耙吸船自動化疏浚控制系統適用性分析

費子豪，郭素明，李佳陽

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

引言

長期以來，施工人員僅憑經驗和操作規程手動操作耙吸船施工，這種方式對施工人員的技術水平、經驗和責任心是極大的考驗，也是直接影響工程質量和施工效率的最主要不可控因[1]。中交上航局新造的耙吸挖泥船航浚6009 輪采用了荷蘭IHC 公司開發的高度集成化智能疏浚系統（DCS）初步實現了“一鍵式”自動疏浚。下文結合連云港港30 萬t 級航道二期工程2.1 標段，以代表國內自動化程度最高的新一代耙吸挖泥船航浚6009 輪為對象，介紹自動化疏浚控制系統在工程中的應用。

1 工程概況

1.1 施工船舶

航浚6009 輪是國內少數擁有高度智能化集成疏浚控制系統的新一代耙吸挖泥船。船的右舷配有一根內徑為1 000 mm 的耙臂，與船舶基線約50°的情況下，挖深可達30 m。該船配備了IHC“威龍”耙頭和黏土專用耙頭，分別用于不同的施工環境。

1.2 工程概況

連云港港30 萬t 級航道二期工程位于連云港市海州灣沿海，航道呈“人”字形布置，由外航道、徐圩航道和推薦航線組成。其中外航道內段連接連云港區，徐圩航道連接徐圩港區，外航道外段及推薦航線為兩港區共用航道。施工范圍為LYG-302-H2.1 標段對應樁號X0+000-X7+250 范圍內的航道疏浚工程施工，含臨時通道、艏吹站及貯泥坑的疏浚，以及實施上述工程所必須的臨時工程及保修期的缺陷修復（圖1）。

圖1 施工平面布置

1.3 施工工藝與方法

工程采用耙絞聯合拋吹工藝，將臨時貯泥坑作為中轉站將航道疏浚土吹填至納泥區，施工流程如圖2所示。

圖2 耙絞聯合施工流程

2 自動化原理

航浚6009 輪在本工程中主要有三個工況，即挖泥、拋泥和卸（吹）泥。根據不同工況分為三個主要的控制流程，并將控制流程的系統構架和軟硬件構成分解并封裝成一個個獨立的宏按鍵控制器，表1 為三個不同工況下具體的宏控制器的主要設置分配。

表1 航浚6009 輪宏控制器主要功能

航浚6009 輪施工時，只需要一個人就可以“一鍵式”控制整個疏浚作業流程。該船配備的觸摸屏宏按鈕控制器硬件設備部分包括：用于參數設置和過程監控的全自動SCADA 服務器，用于運行DCS 控制程序的全自動PLC 柜，用于不同施工環境下可手動操作的疏浚控制系統以及X、S 波段雷達等。圖3 為SCADA 觸摸屏系統界面，界面上方菜單欄是可供操作員選擇的各個子系統，下方的顯示面板模塊對應著疏浚過程的詳細信息，在智能疏浚施工作業時，可視化界面的相關數值可自動實時刷新。

圖3 SCADA 疏浚過程界面示意圖

與以往不同的是，在開始挖泥時或需要對挖泥作業進行干預的時候，按照傳統的疏浚指令按下控制臺或顯示面板上對應的宏按鈕，由自動化疏浚系統去完成傳統操耙手人工手動干預的挖泥操作，疏浚人員只需專注于船舶的凈空要求安全航行[2]。船舶還可以通過Dynamic Positioning和Dynamic Tracking 對船體航行及作業狀態、耗能狀況等進行自動采集與監測。

3 施工效率分析

3.1 施工效率計算方法

1）泥艙裝艙質量的計算

利用“吃水裝載系統”進行數據的收集，再利用“質量法”計算船載方量：

其中：

式中：q為艙內的裝艙方量（m3）；ρ漿為艙內泥漿的平均濃度（t/m3）；ρ土為施工區段的泥土天然密度，根據設計施工圖地質鉆深資料取值；ρ水為施工區段水的密度（t/m3）；V漿為泥艙泥漿的容積（m3）；G1為船舶滿載排水量（ton）；G2為船舶空載排水量（ton）。

2）運轉周期生產率的計算

式中：W為耙吸挖泥船疏浚效率（m3/h）；q為艙內的裝艙方量（m3）；Σt為施工循環運轉周期（h）；l1、l2、l3為分別表示船舶重載、空載航行長度和挖泥長度（km）；v1、v2、v3為分別表示船舶重載、空載和挖泥航行速度（km/h）；t1為拋泥過程耗費的時間（h）；t2為施工上線時間（h）；t3為施工過程中的停滯時間（h）。

3.2 影響施工效率因素分析

航浚6009 輪的疏浚系統錯綜復雜，影響施工作業能力的因素諸多。對于耙頭來說，土壤的密實度、泥泵轉速、船舶航速、耙頭對地角度以及高壓沖水等參數直接或間接影響耙頭生產率；對于泥漿的沉積過程來說，土壤的粒徑、進艙流量、泥艙尺寸、裝艙前艙內混合物的初始濃度和體積等參量都是影響沉積過程中裝艙性能的主要因素。

在施工區段和施工時間段一定的情況下，施工區段水密度、土密度以及泥艙能裝載的泥漿體積都可視為恒定值。根據上文的施工效率計算過程可知，航浚6009 輪的疏浚效率與泥艙的裝載土方量成正比，與施工循環運轉周期成反比。

4 典型施工試驗對比

本次典型施工區段為新開挖的航道拓寬工程X0+000-X5+500 段，施工區水域寬闊，南北防波堤外側無掩護遮擋，容易受NNW-NE 方向的風浪影響。

2020 年7 月10 日至14 日，溫度26～35℃，風力3～6 級，浪高1.0～2.0 m。在施工區段X0+00-X5+500內每隔500 m 取一組泥樣并現場測量泥漿濃度，與駕駛臺自動化疏浚設備儀表顯示讀數進行對比，儀表顯示正常。施工區段內上層疏浚土質主要為淤泥，下層疏浚土質主要為硬黏土和密實粉砂。

4.1 典型施工邊界條件控制

為更好地確定此次典型施工的邊界條件，同區段每船次采用控制單一變量的方法進行試挖，分別就高壓沖水壓力、波浪補償器壓力、航速、耙頭小天窗及疏浚方式進行了測試比對分析。

測試結論如下：

1）施工時航速不宜過低，航速較低時泥漿濃度也隨之降低；根據漲落水情況，船速控制在3.5～4.0 kn挖泥效果最佳；

2）耙頭小天窗設置為關閉狀態。該疏浚區段上層土質為淤泥質粘土，耙頭流速過高會導致裝艙時間較短，溢流時間加長，使裝艙效果降低；

3）疏浚作業時，濃度、流速分別保持在1.34 t/m3、4.4 m/s 左右，波浪補償器壓力調至50～55 bar 裝艙效果最佳；

4）調節耙齒角度在58.6°，加大耙齒對地角度，此時耙齒有效切削面積最大；

5）在是否使用高壓沖水以及高壓沖水壓力值測試時，發現使用高壓沖水較不使用高壓沖水裝艙效果好，且使用高壓沖水壓力值過低（7.5 bar）或過高（10.2 bar）裝艙效果變化不明顯，考慮節約能耗、經濟性，應合適降低高壓沖水壓力值。

6）航浚6009 輪為右單耙，耙頭著地后，舵角向右壓，操舵手應及時反向壓舵防止航行偏移；操耙手要時刻關注鋼絲繩狀態，以現場為主，疏浚設備（DCS）為輔，防止壓耙現象發生。駕駛員應適當的提高右車螺距。機艙當班人員要觀察主機負荷情況，發現異常及時與駕駛臺聯系，并作出相應措施，提高過耙概率，精準上線。

最終確定施工邊界條件見表2。

表2 施工邊界條件控制表

4.2 數據收集和對比分析

針對“一鍵式”疏浚（自動挖泥）及手動疏浚挖泥進行泥漿濃度、泥漿流速、真空及泥漿產量對比分析，調整適合本施工區的挖泥方式。為保證此次對比施工的順利進行，需要切實做好DGPS 相關設備及軟件的日常維護工作，保證典型施工時自動化集成系統“0故障”。同時，手動挖泥時操耙手要著重注意耙深及流速濃度情況，及時調整耙臂姿態達到耙吸的最佳狀態。最終典型施工試驗收集整理得到了不同疏浚模式下的29 組流速、真空、濃度、泥泵轉速數據，如表3 所示。

表3 施工邊界條件控制表

由數據記錄表直觀上看，手動挖泥效果與“一鍵式”疏浚自動挖泥效果相差較小。考慮疏浚土質為淤泥和硬黏土，航浚6 009 輪并不能達到6 500 m3的泥艙艙容，試驗在參數配置保證相同，且同一工況、同一疏浚區段下，通過記錄疏浚挖泥時土方量的增長情況，得出在單船次裝艙土方量達到4 000 m3時，使用“一鍵式”疏浚自動挖泥模式時油耗均值為0.81792 t，施工周期均值為39.67 min，而使用手動疏浚挖泥模式時單船次油耗均值為0.99168 t，施工周期均值為45.22 min；根據運轉周期生產率的計算式可得出：

本次典型施工“一鍵式”疏浚自動挖泥運轉周期生產率

使用手動疏浚挖泥運轉周期生產率：

結合表3 和圖4 綜合分析，單船次使用“一鍵式”疏浚自動挖泥運轉周期生產率優于手動疏浚挖泥，且油耗減少17%左右。

圖4 不同模式下施工效率對比

5 結語

經過連云港港30 萬t 級航道二期工程航道疏浚工程典型施工，“一鍵式”疏浚自動挖泥較人工操耙挖泥有以下優勢：

1）降低了疏浚人員的工作強度，減少人為失誤的問題；

2）節約油耗約17 %；

3）減少了施工遇到阻礙時的決策時間，能保證挖泥船的持續作業效率；

但是自動挖泥系統尚未完全成熟，特別是在疏浚自動控制邏輯方面有著極大的發展潛力。這就需要各疏浚企業、專業廠商、設計院等各方相互配合，對當下耙吸式挖泥船的作業情況進行記錄與分析，進行原始數據的積累，開發出一套更為精準、高效的算法邏輯。相信在不久的將來，我國越來越多的疏浚船舶會配備自動化疏浚控制系統，使得“一鍵式”疏浚常態化、市場化，徹底改變傳統疏浚方式，實現我國在國際疏浚行業上的“彎道超車”。