金浩強(qiáng)，蘇 貞

（1.中交上航局航道建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

目前疏浚過程中通常有2名船員操縱1艘挖泥船。1名船員輔助挖泥船的駕駛并決定船速，另1名船員控制疏浚與裝艙過程。由于疏浚過程受到操作人員的控制策略和干擾條件（如疏浚深度、土壤特性、海底狀況） 的影響，需要不斷地調(diào)整疏浚作業(yè)狀態(tài)。因此，整個(gè)疏浚過程的性能在很大程度上取決于挖泥船操作人員的經(jīng)驗(yàn)和見識(shí)。由于缺乏經(jīng)驗(yàn)或缺少有效的評(píng)估方法來判定疏浚性能的優(yōu)劣，造成施工效率不高、疏浚性能不好的狀況。故提出了一種采用干土噸生產(chǎn)率、沙存儲(chǔ)率和干土噸質(zhì)量比3個(gè)性能指標(biāo)，根據(jù)產(chǎn)量和時(shí)間效率對(duì)疏浚性能進(jìn)行評(píng)估的方法。操作人員可針對(duì)不同土質(zhì)條件和不同疏浚裝備工況條件的變化，對(duì)疏浚性能進(jìn)行連續(xù)評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果與系統(tǒng)反饋信息采取必要的控制策略，達(dá)到挖泥船效率優(yōu)化的目的。

1 性能評(píng)估指標(biāo)

1.1 干土噸生產(chǎn)率TDSR

干土噸生產(chǎn)率通過考慮時(shí)間間隔的歷時(shí)對(duì)疏浚效率予以量化。

式中：ΔTDS為附加干土噸，即給定的時(shí)間間隔內(nèi)干土噸的增量；TDS（t）是t時(shí)刻挖泥船干土噸產(chǎn)量；ts和t分別是時(shí)間間隔的開始和結(jié)束。

1.2 沙儲(chǔ)存率SSR

沙儲(chǔ)存率對(duì)進(jìn)入泥艙并沉積在泥艙內(nèi)的沙的相對(duì)數(shù)量予以量化。

式中：msi是進(jìn)入泥艙內(nèi)的質(zhì)量；mso是因溢流損失而排出的沙的質(zhì)量；ρi和ρo分別為進(jìn)入和排出泥艙的混合物的密度；Qi和Qo分別是進(jìn)入和排出泥艙混合物的流量。其中，進(jìn)艙密度ρi由進(jìn)艙密度儀所測得，進(jìn)艙流量Qi由進(jìn)艙流量儀測得。ρo、Qo由以下質(zhì)量平衡方程計(jì)算得出：

式中：mt，Vt分別為泥艙裝載質(zhì)量與泥艙裝載體積。沙存儲(chǔ)率低意味著溢流損失大，表明進(jìn)艙物流和能量的浪費(fèi)。沙存儲(chǔ)率介于區(qū)間 [0，1]之間，并具有2個(gè)極限值：SSR=0，進(jìn)入泥艙的所有混合物全部被排放掉；SSR=1，進(jìn)入泥艙的所有混合物全部沉積在泥艙內(nèi)。

1.3 干土噸質(zhì)量比TMR

干土噸質(zhì)量比指標(biāo)是對(duì)沙在泥艙內(nèi)裝載程度予以量化。

干土噸質(zhì)量比有兩個(gè)極限值：當(dāng)ρt=ρw時(shí)，TMR=0；當(dāng) ρt= ρq時(shí)，TMR=1。

當(dāng)疏浚清水時(shí)，TMR=0；當(dāng)疏浚石英時(shí)，TMR=1。

2 性能評(píng)估方法

耙吸挖泥船疏浚性能評(píng)估系統(tǒng)的評(píng)估方法見圖1。

1） 采用耙吸挖泥船信息采集系統(tǒng)獲取疏浚狀態(tài)各評(píng)估指標(biāo)物理量。從耙吸挖泥船信息采集系統(tǒng)獲取的疏浚狀態(tài)各評(píng)估指標(biāo)物理量包括：裝艙質(zhì)量、裝艙體積、進(jìn)艙流量、進(jìn)艙密度、耙唇對(duì)地角度、泥泵轉(zhuǎn)速、航速、溢流堰高度。

2） 采用計(jì)算模塊將疏浚狀態(tài)各評(píng)估指標(biāo)物理量轉(zhuǎn)化成能直接反應(yīng)疏浚狀態(tài)的3個(gè)性能評(píng)估指標(biāo)，即干土噸生產(chǎn)率TDSR、沙儲(chǔ)存率SSR和干土噸質(zhì)量比TMR。

3） 將性能評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行量化處理。主要對(duì)干土噸生產(chǎn)率TDSR按照式（7）在區(qū)間 [0，1]之間予以量化。

式中：TDSR*表示性能評(píng)估指標(biāo)量化后的結(jié)果；TDSR為干土噸生產(chǎn)率的值；α為干土噸生產(chǎn)率TDSR的下限值；β為干土噸生產(chǎn)率TDSR的上限值。

4） 設(shè)定耙吸挖泥船疏浚性能評(píng)估指標(biāo)的權(quán)值。使用式（8）作為總體性能的分類指標(biāo)：

式中：權(quán)重b可確定干土噸生產(chǎn)率和沙存儲(chǔ)率的相對(duì)重要性；10|TMR-c|用于考慮泥艙的裝載量。b，c范圍在 [0，1]之間。然而，當(dāng)干土噸質(zhì)量比TMR變得較小時(shí)，10|TMR-c|值將迅速增大，P值將大大下降。P值始終在區(qū)間 [0，1]之間，P值越大，表明性能越佳。

5） 根據(jù)每個(gè)性能評(píng)估指標(biāo)值，結(jié)合挖泥船疏浚性能的評(píng)估指標(biāo)的權(quán)值，評(píng)估挖泥船實(shí)時(shí)疏浚狀態(tài)與周期性能優(yōu)劣。設(shè)定耙吸挖泥船疏浚周期總體性能狀態(tài)評(píng)估評(píng)語為“最佳”、“好”、“一般”、“差”4種情況。根據(jù)對(duì)性能評(píng)估指標(biāo)不同的加權(quán)值，算得總體性能指標(biāo)值P，總體性能評(píng)估結(jié)果按以下規(guī)則進(jìn)行。

當(dāng)總體性能評(píng)估指標(biāo)值P滿足P=m時(shí)，耙吸挖泥船總體性能評(píng)估結(jié)果為“最佳”；當(dāng)總體性能評(píng)估指標(biāo)值P滿足≤P＜m時(shí)，耙吸挖泥船總體性能評(píng)估結(jié)果為“好”；當(dāng)總體性能評(píng)估指標(biāo)值P滿足時(shí)，耙吸挖泥船總體性能評(píng)估結(jié)果為“一般”；當(dāng)總體性能評(píng)估指標(biāo)值P滿足時(shí)，耙吸挖泥船總體性能評(píng)估結(jié)果為“差”。

m為所有周期中總體性能評(píng)估指標(biāo)值P的最大值；n為所有周期中總體性能評(píng)估指標(biāo)值P的最小值。并且隨著疏浚數(shù)據(jù)的不斷獲取，m，n的值不斷更新變化。

6） 評(píng)估結(jié)果與最佳周期中的施工參數(shù)通過信息顯示系統(tǒng)反饋給操作人員指導(dǎo)施工。

將評(píng)估結(jié)果與最佳周期中的施工參數(shù)（泥泵轉(zhuǎn)速、航速、活動(dòng)罩角度、溢流堰高度等）通過顯示系統(tǒng)反饋給操作人員。操作人員參考評(píng)估結(jié)果優(yōu)化施工，并隨著疏浚的繼續(xù)進(jìn)行，不斷獲取設(shè)定數(shù)據(jù)，最佳周期不斷更新，最佳周期參數(shù)實(shí)行滾動(dòng)優(yōu)化，使疏浚性能不斷趨于最佳。

3 系統(tǒng)組成

耙吸挖泥船疏浚性能評(píng)估系統(tǒng)由信息采集系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)和信息顯示系統(tǒng)3個(gè)部分組成，如圖2所示。

3.1 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)由1臺(tái)計(jì)程儀、4個(gè)船舶吃水壓力傳感器、2個(gè)艙容液位傳感器、2臺(tái)泥漿流量儀、2臺(tái)密度儀、2個(gè)耙唇對(duì)地角度傳感器、2臺(tái)轉(zhuǎn)速儀、2個(gè)溢流堰高度儀傳感器、1個(gè)RS232/TCP網(wǎng)關(guān)和1個(gè)西門子S7-400PLC組成。系統(tǒng)主要用于從耙吸挖泥船挖掘過程中獲取疏浚狀態(tài)各物理量的監(jiān)測數(shù)據(jù)；由于計(jì)程儀提供232接口，因此計(jì)程儀信號(hào)直接接入到RS232/TCP網(wǎng)關(guān)；船舶吃水壓力傳感器、艙容液位傳感器、泥漿流量儀、密度儀、耙唇對(duì)地角度傳感器、轉(zhuǎn)速儀以及溢流堰高度儀傳感器與疏浚PLC的數(shù)據(jù)輸入端相連，PLC通過OPC接口部件接入網(wǎng)關(guān)，完成信息采集過程。

3.2 信息處理系統(tǒng)

信息處理系統(tǒng)由1臺(tái)高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)由計(jì)算模塊的輸出端依次串接量化模塊、權(quán)值確定模塊和評(píng)估模塊構(gòu)成；信息處理系統(tǒng)主要包括：計(jì)算模塊、量化模塊、權(quán)值確定模塊和評(píng)估模塊。計(jì)算模塊：對(duì)監(jiān)測模塊獲得的疏浚狀態(tài)物理量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)化成能直接反應(yīng)疏浚性能的3個(gè)指標(biāo)；量化模塊：對(duì)直接反應(yīng)疏浚性能的指標(biāo)進(jìn)行量化處理；權(quán)值確定模塊：設(shè)定耙吸挖泥船疏浚性能的3個(gè)狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)值；評(píng)估模塊：根據(jù)每個(gè)性能評(píng)估指標(biāo)值，結(jié)合挖泥船疏浚性能的狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)值，評(píng)估挖泥船實(shí)時(shí)疏浚狀態(tài)與周期性能優(yōu)劣。

3.3 信息顯示系統(tǒng)

信息顯示系統(tǒng)由交換機(jī)串接多個(gè)顯示器構(gòu)成。信息顯示系統(tǒng)將有3臺(tái)具有TCP/IP接口的彩色液晶顯示器與交換機(jī)組成。顯示器分別安裝在船兩翼臺(tái)和航行臺(tái)上，進(jìn)行分布式信息顯示，安裝時(shí)將交換機(jī)的輸出端分別連接左翼臺(tái)、航行臺(tái)和右翼臺(tái)的輸入端。疏浚周期性能評(píng)估結(jié)果和最佳周期的施工參數(shù)通過高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)定時(shí)向3臺(tái)具有TCP/IP接口的顯示器進(jìn)行發(fā)布，顯示內(nèi)容包括：干土噸生產(chǎn)率、沙存儲(chǔ)率、干土噸質(zhì)量比、總性能評(píng)估結(jié)果、耙唇對(duì)地角度、泥泵轉(zhuǎn)速、航速、溢流堰高度。

在整個(gè)信息流程過程中，信號(hào)流程為：RS232/TCP網(wǎng)關(guān)將RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換成TCP/IP信號(hào)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)服務(wù)中心程序通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接收此TCP/IP包，并分解此包得到各傳感器原始采集信號(hào)，通過濾波、查表、換算等算法對(duì)原始采集信號(hào)進(jìn)行處理，得到裝艙質(zhì)量、裝艙體積、進(jìn)艙流量、進(jìn)艙密度、耙唇對(duì)地角度、泥泵轉(zhuǎn)速、航速、溢流堰高度的疏浚信息；數(shù)據(jù)服務(wù)中心程序還將以上信息存儲(chǔ)在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)硬盤中，并根據(jù)這些信息值計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)值與總評(píng)分；數(shù)據(jù)服務(wù)中心程序?qū)⑻幚硗戤叺臄?shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送；顯示單元通過各自的TCP/IP接口接收數(shù)據(jù)服務(wù)中心發(fā)送的數(shù)據(jù)，并完成顯示界面的實(shí)時(shí)更新。

4 結(jié)語

耙吸挖泥船性能評(píng)估系統(tǒng)將挖泥船疏浚系統(tǒng)在線所監(jiān)測的物理量作為輸入，通過公式計(jì)算、指標(biāo)量化與加權(quán)獲得挖泥船疏浚狀態(tài)的輸出，實(shí)現(xiàn)挖泥船實(shí)時(shí)疏浚狀態(tài)與周期性能優(yōu)劣的評(píng)估，為挖泥船的有效疏浚及性能改進(jìn)與提高提供科學(xué)依據(jù)，為挖泥船安全、高效疏浚提供有效信息，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

本文分析了疏浚性能評(píng)估方法，并設(shè)計(jì)了疏浚性能評(píng)估系統(tǒng)。通過性能評(píng)估系統(tǒng)，操作人員對(duì)疏浚情況有更直接更直觀的了解，擺脫了過去依賴經(jīng)驗(yàn)的弊端，能夠及時(shí)采取更有效的疏浚手段，保證了疏浚效率的高效化。

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