三十三、绞吸挖泥船施工仿真模拟技术

1.技术概要

绞吸船的驾驶员水平、应变经验对于船舶性能发挥起着至关重要的作用，传统的培训方式为师带徒观看、积累的培养方式，培养一个可以独立上岗的驾驶员需要1年时间，且此培养方式缺乏规划、统筹，随机性强，不够全面系统。该技术为绞吸挖泥船驾驶员培训和施工水平的提高提供了崭新的仿真模拟平台，可以有效提高培训效率和效果，且降低船舶安全隐患。为优化施工工艺、施工船舶合理安排以及工程产量预测、成本预算、投标决策等提供了良好服务，相比传统方式有效降低了化石能源消耗量。

2.适用范围

该技术适用于大中型绞吸挖泥船的驾驶员培训。

3.技术内容

为全面、系统培训员工及满足工艺优化、施工仿真等高级功能需求，本系统将多信道环幕投影与1:1真实驾控台通过虚拟现实与数模计算、数据采集、控制和传输技术有机结合，特别对绞吸挖泥船施工各重要环节建立数学模型，根据绞吸挖泥船的结构、原理、工作流程等特点，对真实的施工环境、过程进行模拟和再现，能够在视觉、听觉、感觉和施工作业一系列物理行为上，模拟绞吸挖泥船现场施工环境和设备操作、运转、水下土壤挖掘以及长距离管道输送、实时数据显示、存储、监控等施工生产全过程。

该技术在国际上首次开发了具有中、高级模拟培训、分析优化施工工艺和模拟施工三大功能的绞吸挖泥船施工模拟系统，该系统应用仿真软件实现了三种绞吸船型、五类16级土质的模拟工况实时显示系统功能。

首次在疏浚行业采用数学建模、计算机网络、多通道环幕投影与实物操控交互等集成技术，实时模拟和再现了绞吸船施工环境和作业过程。（发明专利受理号：200910244805.X）。

该技术彻底解决了绞吸船船员培训环境的真实性难题，采用优化后的1:1实船驾控台布局，增加横移双控系统，创新了绞吸船的操控方法，为驾控台设计提供了有益参考（两项国家专利授权专利号：ZL200920251730.3，ZL200920251731.8）；

首次在疏浚船舶模拟仿真领域应用神经网络方法分析数据和建模，为挖泥船施工模拟系统仿真建模提供了新的方法；

率先利用SoildWorks对船舶进行三维立体精确建模、3Ds_max进行虚拟现实效果处理、OpenGL实时显示，实现了船舶各部件、机具运动的精确模拟和真实场景再现、增强了施工模拟的真实感；

技术首创的“施工工艺优化、模拟施工”功能的投入使用给施工前工艺优化和施工船舶的合理安排带来了更大的经济社会效益。它改变了传统的计划定额与经验确定生产工艺和施工船舶安排的模式，使绞吸挖泥船施工由传统管理进入科学管理，在招投标决策、制定工艺、工程预算等方面发挥了强大作用。

4.案例分析

（1）技术应用单位

中交天津航道局有限公司

（2）技术应用情况

中交天津航道局有限公司共投资585.21万元，自主开发并应用了“绞吸挖泥船施工模拟系统”。

（3）效益分析

①应用前能耗情况

以“天牛船”系列船舶的能源消耗进行计算，停船培训期间船舶需要开启液压柴油机和主发电柴油机，运转的动力设备参数如下：

表1“天牛船”系列船舶动力设备参数

两柴油机功率之和为3240+880=4120kW。

停船培训时的柴油机负荷比例为12.5%，所以培训功率为4120kW×0.125=515kW；两台柴油机标定工况下最低油耗率均约为200g/kWh，油耗率要远远高于标定工况下的油耗率（柴油机的负荷特性），故实船培训操作时的油耗率保守地定为200g/kWh，实船培训时船舶的燃油小时单耗为515kW×200g/kWh=10300g/h=0.103t/h；

②应用后能耗情况

模拟系统的电力功率能耗是6kW，电力转化标油的系数是0.23kgoe/kWh，则模拟系统单位小时油耗量是6kW×0.23kgoe/kWh=1.38kgoe/h。

根据多年“师带徒”的经验，同一时间内一位师傅可以同时带3名学员，每天进行8小时的实船培训；而模拟系统中有两套模拟器，故项目实施后模拟系统的能源消耗保守以两人同时计算。

2011年共使用模拟系统培训开班6个，170人参加培训、使用模拟系统60天，项目实施后的总节能量，培训情况统计表如下：

表2培训情况统计表

③节能量及经济效益计算

根据上述分析可知项目实施前后节能量计算如下：

项目实施前船舶培训每人每天8小时的能耗量为：

103kg/h×8h÷3人×1.02（折标系数）=280.16kgoe/人·日

模拟系统每天培训8小时的能耗量为：

模拟系统电力功率（6kW）×电力折标油系数0.23kgoe/h×8h÷2人（2台模拟器）=5.52kgoe/人·日

则项目实施后每人每天节约的标油量：

280.16kgoe/人·日-5.52kgoe/人·日=274.64kgoe/人·日

所以年总节油量：

274.64kgoe/人·日×60天×170人÷1000kg/t=2801.33toe

年总节能量=2801.33×1.4286=4002tce。

年减少CO2排放9977t。

本项目属教学仪器，并非工业产品，经济效益难以具体计算，主要从为公司节约开支、节能降耗两方面考虑：

①在“绞吸挖泥船施工模拟系统”投入使用之前，国内尚无拥有类似功能的设备，具备各类绞吸挖泥船驾驶员培训能力的只有国外几大疏浚公司，而为中国疏浚公司提供培训服务的仅有荷兰的IHC。由于国外公司对我国疏浚技术的封锁及行业垄断原因，培训收费昂贵且资源有限，IHC的培训费用为每人次10万元人民币，我司年培训统计结果为11班次293人，若按此报计算，我司需支付培训费用2930万元，去除各种成本，保守估计为公司节约经费达2800万元；

②按节约燃油产生的效益：以8000元/t计算，年节约2197万元。

5.推广建议

建议应用企业在应用该系统前，编写针对系统的标准培训教材，完善培训的规划、统筹并制定相应的考核标准与机制，力争最大限度发挥该系统作用。

疏浚技术是基于现场的、多变的经验积累型技术，企业应用该系统是，需根据自身工况，更多采集现场施工数据，不断充实。使系统能够模拟更复杂、更贴合企业现实的培训工况、提升培训效果。