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疏浚船仿真模拟器的发展和应用
2013年8月6日    评论:    分享:

     来源:第三维度
     作者:王培胜、戴文伯(上海达华测绘有限公司)
           俞孟蕻 (江苏科技大学)

    摘 要:在介绍疏浚船仿真模拟器发展历程的基础上,着重分析了近几年来国内外先进疏浚船仿真模拟器的技术水平和应用状况,总结了疏浚船仿真模拟器研制的关键技术,阐述了当前我国疏浚船仿真模拟器的发展思路及应用实践。

    随着新世纪经济的迅猛发展,疏浚行业除了传统的港口建设、内河航道建设和维护以外,又拓展了很多新的服务领域,如采矿、围海造地、海滩养护、环保整治、海底管沟、海油陆采、海上机场等.不断发展的市场需求以及科技进步,促进了挖泥船技术的不断更新和完善,使挖泥船向节能高效、大型化、自动化、绿色疏浚的方向发展,开展疏浚仿真模拟器的研制意义重大[1]疏浚仿真模拟器主要用于培训新船员,帮助他们在实施工程前获得操作经验,也可以对已经有一定实践经验的船员进行培训,帮助他们学习或试验更加高效安全的操作方法.在科学研究方面疏浚模拟器也具有重要作用,如在研究挖泥船泥泵、柴油机和绞刀等疏浚设备特性时,疏浚模拟器能为这些科学研究提供良好的实验平台,极大的方便疏浚设备研究工作的进行.同时开展挖泥船疏浚机理的研究以提高疏浚效率也需要疏浚仿真模拟器的技术支持.此外,疏浚模拟器还可以在疏浚工程管理及辅助挖泥船设计方面发挥重要参考作用[2].

    1 疏浚仿真模拟器的早期发展

    疏浚仿真模拟器到上世纪末才开始出现,目前只有荷兰、美国、日本等几个国家有相关研究的报道,对大部分国家而言还是一片空白.近几年随着我国疏浚事业的跨越发展,疏浚仿真模拟器的研究将受到极大关注.

    早期的挖泥船设备简单,几乎没有自动控制装置.然而从上世纪七、八十年代以来挖泥船数量越来越多、舱容量越来越大、自动化程度越来越高,操作也越来越复杂.船员经常性的培训需求日趋迫切.

    仅靠传统的书面资料学习或教师授课方式培训新船员已不能满足新时代疏浚作业的需要.为解决这些问题,1990 年初荷兰IHC公司和TID(荷兰疏浚训练研究所)开始努力发展疏浚模拟器.该模拟器虽功能有限,但为后来疏浚仿真模拟器建立了总体框架雏形[3]。

    1994 年美国 DACS(Digital Automation and Control System)公司开发出了第一个基于现代计算机技术的疏浚仿真模拟器,系统由一台基于Windows 3.1的 Intel 486个人计算机和两个表盘控制台组成,仿真软件采用Visual Basic语言开发.同一时期,美国大湖公司(Create Lakes Dredge and Dock)也开发了一套疏浚仿真模拟器硬件,它和DACS 公司的仿真模拟器使用相同软件,但控制台不同.系统主要仿真疏浚作业过程中挖泥船运动、绞刀切削过程和泥浆输送过程.数学模型根据水力学理论、绞刀切削泥砂理论以及工程中收集的经验数据进行设计.用户可以定义不同的参数,来改变挖泥船的类型和选择不同的疏浚工程.数据包括:航道平面、断面参数、土质参数、水流参数、管道参数、泥泵参数、疏浚工艺参数、疏浚机具类型等.同时在显示器上显示疏浚工况数据,包括:控制台仪表读数(泥泵转速与功率、绞刀转速与功率、泥浆比重与流速、真空压力与排出压力、左右横移绞车拉力);

    航道视图(挖泥船横移钢丝绳和锚位置);疏浚作业相关的其他信息,如绞架横移速度、生产率、总产量、挖泥深度、钢桩台车位置和横移角度以及报警信息和作业时间等.在屏幕上还可以通过开关切换显示挖泥船的俯视图、侧面视图和后视图.同时系统记录了学员操作期间的工况数据,可用于分析操作过程的优劣程度[4,5].

    1997年荷兰RBW(Royal Boskalis Westminster)公司以一艘大型绞吸挖泥船为母船,开发了专门针对绞吸挖泥船的仿真模拟器.在这个模拟器中,首次加入了虚拟现实的元素,在模拟器前方增加了弧形大屏幕,把视景影像投放到屏幕上,能够播放不同设备运转时的声音.主要特点有[6]:

    1)软件系统设计了一个 200mx100m 的海底地形,给学员提供一个真实的疏浚作业环境;

    2)挖泥船的运动模型考虑更全面,模型考虑了作用于浮箱、绞刀架和绞刀等部件上的力及这些力受定位钢桩、绞刀架绞车、横移绞车的操作、绞刀与土壤的相互作用以及潮流与波浪等环境的影响;

    3)建立了绞刀挖泥过程模型.在训练期间,绞刀齿和绞刀都可以更换;

    4)考虑了土和水的混合过程以及溢流现象;5)建立了简单的泵送过程模型.与 RBW 公司同时期,荷兰 IHC公司也开发了一个绞吸船疏浚仿真模拟器.这套仿真模拟器的I/O接口采用与母船相同的 PLC构成,使得自动控制模块的模拟更加精确[7].

    值得一提的是,在“九五”期间由长江航道局和武汉理工大学联合开发了我国第一个疏浚模拟器“1750疏浚仿真器”.该模拟器以 1750 绞吸挖泥船作为母型船,开发了与母船相似的控制台,具有真实设备的主要功能.1750 疏浚仿真器在模拟控制台操作方面接近国外同时期产品的水平,并且具有模拟现实模块,对我国疏浚模拟器的研究来说具有重大意义[8].

    2 最新疏浚仿真模拟器技术水平及发展趋势

    进入新世纪以后,基于虚拟现实、计算机网络、智能控制等现代技术的新一代疏浚仿真模拟器的研究取得了很大进步.在形式上开始出现了远程模拟器、综合船桥模拟器等新的式样,疏浚理论及其数学模型更加详细、精确,虚拟现实技术更加逼真.

    2.1 TID远程小型疏浚模拟器[3]

    以往疏浚仿真模拟器的焦点大都集中在大型仿真模拟器上,但是大型仿真模拟器技术复杂、价格昂贵,只有大型疏浚公司才能够拥有.但对大部分公司而言不可能投入大量的人力物力去搞疏浚仿真模拟器.因此对于小公司和个人用户,小型疏浚仿真模拟器具有更切合实际的需求.

    2001年TID及其国际合作人DEME(法国疏浚、环境、海洋工程公司)开发了一套远程小型疏浚模拟器系统.这套疏浚模拟器完全由软件实现,硬件设备就是个人电脑,运行方式也由开始的基于本地软件运行发展成为基于网络的形式.远程小型疏浚模拟器虽然在模拟现实方面远不如现代大型疏浚模拟器,但该疏浚模拟器集中了TID的所有专家的疏浚知识,在数学模型以及模拟疏浚功能方面完全可以达到大型模拟器的水平.

    2.2 IHC 大型绞吸挖泥船疏浚模拟器[9]

    2005年9月IHC为DEME开发的绞吸挖泥船模拟器成功通过了验收,这是目前最先进的绞吸挖泥船模拟器.这个模拟器可以设置成各种不同配置的绞吸挖泥船.每种船型中可以选择不同的锚、绞刀、泵叶轮等.此模拟器引入了疏浚故障中断系统,需要学员鉴别并解决故障问题.学员可以在模拟器上不断重现某种危险工况直到能够从容地解决问题,这样就避免了使用实船进行故障训练可能带来的危险.

    模拟器由以下四个主要部分组成:

    1)与疏浚过程相关的挖泥船物理模型.(1)运动模型,包括船体、升降梯、主桩、辅助桩、锚系统(伺服电机和液压系统)等;(2)绞刀头和被挖掘土之间的挖掘模型;(3)排泥管泥沙传输模型;(4)由柴油机和电力管理系统组成的电力供应模拟系统;(5)辅助系统,比如液压、泥浆密度、冲刷、喷射等系统.

    2)和母船相同的控制台仪表盘安装;

    3)按照最新船型设计的基于计算机程序的PLC系统和网络系统;

    4)实时环境模拟系统,包括视觉、声音、振动等,如图1所示.

图1 绞吸挖泥船模拟器船桥外观图
图1 绞吸挖泥船模拟器船桥外观图

    2.3 综合船桥模拟器[10]

    2004年12月由三家荷兰公司IHC、Imtech Marine & Offshore 和MARIN联合开发的世界上第一个集合了航海、疏浚和捕鱼三种培训功能的大型综合船桥模拟器在比利时泽布勒赫港海员培训中心落成.在该模拟器项目中IHC负责疏浚部分,Imtech Marine & Offshore负责硬件部分和总体项目管理,而MARIN负责船体总体特性部分.

    该综合船桥模拟器有以下几个特点:首先,可以针对不同功能分别培训船员的操作,也可以培训船员的综合操作能力.其次,由于它以整个船桥控制室为模拟环境,因此海景投影角度达到了330°,而且各个窗口的图像能够做到无缝链接,在视觉效果上几乎和真实场景一样.另外,该模拟器在耙式吸挖泥船疏浚模拟方面也达到了空前的高度.它可以模拟5000m3~16000m3容量的耙吸式挖泥船.在模拟数学模型方面也非常全面、细致.例如考虑了挖槽、斜坡这样的特殊操作以及模拟了吸管堵塞、损坏这样的紧急情况[11].

    3 研制疏浚仿真模拟器的关键技术

    从目前先进的新一代典型仿真模拟器可以看出,疏浚仿真模拟器的研究涉及到许多技术领域,关键技术主要有:

    1)挖泥船疏浚机理的建立.主要包括:一是造船时设计的操作机理;二是针对疏浚作业时表现出的不同机理.例如,绞刀与各种土质的作用过程、不同土质或密度沙水混合物在管道中的沉淀过程等.这方面机理的研究目前没有公认的准确理论,仿真模拟器对这部分机理的模拟还相当薄弱.

    2)疏浚过程的数学建模.疏浚模拟器中的数学建模有两个特点:(1)模型数量多,包括地形土质模型、泥泵模型、管路模型、绞刀切削模型、绞刀电机模型、电力系统模型、液压系统模型、最佳密度或最大密度模型等;(2)部分模型的非线性,难以建立准确的数学模型,如绞刀的挖掘过程和泥土输送过程等.

    3)仿真模拟器的软件实现.仿真模拟器中所有疏浚过程的各种状态、作业工况、故障设置与处理、疏浚仪表动态数据、网络平台的数据交换等都是通过软件来实现的,既有桌面应用软件编程又有底层接口编程和仿真编程等.

    4)疏浚仿真模拟器自动化系统采用与母船相似的软硬件结构.即仿真模拟器控制台的 PLC 控制系统及其所连接的计算机网络要求与母船基本相同.疏浚控制系统的研究不但对国产疏浚模拟器意义重大,对国产挖泥船自动化系统的研制也十分重要.

    5)虚拟现实技术的应用.先进的疏浚仿真模拟器普遍采用现代虚拟现实技术,例如视景投影、声响系统和振动系统等.

    4 发展思路及其制作实践

    随着我国的经济发展,特别是沿海港口经济的发展,我国的疏浚业近十年来方兴未艾,疏浚技术突飞猛进,对疏浚人员的操作培训,新工艺的教学和疏浚技术的研究也提出了新的要求.就疏浚仿真模拟器而言,应当遵循以下发展思路.

    1)生产、教学、研究相结合.仿真模拟器是高新技术装备,大多造价不菲.优良的疏浚仿真模拟器开发要在全面掌握疏浚技术的基础上,针对绞吸挖泥船的典型配置与自动化系统要求,以疏浚作业为核心,通过积累大量疏浚数据,解决疏浚过程的机理分析与建模等关键技术.此外,模拟器还具备研究平台功能,用以研究新的疏浚工艺、改进数学模型,相反,这些工艺和模型也可进一步完善仿真模拟器.

    2)跟踪前沿技术,满足实际需求.国内的疏浚业虽取得了很大发展,但在许多基础研究领域,如数学模型建立、疏浚理论和工艺等方面仍有很多不足,限制了疏浚仿真模拟器的应用.要积极跟踪国际最新疏浚技术和仿真模拟技术成果,结合国内实际,制定切实可行的建造目标,满足生产的实际需求.针对疏浚仿真模拟器的关键技术与发展思路,以“新海鸥”母船为蓝本,部分参考其他类型绞吸船,于2010年初开发了绞吸挖泥船仿真模拟器(图2).

图2 绞吸挖泥船仿真模拟器
图2 绞吸挖泥船仿真模拟器

    该系统包括绞吸船疏浚操作台、180°环幕投影设备、声响设备、计算机及网络设备和PLC信号采集设备等,组成基于虚拟现实的仿真模拟系统.疏浚船仿真模拟器系统由与母船一致的SCADA系统、DTPM系统以及仿真驱动系统、虚拟现实系统等构成:

    1)SCADA系统:和实际船舶所使用的自动化控制系统一样,设置有监控和数据采集功能.

    2)DTPM系统:设计施工模板文件、工程计划线;显示海图、浚前水深、航线、挖泥区域;绞刀实时剖面、浚前断面、设计断面显示功能;绞刀挖掘深度、当前深度等显示;在断面图和侧视图中的绞刀位置、船位置、桥架姿态实时显示;超深、超宽挖泥指示;重要疏浚数据(横移速度、绞刀深度等)显示;海床的三维显示.

    3)仿真驱动系统:提供各种模拟信号,包括桥架角度、双GPS接收机信号、罗经信号,以及各种疏浚过程的时序模型和疏浚过程机理模型.特别地,该仿真驱动系统提供了良好的编程接口,可以方便地改变数学模型,从而为教学和研究提供了便利,也有利于系统的升级.

    4)虚拟现实系统:分为视觉和听觉仿真.视觉仿真包括全船外观和三维设备建模,重要部件有:桥架、绞刀、钢桩(主桩、辅桩)、台车、横移绞车、桥架绞车、抛锚杆、耳轴、甲板泵、航行灯、信号灯、锚、钢丝绳、排泥管、夹箍、三缆绞车等,并仿真疏浚现场的岸景、天气、白天黑夜、水面波动等场景,以及桥架、绞刀、钢桩的动画和进关、横移、抛锚、挖泥的疏浚过程;听觉仿真,模拟施工过程中不同设备发出的声音,以及声源的方位.绞吸船仿真模拟系统信号处理流程如图3所示.

图3 绞吸船仿真模拟系统信号处理流程
图3 绞吸船仿真模拟系统信号处理流程

    仿真模拟器软件采用3D成像技术模拟实际船舶的操作过程、水下状况和舷外景象,适用于多船型的施工工艺与施工工况.应用软件通过教员机改变船型和各项参数,可以模拟两泵三缆定位、两泵钢桩台车、三泵钢桩台车、三泵三缆定位四种船型,支持基本疏浚操作培训功能,包括绞刀、泥泵、桥架绞车、横移绞车、抛锚杆、钢桩台车、三缆定位绞车等操作;基本的船舶灯光信号操作培训功能,包括航行灯、信号灯等;各种相关仪器仪表的操作培训,包括潮位遥报仪、各种疏浚显示表头等;动态模拟培训,包括典型的切削和摆动过程、泵送过程、进关和挖槽控制、挖深控制、位置控制与显示;模拟故障现象,实现故障检修、维护培训,可以人为设置故障或强行违规操作,从而训练操作人员的排错能力和正确操作的意识、习惯;高级优化疏浚的工艺培训,指导受训人员掌握获得最佳产量的条件和施工工艺;教练机能够实施监视学员的操作,并记录学员操作行为,具有可回放和评分功能.

    5 结束语

    我国江湖众多、海域辽阔,疏浚任务繁重,对疏浚仿真模拟器的研制不可或缺.但我国的疏浚行业对疏浚仿真模拟器的研究才刚起步,与国外先进疏浚仿真技术相比处于赶超阶段.因此,目前我国面临的任务是:在了解、掌握疏浚仿真模拟器的国际先进技术的基础上,将着力研究疏浚机理研究,填补业内空白点,创新技术方案,尽快赶上和超过技术先进国家,为振兴我国民族疏浚产业而努力奋斗

    参考文献:

    [1] 中交天津航道局. 疏浚技术[M]. 天津: 中交天津航道局, 1997.

    [2] 张翔. 绞吸式挖泥船疏浚作业过程的建模与仿真[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2002.

    [3] TID. Web-based distance learning: The key to efficient training for cutter suction dredger operators [J]. HOLLAND: Ports and Dredging 2003, E160: 27-29.

    [4] M. W. Miertschin, R. E. Randall. Dredge Operator Training Course Using Cutter head Dredge Simulator[R]. CDS Report No.355, April 1997

    [5] Randall. R., Jong, P. de, Miedema. S. A. Experience with Cutter Suction Dredge Simulator Training[C]// Texas A&M 32nd Annual Dredging Seminar. Warwick, Rhode Island: June 25-28, 2000.

    [6] C. M. Cox, J. A. Eygenraam, C.C.0.N.Granneman, et al. 绞吸式挖泥船培训模拟器——沟通理论与实践的桥梁[J]. 航道科技译文, 1997 (3): 31-41.

    [7] 荷兰 IHC 公司中国服务中心. 模拟器支持下的绞吸式挖泥船培训系统——IHC 公司技术规程 CDSIM4 [J]. 疏浚与吹填, 2000(1): 59-65.

    [8] 高海波, 陈明昭, 陈辉, 等. 绞吸式挖泥船疏浚作业仿真训练器的研制[J]. 水运工程, 2002, 338(3): 4-6.

    [9] IHC. Training simulator for cutter suction dredgers[J]. HOLLAND: Ports and Dredging 2005, E164: 10-12.

    [10] IHC. A new integrated bridge training simulator for Zeebrugge, Belgium[J]. HOLLAND: Ports and Dredging 2003, E163: 7-8.

    [11] IHC. Virtually real hopper dredger for economic training[J]. HOLLAND: Ports and Dredging 2003, E158: 14-17.

标签:疏浚船舶航海海洋河流
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