蔣爽 倪福生 錢(qián)麗娜

摘? 要 疏浚技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科融合、實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，單純的課堂教學(xué)很難使學(xué)生獲得對(duì)挖泥船施工過(guò)程的直觀認(rèn)識(shí)和感受，尤其是對(duì)于疏浚技術(shù)和設(shè)備特性理解不夠深刻。通過(guò)絞吸挖泥船模擬器輔助課堂教學(xué)的方式，可以使學(xué)生獲得和實(shí)船基本一致的操作體驗(yàn)，并從教學(xué)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)操作模式和實(shí)驗(yàn)授課模式等方面，探索模擬器應(yīng)用于疏浚教學(xué)的新思路。

關(guān)鍵詞 絞吸挖泥船;模擬器;實(shí)驗(yàn)教學(xué);疏浚技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）20-0113-03

Application Exploration of Cutter Suction Dredger Simulator in

Dredging Experiment Teaching//JIANG Shuang， NI Fusheng， QIAN Lina

Abstract Dredging technology is a multi-disciplinary and practical specialty. It is difficult for students to get the intuitive understanding and feeling of dredger construction process by pure classroom tea-ching. Especially， the understanding for dredging technology and the

equipment characteristics is not deep enough. Through the auxiliary teaching method of the suction dredger simulator， so as to enable stu-

dents to obtain the basic and practical experience of the actual ship， and from teaching objectives， experimental operating mode and ex-perimental teaching mode， explore the simulator used in dredging teaching new ideas.

Key words cutter suction dredger; simulator; experiment teaching; dredging technology

1 引言

以航道疏浚、圍墾疏浚、環(huán)保疏浚、河湖疏浚為主體的疏浚產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)大型港口建設(shè)、深水航道整治、擴(kuò)增土地面積、保障江河湖庫(kù)健康生態(tài)環(huán)境等國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)[1]。絞吸挖泥船因其能夠?qū)崿F(xiàn)泥沙的連續(xù)挖掘與輸送，適應(yīng)范圍廣，使用成本低，是目前疏浚工程中的主力施工船型之一，如近年來(lái)大眾所熟知的“天鯨號(hào)”和近期下水試航的“天鯤號(hào)”均為絞吸式挖泥船，這也是疏浚方向?qū)W生必須要熟悉和了解的主要疏浚裝備之一。

疏浚技術(shù)綜合了流體、機(jī)械、電氣、控制、材料、土力學(xué)等多門(mén)學(xué)科，是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)。而且隨著現(xiàn)代化大型絞吸式挖泥船設(shè)備的日益增多，疏浚作業(yè)過(guò)程日趨復(fù)雜，要在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)挖泥船設(shè)備和疏浚施工技術(shù)建立認(rèn)識(shí)，就需要在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，利用實(shí)船參觀、模擬器實(shí)驗(yàn)等手段加深學(xué)生對(duì)挖泥船的直觀感受。由于實(shí)船參觀所耗費(fèi)的時(shí)間、精力及物力都較大，不適合于人數(shù)眾多、課時(shí)有限的高校教學(xué)。因此，輔助課堂教學(xué)的重點(diǎn)主要放在絞吸挖泥船模擬器實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)方面。

2 挖泥船模擬器發(fā)展概述

絞吸挖泥船模擬器的研發(fā)始于20世紀(jì)90年代。1994年，美國(guó)DACS公司開(kāi)發(fā)出第一個(gè)基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的絞吸挖泥船仿真模擬器，用于對(duì)絞刀挖掘和泥泵輸送過(guò)程進(jìn)行仿真[2]。1997年，荷蘭RBW公司以某艘大型絞吸挖泥船為母船，開(kāi)發(fā)了首次具有虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的挖泥船仿真模擬器，并首次將包括海底地形在內(nèi)的真實(shí)作業(yè)環(huán)境融入模擬器中[3]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，疏浚模擬器開(kāi)始向遠(yuǎn)程化、精細(xì)化和逼真化等方向發(fā)展。2001年，荷蘭TID公司聯(lián)合比利時(shí)DEME公司開(kāi)發(fā)一套遠(yuǎn)程小型疏浚模擬器系統(tǒng)，取消了模擬駕控臺(tái)，增加了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)操作和系統(tǒng)更新的功能，使用更加便捷，疏浚模型的更新速度大大提升[4]。2005年，荷蘭IHC公司為DEME公司研發(fā)了一套大型絞吸挖泥船模擬器，可以進(jìn)行多種船型和多種挖掘、輸送機(jī)具的設(shè)置、仿真，并首次引入疏浚故障中斷系統(tǒng)，大大增強(qiáng)了模擬器的功能和逼真程度[5]。

我國(guó)挖泥船仿真系統(tǒng)的研制起步較晚。2001年，武漢理工大學(xué)和長(zhǎng)江航道局聯(lián)合開(kāi)發(fā)我國(guó)首個(gè)疏浚模擬器“1750疏浚仿真器”，具有與母船相似的控制臺(tái)和虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景[6]。2007年，河海大學(xué)疏浚技術(shù)教育部工程研究中心和天津航道局聯(lián)合研制成功大型絞吸挖泥船施工模擬系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作培訓(xùn)、工藝優(yōu)化和模擬施工等三大功能，可以模擬三種大型絞吸挖泥船、五類（0～15級(jí)）土質(zhì)的疏浚施工情況，給操作者提供了在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、感覺(jué)上真實(shí)體驗(yàn)疏浚施工的操控作業(yè)環(huán)境[7]。2014年，中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心研發(fā)成功大型耙吸船模擬仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)環(huán)境、耙吸船機(jī)設(shè)備、工藝過(guò)程的仿真研究功能。

3 絞吸挖泥船模擬器功能

現(xiàn)代化的絞吸挖泥船模擬器通常都包括駕駛盤(pán)臺(tái)、投影裝置、環(huán)形屏幕、教練員工作站、仿真計(jì)算機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備，通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。根據(jù)絞吸挖泥船的結(jié)構(gòu)、原理、工作流程等特點(diǎn)，對(duì)真實(shí)的施工環(huán)境、過(guò)程進(jìn)行模擬和再現(xiàn)。河海大學(xué)和天津航道局共同研發(fā)的絞吸挖泥船模擬器的實(shí)物照片如圖1所示。

挖泥船模擬系統(tǒng)具有與實(shí)船駕駛臺(tái)相同的狀況和工作特性，指導(dǎo)教師可設(shè)置不同的疏浚船舶，方便地改變白天、夜晚、雨、雪、霧等天氣狀況，還可以連續(xù)改變各類土質(zhì)的相關(guān)參數(shù)和管線條件，從而模擬各種情況下的施工過(guò)程。學(xué)生則通過(guò)操控臺(tái)做出相應(yīng)的操控動(dòng)作和處置，系統(tǒng)的各個(gè)部分如船舶、設(shè)備、儀表、監(jiān)控系統(tǒng)等將實(shí)時(shí)做出響應(yīng)。通過(guò)一系列的實(shí)時(shí)操作、交互，學(xué)生能夠感受到像在真船施工一樣，從而逐步了解絞吸挖泥船的主要結(jié)構(gòu)、組成和性能，挖掘和輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)，熟悉絞吸挖泥船施工環(huán)境、駕駛臺(tái)及各種顯示儀表和監(jiān)控畫(huà)面;掌握絞吸挖泥船基本的施工操作步驟和各種操作的前提條件及邏輯關(guān)系，鍛煉提高操作水平、快速反應(yīng)能力和心理承受力，同時(shí)為學(xué)生對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

4 絞吸挖泥船模擬器實(shí)驗(yàn)方法探索

模擬器教學(xué)實(shí)驗(yàn)不同于基本的認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而是面向?qū)嵈僮?，以提升學(xué)生對(duì)疏浚船舶的認(rèn)知能力和實(shí)踐操作能力為根本目的。因此，在實(shí)驗(yàn)大綱的制訂和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)更加注重對(duì)學(xué)生操作水平的考量，充分利用模擬器自帶的評(píng)分體系對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)判，并且給予學(xué)生自由發(fā)揮的空間。比如對(duì)于感興趣的學(xué)生，可以嘗試黏性土、長(zhǎng)排距、地形劇烈起伏等難度較大的施工工程，還可以在模擬器上人為設(shè)置各類常見(jiàn)故障，從而對(duì)絞吸挖泥船的施工技術(shù)和施工過(guò)程進(jìn)行全面、深入理解。

模擬器實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的? 通過(guò)絞吸挖泥船模擬系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)如下教學(xué)目的：

1）充分直觀地了解絞吸挖泥船的結(jié)構(gòu)、功能和組成;

2）了解模擬器的工作原理、基本構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)方法;

3）熟悉絞吸挖泥船吹水、橫移和泥泵輸送操作等基本施工工藝;

4）掌握絞吸挖泥船泥泵、絞刀、鋼樁臺(tái)車等關(guān)鍵機(jī)具的技術(shù)特性和運(yùn)行原理;

5）培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力、團(tuán)隊(duì)合作能力以及施工過(guò)程的效率意識(shí)。

模擬器實(shí)驗(yàn)操作模式? 絞吸挖泥船模擬器可設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)模式和故障模式兩種。學(xué)生在任一種模式下的每項(xiàng)操作，系統(tǒng)都會(huì)留下記錄，從而作為指導(dǎo)教師進(jìn)行集中講解、情景回放以及對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)估的重要依據(jù)。

1）標(biāo)準(zhǔn)模式（或稱學(xué)習(xí)模式）。指導(dǎo)教師在教練員機(jī)上設(shè)置好土質(zhì)參數(shù)、船型和各設(shè)備性能參數(shù)后，船舶處于備妥狀態(tài);學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（如挖掘一個(gè)臺(tái)車），以最少錯(cuò)誤達(dá)到指導(dǎo)教師規(guī)定的目標(biāo)（產(chǎn)量最大化或穩(wěn)定流速等）為優(yōu)。在該過(guò)程中，學(xué)生可以通過(guò)調(diào)節(jié)橫移速度、絞刀轉(zhuǎn)速、泥泵轉(zhuǎn)速、橋架深度、步進(jìn)距離等各設(shè)備或工藝參數(shù)，在監(jiān)控界面中實(shí)時(shí)直觀地感受到改變所帶來(lái)的設(shè)備狀態(tài)或挖泥產(chǎn)量變化;而一些不當(dāng)?shù)牟僮?，如調(diào)節(jié)過(guò)猛、次序錯(cuò)誤等，則會(huì)引發(fā)報(bào)警，自動(dòng)扣分，從而能夠充分感受到工程施工的嚴(yán)肅性和邏輯性。

2）故障模式（或稱挑戰(zhàn)模式）。在正常疏浚過(guò)程中，指導(dǎo)教師可以通過(guò)教練員機(jī)，模擬出絞吸挖泥船施工過(guò)程中最常見(jiàn)的幾種故障，比如堵管、爆管、糊絞刀等，使學(xué)生突然面對(duì)一些意外情況。此時(shí)，學(xué)生必須通過(guò)冷靜思考，首先根據(jù)儀表狀態(tài)和實(shí)時(shí)曲線，判斷問(wèn)題發(fā)生的原因，然后根據(jù)教師課上所講授的內(nèi)容，找出解決該問(wèn)題的相應(yīng)方法，并逐一操作對(duì)應(yīng)的手柄、按鈕等，排除故障。學(xué)生可以從故障模式中學(xué)習(xí)分析現(xiàn)象、解決問(wèn)題的技巧，收獲和實(shí)船幾乎一致的操作經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)更加深入地體會(huì)疏浚工藝的制定標(biāo)準(zhǔn)及關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。

模擬器實(shí)驗(yàn)授課模式? 在進(jìn)行絞吸挖泥船模擬器實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了達(dá)到比較好的學(xué)習(xí)效果，一般采用分組授課的方式進(jìn)行（每組8～10人），在實(shí)操過(guò)程中注重每個(gè)人的實(shí)際參與。通常在標(biāo)準(zhǔn)模式下單人逐個(gè)操作，每人一個(gè)臺(tái)班。在故障模式下分小組進(jìn)行訓(xùn)練，小組內(nèi)部團(tuán)結(jié)協(xié)作，共同解決問(wèn)題;小組之間則相互比拼，激發(fā)彼此的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。指導(dǎo)教師除了課前對(duì)學(xué)生進(jìn)行統(tǒng)一講解外，在學(xué)生的實(shí)操過(guò)程中更多是扮演觀察者和協(xié)助者的角色。在實(shí)操結(jié)束后，指導(dǎo)教師的角色回歸到評(píng)判者和指導(dǎo)者的角色，對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行綜合評(píng)判和點(diǎn)評(píng)，使其對(duì)實(shí)操過(guò)程中所獲得的經(jīng)驗(yàn)和暴露的不足得到更加充分、深入的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)前，教師進(jìn)行統(tǒng)一講解，如圖2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，成本相對(duì)較低、功能較為完備、沉浸感較好的絞吸挖泥船施工模擬系統(tǒng)對(duì)于增強(qiáng)疏浚方向?qū)W生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，加深對(duì)疏浚技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備機(jī)具的理解，具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)和作用。通過(guò)設(shè)置合理的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和考核辦法，能夠大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和合作、競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。因此，未來(lái)幾年必將有越來(lái)越多高校選擇利用挖泥船模擬器進(jìn)行疏浚方向?qū)W生的培養(yǎng)。同時(shí)，挖泥船模擬器在中交集團(tuán)各大疏浚公司新入職員工的培訓(xùn)乃至駕駛員技術(shù)比武等方面也將起到更為重要的作用?！?/p>

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