Xbar-R 控制圖在絞吸挖泥船疏浚施工中的應(yīng)用

費(fèi)子豪，李權(quán)真，周春艷*，伍正成，王旭龍

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210024；2.中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

近年來，絞吸船因其疏浚產(chǎn)效高、挖掘能力強(qiáng)、可控性好，已成為全世界應(yīng)用最廣泛的一種挖泥船型。絞刀是此類挖泥船在疏浚施工中最關(guān)鍵的挖掘部件，通過螺旋式絞刀頭的自身旋轉(zhuǎn)和絞刀的橫移擾動(dòng)土體，切削土層，控制合適的水下泵吸入真空，將泥水混合體輸送到指定區(qū)域，完成航道整治和吹填造地等工程。由此可見，絞刀的挖掘性能與橫移參數(shù)設(shè)定和泥泵吸入性能對(duì)絞吸船的產(chǎn)能影響很大。

目前，國(guó)內(nèi)外一些龍頭疏浚公司已經(jīng)開發(fā)智能疏浚系統(tǒng)。在國(guó)際上，荷蘭IHC 公司與代爾夫特理工大學(xué)合作研制的最新一代自動(dòng)泵送控制器（APC，Automatic Pump Controller）以及自動(dòng)挖掘控制器（ACC，Automatic Cutter Controller）是智能疏浚技術(shù)的最高成果之一。在國(guó)內(nèi)，中交上航局積極引進(jìn)核心技術(shù)，投資建造了代表國(guó)內(nèi)耙吸挖泥船智能水平最高的疏浚雙子星——“航浚6008”輪、“航浚6009”輪[1-2]。但挖泥船在實(shí)際施工作業(yè)中各類參數(shù)設(shè)置有著相互串聯(lián)和制約的復(fù)雜關(guān)系，對(duì)參數(shù)設(shè)置結(jié)果沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹昂谩迸c“壞”的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)雜多變的疏浚施工環(huán)境也決定了疏浚作業(yè)無法像棋盤環(huán)境一樣輕易地復(fù)盤和完善自己的“知識(shí)庫(kù)”。

為此提出基于單值-移動(dòng)極差（Xbar-R）控制圖[3]的絞吸挖泥船橫移挖泥操作參數(shù)范圍的設(shè)定方法，可進(jìn)一步完善絞吸船智能疏浚系統(tǒng)的功能?？刂茍D是一種將顯著性統(tǒng)計(jì)原理應(yīng)用于過程控制的圖形方法，它能對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，根據(jù)反饋信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性因素出現(xiàn)的征兆，便于及時(shí)采取措施消除其影響，使過程維持在僅受隨機(jī)性因素影響的受控狀態(tài)，以達(dá)到控制質(zhì)量的目的。目前，Xbar-R 控制圖已經(jīng)廣泛應(yīng)用于定額管理、檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量控制、生產(chǎn)工藝參數(shù)、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量控制等領(lǐng)域，侯興勃等[4]利用控制圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量控制，王玲[5]將控制圖思想成功應(yīng)用于陽極生產(chǎn)工藝參數(shù)上。

本文利用控制圖對(duì)絞吸船橫移挖泥操作過程中水下泵吸入真空參數(shù)范圍進(jìn)行預(yù)設(shè)，可為船員操作提供參考，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下泵吸入真空參數(shù)實(shí)時(shí)控制，有助于在施工過程中出現(xiàn)異常情況時(shí)，能夠及時(shí)追查原因并處理。此外，給出水下泵吸入真空參數(shù)的控制上限和控制下限，有助于船員操作的標(biāo)準(zhǔn)化，選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，進(jìn)而提高船舶生產(chǎn)率。此方法也可應(yīng)用于其他操作參數(shù)的理論設(shè)定。

1 挖泥操作特點(diǎn)及工程概況

1.1 絞吸式挖泥船操作特點(diǎn)

水下作業(yè)“看不見、摸不著”仍是疏浚施工最典型的特點(diǎn)。操作過程中，駕駛員大都參考船用SCADA 系統(tǒng)儀表反映出的參數(shù)信號(hào)，對(duì)駕駛臺(tái)相關(guān)操作手柄、旋鈕和撥鈕實(shí)現(xiàn)挖泥操作。

橫移時(shí)，一般結(jié)合水下泵吸入真空值、排出壓力值及流速等參數(shù)判斷實(shí)際挖泥狀況。當(dāng)儀表指針接近參數(shù)范圍上限而仍有上升趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)降低橫移速度；當(dāng)儀表指針接近參數(shù)范圍下限而仍有下降趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)提高橫移速度。

1.2 工程概況

江蘇濱海LNG 項(xiàng)目疏浚工程位于江蘇省鹽城市濱?？h濱海港區(qū)，江蘇沿海中北部的海岸最突出部、廢黃河口以北，中山河以南，地理坐標(biāo)為34°18'N，120°16'E。工程位置示意圖見圖1。

圖1 工程平面位置圖Fig.1 Location of the project plan

施工區(qū)域土質(zhì)堅(jiān)硬，施工區(qū)屬于河口三角洲相沉積層，土質(zhì)主要為密實(shí)粉砂，不易坍塌形成邊坡，采用薄層水力切削方式開挖施工效率低。此外，工程受臺(tái)風(fēng)影響天數(shù)多，冬季寒潮大風(fēng)頻發(fā)，全年涌浪、大霧和強(qiáng)對(duì)流等惡劣天氣較多，根據(jù)六合莊海洋站實(shí)測(cè)波浪資料統(tǒng)計(jì)，施工區(qū)風(fēng)浪、涌浪較大，浪高1.0 m 以上波浪天數(shù)占30%以上；另外漲落潮時(shí)流速較急，最大可達(dá)5 kn 以上，嚴(yán)重影響施工安全。

這些因素對(duì)絞吸船施工人員的技術(shù)水平、經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心是極大的考驗(yàn)，操作人員的良莠不齊是直接影響工程質(zhì)量和施工效率的最主要不可控因素。因此，針對(duì)復(fù)雜工況積極嘗試使用基于Xbar-R 控制圖等理論方法，幫助操作人員在多變的生產(chǎn)環(huán)境中，對(duì)疏浚過程快速、高效地進(jìn)行性能指標(biāo)優(yōu)化決策，合理分析和預(yù)測(cè)產(chǎn)能需求的優(yōu)勢(shì)顯得十分必要。

2 參數(shù)控制圖的數(shù)據(jù)選取原則與控制圖原理

2.1 參數(shù)控制圖的數(shù)據(jù)選取原則

通常情況下，絞吸船疏浚施工需要進(jìn)行橫移、換向、倒臺(tái)車和移錨等操作，整個(gè)施工過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)均由船舶集控室計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控記錄。針對(duì)挖泥操作過程，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一般每2 s 記錄1 次，進(jìn)行原始數(shù)據(jù)分析時(shí)必須篩選出具有連續(xù)性的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1） 選取PLC 柜儀表顯示生產(chǎn)率持續(xù)維持在正常水平的數(shù)據(jù)，排除因管線泄漏、堵塞、拗彎等不能正常施工造成船舶停工或船機(jī)設(shè)備故障時(shí)的數(shù)據(jù)。

2） 選取工況條件和施工區(qū)域土質(zhì)等邊界條件相近的數(shù)據(jù)。

3） 不同絞刀頭需選取在同一挖泥深度的施工數(shù)據(jù)。

2.2 控制圖原理

疏浚工程中涉及到的質(zhì)量問題大都可以借助應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析解決，結(jié)合控制圖的上下限判斷疏浚過程是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，控制圖法是將過程核查數(shù)據(jù)畫到有預(yù)定控制界限的控制圖上，若數(shù)據(jù)處于控制界限以內(nèi)，表明測(cè)量過程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)；反之就是過程失控，應(yīng)采取糾正措施直到再受控[6]。

根據(jù)控制圖控制的數(shù)據(jù)不同，可以分為兩大類，即計(jì)量值控制圖和計(jì)數(shù)值控制圖[7]。絞吸船施工工藝參數(shù)屬于計(jì)量值，適用于計(jì)量值控制圖。根據(jù)疏浚施工操作參數(shù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，選擇計(jì)量值控制圖中的Xbar-R 控制圖，其中單值控制圖用于控制平均值，極差控制圖用于控制離散程度[8]。如果在橫移操作過程中有參數(shù)值超過界限以外，就可以判定為異常。

每批樣本中只包含1 個(gè)數(shù)據(jù)，即n=1 的情況下，可以采用單值－移動(dòng)極差控制圖分析工藝過程的統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。移動(dòng)極差指相鄰兩批數(shù)據(jù)之差的絕對(duì)值。將移動(dòng)極差值標(biāo)示在控制圖上就是單值－移動(dòng)極差控制圖?？刂平缦薜囊话愎綖椋?/p>

單值圖：

式中：UCL為單側(cè)上界；LCL為單側(cè)下界；CL為中心線；X為過程均值；Rs為樣本標(biāo)準(zhǔn)差；E2為常數(shù)。

移動(dòng)極差圖：

式中：D4、D3為常數(shù)。各常數(shù)取值見表1。

表1 樣本各參數(shù)取值表Table 1 Values of each parameter in the sample

3 工程實(shí)例

3.1 工藝參數(shù)設(shè)定

工程地點(diǎn)位于江蘇省鹽城市濱?？h濱海港區(qū)，疏浚區(qū)土質(zhì)以粉質(zhì)土為主，夾雜少量可塑黏土。分2 層進(jìn)行施工，第1 層挖深至-8.5 m，第2 層挖深至-11.0 m，岸管長(zhǎng)11 532 m、水下管長(zhǎng)812 m、浮管長(zhǎng)622.6 m，總長(zhǎng)為12 966.6 m，使用水下泵、艙內(nèi)泵三泵施工。疏浚施工至底高程-10 m時(shí)，土質(zhì)硬度明顯發(fā)生變化，呈中密—密實(shí)狀，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=25.4 擊，加上防波堤未形成有效掩護(hù)條件，受涌浪影響絞刀功率浮動(dòng)較大，正刀施工時(shí)滾刀嚴(yán)重，橫移移動(dòng)速度受限。典型施工時(shí)挖泥船主要施工參數(shù)見表2。

表2 挖泥船主要施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of main construction parameters of dredgers

3.2 六臂絞刀和七臂絞刀的生產(chǎn)率對(duì)比

硬質(zhì)土施工中要想獲得最大的生產(chǎn)效率，通常是減小絞刀泥層切削厚度。為此，“新海豚”輪及時(shí)更換七臂絞刀頭進(jìn)行施工，在相同的絞刀轉(zhuǎn)速和橫移速度下，由于刀臂間距的不同，七臂絞刀與六臂絞刀所切削的塊狀泥層的厚度比約為6/7。

按照上述數(shù)據(jù)篩選原則篩選數(shù)據(jù)，按照不同絞刀類型的實(shí)時(shí)生產(chǎn)效率數(shù)據(jù)繪制正態(tài)分布直方圖，對(duì)比不同類型絞刀施工效率差異，選取生產(chǎn)效率均值較大、離散程度較小的絞刀類型作為標(biāo)桿進(jìn)行研究。圖2 為在施工邊界條件基本一致的情況下，收集同一挖泥手在“新海豚”使用六臂絞刀與七臂絞刀的每2 s 操作數(shù)據(jù)（共計(jì)1 200 組）繪制的施工效率對(duì)比圖，表3 為絞刀生產(chǎn)效率對(duì)比。

表3 絞刀生產(chǎn)效率對(duì)比Table 3 Comparison of cutter production efficiency

圖2 不同絞刀施工效率對(duì)比圖Fig.2 Comparison of construction efficiency of different cutters

由圖2、表3 可知，六臂絞刀和七臂絞刀的平均生產(chǎn)率相近，七臂絞刀為1 067 m3/h，稍高于六臂絞刀，七臂絞刀生產(chǎn)率的標(biāo)準(zhǔn)差為152 m3/h，遠(yuǎn)小于六臂絞刀的375 m3/h，說明七臂絞刀的施工較為穩(wěn)定，應(yīng)選取使用七臂絞刀時(shí)的施工參數(shù)作為研究對(duì)象。

4 計(jì)算控制界限并繪制控制圖

2021 年10 月18 日，“新海豚”輪更換七臂絞刀后進(jìn)行港池疏浚典型施工，施工區(qū)水域?qū)掗?，風(fēng)力3—6 級(jí)，浪高1.2～2.7 m，產(chǎn)量?jī)x表顯示正常，操作平穩(wěn)。由于船舶自動(dòng)保存的2 s/次的數(shù)據(jù)量過于龐大，為便于計(jì)算分析，選取施工邊界條件和工藝參數(shù)相近的時(shí)間段讀取水下泵吸入真空實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（表4），并分別計(jì)算每個(gè)時(shí)段樣本數(shù)的平均值和極差。

表4 水下泵吸入真空實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Table 4 Real time data of underwater pump suction vacuum kPa

其中：每批樣本中包涵5 組數(shù)據(jù)，即n=5，查閱表1 得到常用參數(shù)值D3=0，D4=2.11，E2=0.58，利用STDEV 函數(shù)計(jì)算得到樣本標(biāo)準(zhǔn)差為16.951。根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算各組均值、極差得到Xbar-R 控制圖上下限，見表5。

表5 Xbar-R 控制圖上下限Table 5 Upper and lower limits of Xbar-R control chart kPa

利用絞吸船船載計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所記錄的實(shí)時(shí)2 s/次數(shù)據(jù)計(jì)算控制界限并描點(diǎn)繪制水下泵吸入真空單值-移動(dòng)極差控制界限及控制圖。

4.1 單值控制界限及控制圖

其中，CL=X=35.52 kPa，由計(jì)算控制上下限得知，水下泵吸入真空參數(shù)值范圍為（25.69 kPa，45.35 kPa），控制圖見圖3。

根據(jù)圖中樣本數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示：第4、7、9、19 組數(shù)據(jù)超出界限；控制圖中控制界限內(nèi)的數(shù)值多位于中心線以下。根據(jù)船舶施工日志和每2 s 數(shù)據(jù)對(duì)上述情況進(jìn)行具體分析，發(fā)現(xiàn)該時(shí)段內(nèi)除了第9 組瞬時(shí)流量和產(chǎn)量均偏低，其余時(shí)間段產(chǎn)量計(jì)顯示正常，結(jié)果確認(rèn)為第9 組施工時(shí)段吸入管內(nèi)存在水下障礙物，導(dǎo)致水下泵吸入真空參數(shù)偏大，而其余3 組則是由于施工區(qū)底質(zhì)堅(jiān)硬，操作員控制絞刀回?cái)[時(shí)橫移速度不當(dāng)。

4.2 移動(dòng)界限控制界限及控制圖

其中，CL=X=25.31 kPa，由移動(dòng)極差控制限得知，當(dāng)施工人員在連續(xù)2 次下達(dá)施工指令時(shí)，應(yīng)保持水下泵吸入真空值的波動(dòng)在53.4 kPa 以內(nèi)，移動(dòng)界限（極差）控制界限及控制圖如圖4 所示?？刂茍D可以起到報(bào)警的作用，根據(jù)圖中樣本數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示：第4 組數(shù)據(jù)明顯超過界限值，此時(shí)應(yīng)該立即排查吸入管是否存在障礙物或排泥管是否發(fā)生破裂，采用相對(duì)應(yīng)的措施，消除異值產(chǎn)生原因，保證疏浚施工質(zhì)量。

圖4 移動(dòng)界限（極差）控制界限及控制圖Fig.4 Moving boundary(range)control limits and control diagram

5 結(jié)語

1） 水下泵吸入真空參數(shù)值范圍為（25.69 kPa，45.35 kPa），一般將水下泵吸入真空值控制在－40 kPa 左右；

2） 由移動(dòng)極差控制限得知，連續(xù)左右橫移時(shí)應(yīng)保持水下泵吸入真空波動(dòng)在53.4 kPa 以內(nèi)；

3） 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)，基于Xbar-R 控制圖計(jì)算的參數(shù)范圍測(cè)算結(jié)果應(yīng)用于后續(xù)工程實(shí)際中，驗(yàn)證結(jié)果較好，能有效降低施工作業(yè)中人為因素對(duì)施工效率的影響，保證挖泥船的持續(xù)作業(yè)效率。

傳統(tǒng)的工前測(cè)試僅憑疏浚施工員的經(jīng)驗(yàn)操作不僅耗時(shí)耗力，且充斥著諸多安全隱患?？煽紤]基于數(shù)理計(jì)算開發(fā)出一套更為精準(zhǔn)、高效的算法邏輯，做成實(shí)時(shí)計(jì)算程序或軟件，作為工前輔助設(shè)計(jì)的參考或駕駛員施工過程的調(diào)整依據(jù)，以保證后續(xù)挖泥船施工的平穩(wěn)性和連續(xù)性。