自航耙吸挖泥船疏浚性能评估系统设计

金浩强，苏 贞

（1.中交上航局航道建设有限公司，浙江 宁波 315200；2.江苏科技大学，江苏 镇江 212003）

0 引言

目前疏浚过程中通常有2名船员操纵1艘挖泥船。1名船员辅助挖泥船的驾驶并决定船速，另1名船员控制疏浚与装舱过程。由于疏浚过程受到操作人员的控制策略和干扰条件（如疏浚深度、土壤特性、海底状况） 的影响，需要不断地调整疏浚作业状态。因此，整个疏浚过程的性能在很大程度上取决于挖泥船操作人员的经验和见识。由于缺乏经验或缺少有效的评估方法来判定疏浚性能的优劣，造成施工效率不高、疏浚性能不好的状况。故提出了一种采用干土吨生产率、沙存储率和干土吨质量比3个性能指标，根据产量和时间效率对疏浚性能进行评估的方法。操作人员可针对不同土质条件和不同疏浚装备工况条件的变化，对疏浚性能进行连续评估，并根据评估结果与系统反馈信息采取必要的控制策略，达到挖泥船效率优化的目的。

1 性能评估指标

1.1 干土吨生产率TDSR

干土吨生产率通过考虑时间间隔的历时对疏浚效率予以量化。

式中：ΔTDS为附加干土吨，即给定的时间间隔内干土吨的增量；TDS（t）是t时刻挖泥船干土吨产量；ts和t分别是时间间隔的开始和结束。

1.2 沙储存率SSR

沙储存率对进入泥舱并沉积在泥舱内的沙的相对数量予以量化。

式中：msi是进入泥舱内的质量；mso是因溢流损失而排出的沙的质量；ρi和ρo分别为进入和排出泥舱的混合物的密度；Qi和Qo分别是进入和排出泥舱混合物的流量。其中，进舱密度ρi由进舱密度仪所测得，进舱流量Qi由进舱流量仪测得。ρo、Qo由以下质量平衡方程计算得出：

式中：mt，Vt分别为泥舱装载质量与泥舱装载体积。沙存储率低意味着溢流损失大，表明进舱物流和能量的浪费。沙存储率介于区间 [0，1]之间，并具有2个极限值：SSR=0，进入泥舱的所有混合物全部被排放掉；SSR=1，进入泥舱的所有混合物全部沉积在泥舱内。

1.3 干土吨质量比TMR

干土吨质量比指标是对沙在泥舱内装载程度予以量化。

干土吨质量比有两个极限值：当ρt=ρw时，TMR=0；当 ρt= ρq时，TMR=1。

当疏浚清水时，TMR=0；当疏浚石英时，TMR=1。

2 性能评估方法

耙吸挖泥船疏浚性能评估系统的评估方法见图1。

1） 采用耙吸挖泥船信息采集系统获取疏浚状态各评估指标物理量。从耙吸挖泥船信息采集系统获取的疏浚状态各评估指标物理量包括：装舱质量、装舱体积、进舱流量、进舱密度、耙唇对地角度、泥泵转速、航速、溢流堰高度。

2） 采用计算模块将疏浚状态各评估指标物理量转化成能直接反应疏浚状态的3个性能评估指标，即干土吨生产率TDSR、沙储存率SSR和干土吨质量比TMR。

3） 将性能评估指标进行量化处理。主要对干土吨生产率TDSR按照式（7）在区间 [0，1]之间予以量化。

式中：TDSR*表示性能评估指标量化后的结果；TDSR为干土吨生产率的值；α为干土吨生产率TDSR的下限值；β为干土吨生产率TDSR的上限值。

4） 设定耙吸挖泥船疏浚性能评估指标的权值。使用式（8）作为总体性能的分类指标：

式中：权重b可确定干土吨生产率和沙存储率的相对重要性；10|TMR-c|用于考虑泥舱的装载量。b，c范围在 [0，1]之间。然而，当干土吨质量比TMR变得较小时，10|TMR-c|值将迅速增大，P值将大大下降。P值始终在区间 [0，1]之间，P值越大，表明性能越佳。

5） 根据每个性能评估指标值，结合挖泥船疏浚性能的评估指标的权值，评估挖泥船实时疏浚状态与周期性能优劣。设定耙吸挖泥船疏浚周期总体性能状态评估评语为“最佳”、“好”、“一般”、“差”4种情况。根据对性能评估指标不同的加权值，算得总体性能指标值P，总体性能评估结果按以下规则进行。

当总体性能评估指标值P满足P=m时，耙吸挖泥船总体性能评估结果为“最佳”；当总体性能评估指标值P满足≤P＜m时，耙吸挖泥船总体性能评估结果为“好”；当总体性能评估指标值P满足时，耙吸挖泥船总体性能评估结果为“一般”；当总体性能评估指标值P满足时，耙吸挖泥船总体性能评估结果为“差”。

m为所有周期中总体性能评估指标值P的最大值；n为所有周期中总体性能评估指标值P的最小值。并且随着疏浚数据的不断获取，m，n的值不断更新变化。

6） 评估结果与最佳周期中的施工参数通过信息显示系统反馈给操作人员指导施工。

将评估结果与最佳周期中的施工参数（泥泵转速、航速、活动罩角度、溢流堰高度等）通过显示系统反馈给操作人员。操作人员参考评估结果优化施工，并随着疏浚的继续进行，不断获取设定数据，最佳周期不断更新，最佳周期参数实行滚动优化，使疏浚性能不断趋于最佳。

3 系统组成

耙吸挖泥船疏浚性能评估系统由信息采集系统、信息处理系统和信息显示系统3个部分组成，如图2所示。

3.1 信息采集系统

信息采集系统由1台计程仪、4个船舶吃水压力传感器、2个舱容液位传感器、2台泥浆流量仪、2台密度仪、2个耙唇对地角度传感器、2台转速仪、2个溢流堰高度仪传感器、1个RS232/TCP网关和1个西门子S7-400PLC组成。系统主要用于从耙吸挖泥船挖掘过程中获取疏浚状态各物理量的监测数据；由于计程仪提供232接口，因此计程仪信号直接接入到RS232/TCP网关；船舶吃水压力传感器、舱容液位传感器、泥浆流量仪、密度仪、耙唇对地角度传感器、转速仪以及溢流堰高度仪传感器与疏浚PLC的数据输入端相连，PLC通过OPC接口部件接入网关，完成信息采集过程。

3.2 信息处理系统

信息处理系统由1台高性能的工业控制计算机组成，工业控制计算机由计算模块的输出端依次串接量化模块、权值确定模块和评估模块构成；信息处理系统主要包括：计算模块、量化模块、权值确定模块和评估模块。计算模块：对监测模块获得的疏浚状态物理量的监测数据进行计算，转化成能直接反应疏浚性能的3个指标；量化模块：对直接反应疏浚性能的指标进行量化处理；权值确定模块：设定耙吸挖泥船疏浚性能的3个状态评估指标的权值；评估模块：根据每个性能评估指标值，结合挖泥船疏浚性能的状态评估指标的权值，评估挖泥船实时疏浚状态与周期性能优劣。

3.3 信息显示系统

信息显示系统由交换机串接多个显示器构成。信息显示系统将有3台具有TCP/IP接口的彩色液晶显示器与交换机组成。显示器分别安装在船两翼台和航行台上，进行分布式信息显示，安装时将交换机的输出端分别连接左翼台、航行台和右翼台的输入端。疏浚周期性能评估结果和最佳周期的施工参数通过高性能的工业控制计算机定时向3台具有TCP/IP接口的显示器进行发布，显示内容包括：干土吨生产率、沙存储率、干土吨质量比、总性能评估结果、耙唇对地角度、泥泵转速、航速、溢流堰高度。

在整个信息流程过程中，信号流程为：RS232/TCP网关将RS232信号转换成TCP/IP信号，工业控制计算机上的数据服务中心程序通过计算机网络接收此TCP/IP包，并分解此包得到各传感器原始采集信号，通过滤波、查表、换算等算法对原始采集信号进行处理，得到装舱质量、装舱体积、进舱流量、进舱密度、耙唇对地角度、泥泵转速、航速、溢流堰高度的疏浚信息；数据服务中心程序还将以上信息存储在工业控制计算机硬盘中，并根据这些信息值计算出各评价指标值与总评分；数据服务中心程序将处理完毕的数据向网络发送；显示单元通过各自的TCP/IP接口接收数据服务中心发送的数据，并完成显示界面的实时更新。

4 结语

耙吸挖泥船性能评估系统将挖泥船疏浚系统在线所监测的物理量作为输入，通过公式计算、指标量化与加权获得挖泥船疏浚状态的输出，实现挖泥船实时疏浚状态与周期性能优劣的评估，为挖泥船的有效疏浚及性能改进与提高提供科学依据，为挖泥船安全、高效疏浚提供有效信息，具有重要的工程应用价值。

本文分析了疏浚性能评估方法，并设计了疏浚性能评估系统。通过性能评估系统，操作人员对疏浚情况有更直接更直观的了解，摆脱了过去依赖经验的弊端，能够及时采取更有效的疏浚手段，保证了疏浚效率的高效化。

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