耙吸式挖泥船“一人疏浚”技术介绍

朱晖宇

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

进入21世纪以来，耙吸式挖泥船的设计与建造正在往大型化、智能化、绿色化的方向发展。目前各类挖泥船的作业过程主要依靠驾驶员凭经验进行手动操作，在现代大型耙吸挖泥船驾驶室中，通常需要船舶驾驶人员在繁忙的港口航道进行施工时既要时刻控制船舶的航行状态，又要随时发出疏浚控制指令。操控台仪表繁多，长时间的手动操作容易使驾驶员产生疲劳，导致误操作、重复操作的可能性大大增加，而降低施工效率，严重时甚至可能造成船舶和设备安全事故。此外，手动操作严重依赖驾驶员的经验，而驾驶员的操作水平因人而异，优秀驾驶员的经验更是难以批量复制和传承。近年来随着人口红利的逐步消失，疏浚工程的用工成本也显著增加。［1］为此，“一人疏浚”概念在国外首先被提出。随着人工智能、神经网络、机器学习等高新技术的飞速发展，近年来耙吸式挖泥船的疏浚控制系统已越来越高度集成化，使“一人疏浚”成为可能。

荷兰IHC公司在此领域率先进行了一系列智能疏浚控制技术的研究，已开发出了一套智能疏浚控制系统，初步实现了“一人疏浚”的功能。由中交上航局投资，振华重工及荷兰IHC公司设计，上海振华启东船厂建造的2艘耙吸挖泥船——“航浚6008”、“航浚6009”就运用了此项技术，在试航实验测试中，“一人疏浚”技术提高约15%的施工效率。［2］

在国内，中交疏浚工程研究中心、镇江亿华系统集成有限公司等企业对“一人疏浚”技术也已开展深入研究，相信在未来十年，该项技术将会逐步成熟，成为市场的主流。

耙吸式挖泥船集挖泥、装泥和卸泥功能于一身，近年来备受航道部门青睐。其具有自航船的线型与总体外形，具备自载与自卸的能力，适合于海况较为复杂的海域疏浚；无需锚泊定位挖掘，适宜迁航，在填海造岛以及疏通航道等工程方面具有天然的优势，尤其适合在黄浦江、长江等需要不断迁航的水域发挥其作用。［3］

1 “一人疏浚”技术研究

要实现耙吸式挖泥船“一人疏浚”的功能，必须以智能化控制为导向、以集成化控制为目标，通过设置快捷功能宏按键、自动控制和辅助控制等手段，最终实现该功能。

按照耙吸式挖泥船疏浚作业的3个主要工况分为挖泥、抛泥和吹泥3个控制流程。拥有“一人疏浚”功能的耙吸挖泥船驾驶室被设计成只由一名操作人员来操作，船舶驾驶人员同时控制挖泥船的正常航行和挖泥作业。耙吸式挖泥船“一键式”作业系统与传统人工手动干预进行疏浚作业系统不同，其在功能性能需求、系统架构、软硬件构成和运维管理方面存在新的需求。“一人疏浚”技术研发前期首先需要针对耙吸式挖泥船开展“宏按键”一键式作业系统功能和性能需求分析，确定功能和性能指标；其次在此基础上研究“一键式”作业系统总体技术方案，确定系统架构和软硬件构成；最后基于总体技术方案研究运维管理技术。

耙吸式挖泥船“一人疏浚”技术实际是基于当下较为成熟的耙吸式挖泥船疏浚控制系统进行升级，按照耙吸式挖泥船疏浚作业的3个主要工况分为挖泥、抛泥和吹泥3个主要控制流程，将控制操作分解并封装成一个个独立的宏按键控制器，对整个疏浚作业流程进行“一键式”控制。这些宏按键控制器安装在航行台宏按钮触摸屏和便携式移动控制板上。一般情况下，驾驶人员将主要专注于船舶航行，只在疏浚作业开始时或需要干预时，按下控制台上的宏按钮进行操作。这些宏按钮替代了传统的疏浚指令，具体的挖泥操作则交由全自动化疏浚系统去完成，实现挖泥、抛泥和吹泥三种疏浚作业模式的全自动控制。在环境良好的空旷施工水域，挖泥船的航行也可以通过船舶动力定位与动态追踪技术（DP/DT Dynamic Positioning/Dynamic Tracking）实施，船员只需监控自动化系统状态即可，大大减少了船员的工作强度，并避免人为因素对施工效率的影响，保证了船舶长时间施工的效率和安全。

2 “一人疏浚”系统构成

2.1 “一人疏浚”系统网络架构

耙吸挖泥船“一人疏浚”的疏浚控制系统是基于工业控制以太网技术、现场总线技术、计算机控制技术、智能仪器仪表技术、现代疏浚技术的集成化监视与控制系统。控制系统总体上分为三层结构形式：底层为硬连线与现场总线网络，中间层为工业以太环网，上层为信息管理网。而疏浚自动控制功能高度集成了疏浚船舶的各种作业工况的自动控制程序及安全保护功能，采用双冗余PLC进行分布式I/O采集和控制输出，所有的逻辑程序均在PLC底层处理，可以达到稳定可靠、响应及时的要求。该系统的控制器、算法及自动控制程序都完全独立于手动控制系统。全自动系统通过自动控制PLC以TCP/IP方式通讯，实现与手动控制系统I/O物理共享和控制参数同步。

2.2 “一人疏浚”系统硬件构成

“一人疏浚”系统硬件部分主要由下列设备组成：

（1）安装在航行控制台上的“一人疏浚”宏按钮操作屏，用于船舶航行时，驾驶人员在驾驶船舶的同时进行疏浚作业的操作；

（2）疏浚控制台，全套可手动操作的疏浚控制系统；

（3） 全自动疏浚PLC柜，用于运行全自动疏浚控制程序；

（4）疏浚工艺优化服务器，用于挖泥工艺优化决策；

（5）全自动SCADA服务器，用于参数设置和全自动过程监视；

（6）便携式移动控制板等。

3 “一人疏浚”系统功能概述

耙吸式挖泥船有别于一般船舶，该船型会搭载一些重型疏浚设备，如泥泵及其驱动系统、高压冲水泵及其驱动系统、耙头、溢流筒、耙管系统、封水泵系统、耙头耙臂绞车等。因此耙吸挖泥船全自动疏浚系统受控对象多，工艺复杂，一般采用主流程、控制器和宏按钮相结合的控制方式，将耙吸挖泥船全部疏浚过程按作业方式拆分为挖泥、抛泥、吹泥3个主流程，每个主流程根据船舶作业需要调用多个疏浚设备子系统全自动控制器进行疏浚控制，最后操作人员通过宏按钮完成全自动疏浚，实现驾驶室“一人疏浚”作业。在应用形式方面采用完全独立的设计原则，确保全自动疏浚系统与手动系统的物理隔离。

挖泥、抛泥和吹泥3个主流程的控制对象多有重叠，控制器功能集成时需要考虑不同主流程的个性化控制需求和接口需求：首先根据3个主流程的控制需求确定每个主流程需要调用的控制器和调用时机，然后针对不同主流程的调用需求设置控制器的输入输出接口。图1为3个作业工况具体的宏控制器设置情况。

图1 一人疏浚宏控制器设置

本系统的核心是通过自动耙臂顺序控制系统调用自动耙管绞车、自动泥泵控制系统、自动耙唇控制系统、航速自动控制系统等系统，最终实现“一人疏浚”。

4 “一人疏浚”系统主要控制器功能介绍

4.1 耙臂绞车自动控制器

本控制器仅使用在耙头到达设定深度，且被激活的情况下，通过控制耙管绞车和波浪补偿器实现耙头的定深控制。同时，通过检测调整耙管间夹角、耙管与船体距离来保障设备和船体的安全。根据不同水深，可自动调整耙管姿态以提高挖泥效率。

4.2 耙臂顺序控制器

开始放耙时，所有耙臂吊架在吊架角度、限位开关和角度测量的保护下自动收放，所有耙臂绞车实现耙臂预设角度的自动升降。这些操作会由疏浚控制系统自动执行。该功能可为耙臂放出的操作过程节约大量时间。

4.3 挖泥航速自动控制器

该系统允许船舶挖泥作业情况下自动保持一定的挖泥航速，并对耙头拖曳阻力和诸如风、浪、流产生的其他阻力进行补偿，且通过基于模型的控制进行推进功率分配。

4.4 自动吃水控制器

自动装载吃水控制器仅在挖泥装舱过程中起作用，通过估算的装舱时间来寻找装舱效率最高点，改变可调节溢流筒的位置以及环保阀位置连续地控制耙吸式挖泥船的吃水。该系统还会根据吃水变化输出装舱停止命令以防吃水超限，保障船舶施工及航行安全。

4.5 自动耙头控制器

耙吸挖泥船挖泥作业过程中，自动耙头控制功能是在保证设备安全下使主动耙头本体和耙唇按设定状态保持对地角度，以维持稳定的破土能力和较高的施工效率。在特定的情况下，耙唇可切削较厚的泥层。该系统通过对耙唇油缸收放控制实现以上功能。

4.6 自动浓度排放控制器

耙吸挖泥船挖泥作业过程中，自动浓度排放控制系统通过检查泥浆流速及密度，控制“进舱闸阀”和“旁通闸阀”的组合动作来选择合适的泥浆进舱或者旁通排出舷外时间。

4.7 自动高压冲水泵控制器

在自动高压冲水控制器的作用下能有效地减少板结泥块留舱的几率，自动高压冲水控制器在抛泥流程下的主要目的是提高抛泥效率，减少船舶抛泥时间，提高船舶生产效率。［4］

4.8 疏浚管系闸阀自动控制器

疏浚管系闸阀自动控制系统用于耙吸挖泥船挖泥、抛泥及排岸模式下疏浚闸阀的自动控制。该系统通过接收自动耙吸疏浚系统的命令，预设置闸阀开闭状态和在施工过程中开闭闸阀。

4.9 自动泥泵控制器

自动泥泵控制系统用于耙吸挖泥船排岸模式下泥泵的自动控制，该系统控制泥泵转速，使吹填时的流速稳定在实用流速。控制器可根据船舶当前航行位置、富裕水深、航速、船体姿态情况，自动完成抛泥作业。操作人员可以通过控制器设置界面配置控制器是否启用，当使用一键抛泥功能时，该控制器必须处于开启状态。自动泥泵控制系统与自动耙唇控制系统两者协同运行，可以使泥泵工作在“流速/产量曲线”的最优位置，进而使泥泵工作在高效区间。

4.10 自动泥门控制器

自动泥门控制系统仅在耙吸挖泥船抛泥作业起作用，自动泥门控制器用于支持泥门分组自动动作。控制器针对不同土质建立抽舱门自动控制规则，在保证艏吹安全的情况下按照自动控制规则控制抽舱门开闭，无需人工干预，控制过程中平衡输送流速和输送密度，以提高船舶施工效率。

4.11 自动抽舱门控制器

自动抽舱门控制系统用于耙吸挖泥船排岸模式下抽舱门的自动控制。在保证艏吹安全的情况（流速控制在设定流速）下控制抽舱门，尽可能提高输送密度，以提高船舶施工效率。

5 “一人疏浚”控制台的布置

“一人疏浚”控制台需要满足各船级社关于“一人桥楼”的基本要求。从技术上来说，单个驾驶员航行值班作为唯一观察瞭望者在驾驶室内操作船舶是完全可行的，但必须保证驾驶员在驾驶位置上有足够大的视野进行瞭望，所以驾驶室的设计和布置、所装设备的范围、性能和可靠性对驾驶室单人操作的安全性具有极大的影响。［5］

在耙吸挖泥船的“一人桥楼”驾驶室的控制台需要基于人体工程学进行控制台和控制系统设计，必须确保值班人员在任何时候都可以很方便地获取航行信息和进行驾驶操作，满足智能“一人疏浚”需求。船舶操作人员通过控制台可以单独并安全地执行各类必要航行与疏浚的操作。

“一人疏浚”控制台划分为驾驶区与作业区，根据实际使用与安全驾驶的需求，将控制台分为4个区域：

（1）手边区域

主要是航行操作控制设备，包括舵机及操舵控制、值班应答等，此位置离船舶操作员最近，人员能轻易触及并操作设备。

（2）伸手可及区域

主要是航行和疏浚控制区域，包括主推进控制器、侧推控制器、“一人疏浚”宏按钮操作屏、动力定位控制站及电话等，船舶操作员在座位上张开双臂便能操作该区域的设备。

（3）容易触及区域

主要是辅助设备控制区域，包括雷达键盘、VHF电话、应急车钟、广播遥控站、应急停止操作等，船舶操作员起身伸出手臂便可以操作该区域的设备。

（4）方便接近区域

这个区域主要进行不常用的操作、安全操作和紧急控制，包括外灯控制板、航行灯信号灯控制板、雾笛控制、雨雪清除器控制、水密门控制、罗经复示器等，操作员需离开座位方能进行操作。

6 结 语

近年来，国内疏浚市场日趋饱和，市场需求总体下滑，疏浚行业需要进行以科学技术为先导的升级转型，逐渐淘汰落后技术。疏浚业是跨学科、集成并依赖多行业技术而持续创新进步的行业，涉及工程、装备制造等多领域，技术体系复杂，涉及大量数据和流程。面对信息与智能技术所带来的巨大变革，疏浚行业需要主动拥抱新技术，融入时代潮流。［6］

疏浚行业新一轮的发展方向将是绿色化、智能化。“一人疏浚”技术以及未来的“智能疏浚”技术将随着技术的发展成为必然趋势。目前“一人疏浚”技术确实提高了耙吸式挖泥船的工作效率，减轻了疏浚操作人员的工作负担，但此项技术尚未完全成熟，还有极大的发展空间，特别在疏浚自动控制逻辑方面。这就需要各船东、专业厂商、设计院等各方相互配合，对当下耙吸式挖泥船的作业情况进行记录与分析，进行原始数据的积累，开发出一套更为精准、高效的算法逻辑。相信不久的将来，“一人疏浚”技术将成为市场的主流，彻底改变传统的疏浚方式，写下新的篇章。