智能化清淤船自动操控系统架构设计与关键技术分析

前言：在国家对港口和航运的大力扶持下，清淤船由于其具有的自航式、自掘式、自载式、自卸式等优势，已成为我国港口建设中的一种重要形式。清淤船本身配置高、效率高、自动化程度高、环境保护要求高，传统的一体化控制方法虽然可以将清淤船的控制高度整合，但仍不能实现清淤船的全自动化控制，从而影响清淤船的性能与效率。文章通过对清淤船自动化控制要求的全面分析，对清淤船自动排泥控制进行了深入研究，并将先进的自动化控制思想融入到清淤船的排泥工艺中，并对清淤船的排泥工艺进行了研究分析。

一、智能化清淤船自动操控系统架构设计策略

（一）自动抛泥控制系统设计

清淤船的自动排泥系统由若干子控制器构成，其中控制器是排泥控制的核心，是排泥的“脑”。该系统由泥管系阀门自动设定、自动泥门设定、高压冲水自动控制、自动加载吃水控制、自动加载吃水控制、自动泥浆泵控制等五个子系统组成。在此基础上，提出了一种新型的污泥自动排渣系统。

（二）智能化疏浚系统设计

清淤船的智能化并不在于其人工智能化，而在于它的工作效率。我国最新开发的智能化挖泥系统，运用智能控制与传感诊断技术，以“人桥”+“宏键”的设计思想，实现“挖泥”、“抛泥”、“吹泥”等全过程的自动化控制。在施工过程中，操作员将把重点放在航海安全上，只有在启动施工的时候才会进行模式设定，整个过程中只要点击“宏按键”，就能实现全自动化的挖泥操作。当前，文章提出了一种基于机器学习算法与大数据分析的方法，能够在复杂工况下对运行参数进行持续的优化，为疏浚作业人员的决策提供依据。

（三）智能泥舱装载管理系统设计

采用液位仪、密度计等传感装置，对泥浆的浓度及负荷进行实时监控。通过对 1500～3000 立方米货舱容积的加载资料，构建了相应的优化计算模型。进行调整泄水阀的开度，使混浆率达到最优，防止了稀泥入仓，影响了生产效率。载荷监视系统利用应变传感器对船体进行应力监测，以保证载荷的一致性。文章提出一种基于船舶作业工况的智能排泥系统，通过对排泥路径进行自动规划，并对排泥路径进行优化，实现吸泥-排泥整个流程的高效优化。在此基础上，利用大数据分析平台，对作业效率进行评价，不断优化作业方案，提高作业效率。

（四）自动冲水控制系统设计

智能冲水控制系统，设有四种方式按键：“挖泥”，建立耙子冲水管线，启动液压泵，冲水泵；“准备”安装耙式冲水阀，使冲水阀处于空闲状态；“航行”要切断冲水阀，关闭全部的蝶阀；“冲洗”，设置泥浆池的冲水阀，打开冲水阀。

利用智能模型对挖泥过程进行预判，判定相应的起动条件。比如：一键启动高压冲水阀，启动相应的耙子。首先，该系统判定液压系统是不是在工作？若判定液压系统不工作，则自动停机；如果操作正常，则通过对蝶阀的控制建立耙式冲水阀，再起动高压冲水阀，调节预置空转，操作结束。当控制方式运行期间，因人为或不可监控的原因而停止时，系统接口上会出现警报。例如：在运行过程中，在运行过程中，高压冲水泵起动超过了规定的时限，系统接口就会发出一个提示，显示高压冲水泵起动超过时间限制。在管道通道没有设置好之前，不能启动冲水阀。比如：在冲泵工作情况下，会阻止造成管道通道不能建立的动作，若使用者仍给出不正确的操作命令，就会给出警告；若因特殊原因造成管道通道不能建立，则冲泵停机，并发出警报；若因蝶阀限制失效而造成管道路径不能被设定（不指示操作）时，会有光、声两种报警信号，并在系统界面上弹出一条提示确认窗。

（四）智能离线监测系统设计

智能化综合平台为疏浚作业提供了全方位的监测体系，保证了疏浚作业的连续性。通过在发动机、液压系统和变速箱等关键部位安装温度和振动传感器，实现对各种工况的实时测量。主要监测设备有主机缸压力、废气温度、轴系振动和泥浆泵轴承温度、密封压力和冷却水温等。通过对设备运行状态曲线的实时检测，在轴承温升高于75℃、振动量大于3.5 mm/s 的情况下，实现了对故障的检测。通过对船舶数据中心的运行数据进行采集，并对其进行大数据分析，对每台装备的剩余使用时间进行评估。智能维修系统依据工作状态信息，制订预防维修方案，防止设备出现故障。采用卫星通信等方式，实现了船-岸的融合。

二、智能化清淤船自动操控系统关键技术的运用

（一）GPS 定位技术

智能船舶通过传感、通信、物联网等技术，自主地感知船舶的运行状况及海洋环境。清淤船配备了全球定位系统，电子海图，船姿传感器等设备，可对船舶的位置及航向进行实时监控。采用自主航行技术，使耙头处于最优挖泥位置。采用自主控制的横推装置，可有效地提高船舶的定位精度。通过船上的网络将导航数据传送到指挥中心，并通过计算机技术对其进行分析、处理，从而实现对船舶的航向、速度的实时调节。智能导航系统保证了清淤船在挖泥过程中的轨迹稳定，不会出现重复挖泥、漏泥等现象。信息传感系统通过舰船通讯网络，持续收集水文、气象等环境参数，为航海决策提供支撑。该系统可对船舶进行远距离的监测与引导，以保证船舶在最佳运行条件下运行，并且将船舶的航行状态、运行轨迹等信息存入船舶信息中心，进行性能分析和评价。

（二）人工智能技术

清淤船的智能控制系统是以机器学习为基础，以专家系统为核心的。专家系统包括一个大数据库和一个推理机，在大数据库知识库中保存了清淤船使用的全部之前的经验数据和设备参数，在开始操作之前，操作者会把此次疏浚工程的内容、施工水准质量要求以及测深结果等信息录入到这个数据库里。在此基础上，即根据数据库中所提供的数据及参数，对船舶、挖泥设备进行操作。通过机器学习的方法，对疏浚工程的全流程、全过程进行实时、准确的分析，并通过机器学习系统对其进行反馈、修正、完善，实现对施工指导的持续优化。自动导航系统是模仿前面提及的无人飞行器。文章以清淤船为研究对象，利用船载摄像头、传感器、雷达等设备进行环境感知，结合机器学习技术，实现清淤船的自主导航。

结语

总之，针对当前疏浚作业环境复杂、作业能耗高等问题，随着技术进步，清淤船正朝着智能化、自动化、能源清洁化方向发展。自动化清淤船将成为主流，可以大大提高清淤作业效率，同时也将减少人力成本和风险。操控系统集成自动化控制技术，操作人员可实时监控压力、流量等关键参数，部分先进机型支持远程遥控操作。但是，在实现自动化控制的同时，也需要注意其安全性和环保性，保护水域生态环境的同时，提高清淤船的作业效率。未来随着5G 通信、边缘计算等新技术的应用，智能化清淤船将逐步成为市场主流。

参考文献

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