智能疏浚新時代與我國疏浚行業的可持續發展

田俊峰，俞孟蕻，錢獻國

（1．中國交通建設集團有限公司，北京 100086；2．江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003；3．中國疏浚協會，北京 100028）

1 新世紀以來我國疏浚行業的技術創新

1.1 數字化技術促進疏浚行業的快速發展

新世紀以來，通過引進、借鑒和自主創新，采用疏浚技術與信息技術融合發展的技術路線，挖泥船信息技術研究與應用取得突破。通過采用現場總線技術、網絡技術、通信技術、自動控制技術和計算機技術等，徹底取代了傳統的模擬顯控、信息孤立、操控分散的模式，實現了從依靠模擬技術的儀器儀表到數字化系統的跨越，具有數字化、網絡化、信息化及部分智能化特點[1]。20年來，中交疏浚信息化的實施狀況可以佐證上述發展變化。

2001年，中國交通建設集團承擔了國家“十五”重大技術裝備研制攻關項目，開發了“疏浚計算機輔助決策系統”，開創了我國挖泥船作業的數字化時代。2006年，該監控系統首次升級為“綜合集成監控平臺”，進一步將船舶航行、動力管理、挖掘機具、吸排泥系統等分平臺進行綜合集成，實現了船舶平臺和疏浚作業平臺的數字化和信息化。2009年，研制了“挖泥船施工遠程數據傳輸與工藝指導系統”、“挖泥船精確與高效疏浚控制系統”等，實現了疏浚監控系統的第二次升級，提升了疏浚船舶的船岸協同能力。2011年，研制成功“耙吸挖泥船動力定位和動態跟蹤系統”，實現了疏浚監控系統的第三次升級，拓展了耙吸挖泥船的作業能力。2017年，首次集成了自動挖泥控制、自動泥泵控制、能效管理、大數據分析[2]和疏浚三維土質建模等功能，實現了疏浚過程的局部智能優化。

1.2 挖泥船信息技術研究應用的突破

挖泥船信息技術走自主創新發展道路，助力了我國疏浚技術由簡單粗放到國際先進的轉變，具備了實施遠海島礁、外海搜救、重要海運通道安全保障等深遠海工程的技術能力。

20世紀，中國疏浚行業核心技術受制于人，關鍵裝備主要依賴進口，沒有形成現代化的民族疏浚產業。90年代中后期，建造了幾艘小型挖泥船，探索了老舊船舶的升級改造，疏浚系統主要采用模擬式儀器儀表和分立式電氣控制，信息化程度很低。2002年開始引進“新海龍”、“萬頃沙”等具有數字化、信息化技術的挖泥船，2010年，中外合作成功建造了“天鯨”號，2016年引進了深度信息化的“浚洋1號”。隨著“十五”重裝項目的完成，從2003年開始，我國自主設計建造了以“4011輪”、“新海虎輪”、“通程輪”、“天鯨號”為代表的一批耙吸和絞吸挖泥船，大型挖泥船建造與應用進入了快速發展期[3]。

挖泥船集成控制系統是挖泥船的大腦，其發展可概括為3個階段。第一代計算機網絡系統（2005年），主要特點是基于工作站，數據采集分散，系統維護門檻高，可靠性低。第二代計算機網絡系統（2010年），基于服務器，可靠性高，冗余度高，全信息共享。第三代計算機網絡系統（2015年），云處理架構、無服務器、嵌入式控制，維護簡單，冗余度更高[4]。

挖泥船信息技術研究應用的典型系統及功能分析：

1）水下三維軌跡系統。采用船舶航跡優化、自動識別和虛擬現實、計算機軟件等技術，綜合多波束測深儀、GPS、MRU、電羅經等傳感器采集的信息，開發了水下定位、跟蹤、測深三維可視作業輔助系統，實現了作業和土質的三維顯示，提高了生產作業效率和施工精度。

2）耙臂絞車自動化系統。由耙管絞車控制器、疏浚軌跡監測系統、疏浚深度預測控制器構成，實現自動定深挖泥控制。

3）能量管理系統。自動對負載設備功率進行分配和調節，保證主機功率在各個工況下得到充分利用，實現自動降耗和安全作業。

4）船舶機艙監測報警系統。通過分布在全船各部位的傳感器、報警處理單元、延伸報警等設備，構建了船舶機艙信息快速采集、處理、分析、存儲與三維可視化報警等服務體系。

5）動力定位動態跟蹤DP/DT系統。完成DP/DT模式下的動力定位扇形艏噴、動力定位艏吹、動態跟蹤挖泥、動態跟蹤拋泥、定點往復挖泥等特定作業能力。

6）挖泥船疏浚輔助決策系統。基于船舶模型、管線模型、泥艙模型等，對疏浚性能連續評估并采取必要的控制策略，實現疏浚過程和生產效率的自動優化[5]。

7）遠程管理系統。主要包括船舶位置智能監控、船舶生產日報、船機監控及施工狀態、海況氣象播報、短消息、水深數據管理、潮位數據管理、系統管理等，為施工作業、綜合分析管理提供了完善的信息渠道。

8）耙吸船全自動疏浚技術系統。采用智能控制和智能感知技術實現了耙吸挖泥船挖泥、拋泥、吹泥等整船級的全自動疏浚控制。

9）自主研制大型泥泵。實現挖泥船“心臟”部件的數字化創造。

10）自主研制大型耙頭。實現耙吸船水下“挖掘機械手”的數字化創造。

目前，中交疏浚（集團）股份有限公司已發展成為世界第一大疏浚企業，耙吸船總艙容量和絞吸船總裝機功率均排名世界第一，旗下有中交天津航道局有限公司、中交上海航道局有限公司、中交廣州航道局有限公司。據不完全統計，近20年來，新建艙容在4 200～18 000 m3的大型耙吸挖泥船14艘，新建生產率為2 000～4 500 m3/h的大型絞吸挖泥船40多艘。

1.3 數字化在工程管理中的推廣應用

數字化技術在疏浚工程管理中也得到全面推廣應用，其基本特點是工程管理的數字化、網絡化實施，它有效推進了疏浚工程的應用效率和管理水平。

主要的典型應用見表1。

表1 數字化在工程管理中的推廣應用Table 1 Popularization and application of digitalization in engineering management

1.4 典型工程應用及對經濟社會作用

疏浚技術和疏浚船舶建造技術取得的成果，在遠海和沿海港口等國家大型工程建設中發揮了巨大作用，滿足了我國“十五”到“十三五”持續高速發展時期大批港口、航道及吹填造地等交通運輸基礎設施建設需要。同時，還實施了一批海外重點工程。疏浚數字化、信息化促進了我國高技術船舶制造行業和疏浚行業技術進步，培養了一大批高水平疏浚設備研究、設計和開發人才，頒布了一批國際標準[6]、國家標準和行業標準，形成了核心領域的發明專利、軟件著作權、軟件產品和高水平學術論文，獲得了國家級科技進步和技術發明獎項。

2 疏浚行業可持續發展面臨的挑戰

2.1 全球可持續發展背景下疏浚行業的新機遇與新挑戰

推動全球可持續發展，其根本動力在于新一輪科技革命，新科技的變革為疏浚行業轉型與創新提出新挑戰，也提供了長期發展的環境條件。近年來，荷蘭IHC公司在疏浚技術的多個領域保持領先，通過數字化和信息化的技術積累，正向智能化方向邁進。德國在大功率推進技術、電力驅動技術方面保持領先，疏浚機具設計制造具有優勢。荷蘭、比利時四大國際疏浚公司數字化、信息化技術普遍應用，長期占領國際高端市場的主要份額。我國疏浚行業在經歷了近20年的黃金增長期后，面臨著市場需求應變滯后、環保標準亟待提高、質量效率不很穩定、產業基礎尚存短板、國際化能力需要補強等方面的發展瓶頸，要適應海內外高端市場業務需求，必將面對挑戰與轉型，通過新科技革命突破關鍵技術。

2.2 智能科技將成為世界新技術革命的新引擎

近年來，機器學習技術的進步帶來人工智能領域的革命，深度學習技術是人工智能領域顛覆性創新，大數據成為人工智能持續快速發展的基石，基于網絡的群體智能技術和自主智能系統成為新興發展方向，人機協同正在催生新型混合智能形態。

新一代人工智能已被美國、英國、德國、日本等多國政府提升至“新一輪科技革命的核心技術”。我國國務院2017年7月發布了《新一代人工智能發展規劃》。“大智號智能示范船”列入2017中國智能制造十大科技進展。新技術、新產業、新業態、新模式層出不窮，低碳化、信息化、智能化已成為未來發展的重要方向，體現為廣泛性、體系性和深刻性。新一代智能制造進一步彰顯數字化、網絡化、智能化制造等特征。抓住人工智能，就是抓住新一輪信息技術革命的重心，就能助力經濟發展新超越。

2.3 人工智能技術為疏浚突破高質量發展提供了“良方”

人工智能技術是新一輪疏浚技術實現高質量發展的方向，它利用傳感器、通信、物聯網、互聯網、計算機、自動控制和大數據處理分析等技術實現疏浚工程智能化、疏浚能耗智能化、疏浚控制智能化、疏浚設備智能化[7]。主要表現為：

1）智能船體。對船體相關數據進行自動采集與監測，提供船舶操縱輔助決策[8]。

2）智能航行。通過大數據分析對作業航路和航速進行設計和優化。

3）智能機艙。可對主機、輔機、推進系統等設備的運行狀態和健康狀況進行分析和評估，制定相應的維護策略。

4）智能能效。對船舶航行及作業狀態、耗能狀況等進行在線監測，通過大數據分析進行船舶能效的評估及優化。

5）智能作業。通過疏浚土質智能感知，建立疏浚區域土質模型，尋求疏浚最佳作業參數的自適應，實現疏浚過程的自主分析與決策[9]。

6）智能平臺。它是數據的統一集成平臺，能支持智能航行、智能機艙、智能能效管理等智能系統數據的需求，具備開放性和船岸實時數據交互，以實現對船舶的監控與智能化管理。

疏浚行業的創新發展就是要解決綠色智能挖泥船的系列關鍵技術，可概括為綠色智能疏浚船舶總體設計技術、基于云技術的疏浚智能信息平臺技術、智能感知技術、浚/駕一體化自動駕駛技術、智能疏浚作業技術、設備運維與生命周期綜合保障智能技術、綠色智能疏浚船舶仿真驗證評估技術、綠色智能大型挖泥船示范應用技術等方面。人工智能技術必將催生綠色智能挖泥船的軟硬件策略。“硬件”策略的關鍵是智能疏浚船舶、智能機具、智能系統、智能疏浚共性技術平臺、數據體與數據鏈、模塊等。“軟件”策略的關鍵是推動和保障疏浚行業向服務復雜工況工程、深水深海工程、水環境生態修復工程進軍。

3 中國疏浚新一代核心技術的基本方位

3.1 培育和發展新一代綠色智能疏浚技術體系

培育和發展綠色智能疏浚技術體系是支撐中國疏浚可持續發展的技術基礎，它的主要任務：一是引領、推進中國疏浚向綠色、中高端產業轉型升級，加速構建我國新型疏浚以及海工裝備研發制造產業鏈，推動中國制造創新發展；二是把握新技術革命戰略機遇，加快提升中國疏浚創新能力和核心競爭力；三是主動適應“一帶一路”及國際化戰略要求，支持全行業全球化經營，滿足國際高端市場需求；四是帶動行業協同能力建設，支撐疏浚行業為我國水環境生態及更大范圍的環境修復與保護發揮基礎性作用；五是構建綠色、開放、共享、協作的智能疏浚產業生態。

智能化是提升中國疏浚創新能力和核心競爭力的關鍵。它的基本標志是超常生產能力、超自適應能力、超機動性能、超級智能化和超級環保標準。基本能力是感知與認知能力、深度學習能力、思考與判斷能力、自主決策能力、記憶與自我完善能力、系統協同能力。因此，其主要技術方案可概括為智能船舶共性技術、智能化設備與智能疏浚工程勘測監測技術、智能疏浚裝備專項技術、智能疏浚作業平臺技術和智能疏浚標準及技術體系指南研究與制定。

3.2 推動新一代疏浚技術及裝備研制與應用

2018年，中國交通建設集團已對智能疏浚立項研究，總體目標是：研究并確定新一代環保智能疏浚、海洋工程裝備基礎平臺的定義、主要特征、基本指標體系與關鍵技術，形成研發總體方案控制性計劃；研究以環保、高效為主線，以智能疏浚技術為主體的相關關鍵技術，掌握新一代疏浚及海洋工程的核心技術，構建綠色疏浚和智能疏浚技術體系基礎。主要研究內容如圖1所示。

圖1 智能疏浚主要研究內容Fig.1 Main research contents of intelligent dredging

研發設計多種船型（如耙吸、絞吸、抓斗）適應全球新市場需求，以綠色化與智能化為核心技術支撐及基本特征，國際領先的疏浚工程裝備；研究并制定新一代疏浚裝備的技術標準體系框架；帶動或促進新材料、智能挖泥機具及配套設施的技術進步；培育支撐行業可持續發展的智能疏浚技術研發創新團隊和產業聯盟，積極建設覆蓋行業、服務多方、開放合作、自主創新的技術平臺。

4 結語

中國交通建設集團聯合相關單位通過20多年的引進消化吸收和再創新，在超大型挖泥船整船研發設計與建造、超大型高效泥泵、挖掘珊瑚礁及硬質黏土和密實砂等不同土質的系列疏浚機具、高效綜合自動化疏浚控制系統等方面取得重大突破，整體技術水平國際先進。綠色智能挖泥船和疏浚裝備是未來發展趨勢，將成為國內外交通基礎設施領域新的研究熱點，多學科新技術的交叉集成應用發展迅速，人工智能將有力推進疏浚行業進入新時代。組織有效的集成創新體系和產業鏈深度合作將是智能疏浚技術發展的要因。生態智能疏浚裝備及關聯系統技術體系復雜，為了對生態智能疏浚裝備的技術內涵、技術發展和產業化途徑有科學的掌握和規劃，有必要先開展系統預研和試點應用，為疏浚裝備的技術提升提供重要支撐。