耙吸挖泥船計(jì)算機(jī)輔助疏浚決策系統(tǒng)簡介

1、課題組一、 立項(xiàng)背景近年來，隨著計(jì)算機(jī)、傳感器、自動(dòng)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(jì)算機(jī)都可以獲得來自各系統(tǒng)的信息，并可以對所有系統(tǒng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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(jìn)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(jìn)的技術(shù)對現(xiàn)有挖泥船進(jìn)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(gè)疏浚過程的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研制與開發(fā)。本項(xiàng)目在借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，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(jì)算機(jī)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(yàn)進(jìn)行施工的不足，確保挖泥船的產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)最大化，這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用在國內(nèi)外均屬首創(chuàng)。本項(xiàng)目列入了國家十五重大技術(shù)裝備研制項(xiàng)目“挖泥船自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備及高效耐用機(jī)具研制”專題科技攻關(guān)計(jì)劃中，也被中港集團(tuán)列為2002年度重點(diǎn)技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目。二、 開發(fā)目標(biāo)1、進(jìn)入新工地，通過短時(shí)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(bǔ)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(shí)時(shí)對主機(jī)、泥泵的柴油機(jī)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(bǔ)償器、閘閥、高壓沖水、挖深等主要挖泥設(shè)備工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測。4、為了保證挖泥船在安全前提下達(dá)到高產(chǎn)低耗，系統(tǒng)必須具有邊界條件的自動(dòng)預(yù)警、報(bào)警功能。5、實(shí)時(shí)顯示設(shè)計(jì)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(dá)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(bào)警系統(tǒng)，對實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行采

5、集，通過各種參數(shù)組合的試挖，由計(jì)算機(jī)對施工參數(shù)進(jìn)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(dá)到輔助疏浚決策的目的。同時(shí)，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(dòng)進(jìn)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(shí)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(jì)算機(jī)總線技術(shù)和軟件技術(shù)將數(shù)據(jù)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，同時(shí)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(jìn)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(jī)系統(tǒng)；主機(jī)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(dú)立的系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)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(fù)責(zé)對影響施工產(chǎn)量的所有信號進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)曲線顯示和歷史數(shù)據(jù)分析兩個(gè)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(jì)

7、算機(jī)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(jìn)行信號采集：1#總線 液壓閘閥監(jiān)控系統(tǒng)；2#總線主機(jī)、發(fā)電機(jī)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(jī)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?jì)算機(jī)系統(tǒng)上，與其他系統(tǒng)的信號交換亦是通過計(jì)算機(jī)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(dú)立使用總線系統(tǒng)，但也是SCADA系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分。本系統(tǒng)沒有對AMS報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行專門處理，僅使用了簡單的報(bào)警方式。耙吸挖泥船計(jì)算機(jī)輔助疏浚決策系統(tǒng)組成方案見圖2所示。圖2計(jì)算機(jī)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(bào)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(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)整。監(jiān)控系統(tǒng)和疏浚儀器儀表系統(tǒng)是整個(gè)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(shí)現(xiàn)的。實(shí)時(shí)曲線的顯示能夠方便的使船上人員實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)整和試挖過程，減少試挖時(shí)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(jì)算機(jī)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(bào)警系統(tǒng)軟件定位系統(tǒng)軟件后臺處理分析軟件實(shí)時(shí)曲線顯示軟件數(shù)據(jù)庫軟件測深軟件（三） 軟硬件實(shí)施方案硬件主要包含傳感器、總線控制器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)準(zhǔn)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(jī)艙集控室監(jiān)測子系統(tǒng)構(gòu)成。另外，還在船長室與輪機(jī)長室設(shè)置計(jì)算機(jī)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(jī)與泥泵機(jī)、泥泵運(yùn)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(dòng)罩角度、挖泥剖面。（2）機(jī)艙運(yùn)行狀態(tài)/泵艙運(yùn)行狀態(tài)兩臺主機(jī)的總排溫、各缸排溫（8個(gè)）、油溫、油壓、轉(zhuǎn)速、空壓機(jī)壓力。兩臺泵機(jī)的總排溫、各缸排溫（6個(gè)）、油溫、油壓、轉(zhuǎn)速、泵水壓力、封水泵壓力、空壓機(jī)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(jìn)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(bǔ)償器狀態(tài)與壓力、當(dāng)前各個(gè)閘閥的狀態(tài)、耙管絞車的反饋狀態(tài)、電流等信號。l 泵機(jī)艙集控室監(jiān)測子系統(tǒng)泵機(jī)艙集控室監(jiān)測子系統(tǒng)主要監(jiān)測泵機(jī)、泥泵及高壓沖水泵等系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)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(jī)柴油機(jī)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(jī)的起動(dòng)、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(dòng)、停止、升速、減速、緊急停止。各閘閥的開閉狀態(tài)。l 主機(jī)艙集控室監(jiān)測子系統(tǒng)主機(jī)艙集控室監(jiān)測子系統(tǒng)，主要監(jiān)測主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)組等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，系統(tǒng)構(gòu)成見圖5。圖5機(jī)艙集控室系統(tǒng)構(gòu)成圖監(jiān)測內(nèi)容

12、：主機(jī)柴油機(jī)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(jī)報(bào)警信號；空壓機(jī)壓力；主機(jī)的啟動(dòng)、停止、升速、減速、緊急停止?fàn)顩r。l 濃度計(jì)專用模塊濃度計(jì)專用模塊負(fù)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(yuǎn)大于鈷60，因此密度計(jì)可以采用銫137，放射源強(qiáng)度2居里。以往挖泥船密度計(jì)的校驗(yàn)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(rèn)參數(shù)。一般密度計(jì)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(jì)的校驗(yàn)專門設(shè)計(jì)了一種機(jī)械裝置。在校驗(yàn)時(shí)，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(qiáng)度。隨后，操作人員按下鋼板調(diào)整按鈕，此時(shí)檢測模塊輸出信號帶動(dòng)安裝在濃度計(jì)內(nèi)的小電機(jī)，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(qiáng)度。根據(jù)清水輸出的信號強(qiáng)度及一定厚度鋼板輸出的信號強(qiáng)度可用軟件修正其輸出特性曲線。密度計(jì)自動(dòng)校正如圖6所示。 圖6 密度計(jì)自動(dòng)校正安裝密度計(jì)自動(dòng)校正設(shè)備后，操作人員可方便地按時(shí)對密度計(jì)進(jìn)行校核。2、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整個(gè)船上共配置了10臺計(jì)算機(jī)，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(jì)算機(jī)；泵艙1臺計(jì)算機(jī)；機(jī)艙1臺計(jì)算機(jī)；船長房間1臺計(jì)算機(jī)；輪機(jī)長房間1臺計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)房1臺服務(wù)器與1臺工作用

14、的計(jì)算機(jī)。3、系統(tǒng)的軟件耙吸挖泥船計(jì)算機(jī)輔助疏浚決策系統(tǒng)的軟件采用VC+6.0語言編寫而成，運(yùn)行在Windows98/2000操作系統(tǒng)中。該軟件由監(jiān)測、輔助曲線顯示、報(bào)表軟件、平面定位軟件、工況分析、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(gè)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(jì)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(jī)監(jiān)測畫面圖8泵機(jī)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(gè)疏浚

15、過程時(shí)間段內(nèi)的工作狀態(tài)，界面上共有三條曲線、一個(gè)平面位置圖。三條曲線的填充區(qū)域可任意設(shè)置，每個(gè)填充區(qū)域可跟隨4條曲線，其方向和時(shí)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(gè)耙頭疏浚點(diǎn)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(shí)時(shí)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(gè)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(jìn)行分析，并判斷各個(gè)曲線的關(guān)系。圖13歷史曲線分析（5）計(jì)算機(jī)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(diǎn)系統(tǒng)綜合應(yīng)用了總線技術(shù)、定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件技術(shù)（數(shù)理統(tǒng)計(jì)、曲線擬合、模糊控制、高級內(nèi)存處理）等多項(xiàng)高新技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了平面定位、工況監(jiān)測、實(shí)時(shí)曲線查看、產(chǎn)量計(jì)算及報(bào)表輸出、邊界參數(shù)設(shè)置及報(bào)警、工程項(xiàng)目圖形回放、泵效顯示、密度預(yù)報(bào)、分析曲線顯示及回放、曲線擬合及數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、計(jì)算機(jī)尋優(yōu)等多項(xiàng)功能。在國際疏浚行業(yè)中，首次將耙吸挖泥船

17、的實(shí)時(shí)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(yàn)，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(biāo)示對應(yīng)土質(zhì)的施工區(qū)域應(yīng)該控制的參數(shù)值，達(dá)到輔助疏浚決策的目的。在國際上首次使用經(jīng)濟(jì)、實(shí)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(jìn)行分析，尋求切土厚度與高壓沖水、波浪補(bǔ)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(jìn)行監(jiān)測，建立挖掘濃度與耙頭真空的關(guān)系，可進(jìn)行挖掘密度預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)低濃度泥漿排出。首次實(shí)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(shí)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(gè)分析曲線進(jìn)行擬合，實(shí)現(xiàn)了軟件系統(tǒng)的自動(dòng)尋優(yōu)。六、 應(yīng)用效果和前景項(xiàng)目從2002年1月立項(xiàng)開發(fā)，方案的制定、研討、優(yōu)化歷時(shí)8個(gè)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(shí)施過程中，分步驟對各分系統(tǒng)進(jìn)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(bào)警系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行了調(diào)試完善。航浚1003輪自2003年1月至今，先后實(shí)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(shí)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(dá)到了平均超挖深度的水平，且一次通過驗(yàn)收；2、黃驊港工程租船施工，由于實(shí)時(shí)工況監(jiān)測系統(tǒng)、安全報(bào)警系統(tǒng)、定位