絞吸挖泥船模擬器在疏浚實驗教學中的 應用探索

蔣爽 倪福生 錢麗娜

摘? 要 疏浚技術是一個多學科融合、實踐性很強的專業，單純的課堂教學很難使學生獲得對挖泥船施工過程的直觀認識和感受，尤其是對于疏浚技術和設備特性理解不夠深刻。通過絞吸挖泥船模擬器輔助課堂教學的方式，可以使學生獲得和實船基本一致的操作體驗，并從教學目標、實驗操作模式和實驗授課模式等方面，探索模擬器應用于疏浚教學的新思路。

關鍵詞 絞吸挖泥船;模擬器;實驗教學;疏浚技術

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）20-0113-03

Application Exploration of Cutter Suction Dredger Simulator in

Dredging Experiment Teaching//JIANG Shuang， NI Fusheng， QIAN Lina

Abstract Dredging technology is a multi-disciplinary and practical specialty. It is difficult for students to get the intuitive understanding and feeling of dredger construction process by pure classroom tea-ching. Especially， the understanding for dredging technology and the

equipment characteristics is not deep enough. Through the auxiliary teaching method of the suction dredger simulator， so as to enable stu-

dents to obtain the basic and practical experience of the actual ship， and from teaching objectives， experimental operating mode and ex-perimental teaching mode， explore the simulator used in dredging teaching new ideas.

Key words cutter suction dredger; simulator; experiment teaching; dredging technology

1 引言

以航道疏浚、圍墾疏浚、環保疏浚、河湖疏浚為主體的疏浚產業已成為我國大型港口建設、深水航道整治、擴增土地面積、保障江河湖庫健康生態環境等國家經濟可持續發展的重要支柱產業[1]。絞吸挖泥船因其能夠實現泥沙的連續挖掘與輸送，適應范圍廣，使用成本低，是目前疏浚工程中的主力施工船型之一，如近年來大眾所熟知的“天鯨號”和近期下水試航的“天鯤號”均為絞吸式挖泥船，這也是疏浚方向學生必須要熟悉和了解的主要疏浚裝備之一。

疏浚技術綜合了流體、機械、電氣、控制、材料、土力學等多門學科，是一個實踐性很強的專業。而且隨著現代化大型絞吸式挖泥船設備的日益增多，疏浚作業過程日趨復雜，要在較短時間內對挖泥船設備和疏浚施工技術建立認識，就需要在課堂教學的基礎上，利用實船參觀、模擬器實驗等手段加深學生對挖泥船的直觀感受。由于實船參觀所耗費的時間、精力及物力都較大，不適合于人數眾多、課時有限的高校教學。因此，輔助課堂教學的重點主要放在絞吸挖泥船模擬器實驗培訓方面。

2 挖泥船模擬器發展概述

絞吸挖泥船模擬器的研發始于20世紀90年代。1994年，美國DACS公司開發出第一個基于現代計算機技術的絞吸挖泥船仿真模擬器，用于對絞刀挖掘和泥泵輸送過程進行仿真[2]。1997年，荷蘭RBW公司以某艘大型絞吸挖泥船為母船，開發了首次具有虛擬現實場景的挖泥船仿真模擬器，并首次將包括海底地形在內的真實作業環境融入模擬器中[3]。

進入21世紀以來，隨著虛擬現實和計算機網絡技術的發展，疏浚模擬器開始向遠程化、精細化和逼真化等方向發展。2001年，荷蘭TID公司聯合比利時DEME公司開發一套遠程小型疏浚模擬器系統，取消了模擬駕控臺，增加了遠程網絡操作和系統更新的功能，使用更加便捷，疏浚模型的更新速度大大提升[4]。2005年，荷蘭IHC公司為DEME公司研發了一套大型絞吸挖泥船模擬器，可以進行多種船型和多種挖掘、輸送機具的設置、仿真，并首次引入疏浚故障中斷系統，大大增強了模擬器的功能和逼真程度[5]。

我國挖泥船仿真系統的研制起步較晚。2001年，武漢理工大學和長江航道局聯合開發我國首個疏浚模擬器“1750疏浚仿真器”，具有與母船相似的控制臺和虛擬現實場景[6]。2007年，河海大學疏浚技術教育部工程研究中心和天津航道局聯合研制成功大型絞吸挖泥船施工模擬系統，在國內首次實現系統操作培訓、工藝優化和模擬施工等三大功能，可以模擬三種大型絞吸挖泥船、五類（0～15級）土質的疏浚施工情況，給操作者提供了在視覺、聽覺、感覺上真實體驗疏浚施工的操控作業環境[7]。2014年，中交疏浚技術裝備國家工程研究中心研發成功大型耙吸船模擬仿真平臺，實現作業環境、耙吸船機設備、工藝過程的仿真研究功能。

3 絞吸挖泥船模擬器功能

現代化的絞吸挖泥船模擬器通常都包括駕駛盤臺、投影裝置、環形屏幕、教練員工作站、仿真計算機、監控計算機等硬件設備，通過以太網交換機、服務器等設備構成一個有機整體。根據絞吸挖泥船的結構、原理、工作流程等特點，對真實的施工環境、過程進行模擬和再現。河海大學和天津航道局共同研發的絞吸挖泥船模擬器的實物照片如圖1所示。

挖泥船模擬系統具有與實船駕駛臺相同的狀況和工作特性，指導教師可設置不同的疏浚船舶，方便地改變白天、夜晚、雨、雪、霧等天氣狀況，還可以連續改變各類土質的相關參數和管線條件，從而模擬各種情況下的施工過程。學生則通過操控臺做出相應的操控動作和處置，系統的各個部分如船舶、設備、儀表、監控系統等將實時做出響應。通過一系列的實時操作、交互，學生能夠感受到像在真船施工一樣，從而逐步了解絞吸挖泥船的主要結構、組成和性能，挖掘和輸送系統的主要參數，熟悉絞吸挖泥船施工環境、駕駛臺及各種顯示儀表和監控畫面;掌握絞吸挖泥船基本的施工操作步驟和各種操作的前提條件及邏輯關系，鍛煉提高操作水平、快速反應能力和心理承受力，同時為學生對機電一體化技術的創新應用打下基礎。

4 絞吸挖泥船模擬器實驗方法探索

模擬器教學實驗不同于基本的認知性實驗和驗證性實驗，而是面向實船操作，以提升學生對疏浚船舶的認知能力和實踐操作能力為根本目的。因此，在實驗大綱的制訂和評分標準中，應更加注重對學生操作水平的考量，充分利用模擬器自帶的評分體系對學生進行綜合評判，并且給予學生自由發揮的空間。比如對于感興趣的學生，可以嘗試黏性土、長排距、地形劇烈起伏等難度較大的施工工程，還可以在模擬器上人為設置各類常見故障，從而對絞吸挖泥船的施工技術和施工過程進行全面、深入理解。

模擬器實驗教學目的? 通過絞吸挖泥船模擬系統，可以實現如下教學目的：

1）充分直觀地了解絞吸挖泥船的結構、功能和組成;

2）了解模擬器的工作原理、基本構成和實現方法;

3）熟悉絞吸挖泥船吹水、橫移和泥泵輸送操作等基本施工工藝;

4）掌握絞吸挖泥船泥泵、絞刀、鋼樁臺車等關鍵機具的技術特性和運行原理;

5）培養學生的實際動手操作能力、團隊合作能力以及施工過程的效率意識。

模擬器實驗操作模式? 絞吸挖泥船模擬器可設置為標準模式和故障模式兩種。學生在任一種模式下的每項操作，系統都會留下記錄，從而作為指導教師進行集中講解、情景回放以及對學生進行綜合評估的重要依據。

1）標準模式（或稱學習模式）。指導教師在教練員機上設置好土質參數、船型和各設備性能參數后，船舶處于備妥狀態;學生在規定的時間內（如挖掘一個臺車），以最少錯誤達到指導教師規定的目標（產量最大化或穩定流速等）為優。在該過程中，學生可以通過調節橫移速度、絞刀轉速、泥泵轉速、橋架深度、步進距離等各設備或工藝參數，在監控界面中實時直觀地感受到改變所帶來的設備狀態或挖泥產量變化;而一些不當的操作，如調節過猛、次序錯誤等，則會引發報警，自動扣分，從而能夠充分感受到工程施工的嚴肅性和邏輯性。

2）故障模式（或稱挑戰模式）。在正常疏浚過程中，指導教師可以通過教練員機，模擬出絞吸挖泥船施工過程中最常見的幾種故障，比如堵管、爆管、糊絞刀等，使學生突然面對一些意外情況。此時，學生必須通過冷靜思考，首先根據儀表狀態和實時曲線，判斷問題發生的原因，然后根據教師課上所講授的內容，找出解決該問題的相應方法，并逐一操作對應的手柄、按鈕等，排除故障。學生可以從故障模式中學習分析現象、解決問題的技巧，收獲和實船幾乎一致的操作經驗，同時更加深入地體會疏浚工藝的制定標準及關鍵設備的運轉特性。

模擬器實驗授課模式? 在進行絞吸挖泥船模擬器實驗時，為了達到比較好的學習效果，一般采用分組授課的方式進行（每組8～10人），在實操過程中注重每個人的實際參與。通常在標準模式下單人逐個操作，每人一個臺班。在故障模式下分小組進行訓練，小組內部團結協作，共同解決問題;小組之間則相互比拼，激發彼此的競爭意識。指導教師除了課前對學生進行統一講解外，在學生的實操過程中更多是扮演觀察者和協助者的角色。在實操結束后，指導教師的角色回歸到評判者和指導者的角色，對學生的表現進行綜合評判和點評，使其對實操過程中所獲得的經驗和暴露的不足得到更加充分、深入的認識。實驗前，教師進行統一講解，如圖2所示。

5 結語

綜上所述，成本相對較低、功能較為完備、沉浸感較好的絞吸挖泥船施工模擬系統對于增強疏浚方向學生的實踐經驗，加深對疏浚技術和關鍵設備機具的理解，具有較為明顯的優勢和作用。通過設置合理的實驗環節和考核辦法，能夠大大激發學生的學習主動性和合作、競爭意識。因此，未來幾年必將有越來越多高校選擇利用挖泥船模擬器進行疏浚方向學生的培養。同時，挖泥船模擬器在中交集團各大疏浚公司新入職員工的培訓乃至駕駛員技術比武等方面也將起到更為重要的作用?！?/p>

參考文獻

[1]田俊峰，吳興元，侯曉明，等.我國疏浚技術與裝備“十五”“十一五”十年發展回顧[J].水運工程，2010（12）：

93-97.

[2]M. W. Miertschin， R. E. Randall. Dredge Operator

Training Course， Using Cutter head Dredge Simulator

[R].CDS Report No.355，1997.

[3]Cox C M， Rygenraam J A， Grannerman C C 0 N， et al.絞吸式挖泥船培訓模擬器：溝通理論與實踐的橋梁[J].航道科技譯文，1997（3）：31-41.

[4]TID. Web-based distance learning： The key to effi-

cient training for cutter suction dredger operators

[J].HOLLAND： Ports and Dredging，2003，160：27-29.

[5]IHC. Training simulator for cutter suction dredgers

[J].HOLLAND： Ports and Dredging，2005，164：10-12.

[6]高海波，陳明昭，陳輝，等.絞吸式挖泥船疏浚作業仿真訓練器的研制[J].水運工程，2002（3）：4-6.

[7]倪福生，趙立娟，顧磊，等.絞吸挖泥船疏浚仿真研究[J].系統仿真學報，2012，24（11）：2271-2274.