智能疏浚新时代与我国疏浚行业的可持续发展

田俊峰，俞孟蕻，钱献国

（1．中国交通建设集团有限公司，北京 100086；2．江苏科技大学，江苏 镇江 212003；3．中国疏浚协会，北京 100028）

1 新世纪以来我国疏浚行业的技术创新

1.1 数字化技术促进疏浚行业的快速发展

新世纪以来，通过引进、借鉴和自主创新，采用疏浚技术与信息技术融合发展的技术路线，挖泥船信息技术研究与应用取得突破。通过采用现场总线技术、网络技术、通信技术、自动控制技术和计算机技术等，彻底取代了传统的模拟显控、信息孤立、操控分散的模式，实现了从依靠模拟技术的仪器仪表到数字化系统的跨越，具有数字化、网络化、信息化及部分智能化特点[1]。20年来，中交疏浚信息化的实施状况可以佐证上述发展变化。

2001年，中国交通建设集团承担了国家“十五”重大技术装备研制攻关项目，开发了“疏浚计算机辅助决策系统”，开创了我国挖泥船作业的数字化时代。2006年，该监控系统首次升级为“综合集成监控平台”，进一步将船舶航行、动力管理、挖掘机具、吸排泥系统等分平台进行综合集成，实现了船舶平台和疏浚作业平台的数字化和信息化。2009年，研制了“挖泥船施工远程数据传输与工艺指导系统”、“挖泥船精确与高效疏浚控制系统”等，实现了疏浚监控系统的第二次升级，提升了疏浚船舶的船岸协同能力。2011年，研制成功“耙吸挖泥船动力定位和动态跟踪系统”，实现了疏浚监控系统的第三次升级，拓展了耙吸挖泥船的作业能力。2017年，首次集成了自动挖泥控制、自动泥泵控制、能效管理、大数据分析[2]和疏浚三维土质建模等功能，实现了疏浚过程的局部智能优化。

1.2 挖泥船信息技术研究应用的突破

挖泥船信息技术走自主创新发展道路，助力了我国疏浚技术由简单粗放到国际先进的转变，具备了实施远海岛礁、外海搜救、重要海运通道安全保障等深远海工程的技术能力。

20世纪，中国疏浚行业核心技术受制于人，关键装备主要依赖进口，没有形成现代化的民族疏浚产业。90年代中后期，建造了几艘小型挖泥船，探索了老旧船舶的升级改造，疏浚系统主要采用模拟式仪器仪表和分立式电气控制，信息化程度很低。2002年开始引进“新海龙”、“万顷沙”等具有数字化、信息化技术的挖泥船，2010年，中外合作成功建造了“天鲸”号，2016年引进了深度信息化的“浚洋1号”。随着“十五”重装项目的完成，从2003年开始，我国自主设计建造了以“4011轮”、“新海虎轮”、“通程轮”、“天鲸号”为代表的一批耙吸和绞吸挖泥船，大型挖泥船建造与应用进入了快速发展期[3]。

挖泥船集成控制系统是挖泥船的大脑，其发展可概括为3个阶段。第一代计算机网络系统（2005年），主要特点是基于工作站，数据采集分散，系统维护门槛高，可靠性低。第二代计算机网络系统（2010年），基于服务器，可靠性高，冗余度高，全信息共享。第三代计算机网络系统（2015年），云处理架构、无服务器、嵌入式控制，维护简单，冗余度更高[4]。

挖泥船信息技术研究应用的典型系统及功能分析：

1）水下三维轨迹系统。采用船舶航迹优化、自动识别和虚拟现实、计算机软件等技术，综合多波束测深仪、GPS、MRU、电罗经等传感器采集的信息，开发了水下定位、跟踪、测深三维可视作业辅助系统，实现了作业和土质的三维显示，提高了生产作业效率和施工精度。

2）耙臂绞车自动化系统。由耙管绞车控制器、疏浚轨迹监测系统、疏浚深度预测控制器构成，实现自动定深挖泥控制。

3）能量管理系统。自动对负载设备功率进行分配和调节，保证主机功率在各个工况下得到充分利用，实现自动降耗和安全作业。

4）船舶机舱监测报警系统。通过分布在全船各部位的传感器、报警处理单元、延伸报警等设备，构建了船舶机舱信息快速采集、处理、分析、存储与三维可视化报警等服务体系。

5）动力定位动态跟踪DP/DT系统。完成DP/DT模式下的动力定位扇形艏喷、动力定位艏吹、动态跟踪挖泥、动态跟踪抛泥、定点往复挖泥等特定作业能力。

6）挖泥船疏浚辅助决策系统。基于船舶模型、管线模型、泥舱模型等，对疏浚性能连续评估并采取必要的控制策略，实现疏浚过程和生产效率的自动优化[5]。

7）远程管理系统。主要包括船舶位置智能监控、船舶生产日报、船机监控及施工状态、海况气象播报、短消息、水深数据管理、潮位数据管理、系统管理等，为施工作业、综合分析管理提供了完善的信息渠道。

8）耙吸船全自动疏浚技术系统。采用智能控制和智能感知技术实现了耙吸挖泥船挖泥、抛泥、吹泥等整船级的全自动疏浚控制。

9）自主研制大型泥泵。实现挖泥船“心脏”部件的数字化创造。

10）自主研制大型耙头。实现耙吸船水下“挖掘机械手”的数字化创造。

目前，中交疏浚（集团）股份有限公司已发展成为世界第一大疏浚企业，耙吸船总舱容量和绞吸船总装机功率均排名世界第一，旗下有中交天津航道局有限公司、中交上海航道局有限公司、中交广州航道局有限公司。据不完全统计，近20年来，新建舱容在4 200～18 000 m3的大型耙吸挖泥船14艘，新建生产率为2 000～4 500 m3/h的大型绞吸挖泥船40多艘。

1.3 数字化在工程管理中的推广应用

数字化技术在疏浚工程管理中也得到全面推广应用，其基本特点是工程管理的数字化、网络化实施，它有效推进了疏浚工程的应用效率和管理水平。

主要的典型应用见表1。

表1 数字化在工程管理中的推广应用Table 1 Popularization and application of digitalization in engineering management

1.4 典型工程应用及对经济社会作用

疏浚技术和疏浚船舶建造技术取得的成果，在远海和沿海港口等国家大型工程建设中发挥了巨大作用，满足了我国“十五”到“十三五”持续高速发展时期大批港口、航道及吹填造地等交通运输基础设施建设需要。同时，还实施了一批海外重点工程。疏浚数字化、信息化促进了我国高技术船舶制造行业和疏浚行业技术进步，培养了一大批高水平疏浚设备研究、设计和开发人才，颁布了一批国际标准[6]、国家标准和行业标准，形成了核心领域的发明专利、软件著作权、软件产品和高水平学术论文，获得了国家级科技进步和技术发明奖项。

2 疏浚行业可持续发展面临的挑战

2.1 全球可持续发展背景下疏浚行业的新机遇与新挑战

推动全球可持续发展，其根本动力在于新一轮科技革命，新科技的变革为疏浚行业转型与创新提出新挑战，也提供了长期发展的环境条件。近年来，荷兰IHC公司在疏浚技术的多个领域保持领先，通过数字化和信息化的技术积累，正向智能化方向迈进。德国在大功率推进技术、电力驱动技术方面保持领先，疏浚机具设计制造具有优势。荷兰、比利时四大国际疏浚公司数字化、信息化技术普遍应用，长期占领国际高端市场的主要份额。我国疏浚行业在经历了近20年的黄金增长期后，面临着市场需求应变滞后、环保标准亟待提高、质量效率不很稳定、产业基础尚存短板、国际化能力需要补强等方面的发展瓶颈，要适应海内外高端市场业务需求，必将面对挑战与转型，通过新科技革命突破关键技术。

2.2 智能科技将成为世界新技术革命的新引擎

近年来，机器学习技术的进步带来人工智能领域的革命，深度学习技术是人工智能领域颠覆性创新，大数据成为人工智能持续快速发展的基石，基于网络的群体智能技术和自主智能系统成为新兴发展方向，人机协同正在催生新型混合智能形态。

新一代人工智能已被美国、英国、德国、日本等多国政府提升至“新一轮科技革命的核心技术”。我国国务院2017年7月发布了《新一代人工智能发展规划》。“大智号智能示范船”列入2017中国智能制造十大科技进展。新技术、新产业、新业态、新模式层出不穷，低碳化、信息化、智能化已成为未来发展的重要方向，体现为广泛性、体系性和深刻性。新一代智能制造进一步彰显数字化、网络化、智能化制造等特征。抓住人工智能，就是抓住新一轮信息技术革命的重心，就能助力经济发展新超越。

2.3 人工智能技术为疏浚突破高质量发展提供了“良方”

人工智能技术是新一轮疏浚技术实现高质量发展的方向，它利用传感器、通信、物联网、互联网、计算机、自动控制和大数据处理分析等技术实现疏浚工程智能化、疏浚能耗智能化、疏浚控制智能化、疏浚设备智能化[7]。主要表现为：

1）智能船体。对船体相关数据进行自动采集与监测，提供船舶操纵辅助决策[8]。

2）智能航行。通过大数据分析对作业航路和航速进行设计和优化。

3）智能机舱。可对主机、辅机、推进系统等设备的运行状态和健康状况进行分析和评估，制定相应的维护策略。

4）智能能效。对船舶航行及作业状态、耗能状况等进行在线监测，通过大数据分析进行船舶能效的评估及优化。

5）智能作业。通过疏浚土质智能感知，建立疏浚区域土质模型，寻求疏浚最佳作业参数的自适应，实现疏浚过程的自主分析与决策[9]。

6）智能平台。它是数据的统一集成平台，能支持智能航行、智能机舱、智能能效管理等智能系统数据的需求，具备开放性和船岸实时数据交互，以实现对船舶的监控与智能化管理。

疏浚行业的创新发展就是要解决绿色智能挖泥船的系列关键技术，可概括为绿色智能疏浚船舶总体设计技术、基于云技术的疏浚智能信息平台技术、智能感知技术、浚/驾一体化自动驾驶技术、智能疏浚作业技术、设备运维与生命周期综合保障智能技术、绿色智能疏浚船舶仿真验证评估技术、绿色智能大型挖泥船示范应用技术等方面。人工智能技术必将催生绿色智能挖泥船的软硬件策略。“硬件”策略的关键是智能疏浚船舶、智能机具、智能系统、智能疏浚共性技术平台、数据体与数据链、模块等。“软件”策略的关键是推动和保障疏浚行业向服务复杂工况工程、深水深海工程、水环境生态修复工程进军。

3 中国疏浚新一代核心技术的基本方位

3.1 培育和发展新一代绿色智能疏浚技术体系

培育和发展绿色智能疏浚技术体系是支撑中国疏浚可持续发展的技术基础，它的主要任务：一是引领、推进中国疏浚向绿色、中高端产业转型升级，加速构建我国新型疏浚以及海工装备研发制造产业链，推动中国制造创新发展；二是把握新技术革命战略机遇，加快提升中国疏浚创新能力和核心竞争力；三是主动适应“一带一路”及国际化战略要求，支持全行业全球化经营，满足国际高端市场需求；四是带动行业协同能力建设，支撑疏浚行业为我国水环境生态及更大范围的环境修复与保护发挥基础性作用；五是构建绿色、开放、共享、协作的智能疏浚产业生态。

智能化是提升中国疏浚创新能力和核心竞争力的关键。它的基本标志是超常生产能力、超自适应能力、超机动性能、超级智能化和超级环保标准。基本能力是感知与认知能力、深度学习能力、思考与判断能力、自主决策能力、记忆与自我完善能力、系统协同能力。因此，其主要技术方案可概括为智能船舶共性技术、智能化设备与智能疏浚工程勘测监测技术、智能疏浚装备专项技术、智能疏浚作业平台技术和智能疏浚标准及技术体系指南研究与制定。

3.2 推动新一代疏浚技术及装备研制与应用

2018年，中国交通建设集团已对智能疏浚立项研究，总体目标是：研究并确定新一代环保智能疏浚、海洋工程装备基础平台的定义、主要特征、基本指标体系与关键技术，形成研发总体方案控制性计划；研究以环保、高效为主线，以智能疏浚技术为主体的相关关键技术，掌握新一代疏浚及海洋工程的核心技术，构建绿色疏浚和智能疏浚技术体系基础。主要研究内容如图1所示。

图1 智能疏浚主要研究内容Fig.1 Main research contents of intelligent dredging

研发设计多种船型（如耙吸、绞吸、抓斗）适应全球新市场需求，以绿色化与智能化为核心技术支撑及基本特征，国际领先的疏浚工程装备；研究并制定新一代疏浚装备的技术标准体系框架；带动或促进新材料、智能挖泥机具及配套设施的技术进步；培育支撑行业可持续发展的智能疏浚技术研发创新团队和产业联盟，积极建设覆盖行业、服务多方、开放合作、自主创新的技术平台。

4 结语

中国交通建设集团联合相关单位通过20多年的引进消化吸收和再创新，在超大型挖泥船整船研发设计与建造、超大型高效泥泵、挖掘珊瑚礁及硬质黏土和密实砂等不同土质的系列疏浚机具、高效综合自动化疏浚控制系统等方面取得重大突破，整体技术水平国际先进。绿色智能挖泥船和疏浚装备是未来发展趋势，将成为国内外交通基础设施领域新的研究热点，多学科新技术的交叉集成应用发展迅速，人工智能将有力推进疏浚行业进入新时代。组织有效的集成创新体系和产业链深度合作将是智能疏浚技术发展的要因。生态智能疏浚装备及关联系统技术体系复杂，为了对生态智能疏浚装备的技术内涵、技术发展和产业化途径有科学的掌握和规划，有必要先开展系统预研和试点应用，为疏浚装备的技术提升提供重要支撑。