自航鋼耙抓斗挖泥船作業監測系統

馬學虎

?

自航鋼耙抓斗挖泥船作業監測系統

馬學虎

（武漢金鼎船舶工程設計有限公司，武漢 430062）

作業監測系統是疏浚船舶必不可少設施，本文對自航鋼耙抓斗挖泥船作業監測系統配置及功能作簡單介紹。

挖泥船 作業監測系統

0 引言

由武漢金鼎船舶工程設計有限公司開發設計的具有抓斗挖泥和鋼耙挖泥兩種作業功能的自航工程船，主要用于長江上游重慶（九龍坡）至朝天門河段航道維護疏浚。重慶主城區長江航道十分復雜，水流速度大，卵石累積性淤積航道，兩岸碼頭和躉船眾多，江底過江錨鏈密布，縱橫交錯，不能禁航施工，疏浚工況差。

針對以上航道狀況，本船艏部設置鋼耙裝置，艉部設置抓斗機，設置鋼樁定位系統，使用臺車和液壓環梁升降裝置定樁移樁。

抓斗機為獨立工作型，抓斗機的動作及控制由其自帶的柴油機驅動液壓油泵產生液壓動力來實現。抓斗機在艉部抓斗機室設有獨立操縱系統，抓斗機室自帶有完善監視其柴油機及液壓系統等相關儀表及安全報警裝置。

臺車、液壓環梁升降裝置、鋼耙由船舶配備液壓泵站提供動力。控制裝置設置在駕駛室，具有移動臺車前進、后退，液壓環梁升降裝置升降，鋼耙起落功能。

本船總長52.00 m，型寬14.00 m，型深3.50 m，設計吃水2.00 m，結構吃水2.50 m，其總體布置見圖1。

圖1 總體布置圖

根據本船施工作業水域特點，施工時需采用錨鏈探測裝置探明水下錨鏈分布情況，然后采用抓斗機根據錨鏈分布情況避開錨鏈進行疏浚作業。抓斗機工作時采用鋼樁固定，當抓斗機因為錨鏈疏浚施工留下淺區后，再采用鋼耙對這些少量的淺區進行疏浚以最終滿足需要的航道維護尺度。

1 作業監測系統

本船作業監測系統利用計算機對挖泥船作業信息進行采集和處理，輔助操作人員進行疏浚挖泥作業。

結合本船施工作業特點，本船作業監測系統主要包含以下系統：

1）水下錨鏈探測系統；

2）雙頻RTK GPS 系統；

3）多通道測深儀系統；

4）船舶監測管理系統。

1.1 水下錨鏈探測系統

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

本船錨鏈探測系統利用磁力學原理，配備RS-YGB6A型海洋氦光泵磁力儀能滿足要求。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器，適合于海洋地球物理勘探中高精度磁測量，也可用于水下小目標探測。該儀器具有數字化、模塊化、小型化和系統集成特點。用光泵技術制成的高靈敏度磁探儀，無零點漂移、不須嚴格定向，對周圍磁場梯度要求不高，可連續測量等顯著優點。

該儀器由氦光泵水下傳感器、GPS天線、信號處理器、顯示器、拖纜及GMINFO專用處理軟件等組成（見圖2）。

圖2 海洋氦光泵磁力儀

作業過程如下：

1）作業前用本船拖動該裝置對作業區域進行探測(探測器與本船安全距離約15 m) ；

2）通過GPS天線，對探測到河底磁異常數據，利用GMINFO專用處理軟件，標繪出錨鏈具體位置；

3）將錨鏈具體位置信息錄入到本船監測管理系統，使本船作業時避開該區域。

1.2 雙頻RTK GPS 系統

為了消除系統誤差，提高實時動態三維定位精度，本船配備HD-K8型雙頻RTK GPS系統(1＋2配置)，系統由1套岸上基準站、2套船舶移動站、相關軟件及附件組成。本系統平面定位精度可達到厘米級，保證船舶的定位數據準確可靠。

基準站雙頻GPS天線安裝在岸上已知坐標點位置，船舶移動站雙頻GPS天線安裝在船舶首尾中心線處。安裝在基準站上的GPS接收機進行三維定位，解算出基準站的坐標，由于存在著軌道誤差、大氣影響以及其他誤差，解算出的坐標與基準站的已知坐標是不一樣的，存在誤差。基準站采用單向點對點方式將修正數據發送至船舶移動站，并且對其解算的船舶移動站坐標進行修正。最后得到的修正后的移動站坐標已消去了基準站和移動站的共同誤差，從而提高定位精度。

本系統主要可以輔助完成：

1）船舶初始定位。在作業起始區域，可以使船舶的首次定位精確；

2）船舶移船及施工定位。在挖泥的過程中，為移船及施工定位提供依據。

3）測量移船速度。在移船過程中，為平行移船提供依據。

4）確定坐標點。在測深儀和計算機的配合下，實時測出每一測深點處坐標值，從而為計算得出較精確的水底地形圖作好數據儲備。

1.3 多通道測深儀系統

挖泥船測深系統主要用于船舶作業施工前及竣工時，對施工作業區域水下地貌全面掃側，以檢測施工質量。傳統的單頻率，單換能器測深儀，只能單線式測深且覆蓋面較小，在兩條斷面間波束未測到的河底難免會漏掉淺點或深坑，給航道行船留下重大隱患。而多波速測深儀價格昂貴，維護保養成本較高，且一般配備在專用航道測量船上。

本船采用南方測繪公司HD-9型9通道測深儀系統，由主機、換能器及連接電纜、數據轉換盒、打印設備等組成。系統與雙頻RTK GPS相連接，通過海洋測繪成圖軟件可自動生成高精度水深圖、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，進行全覆蓋無遺漏掃描和實時監測，滿足船舶作業施工檢測要求。

1.4 船舶監測管理系統

本船船舶監測管理系統，是將錨鏈探測裝置、雙頻RTK GPS、多通道測深儀、船舶吃水傳感器、船舶姿態儀、抓斗機、鋼耙、鋼樁及臺車、液壓系統、機艙重要設備及各種傳感器提供數據，通過計算機技術、網絡技術配套專用軟件結合圖形化管理界面進行遠程監測管理的系統。

其系統結構圖見圖3。

圖3 船舶監測管理系統

1）在抓斗機室配置一體化工控機、無線交換機、UPS電源等設備。在顯示界面上，可以顯示當前施工設計的CAD圖紙、施工區域測量水深數據、船舶浮態、船舶吃水、船舶平面位置、抓斗實時平面位置、抓斗的實際施工深度、每斗的施工產量、錨鏈的位置、測深儀實時測量數據、挖槽剖面狀態信息等。本系統對抓斗機室的駕駛員提供精確的施工指導，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、顯示器、交換機、UPS電源、無線遠傳設備等。用于施工管理和定位數據、設備監測數據、錨鏈探測數據、鋼耙起落、鋼樁升降、臺車移位等數據處理及相關信息顯示。

駕駛室系統部分提供施工定位、施工管理、船舶各類數據的采集匯總、安全管理、設備監測等綜合功能，并且利用無線網絡技術將本船的施工數據和設備運行數據上傳至岸上中心服務器，中心服務器利用其所配備的數據庫將船舶端的施工數據保存起來，以便工程管理使用。

在駕駛室設置有視頻監視系統，在船舶的主要甲板機械處安裝紅外攝像機，提供對這些設備的全天侯視頻監視，以滿足全天侯的施工要求。

3）在機艙值班室配置工控機、顯示器、交換機、PLC控制柜等設備。通過PLC控制柜采集柴油發電機、液壓系統、推進電機等重要設備及船舶吃水、機艙艙柜等各類傳感器數據，在機艙值班室通過圖形化界面顯示各個柴油發電機組、推進電機、液壓系統等工作的狀態，根據機艙內各種設備的報警閥值自動生成報警，并進行記錄和顯示，實現機艙綜合監控。

抓斗機室、駕駛室、機艙值班室三套子系統各自負責相應的功能，系統之間數據通過以太網或無線以太網絡實現互相通信、數據共享。

2 結論

本挖泥船作業監測系統配備及應用，較大提高了鋼耙抓斗挖泥船施工定位精度、施工作業效率、施工安全水平、自動化程度，同時實現船、岸施工管理指令交互，為后續疏浚船型監測系統研究積累經驗。

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

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

[3] 黃恒祥主編. 船舶設計手冊. 北京: 國防工業出版社, 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

馬學虎(1981-)，男，助理工程師。專業方向：電氣工程。