自航式耙吸挖泥船疏浚性能評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

郝光杰，俞孟蕻，洪國(guó)軍，蘇 貞

(1.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208)

目前耙吸挖泥船廣泛應(yīng)用于疏浚市場(chǎng)，其疏浚施工依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)常識(shí)，導(dǎo)致其生產(chǎn)效率不高[1-4]。挖泥船生產(chǎn)效率不高的原因一方面是提高疏浚產(chǎn)量的施工參數(shù)控制不好，另一個(gè)方面是缺乏耙吸挖泥船疏浚性能的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[5-6]研究重點(diǎn)主要集中在疏浚技術(shù)控制以及優(yōu)化方面，挖泥船疏浚性能評(píng)估研究方向的資料少之又少。陳先云[7]從疏浚工程項(xiàng)目的角度，以建設(shè)單位滿意程度、設(shè)備完好率、項(xiàng)目質(zhì)量等級(jí)、項(xiàng)目進(jìn)度等7個(gè)方面使用二元比較法進(jìn)行疏浚項(xiàng)目評(píng)價(jià)；蘇貞、金浩強(qiáng)[8-9]采用了沙存儲(chǔ)率(SSR)、干土噸生產(chǎn)率(TDSR)和干土噸質(zhì)量比(TMR)3個(gè)性能指標(biāo)以人工賦加權(quán)重的方式對(duì)疏浚性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，這種使用人工賦加權(quán)值的方式容易受到人的主觀經(jīng)驗(yàn)以及個(gè)人偏好影響，不能客觀反映實(shí)際施工數(shù)據(jù)。

本文通過(guò)研究耙吸挖泥船的疏浚施工特點(diǎn)，以實(shí)測(cè)施工數(shù)據(jù)為依托，考慮耙頭挖掘生產(chǎn)率以及泥泵的輸送效率，構(gòu)建了多指標(biāo)融合的疏浚性能評(píng)價(jià)方案。利用熵值法確定各疏浚性能指標(biāo)的權(quán)重大小，通過(guò)客觀數(shù)據(jù)反映真實(shí)的疏浚性能，擺脫主觀經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)方式，提高耙吸挖泥船整體的疏浚性能。

1 疏浚性能評(píng)估指標(biāo)

1.1 挖掘生產(chǎn)率

影響耙頭生產(chǎn)率的因素有很多，一部分與耙頭本身的物理特性有關(guān)，另一部分與疏浚場(chǎng)合的土質(zhì)類型存在一定的關(guān)系[10-11]。耙頭的挖掘過(guò)程十分復(fù)雜，需配合高壓沖水、耙齒切削等環(huán)節(jié)，考慮耙頭水下施工環(huán)境的影響，建立耙頭挖掘生產(chǎn)率表達(dá)式[12]：

W1=2KsLhvSc+a

(1)

式中：W1為挖掘生產(chǎn)率(m3/s)；K為耙頭破土系數(shù)，取0.8～0.9；s為水下環(huán)境影響因子，取0.7～0.9；L為耙頭寬度(m)；h為耙齒的挖掘深度(m)；v為船舶航速(m/s)；Sc為不同分級(jí)土質(zhì)下耙吸挖泥船可挖掘效率；a為挖掘生產(chǎn)率的修正值(m3/s)。

疏浚過(guò)程中，疏浚港口的土質(zhì)類型并不唯一，而是由幾種土壤類型組合而成，根據(jù)土壤的可挖掘難易程度，Sc等級(jí)取值范圍見(jiàn)表1。

表1 土壤可挖掘難易度等級(jí)

為了求出耙頭挖掘生產(chǎn)率的修正值a，對(duì)該模型進(jìn)行定量分析。以廈門(mén)港口為例，此港口土壤類型主要為粗砂，根據(jù)以往的施工勘探，該地區(qū)土壤顆粒的中值粒徑平均為0.707 mm，土壤挖掘難度較難，Sc取值為0.4。假定耙頭破土系數(shù)K為0.8，該地區(qū)水下環(huán)境的影響因子s為0.7，耙吸挖泥船耙頭寬度L設(shè)置為2.5 m，其模型圖像見(jiàn)圖1，修正值a為0.607 3 m3/s，挖掘生產(chǎn)率在實(shí)際施工中不可能達(dá)到1。

圖1 挖掘生產(chǎn)率

1.2 泥泵輸送生產(chǎn)率

泥沙通過(guò)管道進(jìn)行傳輸，因此管道內(nèi)泥沙的傳輸效率也對(duì)挖泥船疏浚性能產(chǎn)生影響。泥漿的傳輸效率主要跟泥漿的流量、泥漿的體積濃度有關(guān)：

W2=QrP

(2)

式中：W2為泥泵的傳輸效率(m3/s)；Qr為泥漿的吸入流量(m3/s)；P為泥漿的體積濃度(%)。

1.3 裝艙性能指標(biāo)

泥艙內(nèi)的泥沙產(chǎn)量變化同樣反映了挖泥船的疏浚效果，目前對(duì)泥沙產(chǎn)量常用的性能評(píng)估指標(biāo)為[13-14]：

1)干土噸生產(chǎn)率TDSR。干土噸生產(chǎn)率是用來(lái)刻畫(huà)一定時(shí)間間隔內(nèi)泥艙內(nèi)泥沙存儲(chǔ)量的平均產(chǎn)能。由于耙吸挖泥船在不同的疏浚周期內(nèi)泥沙存儲(chǔ)量平均產(chǎn)能各異，可以將其作為衡量挖泥船疏浚性能的指標(biāo)之一:

(3)

ΔTDS(t)=TDS(t)-TDS(t0)

(4)

式中：ΔTDS(t)為累計(jì)干土噸產(chǎn)量(t)；TDS(t)為t時(shí)刻泥艙內(nèi)干土噸質(zhì)量(t)；TDS(t0)為t0時(shí)刻的干土噸質(zhì)量(t)；t0與t分別代表疏浚的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間(min)。

(5)

式中：M(t)為泥艙裝載質(zhì)量(t)；V(t)為泥艙裝載體積(m3)；ρq為石英沙的密度(t/m3)；ρw為海水的密度。

2)沙存儲(chǔ)率SSR。沙存儲(chǔ)率是用來(lái)評(píng)價(jià)疏浚進(jìn)入溢流階段時(shí)，通過(guò)溢流筒溢流出的泥沙質(zhì)量與進(jìn)艙泥沙質(zhì)量之間的比值。其公式如下:

(6)

式中：mo，t為溢流泥沙損失量(t)；mi，t為進(jìn)入泥艙內(nèi)泥沙質(zhì)量(t)；ρs為溢流泥沙的密度(t/m3)；ρr為泥沙混合物的進(jìn)艙密度(t/m3)；ρw為海水的密度(t/m3)；Qs為泥沙混合物的溢流流量(m3/s)；Qr為泥沙混合物的進(jìn)艙流量(m3/s)。

沙存儲(chǔ)率比值越大，說(shuō)明該船泥沙的溢流損失量越小，泥艙的泥沙存留度就越高，從而挖泥船的疏浚效果就越好。該性能指標(biāo)在疏浚周期內(nèi)變化情況如下：疏浚開(kāi)始時(shí)泥沙在船艙內(nèi)的液面高度未達(dá)到溢流筒高度，因此泥沙混合物全部存儲(chǔ)在泥艙內(nèi)，此時(shí)泥艙的沙存儲(chǔ)率為1。隨著疏浚時(shí)間的推移，泥艙內(nèi)泥沙質(zhì)量增加，船艙內(nèi)泥沙混合物的液面逐漸升高，到達(dá)溢流筒高度后，泥沙開(kāi)始出現(xiàn)溢流。在溢流過(guò)程中，泥沙通過(guò)溢流筒流出艙外，從而導(dǎo)致艙內(nèi)的沙存儲(chǔ)率逐漸降低，并最終維持在一定水平。

3)干土噸質(zhì)量比TMR。干土噸質(zhì)量比反映了船艙內(nèi)固體顆粒總質(zhì)量，即干土噸質(zhì)量TDS(t)占整體船艙裝載物質(zhì)量Mt的比值。其公式如下：

(7)

式中：TDS(t)為t時(shí)刻泥艙內(nèi)干土噸質(zhì)量(t)；M(t)為t時(shí)刻船艙內(nèi)泥艙裝載質(zhì)量(t)。

當(dāng)船艙內(nèi)為清水時(shí)，此時(shí)TMR取值為0；當(dāng)疏浚施工時(shí)，泥艙內(nèi)的泥沙逐漸增多，TMR也開(kāi)始進(jìn)行相應(yīng)的變化。

2 疏浚評(píng)估指標(biāo)設(shè)計(jì)

2.1 疏浚性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

構(gòu)建耙吸挖泥船疏浚性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是選取系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的前提，根據(jù)耙吸挖泥船疏浚施工的特點(diǎn)，從疏浚工程的角度，建立以下幾個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：

1)全面性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。耙吸挖泥船疏浚施工比較復(fù)雜，對(duì)挖泥船的疏浚性能評(píng)估方式多樣，比如所選取的評(píng)估指標(biāo)是否充分反映了疏浚作業(yè)的特點(diǎn)，是否具有全面性、代表性。

2)安全性評(píng)價(jià)原則。安全性準(zhǔn)則是耙吸挖泥船疏浚施工的前提條件，主要是要求施工人員要以規(guī)范的施工標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行施工操作，避免疏浚設(shè)備出現(xiàn)故障損壞。

3)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)原則。研究挖泥船疏浚性能評(píng)估的主要目的是在減少疏浚成本的同時(shí)提高其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，從而提高整個(gè)疏浚行業(yè)的效益。

4)成長(zhǎng)性評(píng)價(jià)原則。成長(zhǎng)性評(píng)價(jià)原則主要體現(xiàn)了疏浚性能評(píng)估指標(biāo)的評(píng)價(jià)是否具有延續(xù)性以及是否可以應(yīng)用到挖泥船疏浚決策系統(tǒng)中，作為一種技術(shù)手段豐富在軟件內(nèi)，從而將挖泥船的疏浚性能展現(xiàn)在操作人員面前，使操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工狀態(tài)，對(duì)疏浚作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 熵值法

對(duì)耙吸挖泥船使用多指標(biāo)的評(píng)估方式，其各指標(biāo)權(quán)值的計(jì)算必不可少，目前評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定一般是采用主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩種方式。主觀賦權(quán)法一般是根據(jù)本領(lǐng)域內(nèi)的專家和技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行人為判斷。這種賦權(quán)方法具有隨意性與偏好性。客觀的賦權(quán)方法一般依靠實(shí)際的數(shù)據(jù)分析得出指標(biāo)權(quán)重，不介入主觀評(píng)判依據(jù)，例如粗糙集與熵值法。結(jié)合疏浚施工的特點(diǎn)，采用熵值法來(lái)計(jì)算疏浚施工的指標(biāo)權(quán)重[15-16]。

熵用來(lái)反映信息論不確定的量，通常熵越大，說(shuō)明該信息量較??；反之熵的值越小，說(shuō)明該信息量大，存在的不確定因素少[17-18]。根據(jù)熵的這種特點(diǎn)，可以將其引入到指標(biāo)計(jì)算中用來(lái)確定指標(biāo)的大小。即當(dāng)熵值越小時(shí)，該指標(biāo)屬性的信息有效性越高，從而賦予較大的指標(biāo)權(quán)重，同理可得，熵值越大，說(shuō)明該指標(biāo)屬性有效性就弱，從而接受較小的指標(biāo)權(quán)重。

假定一個(gè)疏浚性能評(píng)估問(wèn)題有m個(gè)周期n個(gè)評(píng)估指標(biāo)，則構(gòu)造指標(biāo)矩陣為R，F(xiàn)ij代表耙吸挖泥船在j第個(gè)指標(biāo)下第i個(gè)疏浚周期Fi的貢獻(xiàn)度。

(8)

(9)

用Uj代表信息熵值，其中N=1/lnm，m為疏浚周期數(shù)：

(10)

Dj代表信息的有效貢獻(xiàn)度：

Dj=1-Uj

(11)

那么各指標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重ωj計(jì)算方式如下：

(12)

通過(guò)各評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的ωj大小，從而對(duì)耙吸挖泥船各個(gè)疏浚周期的施工效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，則第m個(gè)周期下疏浚效果綜合評(píng)價(jià)值Qm計(jì)算公式如下：

Qm=Fmω′

(13)

3 評(píng)價(jià)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上性能指標(biāo)的選取以及指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法的介紹，耙吸挖泥船的疏浚性能評(píng)估方案設(shè)計(jì)步驟如下：

1)步驟1。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化與規(guī)范化處理。對(duì)正向指標(biāo)采用如下公式：

(14)

對(duì)于逆向指標(biāo)采用公式如下：

(15)

2)步驟2。 采用熵值法計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的信息熵值Uj、有效貢獻(xiàn)度Dj以及各指標(biāo)權(quán)值ωj。

3)步驟3。根據(jù)所求各指標(biāo)的權(quán)值ωj，綜合計(jì)算Qm值。并對(duì)各周期疏浚施工效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。規(guī)定綜合評(píng)價(jià)值Qm≥0.6為疏浚效果較好的周期，Qm< 0.6為疏浚效果差的周期，在周期內(nèi)評(píng)分最高的周期為最佳疏浚周期。

4 實(shí)例驗(yàn)證

對(duì)廈門(mén)港施工數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對(duì)其中20個(gè)周期的疏浚效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)采集的20個(gè)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，具體結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各周期指標(biāo)分布

其中N=1/lnm，m為疏浚周期數(shù)，m為20，則N=0.333 8，通過(guò)公式計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的信息熵值Uj、有效貢獻(xiàn)度Dj以及各指標(biāo)權(quán)值ωj。各參數(shù)分布見(jiàn)表3。

表3 各參數(shù)分布

分析表3中各性能指標(biāo)的權(quán)值，在疏浚性能評(píng)估中，耙頭的挖掘生產(chǎn)率對(duì)耙吸挖泥船整體的疏浚性能影響較大，干土噸的生產(chǎn)率以及干土噸質(zhì)量比次之，泥泵傳輸效率與沙存儲(chǔ)率影響程度較小。

根據(jù)公式(13)計(jì)算各個(gè)周期的綜合評(píng)價(jià)值Qm，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可以看出，共有11個(gè)周期綜合評(píng)價(jià)值大于0.6；其中第2、10、11、12周期的疏浚性能在11個(gè)施工周期內(nèi)表現(xiàn)最好；從整體而言，第10周期為該船此次施工的最佳周期，綜合評(píng)價(jià)值為0.847。剩余的9個(gè)施工周期疏浚效果判定為差，例如第4、5和第19周期，綜合評(píng)價(jià)值分別為0.417、0.416和0.405。施工人員可根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值對(duì)相應(yīng)的施工周期進(jìn)行分析，對(duì)疏浚效果好的周期進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，指導(dǎo)后期施工；對(duì)表現(xiàn)差的疏浚周期相對(duì)應(yīng)的施工樣本集進(jìn)行整理，找出導(dǎo)致疏浚效果不佳背后的原因，吸取教訓(xùn)。

表4 各個(gè)周期的綜合評(píng)價(jià)值Qm分布

5 結(jié)論

1)根據(jù)廈門(mén)港實(shí)測(cè)的施工數(shù)據(jù)，建立了耙吸挖泥船疏浚性能評(píng)估體系，并利用熵值法確定各性能指標(biāo)的權(quán)重，擺脫了主觀經(jīng)驗(yàn)干擾，實(shí)現(xiàn)耙吸挖泥船實(shí)時(shí)疏浚狀態(tài)監(jiān)測(cè)與疏浚性能的評(píng)估。

2)采用更加科學(xué)的手段對(duì)耙吸挖泥船的施工狀況有更加直觀的了解，并根據(jù)耙吸挖泥船的施工狀況及時(shí)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，保持耙吸挖泥船的高效疏浚，其具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值與市場(chǎng)前景。

3)雖然各港口土質(zhì)類型不一，施工所用船型各異，該指標(biāo)僅依賴于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，不受上述因素影響，可以廣泛應(yīng)用到其他港口以及船型。