耙吸船自動(dòng)化疏浚控制系統(tǒng)適用性分析

費(fèi)子豪，郭素明，李佳陽(yáng)

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

引言

長(zhǎng)期以來(lái)，施工人員僅憑經(jīng)驗(yàn)和操作規(guī)程手動(dòng)操作耙吸船施工，這種方式對(duì)施工人員的技術(shù)水平、經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心是極大的考驗(yàn)，也是直接影響工程質(zhì)量和施工效率的最主要不可控因[1]。中交上航局新造的耙吸挖泥船航浚6009 輪采用了荷蘭IHC 公司開(kāi)發(fā)的高度集成化智能疏浚系統(tǒng)（DCS）初步實(shí)現(xiàn)了“一鍵式”自動(dòng)疏浚。下文結(jié)合連云港港30 萬(wàn)t 級(jí)航道二期工程2.1 標(biāo)段，以代表國(guó)內(nèi)自動(dòng)化程度最高的新一代耙吸挖泥船航浚6009 輪為對(duì)象，介紹自動(dòng)化疏?？刂葡到y(tǒng)在工程中的應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 施工船舶

航浚6009 輪是國(guó)內(nèi)少數(shù)擁有高度智能化集成疏?？刂葡到y(tǒng)的新一代耙吸挖泥船。船的右舷配有一根內(nèi)徑為1 000 mm 的耙臂，與船舶基線(xiàn)約50°的情況下，挖深可達(dá)30 m。該船配備了IHC“威龍”耙頭和黏土專(zhuān)用耙頭，分別用于不同的施工環(huán)境。

1.2 工程概況

連云港港30 萬(wàn)t 級(jí)航道二期工程位于連云港市海州灣沿海，航道呈“人”字形布置，由外航道、徐圩航道和推薦航線(xiàn)組成。其中外航道內(nèi)段連接連云港區(qū)，徐圩航道連接徐圩港區(qū)，外航道外段及推薦航線(xiàn)為兩港區(qū)共用航道。施工范圍為L(zhǎng)YG-302-H2.1 標(biāo)段對(duì)應(yīng)樁號(hào)X0+000-X7+250 范圍內(nèi)的航道疏浚工程施工，含臨時(shí)通道、艏吹站及貯泥坑的疏浚，以及實(shí)施上述工程所必須的臨時(shí)工程及保修期的缺陷修復(fù)（圖1）。

圖1 施工平面布置

1.3 施工工藝與方法

工程采用耙絞聯(lián)合拋吹工藝，將臨時(shí)貯泥坑作為中轉(zhuǎn)站將航道疏浚土吹填至納泥區(qū)，施工流程如圖2所示。

圖2 耙絞聯(lián)合施工流程

2 自動(dòng)化原理

航浚6009 輪在本工程中主要有三個(gè)工況，即挖泥、拋泥和卸（吹）泥。根據(jù)不同工況分為三個(gè)主要的控制流程，并將控制流程的系統(tǒng)構(gòu)架和軟硬件構(gòu)成分解并封裝成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的宏按鍵控制器，表1 為三個(gè)不同工況下具體的宏控制器的主要設(shè)置分配。

表1 航浚6009 輪宏控制器主要功能

航浚6009 輪施工時(shí)，只需要一個(gè)人就可以“一鍵式”控制整個(gè)疏浚作業(yè)流程。該船配備的觸摸屏宏按鈕控制器硬件設(shè)備部分包括：用于參數(shù)設(shè)置和過(guò)程監(jiān)控的全自動(dòng)SCADA 服務(wù)器，用于運(yùn)行DCS 控制程序的全自動(dòng)PLC 柜，用于不同施工環(huán)境下可手動(dòng)操作的疏?？刂葡到y(tǒng)以及X、S 波段雷達(dá)等。圖3 為SCADA 觸摸屏系統(tǒng)界面，界面上方菜單欄是可供操作員選擇的各個(gè)子系統(tǒng)，下方的顯示面板模塊對(duì)應(yīng)著疏浚過(guò)程的詳細(xì)信息，在智能疏浚施工作業(yè)時(shí)，可視化界面的相關(guān)數(shù)值可自動(dòng)實(shí)時(shí)刷新。

圖3 SCADA 疏浚過(guò)程界面示意圖

與以往不同的是，在開(kāi)始挖泥時(shí)或需要對(duì)挖泥作業(yè)進(jìn)行干預(yù)的時(shí)候，按照傳統(tǒng)的疏浚指令按下控制臺(tái)或顯示面板上對(duì)應(yīng)的宏按鈕，由自動(dòng)化疏浚系統(tǒng)去完成傳統(tǒng)操耙手人工手動(dòng)干預(yù)的挖泥操作，疏浚人員只需專(zhuān)注于船舶的凈空要求安全航行[2]。船舶還可以通過(guò)Dynamic Positioning和Dynamic Tracking 對(duì)船體航行及作業(yè)狀態(tài)、耗能狀況等進(jìn)行自動(dòng)采集與監(jiān)測(cè)。

3 施工效率分析

3.1 施工效率計(jì)算方法

1）泥艙裝艙質(zhì)量的計(jì)算

利用“吃水裝載系統(tǒng)”進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，再利用“質(zhì)量法”計(jì)算船載方量：

其中：

式中：q為艙內(nèi)的裝艙方量（m3）；ρ漿為艙內(nèi)泥漿的平均濃度（t/m3）；ρ土為施工區(qū)段的泥土天然密度，根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖地質(zhì)鉆深資料取值；ρ水為施工區(qū)段水的密度（t/m3）；V漿為泥艙泥漿的容積（m3）；G1為船舶滿(mǎn)載排水量（ton）；G2為船舶空載排水量（ton）。

2）運(yùn)轉(zhuǎn)周期生產(chǎn)率的計(jì)算

式中：W為耙吸挖泥船疏浚效率（m3/h）；q為艙內(nèi)的裝艙方量（m3）；Σt為施工循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)周期（h）；l1、l2、l3為分別表示船舶重載、空載航行長(zhǎng)度和挖泥長(zhǎng)度（km）；v1、v2、v3為分別表示船舶重載、空載和挖泥航行速度（km/h）；t1為拋泥過(guò)程耗費(fèi)的時(shí)間（h）；t2為施工上線(xiàn)時(shí)間（h）；t3為施工過(guò)程中的停滯時(shí)間（h）。

3.2 影響施工效率因素分析

航浚6009 輪的疏浚系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，影響施工作業(yè)能力的因素諸多。對(duì)于耙頭來(lái)說(shuō)，土壤的密實(shí)度、泥泵轉(zhuǎn)速、船舶航速、耙頭對(duì)地角度以及高壓沖水等參數(shù)直接或間接影響耙頭生產(chǎn)率；對(duì)于泥漿的沉積過(guò)程來(lái)說(shuō)，土壤的粒徑、進(jìn)艙流量、泥艙尺寸、裝艙前艙內(nèi)混合物的初始濃度和體積等參量都是影響沉積過(guò)程中裝艙性能的主要因素。

在施工區(qū)段和施工時(shí)間段一定的情況下，施工區(qū)段水密度、土密度以及泥艙能裝載的泥漿體積都可視為恒定值。根據(jù)上文的施工效率計(jì)算過(guò)程可知，航浚6009 輪的疏浚效率與泥艙的裝載土方量成正比，與施工循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)周期成反比。

4 典型施工試驗(yàn)對(duì)比

本次典型施工區(qū)段為新開(kāi)挖的航道拓寬工程X0+000-X5+500 段，施工區(qū)水域?qū)掗煟媳狈啦ǖ掏鈧?cè)無(wú)掩護(hù)遮擋，容易受NNW-NE 方向的風(fēng)浪影響。

2020 年7 月10 日至14 日，溫度26～35℃，風(fēng)力3～6 級(jí)，浪高1.0～2.0 m。在施工區(qū)段X0+00-X5+500內(nèi)每隔500 m 取一組泥樣并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量泥漿濃度，與駕駛臺(tái)自動(dòng)化疏浚設(shè)備儀表顯示讀數(shù)進(jìn)行對(duì)比，儀表顯示正常。施工區(qū)段內(nèi)上層疏浚土質(zhì)主要為淤泥，下層疏浚土質(zhì)主要為硬黏土和密實(shí)粉砂。

4.1 典型施工邊界條件控制

為更好地確定此次典型施工的邊界條件，同區(qū)段每船次采用控制單一變量的方法進(jìn)行試挖，分別就高壓沖水壓力、波浪補(bǔ)償器壓力、航速、耙頭小天窗及疏浚方式進(jìn)行了測(cè)試比對(duì)分析。

測(cè)試結(jié)論如下：

1）施工時(shí)航速不宜過(guò)低，航速較低時(shí)泥漿濃度也隨之降低；根據(jù)漲落水情況，船速控制在3.5～4.0 kn挖泥效果最佳；

2）耙頭小天窗設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)。該疏浚區(qū)段上層土質(zhì)為淤泥質(zhì)粘土，耙頭流速過(guò)高會(huì)導(dǎo)致裝艙時(shí)間較短，溢流時(shí)間加長(zhǎng)，使裝艙效果降低；

3）疏浚作業(yè)時(shí)，濃度、流速分別保持在1.34 t/m3、4.4 m/s 左右，波浪補(bǔ)償器壓力調(diào)至50～55 bar 裝艙效果最佳；

4）調(diào)節(jié)耙齒角度在58.6°，加大耙齒對(duì)地角度，此時(shí)耙齒有效切削面積最大；

5）在是否使用高壓沖水以及高壓沖水壓力值測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)使用高壓沖水較不使用高壓沖水裝艙效果好，且使用高壓沖水壓力值過(guò)低（7.5 bar）或過(guò)高（10.2 bar）裝艙效果變化不明顯，考慮節(jié)約能耗、經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)合適降低高壓沖水壓力值。

6）航浚6009 輪為右單耙，耙頭著地后，舵角向右壓，操舵手應(yīng)及時(shí)反向壓舵防止航行偏移；操耙手要時(shí)刻關(guān)注鋼絲繩狀態(tài)，以現(xiàn)場(chǎng)為主，疏浚設(shè)備（DCS）為輔，防止壓耙現(xiàn)象發(fā)生。駕駛員應(yīng)適當(dāng)?shù)奶岣哂臆?chē)螺距。機(jī)艙當(dāng)班人員要觀察主機(jī)負(fù)荷情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)與駕駛臺(tái)聯(lián)系，并作出相應(yīng)措施，提高過(guò)耙概率，精準(zhǔn)上線(xiàn)。

最終確定施工邊界條件見(jiàn)表2。

表2 施工邊界條件控制表

4.2 數(shù)據(jù)收集和對(duì)比分析

針對(duì)“一鍵式”疏浚（自動(dòng)挖泥）及手動(dòng)疏浚挖泥進(jìn)行泥漿濃度、泥漿流速、真空及泥漿產(chǎn)量對(duì)比分析，調(diào)整適合本施工區(qū)的挖泥方式。為保證此次對(duì)比施工的順利進(jìn)行，需要切實(shí)做好DGPS 相關(guān)設(shè)備及軟件的日常維護(hù)工作，保證典型施工時(shí)自動(dòng)化集成系統(tǒng)“0故障”。同時(shí)，手動(dòng)挖泥時(shí)操耙手要著重注意耙深及流速濃度情況，及時(shí)調(diào)整耙臂姿態(tài)達(dá)到耙吸的最佳狀態(tài)。最終典型施工試驗(yàn)收集整理得到了不同疏浚模式下的29 組流速、真空、濃度、泥泵轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，如表3 所示。

表3 施工邊界條件控制表

由數(shù)據(jù)記錄表直觀上看，手動(dòng)挖泥效果與“一鍵式”疏浚自動(dòng)挖泥效果相差較小?？紤]疏浚土質(zhì)為淤泥和硬黏土，航浚6 009 輪并不能達(dá)到6 500 m3的泥艙艙容，試驗(yàn)在參數(shù)配置保證相同，且同一工況、同一疏浚區(qū)段下，通過(guò)記錄疏浚挖泥時(shí)土方量的增長(zhǎng)情況，得出在單船次裝艙土方量達(dá)到4 000 m3時(shí)，使用“一鍵式”疏浚自動(dòng)挖泥模式時(shí)油耗均值為0.81792 t，施工周期均值為39.67 min，而使用手動(dòng)疏浚挖泥模式時(shí)單船次油耗均值為0.99168 t，施工周期均值為45.22 min；根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期生產(chǎn)率的計(jì)算式可得出：

本次典型施工“一鍵式”疏浚自動(dòng)挖泥運(yùn)轉(zhuǎn)周期生產(chǎn)率

使用手動(dòng)疏浚挖泥運(yùn)轉(zhuǎn)周期生產(chǎn)率：

結(jié)合表3 和圖4 綜合分析，單船次使用“一鍵式”疏浚自動(dòng)挖泥運(yùn)轉(zhuǎn)周期生產(chǎn)率優(yōu)于手動(dòng)疏浚挖泥，且油耗減少17%左右。

圖4 不同模式下施工效率對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)連云港港30 萬(wàn)t 級(jí)航道二期工程航道疏浚工程典型施工，“一鍵式”疏浚自動(dòng)挖泥較人工操耙挖泥有以下優(yōu)勢(shì)：

1）降低了疏浚人員的工作強(qiáng)度，減少人為失誤的問(wèn)題；

2）節(jié)約油耗約17 %；

3）減少了施工遇到阻礙時(shí)的決策時(shí)間，能保證挖泥船的持續(xù)作業(yè)效率；

但是自動(dòng)挖泥系統(tǒng)尚未完全成熟，特別是在疏浚自動(dòng)控制邏輯方面有著極大的發(fā)展?jié)摿?。這就需要各疏浚企業(yè)、專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)商、設(shè)計(jì)院等各方相互配合，對(duì)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(kāi)發(fā)出一套更為精準(zhǔn)、高效的算法邏輯。相信在不久的將來(lái)，我國(guó)越來(lái)越多的疏浚船舶會(huì)配備自動(dòng)化疏?？刂葡到y(tǒng)，使得“一鍵式”疏浚常態(tài)化、市場(chǎng)化，徹底改變傳統(tǒng)疏浚方式，實(shí)現(xiàn)我國(guó)在國(guó)際疏浚行業(yè)上的“彎道超車(chē)”。