耙吸挖泥船计算机辅助疏浚决策系统简介.doc

耙吸挖泥船计算机辅助疏浚决策系统简介课题组一、 立项背景近年来，随着计算机、传感器、自动控制、GPS定位系统和网络信息等技术在耙吸挖泥船上的广泛应用，大大提高了耙吸挖泥船的科技含量，并使疏浚业发展成为以高新科技为支撑的产业。国外新建的耙吸挖泥船已普遍采用全集成控制系统，即挖泥船驾驶台上诸如测量、疏浚、导航、电子海图等子系统都通过网络快速连接起来，使信息资源得到共享。与此网络连接的所有计算机都可以获得来自各系统的信息，并可以对所有系统进行控制。这种全方位的耙吸挖泥船控制集成系统（IHCS）以及疏浚监控与数据采集系统（SCADA）的应用，使耙吸挖泥船完全实现了自动化导航、操纵和疏浚，大大提高了挖泥船的施工效率。上海航道局新引进的“新海龙”轮自航耙吸挖泥船就具备上述功能。为了尽快提高我国耙吸挖泥船的施工效率，必须采用先进的技术对现有挖泥船进行更新改造。为此，国内疏浚单位已纷纷和有关科研单位联合开发可提高耙吸挖泥船施工效率的各种监测系统，如耙臂位置指示系统、吃水装载系统、疏浚轨迹显示系统等。这些系统的技术水平已与国际水平相当，但是国内至今还未对耙吸挖泥船整个疏浚过程的监控系统进行研制与开发。本项目在借鉴国外先进经验的同时，着重结合我国耙吸挖泥船目前的设备现状和操作人员技术水平参差不齐的情况，研制开发出符合我国国情的“耙吸挖泥船计算机辅助疏浚决策系统”。该系统不仅具有现代化耙吸挖泥船的控制集成系统和疏浚监控与数据采集系统的功能，更重要的是能提供与疏浚土质条件相结合的优化疏浚参数来指导操作人员的施工，较好地解决了操作人员因缺乏全面掌握与疏浚工艺有关的理论知识而单纯依靠经验进行施工的不足，确保挖泥船的产量实现最大化，这项技术的开发与应用在国内外均属首创。本项目列入了国家十五重大技术装备研制项目“挖泥船自动监控设备及高效耐用机具研制”专题科技攻关计划中，也被中港集团列为2002年度重点技术开发项目。二、 开发目标1、进入新工地，通过短时间的施工试挖和数据采集与分析，能够提出指导性的优化施工参数，对于这种土质和工况，宜采用的泥泵转速、对地航速、波浪补偿器压力等控制值，从而协助挖泥船操作人员妥善操作，使挖泥船在保障设备安全的前提下，得到持续的高产效果。2、实时对主机、泥泵的柴油机工作状态参数监测显示。3、对耙臂位置、耙臂绞车系统、波浪补偿器、闸阀、高压冲水、挖深等主要挖泥设备工作状态实时监测。4、为了保证挖泥船在安全前提下达到高产低耗，系统必须具有边界条件的自动预警、报警功能。5、实时显示设计的挖槽剖面、测量断面和耙头在航道中位置。6、挖泥工况记录、显示与打印。挖泥船操作员根据辅助决策系统给出的优化施工参数控制值，调整挖泥船操作，逐步达到并且保持较高的生产效率，从而使挖泥船固有的潜力得到充分发挥，从而提高耙吸挖泥船施工生产效率1020%。三、 技术思路建立全船设备状况的监测系统、安全报警系统，对实时工况数据进行采集，通过各种参数组合的试挖，由计算机对施工参数进行优化，在操作显示屏上提示最优的施工控制参数，达到辅助疏浚决策的目的。同时，随着设备状况的变化或施工土质的变化，根据采集到的数据自动进行寻优，提示操作人员改变相应的控制参数。四、 系统实施方案图1航浚1003轮系统总体框架图（一） 总体框架系统在耙吸挖泥船施工过程中不断采集与挖泥船施工产量和安全有关的信号，通过使用计算机总线技术和软件技术将数据显示在计算机屏幕上，同时将数据保存在数据库中。通过分析模型及相关的算法软件对数据库中采集的数据进行归纳和分析，将不规则的数据转换为便于理解和分析的图形予以显示，并在相关的界面上向挖泥船操作人员提示可以获得较佳产量的疏浚施工工艺参数。涉及挖泥船施工产量和安全的信号采集于以下系统：高压冲水泵系统；泵机系统；主机系统；耙管绞车系统；液压闸阀系统；吃水装载系统。来自上述系统的信号构成“监测控制与数据采集系统”，即SCADA系统。系统还包含了挖泥船平面定位和耙臂位置指示系统。此系统作为一套相对独立的系统，通过计算机网络与SCADA系统产生信息关联。此外，系统还包含辅助决策软件系统部分。辅助决策软件负责对影响施工产量的所有信号进行实时查看及分析，并以直观的方式显示给操作人员。辅助决策软件系统包含实时曲线显示和历史数据分析两个部分。系统构成的总体框架如图1所示。系统采集了疏浚过程中几乎所有的信息，这些信息是计算机辅助疏浚决策系统的根本依据。为方便起见，本系统共使用了以下5条按系统划分而不是按位置划分的总线进行信号采集：1#总线 液压闸阀监控系统；2#总线主机、发电机监测系统；3#总线高压冲水监控系统；4#总线绞车监控系统；5#总线泵机监控系统。测深系统是一套专用系统，该系统通过RS232信号传输到计算机系统上，与其他系统的信号交换亦是通过计算机网络执行的。疏浚仪器仪表信号的采集使用就地采集的原则，没有独立使用总线系统，但也是SCADA系统中的一个组成部分。本系统没有对AMS报警系统进行专门处理，仅使用了简单的报警方式。耙吸挖泥船计算机辅助疏浚决策系统组成方案见图2所示。图2计算机辅助疏浚决策系统组成方案图中，监控系统、定位系统、测深系统、疏浚仪器仪表系统是报表、分析系统的信号基础及分析结果的反馈系统，实时曲线的显示极大地方便了操作人员在施工过程中对作业参数的动态调整。监控系统和疏浚仪器仪表系统是整个系统的基础，提供了信号的来源，是控制系统、分析系统的保障。分析系统是此系统的核心内容，提出了相关的疏浚理念及分析曲线，提示了分析结果，是辅助决策系统最重要的部分。定位系统是船舶施工中最主要的监测系统，对土质的划分、对辅助决策结果的反馈都是通过定位系统来实现的。实时曲线的显示能够方便的使船上人员实现参数的调整和试挖过程，减少试挖时间，以最快的速度产生疏浚工艺分析数据。（二） 系统配置耙吸挖泥船计算机辅助疏浚决策系统由相应硬件和软件配置而成，主要有：定位系统：一套耙臂位置指示系统：一套测深系统：一套疏浚仪器仪表系统：一套监控系统：一套操作系统： Windows98 /Windows2000工况监测软件报警系统软件定位系统软件后台处理分析软件实时曲线显示软件数据库软件测深软件（三） 软硬件实施方案硬件主要包含传感器、总线控制器、计算机网络、标准外部设备。本系统具有大量的传感器和总线控制器、1、 现场总线监控系统本监测系统有驾驶室监测子系统、泵舱集控室监测子系统、主机舱集控室监测子系统构成。另外，还在船长室与轮机长室设置计算机显示屏分别显示相应的设备工作状态。l 驾驶室监测子系统驾驶室监测子系统主要监测挖泥船航迹、主机与泥泵机、泥泵运行状态、疏浚管道闸阀状态、吃水装载仪等。图3 驾驶室监测子系统构成图监测内容：（1）挖泥轨迹显示平面定位、左右耙臂位置、耙头活动罩角度、挖泥剖面。（2）机舱运行状态/泵舱运行状态两台主机的总排温、各缸排温（8个）、油温、油压、转速、空压机压力。两台泵机的总排温、各缸排温（6个）、油温、油压、转速、泵水压力、封水泵压力、空压机压力、泥泵转速、泥泵扭矩、滑油压力。两台高压冲水泵总排温、水温、油温、油压、转速。（3）吃水状态及闸阀状态船舶吃水状态、装载量、土方量、进舱和旁通闸阀指示。（4）挖泥操纵控制台耙臂位置指示装置、流量、浓度、吸入真空、排出压力、波浪补偿器状态与压力、当前各个闸阀的状态、耙管绞车的反馈状态、电流等信号。l 泵机舱集控室监测子系统泵机舱集控室监测子系统主要监测泵机、泥泵及高压冲水泵等系统的设备运转情况，操纵室系统构成见图4。图4 操纵室系统构成图监测内容：泵机柴油机的总排温和各缸排温、水温、燃油温度、燃油压力，封水泵起停，泥泵的转速、扭矩、滑油压力。泵机的起动、停止、升速、减速、紧急停止，泥泵离合器合上/脱开状态。高压冲水泵的启动、停止、升速、减速、紧急停止。各闸阀的开闭状态。l 主机舱集控室监测子系统主机舱集控室监测子系统，主要监测主机推进系统与发电机组等设备的运转情况，系统构成见图5。图5机舱集控室系统构成图监测内容：主机柴油机的转速、总排温和各缸排温、水温、燃油温度、滑油压力；发电机报警信号；空压机压力；主机的启动、停止、升速、减速、紧急停止状况。l 浓度计专用模块浓度计专用模块负责采集泥泵吸入的泥浆密度数据。由于“航浚1003”轮管径较小，铯137的半衰期远大于钴60，因此密度计可以采用铯137，放射源强度2居里。以往挖泥船密度计的校验比较复杂，需专业人员用特定的钢板放在放射源的输出口，然后调整电位器，反复几次后才可确认参数。一般密度计安装在泵的出口处，安装位置较高，人员调试比较繁琐。现为密度计的校验专门设计了一种机械装置。在校验时，首先将输泥管内充满清水，操作人员在操纵室按下清水调整按钮，由检测模块记录下接收探头的信号强度。随后，操作人员按下钢板调整按钮，此时检测模块输出信号带动安装在浓度计内的小电机，将一块固定厚度的钢板加载到放射源的出口，钢板到位后，由检测模块记录下接收探头的信号强度。根据清水输出的信号强度及一定厚度钢板输出的信号强度可用软件修正其输出特性曲线。密度计自动校正如图6所示。 图6 密度计自动校正安装密度计自动校正设备后，操作人员可方便地按时对密度计进行校核。2、计算机网络系统整个船上共配置了10台计算机，全部在局域网上，其中包含一台服务器。其分布为：驾驶台4台计算机；泵舱1台计算机；机舱1台计算机；船长房间1台计算机；轮机长房间1台计算机；计算机房1台服务器与1台工作用的计算机。3、系统的软件耙吸挖泥船计算机辅助疏浚决策系统的软件采用VC+6.0语言编写而成，运行在Windows98/2000操作系统中。该软件由监测、辅助曲线显示、报表软件、平面定位软件、工况分析、计算机寻优等主要功能组成，较全面地反映了辅助疏浚决策系统的应用要求。（1）系统的工况监测主画面计算机辅助疏浚决策系统主画面的主要任务是反映耙吸挖泥船当前的疏浚工况，显示各个疏浚仪器仪表的参数。为了能正确反映这种状况，在该画面的软件设计中按照船体设备分布图显示参数，其中的重要参数用棒图的形式显示。图7主机监测画面图8泵机监测画面图9液压泥门画面（2） 辅助曲线画面辅助曲线画面主要显示挖泥船在每个疏浚过程时间段内的工作状态，界面上共有三条曲线、一个平面位置图。三条曲线的填充区域可任意设置，每个填充区域可跟随4条曲线，其方向和时间可以任意设置。图10辅助曲线画面平面位置图上显示了每个耙头疏浚点的产量信息及GPS的定位信息。当挖泥船由施工状态转为非施工状态，系统将当前的施工信息保存为文件，供分析软件使用。（3） 平面定位软件平面定位软件比较复杂，包含了实时的挖泥船定位信息、耙头定位信息、测深信息、断面信息，以及决策系统在平面位置上的反映，是一个综合的软件系统，也是向挖泥船操作人员提供决策结果供有效施工参考。其中最重要的是有关挖泥船定位和耙头定位的数据。图11平面定位画面图12耙臂监测画面（4）工况分析软件工程分析软件将对保存的数据进行分析，并判断各个曲线的关系。图13历史曲线分析（5）计算机寻优过程将分析的曲线用三次样条曲线拟合分析得到的曲线，给出边界参数的限制值，并使用罚函数的方法求解方程，获得最大值或最小值。图14分析寻优画面五、 系统功能和特点系统综合应用了总线技术、定位技术、计算机网络技术和软件技术（数理统计、曲线拟合、模糊控制、高级内存处理）等多项高新技术。实现了平面定位、工况监测、实时曲线查看、产量计算及报表输出、边界参数设置及报警、工程项目图形回放、泵效显示、密度预报、分析曲线显示及回放、曲线拟合及数理统计分析、计算机寻优等多项功能。在国际疏浚行业中，首次将耙吸挖泥船的实时施工操作参数控制与挖掘土质建立关系，通过各种工况条件的试验，优化模型分析寻找目前设备状况下不同土质的最佳操作控制参数，在操作显示屏上标示对应土质的施工区域应该控制的参数值，达到辅助疏浚决策的目的。在国际上首次使用经济、实用的多通道测深仪显示施工区域当前水深，用以指导施工作业并保证施工平整度。在国内首次对耙吸挖泥船耙头的对地压力进行分析，寻求切土厚度与高压冲水、波浪补偿器压力的关系。在国内耙吸挖泥船上首次对耙头真空进行监测，建立挖掘浓度与耙头真空的关系，可进行挖掘密度预报，实现低浓度泥浆排出。首次实现大规模的数据采样与分析，为疏浚工程管理建立了有效的、真实的数据库，对科学管理和决策提供了有力的依据。使用了曲线技术对各个分析曲线进行拟合，实现了软件系统的自动寻优。六、 应用效果和前景项目从2002年1月立项开发，方案的制定、研讨、优化历时8个月，至2003年1月基本完成了系统安装、软件编制工作。在随后的工程实施过程中，分步骤对各分系统进行了大量的调试、完善工作。首先，对涉及施工生产的定位定深系统、工况监测系统、安全报警系统进行了调试完善，然后对数据采集系统、多通道测深系统、辅助疏浚决策系统进行了调试完善。航浚1003轮自2003年1月至今，先后实施了秦皇岛工程、黄骅港工程、营口工程、汕头工程和丹东工程。在系统不断调试、完善、功能增加的一年多时间中，航浚1003轮的施工质量和效率也随之得到不断地提高：1、秦皇岛工程在平均挖深0.4m的情况下，达到了平均超挖深度0.2m的水平，且一次通过验收；2、黄骅港工程租船施工，由于实时工况监测系统、安全报警系统、定位定深系