閘閥”的組合動作來選擇合適的泥漿進(jìn)艙或者旁通排出舷外時間。

4.7 自動高壓沖水泵控制器

在自動高壓沖水控制器的作用下能有效地減少板結(jié)泥塊留艙的幾率，自動高壓沖水控制器在拋泥流程下的主要目的是提高拋泥效率，減少船舶拋泥時間，提高船舶生產(chǎn)效率。［4］

4.8 疏浚管系閘閥自動控制器

疏浚管系閘閥自動控制系統(tǒng)用于耙吸挖泥船挖泥、拋泥及排岸模式下疏浚閘閥的自動控制。該系統(tǒng)通過接收自動耙吸疏浚系統(tǒng)的命令，預(yù)設(shè)置閘閥開閉狀態(tài)和在施工過程中開閉閘閥。

4.9 自動泥泵控制器

自動泥泵控制系統(tǒng)用于耙吸挖泥船排岸模式下泥泵的自動控制，該系統(tǒng)控制泥泵轉(zhuǎn)速，使吹填時的流速穩(wěn)定在實用流速?？刂破骺筛鶕?jù)船舶當(dāng)前航行位置、富裕水深、航速、船體姿態(tài)情況，自動完成拋泥作業(yè)。操作人員可以通過控制器設(shè)置界面配置控制器是否啟用，當(dāng)使用一鍵拋泥功能時，該控制器必須處于開啟狀態(tài)。自動泥泵控制系統(tǒng)與自動耙唇控制系統(tǒng)兩者協(xié)同運行，可以使泥泵工作在“流速/產(chǎn)量曲線”的最優(yōu)位置，進(jìn)而使泥泵工作在高效區(qū)間。

4.10 自動泥門控制器

自動泥門控制系統(tǒng)僅在耙吸挖泥船拋泥作業(yè)起作用，自動泥門控制器用于支持泥門分組自動動作。控制器針對不同土質(zhì)建立抽艙門自動控制規(guī)則，在保證艏吹安全的情況下按照自動控制規(guī)則控制抽艙門開閉，無需人工干預(yù)，控制過程中平衡輸送流速和輸送密度，以提高船舶施工效率。

4.11 自動抽艙門控制器

自動抽艙門控制系統(tǒng)用于耙吸挖泥船排岸模式下抽艙門的自動控制。在保證艏吹安全的情況（流速控制在設(shè)定流速）下控制抽艙門，盡可能提高輸送密度，以提高船舶施工效率。

5 “一人疏浚”控制臺的布置

“一人疏?！笨刂婆_需要滿足各船級社關(guān)于“一人橋樓”的基本要求。從技術(shù)上來說，單個駕駛員航行值班作為唯一觀察瞭望者在駕駛室內(nèi)操作船舶是完全可行的，但必須保證駕駛員在駕駛位置上有足夠大的視野進(jìn)行瞭望，所以駕駛室的設(shè)計和布置、所裝設(shè)備的范圍、性能和可靠性對駕駛室單人操作的安全性具有極大的影響。［5］

在耙吸挖泥船的“一人橋樓”駕駛室的控制臺需要基于人體工程學(xué)進(jìn)行控制臺和控制系統(tǒng)設(shè)計，必須確保值班人員在任何時候都可以很方便地獲取航行信息和進(jìn)行駕駛操作，滿足智能“一人疏浚”需求。船舶操作人員通過控制臺可以單獨并安全地執(zhí)行各類必要航行與疏浚的操作。

“一人疏?！笨刂婆_劃分為駕駛區(qū)與作業(yè)區(qū)，根據(jù)實際使用與安全駕駛的需求，將控制臺分為4個區(qū)域：

（1）手邊區(qū)域

主要是航行操作控制設(shè)備，包括舵機(jī)及操舵控制、值班應(yīng)答等，此位置離船舶操作員最近，人員能輕易觸及并操作設(shè)備。

（2）伸手可及區(qū)域

主要是航行和疏?？刂茀^(qū)域，包括主推進(jìn)控制器、側(cè)推控制器、“一人疏浚”宏按鈕操作屏、動力定位控制站及電話等，船舶操作員在座位上張開雙臂便能操作該區(qū)域的設(shè)備。

（3）容易觸及區(qū)域

主要是輔助設(shè)備控制區(qū)域，包括雷達(dá)鍵盤、VHF電話、應(yīng)急車鐘、廣播遙控站、應(yīng)急停止操作等，船舶操作員起身伸出手臂便可以操作該區(qū)域的設(shè)備。

（4）方便接近區(qū)域

這個區(qū)域主要進(jìn)行不常用的操作、安全操作和緊急控制，包括外燈控制板、航行燈信號燈控制板、霧笛控制、雨雪清除器控制、水密門控制、羅經(jīng)復(fù)示器等，操作員需離開座位方能進(jìn)行操作。

6 結(jié) 語

近年來，國內(nèi)疏浚市場日趨飽和，市場需求總體下滑，疏浚行業(yè)需要進(jìn)行以科學(xué)技術(shù)為先導(dǎo)的升級轉(zhuǎn)型，逐漸淘汰落后技術(shù)。疏浚業(yè)是跨學(xué)科、集成并依賴多行業(yè)技術(shù)而持續(xù)創(chuàng)新進(jìn)步的行業(yè)，涉及工程、裝備制造等多領(lǐng)域，技術(shù)體系復(fù)雜，涉及大量數(shù)據(jù)和流程。面對信息與智能技術(shù)所帶來的巨大變革，疏浚行業(yè)需要主動擁抱新技術(shù)，融入時代潮流。［6］

疏浚行業(yè)新一輪的發(fā)展方向?qū)⑹蔷G色化、智能化。“一人疏?！奔夹g(shù)以及未來的“智能疏浚”技術(shù)將隨著技術(shù)的發(fā)展成為必然趨勢。目前“一人疏浚”技術(shù)確實提高了耙吸式挖泥船的工作效率，減輕了疏浚操作人員的工作負(fù)擔(dān)，但此項技術(shù)尚未完全成熟，還有極大的發(fā)展空間，特別在疏浚自動控制邏輯方面。這就需要各船東、專業(yè)廠商、設(shè)計院等各方相互配合，對當(dāng)下耙吸式挖泥船的作業(yè)情況進(jìn)行記錄與分析，進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的積累，開發(fā)出一套更為精準(zhǔn)、高效的算法邏輯。相信不久的將來，“一人疏?！奔夹g(shù)將成為市場的主流，徹底改變傳統(tǒng)的疏浚方式，寫下新的篇章。