自航鋼耙抓斗挖泥船作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

馬學(xué)虎

?

自航鋼耙抓斗挖泥船作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

馬學(xué)虎

（武漢金鼎船舶工程設(shè)計(jì)有限公司，武漢 430062）

作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是疏浚船舶必不可少設(shè)施，本文對(duì)自航鋼耙抓斗挖泥船作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置及功能作簡(jiǎn)單介紹。

挖泥船 作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 引言

由武漢金鼎船舶工程設(shè)計(jì)有限公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的具有抓斗挖泥和鋼耙挖泥兩種作業(yè)功能的自航工程船，主要用于長(zhǎng)江上游重慶（九龍坡）至朝天門(mén)河段航道維護(hù)疏浚。重慶主城區(qū)長(zhǎng)江航道十分復(fù)雜，水流速度大，卵石累積性淤積航道，兩岸碼頭和躉船眾多，江底過(guò)江錨鏈密布，縱橫交錯(cuò)，不能禁航施工，疏浚工況差。

針對(duì)以上航道狀況，本船艏部設(shè)置鋼耙裝置，艉部設(shè)置抓斗機(jī)，設(shè)置鋼樁定位系統(tǒng)，使用臺(tái)車(chē)和液壓環(huán)梁升降裝置定樁移樁。

抓斗機(jī)為獨(dú)立工作型，抓斗機(jī)的動(dòng)作及控制由其自帶的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓油泵產(chǎn)生液壓動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)。抓斗機(jī)在艉部抓斗機(jī)室設(shè)有獨(dú)立操縱系統(tǒng)，抓斗機(jī)室自帶有完善監(jiān)視其柴油機(jī)及液壓系統(tǒng)等相關(guān)儀表及安全報(bào)警裝置。

臺(tái)車(chē)、液壓環(huán)梁升降裝置、鋼耙由船舶配備液壓泵站提供動(dòng)力。控制裝置設(shè)置在駕駛室，具有移動(dòng)臺(tái)車(chē)前進(jìn)、后退，液壓環(huán)梁升降裝置升降，鋼耙起落功能。

本船總長(zhǎng)52.00 m，型寬14.00 m，型深3.50 m，設(shè)計(jì)吃水2.00 m，結(jié)構(gòu)吃水2.50 m，其總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 總體布置圖

根據(jù)本船施工作業(yè)水域特點(diǎn)，施工時(shí)需采用錨鏈探測(cè)裝置探明水下錨鏈分布情況，然后采用抓斗機(jī)根據(jù)錨鏈分布情況避開(kāi)錨鏈進(jìn)行疏浚作業(yè)。抓斗機(jī)工作時(shí)采用鋼樁固定，當(dāng)抓斗機(jī)因?yàn)殄^鏈?zhǔn)杩Ｊ┕ち粝聹\區(qū)后，再采用鋼耙對(duì)這些少量的淺區(qū)進(jìn)行疏浚以最終滿(mǎn)足需要的航道維護(hù)尺度。

1 作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本船作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)對(duì)挖泥船作業(yè)信息進(jìn)行采集和處理，輔助操作人員進(jìn)行疏浚挖泥作業(yè)。

結(jié)合本船施工作業(yè)特點(diǎn)，本船作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含以下系統(tǒng)：

1）水下錨鏈探測(cè)系統(tǒng)；

2）雙頻RTK GPS 系統(tǒng)；

3）多通道測(cè)深儀系統(tǒng)；

4）船舶監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。

1.1 水下錨鏈探測(cè)系統(tǒng)

水下錨鏈探測(cè)成像原理從理論上講，可用聲、光、磁學(xué)儀器三方面技術(shù)。從利用聲學(xué)儀器理論上講，水下錨鏈外形和河床淤積層中的卵石在圖像上區(qū)分有一定難度。從利用光學(xué)儀器理論上講，由于本船作業(yè)區(qū)域水質(zhì)渾濁，且不可能隨時(shí)派潛水員下水探測(cè)，主要難度在于探測(cè)面積太小。

本船錨鏈探測(cè)系統(tǒng)利用磁力學(xué)原理，配備RS-YGB6A型海洋氦光泵磁力儀能滿(mǎn)足要求。海洋氦光泵磁探儀(磁力儀)是一種原子磁力儀，是一種高精度磁異常探測(cè)器，適合于海洋地球物理勘探中高精度磁測(cè)量，也可用于水下小目標(biāo)探測(cè)。該儀器具有數(shù)字化、模塊化、小型化和系統(tǒng)集成特點(diǎn)。用光泵技術(shù)制成的高靈敏度磁探儀，無(wú)零點(diǎn)漂移、不須嚴(yán)格定向，對(duì)周?chē)艌?chǎng)梯度要求不高，可連續(xù)測(cè)量等顯著優(yōu)點(diǎn)。

該儀器由氦光泵水下傳感器、GPS天線(xiàn)、信號(hào)處理器、顯示器、拖纜及GMINFO專(zhuān)用處理軟件等組成（見(jiàn)圖2）。

圖2 海洋氦光泵磁力儀

作業(yè)過(guò)程如下：

1）作業(yè)前用本船拖動(dòng)該裝置對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)(探測(cè)器與本船安全距離約15 m) ；

2）通過(guò)GPS天線(xiàn)，對(duì)探測(cè)到河底磁異常數(shù)據(jù)，利用GMINFO專(zhuān)用處理軟件，標(biāo)繪出錨鏈具體位置；

3）將錨鏈具體位置信息錄入到本船監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，使本船作業(yè)時(shí)避開(kāi)該區(qū)域。

1.2 雙頻RTK GPS 系統(tǒng)

為了消除系統(tǒng)誤差，提高實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維定位精度，本船配備HD-K8型雙頻RTK GPS系統(tǒng)(1＋2配置)，系統(tǒng)由1套岸上基準(zhǔn)站、2套船舶移動(dòng)站、相關(guān)軟件及附件組成。本系統(tǒng)平面定位精度可達(dá)到厘米級(jí)，保證船舶的定位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

基準(zhǔn)站雙頻GPS天線(xiàn)安裝在岸上已知坐標(biāo)點(diǎn)位置，船舶移動(dòng)站雙頻GPS天線(xiàn)安裝在船舶首尾中心線(xiàn)處。安裝在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)，由于存在著軌道誤差、大氣影響以及其他誤差，解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)是不一樣的，存在誤差。基準(zhǔn)站采用單向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式將修正數(shù)據(jù)發(fā)送至船舶移動(dòng)站，并且對(duì)其解算的船舶移動(dòng)站坐標(biāo)進(jìn)行修正。最后得到的修正后的移動(dòng)站坐標(biāo)已消去了基準(zhǔn)站和移動(dòng)站的共同誤差，從而提高定位精度。

本系統(tǒng)主要可以輔助完成：

1）船舶初始定位。在作業(yè)起始區(qū)域，可以使船舶的首次定位精確；

2）船舶移船及施工定位。在挖泥的過(guò)程中，為移船及施工定位提供依據(jù)。

3）測(cè)量移船速度。在移船過(guò)程中，為平行移船提供依據(jù)。

4）確定坐標(biāo)點(diǎn)。在測(cè)深儀和計(jì)算機(jī)的配合下，實(shí)時(shí)測(cè)出每一測(cè)深點(diǎn)處坐標(biāo)值，從而為計(jì)算得出較精確的水底地形圖作好數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。

1.3 多通道測(cè)深儀系統(tǒng)

挖泥船測(cè)深系統(tǒng)主要用于船舶作業(yè)施工前及竣工時(shí)，對(duì)施工作業(yè)區(qū)域水下地貌全面掃側(cè)，以檢測(cè)施工質(zhì)量。傳統(tǒng)的單頻率，單換能器測(cè)深儀，只能單線(xiàn)式測(cè)深且覆蓋面較小，在兩條斷面間波束未測(cè)到的河底難免會(huì)漏掉淺點(diǎn)或深坑，給航道行船留下重大隱患。而多波速測(cè)深儀價(jià)格昂貴，維護(hù)保養(yǎng)成本較高，且一般配備在專(zhuān)用航道測(cè)量船上。

本船采用南方測(cè)繪公司HD-9型9通道測(cè)深儀系統(tǒng)，由主機(jī)、換能器及連接電纜、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒、打印設(shè)備等組成。系統(tǒng)與雙頻RTK GPS相連接，通過(guò)海洋測(cè)繪成圖軟件可自動(dòng)生成高精度水深圖、水下地形圖及等其它特殊用圖。

9只換能器均勻安裝在船舶尾部底艙沿船寬方向，進(jìn)行全覆蓋無(wú)遺漏掃描和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，滿(mǎn)足船舶作業(yè)施工檢測(cè)要求。

1.4 船舶監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

本船船舶監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，是將錨鏈探測(cè)裝置、雙頻RTK GPS、多通道測(cè)深儀、船舶吃水傳感器、船舶姿態(tài)儀、抓斗機(jī)、鋼耙、鋼樁及臺(tái)車(chē)、液壓系統(tǒng)、機(jī)艙重要設(shè)備及各種傳感器提供數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)配套專(zhuān)用軟件結(jié)合圖形化管理界面進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理的系統(tǒng)。

其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 船舶監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

1）在抓斗機(jī)室配置一體化工控機(jī)、無(wú)線(xiàn)交換機(jī)、UPS電源等設(shè)備。在顯示界面上，可以顯示當(dāng)前施工設(shè)計(jì)的CAD圖紙、施工區(qū)域測(cè)量水深數(shù)據(jù)、船舶浮態(tài)、船舶吃水、船舶平面位置、抓斗實(shí)時(shí)平面位置、抓斗的實(shí)際施工深度、每斗的施工產(chǎn)量、錨鏈的位置、測(cè)深儀實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)、挖槽剖面狀態(tài)信息等。本系統(tǒng)對(duì)抓斗機(jī)室的駕駛員提供精確的施工指導(dǎo)，從而保證抓斗精確施工，有效提供施工效率。

2）在駕駛室配置工控機(jī)、顯示器、交換機(jī)、UPS電源、無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)傳設(shè)備等。用于施工管理和定位數(shù)據(jù)、設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、錨鏈探測(cè)數(shù)據(jù)、鋼耙起落、鋼樁升降、臺(tái)車(chē)移位等數(shù)據(jù)處理及相關(guān)信息顯示。

駕駛室系統(tǒng)部分提供施工定位、施工管理、船舶各類(lèi)數(shù)據(jù)的采集匯總、安全管理、設(shè)備監(jiān)測(cè)等綜合功能，并且利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將本船的施工數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至岸上中心服務(wù)器，中心服務(wù)器利用其所配備的數(shù)據(jù)庫(kù)將船舶端的施工數(shù)據(jù)保存起來(lái)，以便工程管理使用。

在駕駛室設(shè)置有視頻監(jiān)視系統(tǒng)，在船舶的主要甲板機(jī)械處安裝紅外攝像機(jī)，提供對(duì)這些設(shè)備的全天侯視頻監(jiān)視，以滿(mǎn)足全天侯的施工要求。

3）在機(jī)艙值班室配置工控機(jī)、顯示器、交換機(jī)、PLC控制柜等設(shè)備。通過(guò)PLC控制柜采集柴油發(fā)電機(jī)、液壓系統(tǒng)、推進(jìn)電機(jī)等重要設(shè)備及船舶吃水、機(jī)艙艙柜等各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)，在機(jī)艙值班室通過(guò)圖形化界面顯示各個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組、推進(jìn)電機(jī)、液壓系統(tǒng)等工作的狀態(tài)，根據(jù)機(jī)艙內(nèi)各種設(shè)備的報(bào)警閥值自動(dòng)生成報(bào)警，并進(jìn)行記錄和顯示，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙綜合監(jiān)控。

抓斗機(jī)室、駕駛室、機(jī)艙值班室三套子系統(tǒng)各自負(fù)責(zé)相應(yīng)的功能，系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)或無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互相通信、數(shù)據(jù)共享。

2 結(jié)論

本挖泥船作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配備及應(yīng)用，較大提高了鋼耙抓斗挖泥船施工定位精度、施工作業(yè)效率、施工安全水平、自動(dòng)化程度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)船、岸施工管理指令交互，為后續(xù)疏浚船型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究積累經(jīng)驗(yàn)。

[1] 馬偉明主編. 中國(guó)電氣工程大典·第12卷·船舶電氣工程. 北京: 中國(guó)電力出版社,.2009.

[2] 王谷謙主編. 疏浚工程手冊(cè). 上海: 交通部上海航道局, 1994.

[3] 黃恒祥主編. 船舶設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1999.

Operation Monitoring System of Self-going Dozen and Grab Bucket Dredger Ship

Ma Xuehu

（Wuhan Jinding Marine Engineering Co., Ltd., Wuhan 430062, China）

U674.31 TP277

A

1003-4862（2013）12-0049-03

2013-05-09

馬學(xué)虎(1981-)，男，助理工程師。專(zhuān)業(yè)方向：電氣工程。