仇文峰，黎富強，丁琪

（中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

深層水泥攪拌船（以下簡稱DCM船）主要用于水下地基處理，其利用水泥作為主要固化劑，通過本船的深層混合處理機在海基深部將軟土和固化劑強制拌合，水泥的水解和水化反應所產(chǎn)生的化合物通過與土顆粒發(fā)生離子交換和固化作用，形成具有整體性和一定強度的柱狀體，柱狀體與其間的土共同支撐荷載，形成復合地基[1]。DCM工法廣泛應用于海洋地基加固，具有工期短、地基強度高、綠色環(huán)保、施工質量可靠的優(yōu)點。DCM船是集合工程船舶、流體運輸、錨泊定位、水泥漿攪拌、水泥漿注入系統(tǒng)、智能化施工管理系統(tǒng)、船舶動態(tài)調傾系統(tǒng)、起重機等技術于一體的高技術、高附加值重大技術裝備。深層水泥攪拌船施工管理系統(tǒng)是高度集成控制系統(tǒng)，是DCM船的控制中心，實現(xiàn)施工工藝參數(shù)設置、施工設計文件管理、施工過程控制、平面定位與顯示、施工數(shù)據(jù)存儲、施工報表等功能。掌握具有自主知識產(chǎn)權的DCM船施工管理系統(tǒng)的核心技術，形成DCM船施工管理系統(tǒng)自主研發(fā)制造是國家發(fā)展高端智能化裝備制造的目標[2]。

1 系統(tǒng)分析與設計

1.1 總體框架

DCM船施工管理系統(tǒng)是一套集成化的網(wǎng)絡系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中網(wǎng)絡構成分為2層：現(xiàn)場控制網(wǎng)絡、工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)。實現(xiàn)了集成控制系統(tǒng)的安全高速運行和信息共享、DCM船施工管理系統(tǒng)完成對整個施工過程的監(jiān)測與控制，實現(xiàn)各個分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享、功能集成、聯(lián)動控制等，過程控制安全、方便、可靠。

網(wǎng)絡拓撲圖見圖1。

圖1 網(wǎng)絡拓撲圖Fig.1 Network topology

1.2 硬件設計

DCM船施工管理系統(tǒng)在總體設計時首先結合船舶結構、主要施工機具的功能和監(jiān)控需求，確定主要硬件包括計算機及網(wǎng)絡系統(tǒng)、控制臺柜、傳感器、電源系統(tǒng)。

1.2.1 計算機及網(wǎng)絡系統(tǒng)

DCM船施工管理系統(tǒng)設置了底層和頂層2層網(wǎng)絡，采用2個完全獨立的網(wǎng)絡。頂層服務器、工作站之間使用TCP/IP網(wǎng)絡連接，底層PLC主站與各從站之間使用PROFIBUS總線連接。為保證通信的實時性和網(wǎng)絡安全穩(wěn)定，集成系統(tǒng)與移船定位系統(tǒng)、處理機控制系統(tǒng)之間通過總線協(xié)議轉換器實現(xiàn)相連[3]。

DCM船施工管理系統(tǒng)共設置3套PLC，分別為集成自動控制PLC、處理機控制PLC、船舶調載/移船控制PLC。用于控制處理機、移船絞車、調載系統(tǒng)、水泥漿輸送泵、液壓閥門等，并采集絞車編碼器、處理機傳感器、液位傳感器等信號。

1.2.2 控制臺柜

駕駛室施工控制臺位于駕駛室前部，長約6 m，曲尺形整體布局，是人機交互的主要設備。系統(tǒng)設計原則為重要的設備和實施操作的設備在臺上設置手柄、按鈕、帶燈按鈕，直接與PLC交互，其余設備的控制由觸摸屏實現(xiàn)，后者需要通過服務器與PLC實現(xiàn)通信。施工管理系統(tǒng)、平面定位系統(tǒng)、制漿管理系統(tǒng)、船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)均安裝在內。

1.2.3 傳感器及儀器儀表

DCM船施工管理系統(tǒng)傳感器包括各子系統(tǒng)設備自帶傳感器、變頻驅動系統(tǒng)各類傳感器，如處理機系統(tǒng)自帶傳感器、升降負荷傳感器、船舶吃水傳感器、船舶縱橫傾傳感器、鋼索長度傳感器等。系統(tǒng)還需配置潮位接收儀、DGPS差分全球定位儀、錨位數(shù)據(jù)傳輸電臺、水深測深儀等儀器儀表。

1.2.4 電源系統(tǒng)

DCM船施工管理系統(tǒng)配置1套20 kVA的UPS（AC220 V）不間斷電源及隔離變壓器，隔離變壓器用來將三相三線制線電壓AC380 V轉換為三相四線制相電壓AC220 V提供給UPS。為計算機、網(wǎng)絡系統(tǒng)及PLC系統(tǒng)的開關電源提供不間斷電源?，F(xiàn)場PLC的外圍端口電路直流電源由充放電板提供。

1.3 軟件設計

DCM施工管理信息系統(tǒng)使用成熟的軟件基礎架構，主要包括2部分：平面定位系統(tǒng)和施工自動控制系統(tǒng)。

1.3.1 平面定位系統(tǒng)

平面定位系統(tǒng)用于DCM船施工在線實時應用以及工程管理人員的辦公應用。

平面定位系統(tǒng)將給施工作業(yè)人員提供船舶在施工背景圖、水深電子地圖或DTM（數(shù)字地形模型）電子地圖上的船位實時更新。該系統(tǒng)也能記錄所有相關數(shù)據(jù)且能遠距離實時顯示同樣的施工數(shù)據(jù)和圖像[4]。

平面定位系統(tǒng)在甲板上安裝一臺RTK-GPS，在駕駛室頂安裝另一臺RTK-GPS。動態(tài)定位精度為3～5 cm，RTK-GPS的實時修正數(shù)據(jù)來源于業(yè)主管理局的岸基RTK-GPS數(shù)據(jù)鏈，實時載波相位差分頻率為450～470 MHz。

處理機旋轉翼的深度測量主要通過升降絞車編碼器獲得，深度的基準由船舶吃水傳感器、潮位遙報儀實時修正。

定位系統(tǒng)的最終目的是對處理機插入泥面的點精確定位，這就要求結合處理機管樁的傾角將RTK-GPS的位置折算到泥面插入點，同時為了保證插入后管樁始終垂直，需要在處理機、樁架上分別安裝雙軸傾斜儀，精度為0.01°。0.01°在40 m（最大處理深度）長度上產(chǎn)生的平面誤差為6.9 mm，完全滿足平面定位精度要求。

1.3.2 施工自動控制系統(tǒng)

施工自動控制系統(tǒng)總體功能主要包括施工工藝參數(shù)設置、處理機絞車自動控制、處理機攪拌翼自動控制、泥漿泵自動控制、抱樁器自動控制、潤滑系統(tǒng)自動控制、施工流程自動控制、施工報表等功能。該系統(tǒng)可實現(xiàn)雙處理機單機單獨手動施工、雙機聯(lián)動手動施工、單機單獨自動施工、雙機聯(lián)動自動施工等多種施工模式。在施工過程中還可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，自適應調整施工參數(shù)、精準控制，以此滿足業(yè)主對水泥攪拌次數(shù)、水泥注入量的要求，實現(xiàn)施工管理的智能化。整船實現(xiàn)了水泥漿制備、移船、攪拌、噴漿、設備清洗等施工工序的全自動化。DCM船施工管理系統(tǒng)的使用保證了DCM船對海底地基處理定位和垂直度的高精度控制以及關系到成樁質量的水泥攪拌和注入系統(tǒng)的高精度控制[5]。

2 系統(tǒng)關鍵技術

2.1 全自動施工過程控制功能

DCM船施工管理系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了施工過程的全自動控制，還可以根據(jù)算法實現(xiàn)多種施工設備運行參數(shù)的動態(tài)調整，使所有施工設備形成一個整體，以此達到水泥攪拌次數(shù)精確控制以及水泥注入量精確計算的要求[6]。超越了國外同類船舶在施工過程中僅可以單獨設備自動控制的技術。全自動施工過程流程圖如圖2所示。

2.2 雙機聯(lián)動控制功能

日本的DCM船只有1臺處理機，施工效率低；韓國的DCM船雖然有3臺處理機，但韓國DCM船配置有3個單獨的操縱臺，需要多人進行操作。本DCM船施工管理系統(tǒng)具有雙處理機聯(lián)動功能，只需1名操作人員即可手動或全自動控制施工過程，既提高了施工效率又節(jié)約了人工成本。在聯(lián)動模式下2臺處理機同時受控于1號處理機控制裝置或控制軟件進行自動施工。1號處理機固定管泥漿泵、攪拌翼泥漿泵、攪拌翼、升降絞車相關控制按鈕按下后，2號處理機自動執(zhí)行相同動作，相關按鈕同時點亮。若2號處理機相關按鈕未同步點亮，則相關設備未備妥或故障，系統(tǒng)報警，故障排除后方可繼續(xù)執(zhí)行聯(lián)動模式。

2.3 先進的布樁設計功能

圖2 全自動施工過程流程圖Fig.2 Automatic construction process flow chart

DCM船施工管理系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場施工樁的布置情況按照矩形或扇形等進行批量生成，也可以按照一定的規(guī)律進行自定義生成，具有較強的靈活性。

打樁計劃自動生成模式：選擇起始樁、結束樁、順序模式，自動生成打樁計劃線。如圖3所示，選擇O點為起點，A點為終點，順序模式可選擇圖中模式①與模式②。選擇B點為終點，順序模式可選擇圖中模式③與模式④。

圖3 自動繪制打樁計劃線Fig.3 Automatic piling plan line

打樁計劃手動生成模式：在屏幕上手動點擊繪制打樁計劃線，依次點擊O、A、B、C、…、I點，右鍵結束選擇，則打樁計劃線手動繪制完成。

2.4 三維施工實時界面

三維施工實時界面運用土質勘察資料和精確定位技術，將水下三維土質模型嵌入打樁軌跡與剖面顯示系統(tǒng)，利用船舶位置精確測量設備、船舶航向測量設備、成樁位置監(jiān)測裝置等及相關軟件，實現(xiàn)了成樁位置和處理土質的實時三維動態(tài)顯示，并將潮位實時推算方法應用于處理深度實時動態(tài)控制，提高了成樁控制精度，減少了資源浪費。

3 系統(tǒng)應用

DCM船施工管理系統(tǒng)在中交海建的DCOC01和DCOC02實船安裝。DCOC01船在香港機場第三跑道工程中緊張有序的施工，通過近2 a的施工，該系統(tǒng)的性能優(yōu)點逐步展現(xiàn)，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）在成樁定位時，DCM船施工管理系統(tǒng)的抱樁器自動控制功能保證了成樁垂直精度，此為該船舶獨具特點，成樁表現(xiàn)優(yōu)于現(xiàn)場同類船舶。

2）通過DCM船施工管理系統(tǒng)優(yōu)化控制，施工過程中具有切削能力強、攪拌更均勻等特點，在貫入硬質土體時速度均勻，主要參數(shù)無明顯跳躍，較現(xiàn)場其他船舶，地質適應性更強[7]。

3）DCM船施工管理系統(tǒng)具有語音提示功能以及提供全自動、半自動和純手動3種模式的選擇，面對各種工況適應力強。

4）DCM船施工管理系統(tǒng)具有PID流量可調功能，水泥輸送泵吸入口遇到水泥顆粒，流量不足時，系統(tǒng)會自動調節(jié)泵轉速，維持設定流量，當仍然不能滿足施工要求時，系統(tǒng)會顯示數(shù)據(jù)異常，進行報警，保證設備安全和施工質量[8]。

DCOC01打樁報表如圖4所示。

圖4 DCOC01打樁報表Fig.4 The report of DCOC01 piling construction

4 結語

目前深層水泥攪拌船施工管理系統(tǒng)已在國內自主建造的2艘DCM船上得到安裝與應用，并成為香港機場第三跑道工程主力施工船舶。該系統(tǒng)的成功研制及應用，一舉打破了日、韓等國在該領域的技術壟斷，并填補了國內的空白，同時也代表中國裝備制造首次在這一領域“走出去”參與國際競爭。相信在今后國內外港口、海上機場、海上垃圾堆場等海洋工程中，該系統(tǒng)將發(fā)揮不可替代的作用。