耙吸挖泥船計算機輔助疏浚決策系統(tǒng)簡介

1、課題組一、 立項背景近年來，隨著計算機、傳感器、自動控制、GPS定位系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)信息等技術(shù)在耙吸挖泥船上的廣泛應(yīng)用，大大提高了耙吸挖泥船的科技含量，并使疏浚業(yè)發(fā)展成為以高新科技為支撐的產(chǎn)業(yè)。國外新建的耙吸挖泥船已普遍采用全集成控制系統(tǒng)，即挖泥船駕駛臺上諸如測量、疏浚、導(dǎo)航、電子海圖等子系統(tǒng)都通過網(wǎng)絡(luò)快速連接起來，使信息資源得到共享。與此網(wǎng)絡(luò)連接的所有計算機都可以獲得來自各系統(tǒng)的信息，并可以對所有系統(tǒng)進行控制。這種全方位的耙吸挖泥船控制集成系統(tǒng)（IHCS）以及疏浚監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）的應(yīng)用，使耙吸挖泥船完全實現(xiàn)了自動化導(dǎo)航、操縱和疏浚，大大提高了挖泥船的施工效率。上海航道局新引進的“新

2、海龍”輪自航耙吸挖泥船就具備上述功能。為了盡快提高我國耙吸挖泥船的施工效率，必須采用先進的技術(shù)對現(xiàn)有挖泥船進行更新改造。為此，國內(nèi)疏浚單位已紛紛和有關(guān)科研單位聯(lián)合開發(fā)可提高耙吸挖泥船施工效率的各種監(jiān)測系統(tǒng)，如耙臂位置指示系統(tǒng)、吃水裝載系統(tǒng)、疏浚軌跡顯示系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)的技術(shù)水平已與國際水平相當(dāng)，但是國內(nèi)至今還未對耙吸挖泥船整個疏浚過程的監(jiān)控系統(tǒng)進行研制與開發(fā)。本項目在借鑒國外先進經(jīng)驗的同時，著重結(jié)合我國耙吸挖泥船目前的設(shè)備現(xiàn)狀和操作人員技術(shù)水平參差不齊的情況，研制開發(fā)出符合我國國情的“耙吸挖泥船計算機輔助疏浚決策系統(tǒng)”。該系統(tǒng)不僅具有現(xiàn)代化耙吸挖泥船的控制集成系統(tǒng)和疏浚監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能

3、，更重要的是能提供與疏浚土質(zhì)條件相結(jié)合的優(yōu)化疏浚參數(shù)來指導(dǎo)操作人員的施工，較好地解決了操作人員因缺乏全面掌握與疏浚工藝有關(guān)的理論知識而單純依靠經(jīng)驗進行施工的不足，確保挖泥船的產(chǎn)量實現(xiàn)最大化，這項技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用在國內(nèi)外均屬首創(chuàng)。本項目列入了國家十五重大技術(shù)裝備研制項目“挖泥船自動監(jiān)控設(shè)備及高效耐用機具研制”專題科技攻關(guān)計劃中，也被中港集團列為2002年度重點技術(shù)開發(fā)項目。二、 開發(fā)目標1、進入新工地，通過短時間的施工試挖和數(shù)據(jù)采集與分析，能夠提出指導(dǎo)性的優(yōu)化施工參數(shù)，對于這種土質(zhì)和工況，宜采用的泥泵轉(zhuǎn)速、對地航速、波浪補償器壓力等控制值，從而協(xié)助挖泥船操作人員妥善操作，使挖泥船在保障設(shè)備安全的

4、前提下，得到持續(xù)的高產(chǎn)效果。2、實時對主機、泥泵的柴油機工作狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測顯示。3、對耙臂位置、耙臂絞車系統(tǒng)、波浪補償器、閘閥、高壓沖水、挖深等主要挖泥設(shè)備工作狀態(tài)實時監(jiān)測。4、為了保證挖泥船在安全前提下達到高產(chǎn)低耗，系統(tǒng)必須具有邊界條件的自動預(yù)警、報警功能。5、實時顯示設(shè)計的挖槽剖面、測量斷面和耙頭在航道中位置。6、挖泥工況記錄、顯示與打印。挖泥船操作員根據(jù)輔助決策系統(tǒng)給出的優(yōu)化施工參數(shù)控制值，調(diào)整挖泥船操作，逐步達到并且保持較高的生產(chǎn)效率，從而使挖泥船固有的潛力得到充分發(fā)揮，從而提高耙吸挖泥船施工生產(chǎn)效率1020%。三、 技術(shù)思路建立全船設(shè)備狀況的監(jiān)測系統(tǒng)、安全報警系統(tǒng)，對實時工況數(shù)據(jù)進行采

5、集，通過各種參數(shù)組合的試挖，由計算機對施工參數(shù)進行優(yōu)化，在操作顯示屏上提示最優(yōu)的施工控制參數(shù)，達到輔助疏浚決策的目的。同時，隨著設(shè)備狀況的變化或施工土質(zhì)的變化，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)自動進行尋優(yōu)，提示操作人員改變相應(yīng)的控制參數(shù)。四、 系統(tǒng)實施方案圖1航浚1003輪系統(tǒng)總體框架圖（一） 總體框架系統(tǒng)在耙吸挖泥船施工過程中不斷采集與挖泥船施工產(chǎn)量和安全有關(guān)的信號，通過使用計算機總線技術(shù)和軟件技術(shù)將數(shù)據(jù)顯示在計算機屏幕上，同時將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。通過分析模型及相關(guān)的算法軟件對數(shù)據(jù)庫中采集的數(shù)據(jù)進行歸納和分析，將不規(guī)則的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為便于理解和分析的圖形予以顯示，并在相關(guān)的界面上向挖泥船操作人員提示可以獲得較

6、佳產(chǎn)量的疏浚施工工藝參數(shù)。涉及挖泥船施工產(chǎn)量和安全的信號采集于以下系統(tǒng)：高壓沖水泵系統(tǒng)；泵機系統(tǒng)；主機系統(tǒng)；耙管絞車系統(tǒng)；液壓閘閥系統(tǒng)；吃水裝載系統(tǒng)。來自上述系統(tǒng)的信號構(gòu)成“監(jiān)測控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”，即SCADA系統(tǒng)。系統(tǒng)還包含了挖泥船平面定位和耙臂位置指示系統(tǒng)。此系統(tǒng)作為一套相對獨立的系統(tǒng)，通過計算機網(wǎng)絡(luò)與SCADA系統(tǒng)產(chǎn)生信息關(guān)聯(lián)。此外，系統(tǒng)還包含輔助決策軟件系統(tǒng)部分。輔助決策軟件負責(zé)對影響施工產(chǎn)量的所有信號進行實時查看及分析，并以直觀的方式顯示給操作人員。輔助決策軟件系統(tǒng)包含實時曲線顯示和歷史數(shù)據(jù)分析兩個部分。系統(tǒng)構(gòu)成的總體框架如圖1所示。系統(tǒng)采集了疏浚過程中幾乎所有的信息，這些信息是計

7、算機輔助疏浚決策系統(tǒng)的根本依據(jù)。為方便起見，本系統(tǒng)共使用了以下5條按系統(tǒng)劃分而不是按位置劃分的總線進行信號采集：1#總線 液壓閘閥監(jiān)控系統(tǒng)；2#總線主機、發(fā)電機監(jiān)測系統(tǒng)；3#總線高壓沖水監(jiān)控系統(tǒng)；4#總線絞車監(jiān)控系統(tǒng)；5#總線泵機監(jiān)控系統(tǒng)。測深系統(tǒng)是一套專用系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過RS232信號傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)上，與其他系統(tǒng)的信號交換亦是通過計算機網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行的。疏浚儀器儀表信號的采集使用就地采集的原則，沒有獨立使用總線系統(tǒng)，但也是SCADA系統(tǒng)中的一個組成部分。本系統(tǒng)沒有對AMS報警系統(tǒng)進行專門處理，僅使用了簡單的報警方式。耙吸挖泥船計算機輔助疏浚決策系統(tǒng)組成方案見圖2所示。圖2計算機輔助疏浚決策系統(tǒng)組

8、成方案圖中，監(jiān)控系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、測深系統(tǒng)、疏浚儀器儀表系統(tǒng)是報表、分析系統(tǒng)的信號基礎(chǔ)及分析結(jié)果的反饋系統(tǒng)，實時曲線的顯示極大地方便了操作人員在施工過程中對作業(yè)參數(shù)的動態(tài)調(diào)整。監(jiān)控系統(tǒng)和疏浚儀器儀表系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，提供了信號的來源，是控制系統(tǒng)、分析系統(tǒng)的保障。分析系統(tǒng)是此系統(tǒng)的核心內(nèi)容，提出了相關(guān)的疏浚理念及分析曲線，提示了分析結(jié)果，是輔助決策系統(tǒng)最重要的部分。定位系統(tǒng)是船舶施工中最主要的監(jiān)測系統(tǒng)，對土質(zhì)的劃分、對輔助決策結(jié)果的反饋都是通過定位系統(tǒng)來實現(xiàn)的。實時曲線的顯示能夠方便的使船上人員實現(xiàn)參數(shù)的調(diào)整和試挖過程，減少試挖時間，以最快的速度產(chǎn)生疏浚工藝分析數(shù)據(jù)。（二） 系統(tǒng)配置耙吸挖泥船

9、計算機輔助疏浚決策系統(tǒng)由相應(yīng)硬件和軟件配置而成，主要有：定位系統(tǒng)：一套耙臂位置指示系統(tǒng)：一套測深系統(tǒng)：一套疏浚儀器儀表系統(tǒng)：一套監(jiān)控系統(tǒng)：一套操作系統(tǒng)： Windows98 /Windows2000工況監(jiān)測軟件報警系統(tǒng)軟件定位系統(tǒng)軟件后臺處理分析軟件實時曲線顯示軟件數(shù)據(jù)庫軟件測深軟件（三） 軟硬件實施方案硬件主要包含傳感器、總線控制器、計算機網(wǎng)絡(luò)、標準外部設(shè)備。本系統(tǒng)具有大量的傳感器和總線控制器、1、 現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)本監(jiān)測系統(tǒng)有駕駛室監(jiān)測子系統(tǒng)、泵艙集控室監(jiān)測子系統(tǒng)、主機艙集控室監(jiān)測子系統(tǒng)構(gòu)成。另外，還在船長室與輪機長室設(shè)置計算機顯示屏分別顯示相應(yīng)的設(shè)備工作狀態(tài)。l 駕駛室監(jiān)測子系統(tǒng)駕駛室監(jiān)

10、測子系統(tǒng)主要監(jiān)測挖泥船航跡、主機與泥泵機、泥泵運行狀態(tài)、疏浚管道閘閥狀態(tài)、吃水裝載儀等。圖3 駕駛室監(jiān)測子系統(tǒng)構(gòu)成圖監(jiān)測內(nèi)容：（1）挖泥軌跡顯示平面定位、左右耙臂位置、耙頭活動罩角度、挖泥剖面。（2）機艙運行狀態(tài)/泵艙運行狀態(tài)兩臺主機的總排溫、各缸排溫（8個）、油溫、油壓、轉(zhuǎn)速、空壓機壓力。兩臺泵機的總排溫、各缸排溫（6個）、油溫、油壓、轉(zhuǎn)速、泵水壓力、封水泵壓力、空壓機壓力、泥泵轉(zhuǎn)速、泥泵扭矩、滑油壓力。兩臺高壓沖水泵總排溫、水溫、油溫、油壓、轉(zhuǎn)速。（3）吃水狀態(tài)及閘閥狀態(tài)船舶吃水狀態(tài)、裝載量、土方量、進艙和旁通閘閥指示。（4）挖泥操縱控制臺耙臂位置指示裝置、流量、濃度、吸入真空、排出壓力、

11、波浪補償器狀態(tài)與壓力、當(dāng)前各個閘閥的狀態(tài)、耙管絞車的反饋狀態(tài)、電流等信號。l 泵機艙集控室監(jiān)測子系統(tǒng)泵機艙集控室監(jiān)測子系統(tǒng)主要監(jiān)測泵機、泥泵及高壓沖水泵等系統(tǒng)的設(shè)備運轉(zhuǎn)情況，操縱室系統(tǒng)構(gòu)成見圖4。圖4 操縱室系統(tǒng)構(gòu)成圖監(jiān)測內(nèi)容：泵機柴油機的總排溫和各缸排溫、水溫、燃油溫度、燃油壓力，封水泵起停，泥泵的轉(zhuǎn)速、扭矩、滑油壓力。泵機的起動、停止、升速、減速、緊急停止，泥泵離合器合上/脫開狀態(tài)。高壓沖水泵的啟動、停止、升速、減速、緊急停止。各閘閥的開閉狀態(tài)。l 主機艙集控室監(jiān)測子系統(tǒng)主機艙集控室監(jiān)測子系統(tǒng)，主要監(jiān)測主機推進系統(tǒng)與發(fā)電機組等設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況，系統(tǒng)構(gòu)成見圖5。圖5機艙集控室系統(tǒng)構(gòu)成圖監(jiān)測內(nèi)容

12、：主機柴油機的轉(zhuǎn)速、總排溫和各缸排溫、水溫、燃油溫度、滑油壓力；發(fā)電機報警信號；空壓機壓力；主機的啟動、停止、升速、減速、緊急停止狀況。l 濃度計專用模塊濃度計專用模塊負責(zé)采集泥泵吸入的泥漿密度數(shù)據(jù)。由于“航浚1003”輪管徑較小，銫137的半衰期遠大于鈷60，因此密度計可以采用銫137，放射源強度2居里。以往挖泥船密度計的校驗比較復(fù)雜，需專業(yè)人員用特定的鋼板放在放射源的輸出口，然后調(diào)整電位器，反復(fù)幾次后才可確認參數(shù)。一般密度計安裝在泵的出口處，安裝位置較高，人員調(diào)試比較繁瑣?，F(xiàn)為密度計的校驗專門設(shè)計了一種機械裝置。在校驗時，首先將輸泥管內(nèi)充滿清水，操作人員在操縱室按下清水調(diào)整按鈕，由檢測模塊

13、記錄下接收探頭的信號強度。隨后，操作人員按下鋼板調(diào)整按鈕，此時檢測模塊輸出信號帶動安裝在濃度計內(nèi)的小電機，將一塊固定厚度的鋼板加載到放射源的出口，鋼板到位后，由檢測模塊記錄下接收探頭的信號強度。根據(jù)清水輸出的信號強度及一定厚度鋼板輸出的信號強度可用軟件修正其輸出特性曲線。密度計自動校正如圖6所示。 圖6 密度計自動校正安裝密度計自動校正設(shè)備后，操作人員可方便地按時對密度計進行校核。2、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整個船上共配置了10臺計算機，全部在局域網(wǎng)上，其中包含一臺服務(wù)器。其分布為：駕駛臺4臺計算機；泵艙1臺計算機；機艙1臺計算機；船長房間1臺計算機；輪機長房間1臺計算機；計算機房1臺服務(wù)器與1臺工作用

14、的計算機。3、系統(tǒng)的軟件耙吸挖泥船計算機輔助疏浚決策系統(tǒng)的軟件采用VC+6.0語言編寫而成，運行在Windows98/2000操作系統(tǒng)中。該軟件由監(jiān)測、輔助曲線顯示、報表軟件、平面定位軟件、工況分析、計算機尋優(yōu)等主要功能組成，較全面地反映了輔助疏浚決策系統(tǒng)的應(yīng)用要求。（1）系統(tǒng)的工況監(jiān)測主畫面計算機輔助疏浚決策系統(tǒng)主畫面的主要任務(wù)是反映耙吸挖泥船當(dāng)前的疏浚工況，顯示各個疏浚儀器儀表的參數(shù)。為了能正確反映這種狀況，在該畫面的軟件設(shè)計中按照船體設(shè)備分布圖顯示參數(shù)，其中的重要參數(shù)用棒圖的形式顯示。圖7主機監(jiān)測畫面圖8泵機監(jiān)測畫面圖9液壓泥門畫面（2） 輔助曲線畫面輔助曲線畫面主要顯示挖泥船在每個疏浚

15、過程時間段內(nèi)的工作狀態(tài)，界面上共有三條曲線、一個平面位置圖。三條曲線的填充區(qū)域可任意設(shè)置，每個填充區(qū)域可跟隨4條曲線，其方向和時間可以任意設(shè)置。圖10輔助曲線畫面平面位置圖上顯示了每個耙頭疏浚點的產(chǎn)量信息及GPS的定位信息。當(dāng)挖泥船由施工狀態(tài)轉(zhuǎn)為非施工狀態(tài)，系統(tǒng)將當(dāng)前的施工信息保存為文件，供分析軟件使用。（3） 平面定位軟件平面定位軟件比較復(fù)雜，包含了實時的挖泥船定位信息、耙頭定位信息、測深信息、斷面信息，以及決策系統(tǒng)在平面位置上的反映，是一個綜合的軟件系統(tǒng)，也是向挖泥船操作人員提供決策結(jié)果供有效施工參考。其中最重要的是有關(guān)挖泥船定位和耙頭定位的數(shù)據(jù)。圖11平面定位畫面圖12耙臂監(jiān)測畫面（4）

16、工況分析軟件工程分析軟件將對保存的數(shù)據(jù)進行分析，并判斷各個曲線的關(guān)系。圖13歷史曲線分析（5）計算機尋優(yōu)過程將分析的曲線用三次樣條曲線擬合分析得到的曲線，給出邊界參數(shù)的限制值，并使用罰函數(shù)的方法求解方程，獲得最大值或最小值。圖14分析尋優(yōu)畫面五、 系統(tǒng)功能和特點系統(tǒng)綜合應(yīng)用了總線技術(shù)、定位技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件技術(shù)（數(shù)理統(tǒng)計、曲線擬合、模糊控制、高級內(nèi)存處理）等多項高新技術(shù)。實現(xiàn)了平面定位、工況監(jiān)測、實時曲線查看、產(chǎn)量計算及報表輸出、邊界參數(shù)設(shè)置及報警、工程項目圖形回放、泵效顯示、密度預(yù)報、分析曲線顯示及回放、曲線擬合及數(shù)理統(tǒng)計分析、計算機尋優(yōu)等多項功能。在國際疏浚行業(yè)中，首次將耙吸挖泥船

17、的實時施工操作參數(shù)控制與挖掘土質(zhì)建立關(guān)系，通過各種工況條件的試驗，優(yōu)化模型分析尋找目前設(shè)備狀況下不同土質(zhì)的最佳操作控制參數(shù)，在操作顯示屏上標示對應(yīng)土質(zhì)的施工區(qū)域應(yīng)該控制的參數(shù)值，達到輔助疏浚決策的目的。在國際上首次使用經(jīng)濟、實用的多通道測深儀顯示施工區(qū)域當(dāng)前水深，用以指導(dǎo)施工作業(yè)并保證施工平整度。在國內(nèi)首次對耙吸挖泥船耙頭的對地壓力進行分析，尋求切土厚度與高壓沖水、波浪補償器壓力的關(guān)系。在國內(nèi)耙吸挖泥船上首次對耙頭真空進行監(jiān)測，建立挖掘濃度與耙頭真空的關(guān)系，可進行挖掘密度預(yù)報，實現(xiàn)低濃度泥漿排出。首次實現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)采樣與分析，為疏浚工程管理建立了有效的、真實的數(shù)據(jù)庫，對科學(xué)管理和決策提供了有

18、力的依據(jù)。使用了曲線技術(shù)對各個分析曲線進行擬合，實現(xiàn)了軟件系統(tǒng)的自動尋優(yōu)。六、 應(yīng)用效果和前景項目從2002年1月立項開發(fā)，方案的制定、研討、優(yōu)化歷時8個月，至2003年1月基本完成了系統(tǒng)安裝、軟件編制工作。在隨后的工程實施過程中，分步驟對各分系統(tǒng)進行了大量的調(diào)試、完善工作。首先，對涉及施工生產(chǎn)的定位定深系統(tǒng)、工況監(jiān)測系統(tǒng)、安全報警系統(tǒng)進行了調(diào)試完善，然后對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、多通道測深系統(tǒng)、輔助疏浚決策系統(tǒng)進行了調(diào)試完善。航浚1003輪自2003年1月至今，先后實施了秦皇島工程、黃驊港工程、營口工程、汕頭工程和丹東工程。在系統(tǒng)不斷調(diào)試、完善、功能增加的一年多時間中，航浚1003輪的施工質(zhì)量和效率也隨之得到不斷地提高：1、秦皇島工程在平均挖深的情況下，達到了平均超挖深度的水平，且一次通過驗收；2、黃驊港工程租船施工，由于實時工況監(jiān)測系統(tǒng)、安全報警系統(tǒng)、定位