朱暉宇

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，耙吸式挖泥船的設(shè)計(jì)與建造正在往大型化、智能化、綠色化的方向發(fā)展。目前各類挖泥船的作業(yè)過程主要依靠駕駛員憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)操作，在現(xiàn)代大型耙吸挖泥船駕駛室中，通常需要船舶駕駛?cè)藛T在繁忙的港口航道進(jìn)行施工時(shí)既要時(shí)刻控制船舶的航行狀態(tài)，又要隨時(shí)發(fā)出疏?？刂浦噶?。操控臺(tái)儀表繁多，長(zhǎng)時(shí)間的手動(dòng)操作容易使駕駛員產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致誤操作、重復(fù)操作的可能性大大增加，而降低施工效率，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成船舶和設(shè)備安全事故。此外，手動(dòng)操作嚴(yán)重依賴駕駛員的經(jīng)驗(yàn)，而駕駛員的操作水平因人而異，優(yōu)秀駕駛員的經(jīng)驗(yàn)更是難以批量復(fù)制和傳承。近年來隨著人口紅利的逐步消失，疏浚工程的用工成本也顯著增加。［1］為此，“一人疏?！备拍钤趪?guó)外首先被提出。隨著人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來耙吸式挖泥船的疏?？刂葡到y(tǒng)已越來越高度集成化，使“一人疏?！背蔀榭赡?。

荷蘭IHC公司在此領(lǐng)域率先進(jìn)行了一系列智能疏浚控制技術(shù)的研究，已開發(fā)出了一套智能疏浚控制系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了“一人疏?！钡墓δ?。由中交上航局投資，振華重工及荷蘭IHC公司設(shè)計(jì)，上海振華啟東船廠建造的2艘耙吸挖泥船——“航浚6008”、“航浚6009”就運(yùn)用了此項(xiàng)技術(shù)，在試航實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，“一人疏?！奔夹g(shù)提高約15%的施工效率。［2］

在國(guó)內(nèi)，中交疏浚工程研究中心、鎮(zhèn)江億華系統(tǒng)集成有限公司等企業(yè)對(duì)“一人疏?！奔夹g(shù)也已開展深入研究，相信在未來十年，該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)逐步成熟，成為市場(chǎng)的主流。

耙吸式挖泥船集挖泥、裝泥和卸泥功能于一身，近年來備受航道部門青睞。其具有自航船的線型與總體外形，具備自載與自卸的能力，適合于海況較為復(fù)雜的海域疏浚；無(wú)需錨泊定位挖掘，適宜遷航，在填海造島以及疏通航道等工程方面具有天然的優(yōu)勢(shì)，尤其適合在黃浦江、長(zhǎng)江等需要不斷遷航的水域發(fā)揮其作用。［3］

1 “一人疏?！奔夹g(shù)研究

要實(shí)現(xiàn)耙吸式挖泥船“一人疏?！钡墓δ?，必須以智能化控制為導(dǎo)向、以集成化控制為目標(biāo)，通過設(shè)置快捷功能宏按鍵、自動(dòng)控制和輔助控制等手段，最終實(shí)現(xiàn)該功能。

按照耙吸式挖泥船疏浚作業(yè)的3個(gè)主要工況分為挖泥、拋泥和吹泥3個(gè)控制流程。擁有“一人疏?！惫δ艿陌椅谀啻{駛室被設(shè)計(jì)成只由一名操作人員來操作，船舶駕駛?cè)藛T同時(shí)控制挖泥船的正常航行和挖泥作業(yè)。耙吸式挖泥船“一鍵式”作業(yè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工手動(dòng)干預(yù)進(jìn)行疏浚作業(yè)系統(tǒng)不同，其在功能性能需求、系統(tǒng)架構(gòu)、軟硬件構(gòu)成和運(yùn)維管理方面存在新的需求?！耙蝗耸杩！奔夹g(shù)研發(fā)前期首先需要針對(duì)耙吸式挖泥船開展“宏按鍵”一鍵式作業(yè)系統(tǒng)功能和性能需求分析，確定功能和性能指標(biāo)；其次在此基礎(chǔ)上研究“一鍵式”作業(yè)系統(tǒng)總體技術(shù)方案，確定系統(tǒng)架構(gòu)和軟硬件構(gòu)成；最后基于總體技術(shù)方案研究運(yùn)維管理技術(shù)。

耙吸式挖泥船“一人疏?！奔夹g(shù)實(shí)際是基于當(dāng)下較為成熟的耙吸式挖泥船疏?？刂葡到y(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，按照耙吸式挖泥船疏浚作業(yè)的3個(gè)主要工況分為挖泥、拋泥和吹泥3個(gè)主要控制流程，將控制操作分解并封裝成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的宏按鍵控制器，對(duì)整個(gè)疏浚作業(yè)流程進(jìn)行“一鍵式”控制。這些宏按鍵控制器安裝在航行臺(tái)宏按鈕觸摸屏和便攜式移動(dòng)控制板上。一般情況下，駕駛?cè)藛T將主要專注于船舶航行，只在疏浚作業(yè)開始時(shí)或需要干預(yù)時(shí)，按下控制臺(tái)上的宏按鈕進(jìn)行操作。這些宏按鈕替代了傳統(tǒng)的疏浚指令，具體的挖泥操作則交由全自動(dòng)化疏浚系統(tǒng)去完成，實(shí)現(xiàn)挖泥、拋泥和吹泥三種疏浚作業(yè)模式的全自動(dòng)控制。在環(huán)境良好的空曠施工水域，挖泥船的航行也可以通過船舶動(dòng)力定位與動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)（DP/DT Dynamic Positioning/Dynamic Tracking）實(shí)施，船員只需監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)狀態(tài)即可，大大減少了船員的工作強(qiáng)度，并避免人為因素對(duì)施工效率的影響，保證了船舶長(zhǎng)時(shí)間施工的效率和安全。

2 “一人疏?！毕到y(tǒng)構(gòu)成

2.1 “一人疏?！毕到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

耙吸挖泥船“一人疏?！钡氖杩？刂葡到y(tǒng)是基于工業(yè)控制以太網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、智能儀器儀表技術(shù)、現(xiàn)代疏浚技術(shù)的集成化監(jiān)視與控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)總體上分為三層結(jié)構(gòu)形式：底層為硬連線與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，中間層為工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，上層為信息管理網(wǎng)。而疏浚自動(dòng)控制功能高度集成了疏浚船舶的各種作業(yè)工況的自動(dòng)控制程序及安全保護(hù)功能，采用雙冗余PLC進(jìn)行分布式I/O采集和控制輸出，所有的邏輯程序均在PLC底層處理，可以達(dá)到穩(wěn)定可靠、響應(yīng)及時(shí)的要求。該系統(tǒng)的控制器、算法及自動(dòng)控制程序都完全獨(dú)立于手動(dòng)控制系統(tǒng)。全自動(dòng)系統(tǒng)通過自動(dòng)控制PLC以TCP/IP方式通訊，實(shí)現(xiàn)與手動(dòng)控制系統(tǒng)I/O物理共享和控制參數(shù)同步。

2.2 “一人疏?！毕到y(tǒng)硬件構(gòu)成

“一人疏浚”系統(tǒng)硬件部分主要由下列設(shè)備組成：

（1）安裝在航行控制臺(tái)上的“一人疏?！焙臧粹o操作屏，用于船舶航行時(shí)，駕駛?cè)藛T在駕駛船舶的同時(shí)進(jìn)行疏浚作業(yè)的操作；

（2）疏?？刂婆_(tái)，全套可手動(dòng)操作的疏?？刂葡到y(tǒng)；

（3） 全自動(dòng)疏浚PLC柜，用于運(yùn)行全自動(dòng)疏?？刂瞥绦?；

（4）疏浚工藝優(yōu)化服務(wù)器，用于挖泥工藝優(yōu)化決策；

（5）全自動(dòng)SCADA服務(wù)器，用于參數(shù)設(shè)置和全自動(dòng)過程監(jiān)視；

（6）便攜式移動(dòng)控制板等。

3 “一人疏?！毕到y(tǒng)功能概述

耙吸式挖泥船有別于一般船舶，該船型會(huì)搭載一些重型疏浚設(shè)備，如泥泵及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高壓沖水泵及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、耙頭、溢流筒、耙管系統(tǒng)、封水泵系統(tǒng)、耙頭耙臂絞車等。因此耙吸挖泥船全自動(dòng)疏浚系統(tǒng)受控對(duì)象多，工藝復(fù)雜，一般采用主流程、控制器和宏按鈕相結(jié)合的控制方式，將耙吸挖泥船全部疏浚過程按作業(yè)方式拆分為挖泥、拋泥、吹泥3個(gè)主流程，每個(gè)主流程根據(jù)船舶作業(yè)需要調(diào)用多個(gè)疏浚設(shè)備子系統(tǒng)全自動(dòng)控制器進(jìn)行疏浚控制，最后操作人員通過宏按鈕完成全自動(dòng)疏浚，實(shí)現(xiàn)駕駛室“一人疏?！弊鳂I(yè)。在應(yīng)用形式方面采用完全獨(dú)立的設(shè)計(jì)原則，確保全自動(dòng)疏浚系統(tǒng)與手動(dòng)系統(tǒng)的物理隔離。

挖泥、拋泥和吹泥3個(gè)主流程的控制對(duì)象多有重疊，控制器功能集成時(shí)需要考慮不同主流程的個(gè)性化控制需求和接口需求：首先根據(jù)3個(gè)主流程的控制需求確定每個(gè)主流程需要調(diào)用的控制器和調(diào)用時(shí)機(jī)，然后針對(duì)不同主流程的調(diào)用需求設(shè)置控制器的輸入輸出接口。圖1為3個(gè)作業(yè)工況具體的宏控制器設(shè)置情況。

圖1 一人疏浚宏控制器設(shè)置

本系統(tǒng)的核心是通過自動(dòng)耙臂順序控制系統(tǒng)調(diào)用自動(dòng)耙管絞車、自動(dòng)泥泵控制系統(tǒng)、自動(dòng)耙唇控制系統(tǒng)、航速自動(dòng)控制系統(tǒng)等系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)“一人疏浚”。

4 “一人疏浚”系統(tǒng)主要控制器功能介紹

4.1 耙臂絞車自動(dòng)控制器

本控制器僅使用在耙頭到達(dá)設(shè)定深度，且被激活的情況下，通過控制耙管絞車和波浪補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)耙頭的定深控制。同時(shí)，通過檢測(cè)調(diào)整耙管間夾角、耙管與船體距離來保障設(shè)備和船體的安全。根據(jù)不同水深，可自動(dòng)調(diào)整耙管姿態(tài)以提高挖泥效率。

4.2 耙臂順序控制器

開始放耙時(shí)，所有耙臂吊架在吊架角度、限位開關(guān)和角度測(cè)量的保護(hù)下自動(dòng)收放，所有耙臂絞車實(shí)現(xiàn)耙臂預(yù)設(shè)角度的自動(dòng)升降。這些操作會(huì)由疏浚控制系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行。該功能可為耙臂放出的操作過程節(jié)約大量時(shí)間。

4.3 挖泥航速自動(dòng)控制器

該系統(tǒng)允許船舶挖泥作業(yè)情況下自動(dòng)保持一定的挖泥航速，并對(duì)耙頭拖曳阻力和諸如風(fēng)、浪、流產(chǎn)生的其他阻力進(jìn)行補(bǔ)償，且通過基于模型的控制進(jìn)行推進(jìn)功率分配。

4.4 自動(dòng)吃水控制器

自動(dòng)裝載吃水控制器僅在挖泥裝艙過程中起作用，通過估算的裝艙時(shí)間來尋找裝艙效率最高點(diǎn)，改變可調(diào)節(jié)溢流筒的位置以及環(huán)保閥位置連續(xù)地控制耙吸式挖泥船的吃水。該系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)吃水變化輸出裝艙停止命令以防吃水超限，保障船舶施工及航行安全。

4.5 自動(dòng)耙頭控制器

耙吸挖泥船挖泥作業(yè)過程中，自動(dòng)耙頭控制功能是在保證設(shè)備安全下使主動(dòng)耙頭本體和耙唇按設(shè)定狀態(tài)保持對(duì)地角度，以維持穩(wěn)定的破土能力和較高的施工效率。在特定的情況下，耙唇可切削較厚的泥層。該系統(tǒng)通過對(duì)耙唇油缸收放控制實(shí)現(xiàn)以上功能。

4.6 自動(dòng)濃度排放控制器

耙吸挖泥船挖泥作業(yè)過程中，自動(dòng)濃度排放控制系統(tǒng)通過檢查泥漿流速及密度，控制“進(jìn)艙閘閥”和“旁通閘閥”的組合動(dòng)作來選擇合適的泥漿進(jìn)艙或者旁通排出舷外時(shí)間。

4.7 自動(dòng)高壓沖水泵控制器

在自動(dòng)高壓沖水控制器的作用下能有效地減少板結(jié)泥塊留艙的幾率，自動(dòng)高壓沖水控制器在拋泥流程下的主要目的是提高拋泥效率，減少船舶拋泥時(shí)間，提高船舶生產(chǎn)效率。［4］

4.8 疏浚管系閘閥自動(dòng)控制器

疏浚管系閘閥自動(dòng)控制系統(tǒng)用于耙吸挖泥船挖泥、拋泥及排岸模式下疏浚閘閥的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)通過接收自動(dòng)耙吸疏浚系統(tǒng)的命令，預(yù)設(shè)置閘閥開閉狀態(tài)和在施工過程中開閉閘閥。

4.9 自動(dòng)泥泵控制器

自動(dòng)泥泵控制系統(tǒng)用于耙吸挖泥船排岸模式下泥泵的自動(dòng)控制，該系統(tǒng)控制泥泵轉(zhuǎn)速，使吹填時(shí)的流速穩(wěn)定在實(shí)用流速。控制器可根據(jù)船舶當(dāng)前航行位置、富裕水深、航速、船體姿態(tài)情況，自動(dòng)完成拋泥作業(yè)。操作人員可以通過控制器設(shè)置界面配置控制器是否啟用，當(dāng)使用一鍵拋泥功能時(shí)，該控制器必須處于開啟狀態(tài)。自動(dòng)泥泵控制系統(tǒng)與自動(dòng)耙唇控制系統(tǒng)兩者協(xié)同運(yùn)行，可以使泥泵工作在“流速/產(chǎn)量曲線”的最優(yōu)位置，進(jìn)而使泥泵工作在高效區(qū)間。

4.10 自動(dòng)泥門控制器

自動(dòng)泥門控制系統(tǒng)僅在耙吸挖泥船拋泥作業(yè)起作用，自動(dòng)泥門控制器用于支持泥門分組自動(dòng)動(dòng)作?？刂破麽槍?duì)不同土質(zhì)建立抽艙門自動(dòng)控制規(guī)則，在保證艏吹安全的情況下按照自動(dòng)控制規(guī)則控制抽艙門開閉，無(wú)需人工干預(yù)，控制過程中平衡輸送流速和輸送密度，以提高船舶施工效率。

4.11 自動(dòng)抽艙門控制器

自動(dòng)抽艙門控制系統(tǒng)用于耙吸挖泥船排岸模式下抽艙門的自動(dòng)控制。在保證艏吹安全的情況（流速控制在設(shè)定流速）下控制抽艙門，盡可能提高輸送密度，以提高船舶施工效率。

5 “一人疏?！笨刂婆_(tái)的布置

“一人疏?！笨刂婆_(tái)需要滿足各船級(jí)社關(guān)于“一人橋樓”的基本要求。從技術(shù)上來說，單個(gè)駕駛員航行值班作為唯一觀察瞭望者在駕駛室內(nèi)操作船舶是完全可行的，但必須保證駕駛員在駕駛位置上有足夠大的視野進(jìn)行瞭望，所以駕駛室的設(shè)計(jì)和布置、所裝設(shè)備的范圍、性能和可靠性對(duì)駕駛室單人操作的安全性具有極大的影響。［5］

在耙吸挖泥船的“一人橋樓”駕駛室的控制臺(tái)需要基于人體工程學(xué)進(jìn)行控制臺(tái)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須確保值班人員在任何時(shí)候都可以很方便地獲取航行信息和進(jìn)行駕駛操作，滿足智能“一人疏浚”需求。船舶操作人員通過控制臺(tái)可以單獨(dú)并安全地執(zhí)行各類必要航行與疏浚的操作。

“一人疏?！笨刂婆_(tái)劃分為駕駛區(qū)與作業(yè)區(qū)，根據(jù)實(shí)際使用與安全駕駛的需求，將控制臺(tái)分為4個(gè)區(qū)域：

（1）手邊區(qū)域

主要是航行操作控制設(shè)備，包括舵機(jī)及操舵控制、值班應(yīng)答等，此位置離船舶操作員最近，人員能輕易觸及并操作設(shè)備。

（2）伸手可及區(qū)域

主要是航行和疏?？刂茀^(qū)域，包括主推進(jìn)控制器、側(cè)推控制器、“一人疏浚”宏按鈕操作屏、動(dòng)力定位控制站及電話等，船舶操作員在座位上張開雙臂便能操作該區(qū)域的設(shè)備。

（3）容易觸及區(qū)域

主要是輔助設(shè)備控制區(qū)域，包括雷達(dá)鍵盤、VHF電話、應(yīng)急車鐘、廣播遙控站、應(yīng)急停止操作等，船舶操作員起身伸出手臂便可以操作該區(qū)域的設(shè)備。

（4）方便接近區(qū)域

這個(gè)區(qū)域主要進(jìn)行不常用的操作、安全操作和緊急控制，包括外燈控制板、航行燈信號(hào)燈控制板、霧笛控制、雨雪清除器控制、水密門控制、羅經(jīng)復(fù)示器等，操作員需離開座位方能進(jìn)行操作。

6 結(jié) 語(yǔ)

近年來，國(guó)內(nèi)疏浚市場(chǎng)日趨飽和，市場(chǎng)需求總體下滑，疏浚行業(yè)需要進(jìn)行以科學(xué)技術(shù)為先導(dǎo)的升級(jí)轉(zhuǎn)型，逐漸淘汰落后技術(shù)。疏浚業(yè)是跨學(xué)科、集成并依賴多行業(yè)技術(shù)而持續(xù)創(chuàng)新進(jìn)步的行業(yè)，涉及工程、裝備制造等多領(lǐng)域，技術(shù)體系復(fù)雜，涉及大量數(shù)據(jù)和流程。面對(duì)信息與智能技術(shù)所帶來的巨大變革，疏浚行業(yè)需要主動(dòng)擁抱新技術(shù)，融入時(shí)代潮流。［6］

疏浚行業(yè)新一輪的發(fā)展方向?qū)⑹蔷G色化、智能化?！耙蝗耸杩！奔夹g(shù)以及未來的“智能疏?！奔夹g(shù)將隨著技術(shù)的發(fā)展成為必然趨勢(shì)。目前“一人疏浚”技術(shù)確實(shí)提高了耙吸式挖泥船的工作效率，減輕了疏浚操作人員的工作負(fù)擔(dān)，但此項(xiàng)技術(shù)尚未完全成熟，還有極大的發(fā)展空間，特別在疏浚自動(dòng)控制邏輯方面。這就需要各船東、專業(yè)廠商、設(shè)計(jì)院等各方相互配合，對(duì)當(dāng)下耙吸式挖泥船的作業(yè)情況進(jìn)行記錄與分析，進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的積累，開發(fā)出一套更為精準(zhǔn)、高效的算法邏輯。相信不久的將來，“一人疏浚”技術(shù)將成為市場(chǎng)的主流，徹底改變傳統(tǒng)的疏浚方式，寫下新的篇章。