自航式耙吸挖泥船疏浚性能評估系統(tǒng)設計*

郝光杰，俞孟蕻，洪國軍，蘇 貞

(1.江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208)

目前耙吸挖泥船廣泛應用于疏浚市場，其疏浚施工依賴于技術人員的經驗常識，導致其生產效率不高[1-4]。挖泥船生產效率不高的原因一方面是提高疏浚產量的施工參數控制不好，另一個方面是缺乏耙吸挖泥船疏浚性能的評估標準。國內外學者[5-6]研究重點主要集中在疏浚技術控制以及優(yōu)化方面，挖泥船疏浚性能評估研究方向的資料少之又少。陳先云[7]從疏浚工程項目的角度，以建設單位滿意程度、設備完好率、項目質量等級、項目進度等7個方面使用二元比較法進行疏浚項目評價；蘇貞、金浩強[8-9]采用了沙存儲率(SSR)、干土噸生產率(TDSR)和干土噸質量比(TMR)3個性能指標以人工賦加權重的方式對疏浚性能進行評價，這種使用人工賦加權值的方式容易受到人的主觀經驗以及個人偏好影響，不能客觀反映實際施工數據。

本文通過研究耙吸挖泥船的疏浚施工特點，以實測施工數據為依托，考慮耙頭挖掘生產率以及泥泵的輸送效率，構建了多指標融合的疏浚性能評價方案。利用熵值法確定各疏浚性能指標的權重大小，通過客觀數據反映真實的疏浚性能，擺脫主觀經驗評價方式，提高耙吸挖泥船整體的疏浚性能。

1 疏浚性能評估指標

1.1 挖掘生產率

影響耙頭生產率的因素有很多，一部分與耙頭本身的物理特性有關，另一部分與疏浚場合的土質類型存在一定的關系[10-11]。耙頭的挖掘過程十分復雜，需配合高壓沖水、耙齒切削等環(huán)節(jié)，考慮耙頭水下施工環(huán)境的影響，建立耙頭挖掘生產率表達式[12]：

W1=2KsLhvSc+a

(1)

式中：W1為挖掘生產率(m3/s)；K為耙頭破土系數，取0.8～0.9；s為水下環(huán)境影響因子，取0.7～0.9；L為耙頭寬度(m)；h為耙齒的挖掘深度(m)；v為船舶航速(m/s)；Sc為不同分級土質下耙吸挖泥船可挖掘效率；a為挖掘生產率的修正值(m3/s)。

疏浚過程中，疏浚港口的土質類型并不唯一，而是由幾種土壤類型組合而成，根據土壤的可挖掘難易程度，Sc等級取值范圍見表1。

表1 土壤可挖掘難易度等級

為了求出耙頭挖掘生產率的修正值a，對該模型進行定量分析。以廈門港口為例，此港口土壤類型主要為粗砂，根據以往的施工勘探，該地區(qū)土壤顆粒的中值粒徑平均為0.707 mm，土壤挖掘難度較難，Sc取值為0.4。假定耙頭破土系數K為0.8，該地區(qū)水下環(huán)境的影響因子s為0.7，耙吸挖泥船耙頭寬度L設置為2.5 m，其模型圖像見圖1，修正值a為0.607 3 m3/s，挖掘生產率在實際施工中不可能達到1。

圖1 挖掘生產率

1.2 泥泵輸送生產率

泥沙通過管道進行傳輸，因此管道內泥沙的傳輸效率也對挖泥船疏浚性能產生影響。泥漿的傳輸效率主要跟泥漿的流量、泥漿的體積濃度有關：

W2=QrP

(2)

式中：W2為泥泵的傳輸效率(m3/s)；Qr為泥漿的吸入流量(m3/s)；P為泥漿的體積濃度(%)。

1.3 裝艙性能指標

泥艙內的泥沙產量變化同樣反映了挖泥船的疏浚效果，目前對泥沙產量常用的性能評估指標為[13-14]：

1)干土噸生產率TDSR。干土噸生產率是用來刻畫一定時間間隔內泥艙內泥沙存儲量的平均產能。由于耙吸挖泥船在不同的疏浚周期內泥沙存儲量平均產能各異，可以將其作為衡量挖泥船疏浚性能的指標之一:

(3)

ΔTDS(t)=TDS(t)-TDS(t0)

(4)

式中：ΔTDS(t)為累計干土噸產量(t)；TDS(t)為t時刻泥艙內干土噸質量(t)；TDS(t0)為t0時刻的干土噸質量(t)；t0與t分別代表疏浚的開始和結束時間(min)。

(5)

式中：M(t)為泥艙裝載質量(t)；V(t)為泥艙裝載體積(m3)；ρq為石英沙的密度(t/m3)；ρw為海水的密度。

2)沙存儲率SSR。沙存儲率是用來評價疏浚進入溢流階段時，通過溢流筒溢流出的泥沙質量與進艙泥沙質量之間的比值。其公式如下:

(6)

式中：mo，t為溢流泥沙損失量(t)；mi，t為進入泥艙內泥沙質量(t)；ρs為溢流泥沙的密度(t/m3)；ρr為泥沙混合物的進艙密度(t/m3)；ρw為海水的密度(t/m3)；Qs為泥沙混合物的溢流流量(m3/s)；Qr為泥沙混合物的進艙流量(m3/s)。

沙存儲率比值越大，說明該船泥沙的溢流損失量越小，泥艙的泥沙存留度就越高，從而挖泥船的疏浚效果就越好。該性能指標在疏浚周期內變化情況如下：疏浚開始時泥沙在船艙內的液面高度未達到溢流筒高度，因此泥沙混合物全部存儲在泥艙內，此時泥艙的沙存儲率為1。隨著疏浚時間的推移，泥艙內泥沙質量增加，船艙內泥沙混合物的液面逐漸升高，到達溢流筒高度后，泥沙開始出現溢流。在溢流過程中，泥沙通過溢流筒流出艙外，從而導致艙內的沙存儲率逐漸降低，并最終維持在一定水平。

3)干土噸質量比TMR。干土噸質量比反映了船艙內固體顆?？傎|量，即干土噸質量TDS(t)占整體船艙裝載物質量Mt的比值。其公式如下：

(7)

式中：TDS(t)為t時刻泥艙內干土噸質量(t)；M(t)為t時刻船艙內泥艙裝載質量(t)。

當船艙內為清水時，此時TMR取值為0；當疏浚施工時，泥艙內的泥沙逐漸增多，TMR也開始進行相應的變化。

2 疏浚評估指標設計

2.1 疏浚性能評價準則

構建耙吸挖泥船疏浚性能評價準則是選取系統(tǒng)評價指標的前提，根據耙吸挖泥船疏浚施工的特點，從疏浚工程的角度，建立以下幾個評價準則：

1)全面性評價準則。耙吸挖泥船疏浚施工比較復雜，對挖泥船的疏浚性能評估方式多樣，比如所選取的評估指標是否充分反映了疏浚作業(yè)的特點，是否具有全面性、代表性。

2)安全性評價原則。安全性準則是耙吸挖泥船疏浚施工的前提條件，主要是要求施工人員要以規(guī)范的施工標準來進行施工操作，避免疏浚設備出現故障損壞。

3)經濟性評價原則。研究挖泥船疏浚性能評估的主要目的是在減少疏浚成本的同時提高其帶來的經濟價值，從而提高整個疏浚行業(yè)的效益。

4)成長性評價原則。成長性評價原則主要體現了疏浚性能評估指標的評價是否具有延續(xù)性以及是否可以應用到挖泥船疏浚決策系統(tǒng)中，作為一種技術手段豐富在軟件內，從而將挖泥船的疏浚性能展現在操作人員面前，使操作人員實時監(jiān)測施工狀態(tài)，對疏浚作業(yè)質量進行評價。

2.2 熵值法

對耙吸挖泥船使用多指標的評估方式，其各指標權值的計算必不可少，目前評價指標的確定一般是采用主觀賦權法和客觀賦權法兩種方式。主觀賦權法一般是根據本領域內的專家和技術人員根據實際的工程經驗來進行人為判斷。這種賦權方法具有隨意性與偏好性。客觀的賦權方法一般依靠實際的數據分析得出指標權重，不介入主觀評判依據，例如粗糙集與熵值法。結合疏浚施工的特點，采用熵值法來計算疏浚施工的指標權重[15-16]。

熵用來反映信息論不確定的量，通常熵越大，說明該信息量較??；反之熵的值越小，說明該信息量大，存在的不確定因素少[17-18]。根據熵的這種特點，可以將其引入到指標計算中用來確定指標的大小。即當熵值越小時，該指標屬性的信息有效性越高，從而賦予較大的指標權重，同理可得，熵值越大，說明該指標屬性有效性就弱，從而接受較小的指標權重。

假定一個疏浚性能評估問題有m個周期n個評估指標，則構造指標矩陣為R，Fij代表耙吸挖泥船在j第個指標下第i個疏浚周期Fi的貢獻度。

(8)

(9)

用Uj代表信息熵值，其中N=1/lnm，m為疏浚周期數：

(10)

Dj代表信息的有效貢獻度：

Dj=1-Uj

(11)

那么各指標的指標權重ωj計算方式如下：

(12)

通過各評估指標權重的ωj大小，從而對耙吸挖泥船各個疏浚周期的施工效果進行綜合評價，則第m個周期下疏浚效果綜合評價值Qm計算公式如下：

Qm=Fmω′

(13)

3 評價方案設計

根據以上性能指標的選取以及指標權重計算方法的介紹，耙吸挖泥船的疏浚性能評估方案設計步驟如下：

1)步驟1。對采集的數據進行歸一化與規(guī)范化處理。對正向指標采用如下公式：

(14)

對于逆向指標采用公式如下：

(15)

2)步驟2。 采用熵值法計算各個指標的信息熵值Uj、有效貢獻度Dj以及各指標權值ωj。

3)步驟3。根據所求各指標的權值ωj，綜合計算Qm值。并對各周期疏浚施工效果進行評價。規(guī)定綜合評價值Qm≥0.6為疏浚效果較好的周期，Qm< 0.6為疏浚效果差的周期，在周期內評分最高的周期為最佳疏浚周期。

4 實例驗證

對廈門港施工數據進行整理，對其中20個周期的疏浚效果進行評價。對采集的20個周期的數據進行歸一化處理，具體結果見表2。

表2 各周期指標分布

其中N=1/lnm，m為疏浚周期數，m為20，則N=0.333 8，通過公式計算各個指標的信息熵值Uj、有效貢獻度Dj以及各指標權值ωj。各參數分布見表3。

表3 各參數分布

分析表3中各性能指標的權值，在疏浚性能評估中，耙頭的挖掘生產率對耙吸挖泥船整體的疏浚性能影響較大，干土噸的生產率以及干土噸質量比次之，泥泵傳輸效率與沙存儲率影響程度較小。

根據公式(13)計算各個周期的綜合評價值Qm，計算結果見表4。

從表4可以看出，共有11個周期綜合評價值大于0.6；其中第2、10、11、12周期的疏浚性能在11個施工周期內表現最好；從整體而言，第10周期為該船此次施工的最佳周期，綜合評價值為0.847。剩余的9個施工周期疏浚效果判定為差，例如第4、5和第19周期，綜合評價值分別為0.417、0.416和0.405。施工人員可根據綜合評價值對相應的施工周期進行分析，對疏浚效果好的周期進行經驗總結，指導后期施工；對表現差的疏浚周期相對應的施工樣本集進行整理，找出導致疏浚效果不佳背后的原因，吸取教訓。

表4 各個周期的綜合評價值Qm分布

5 結論

1)根據廈門港實測的施工數據，建立了耙吸挖泥船疏浚性能評估體系，并利用熵值法確定各性能指標的權重，擺脫了主觀經驗干擾，實現耙吸挖泥船實時疏浚狀態(tài)監(jiān)測與疏浚性能的評估。

2)采用更加科學的手段對耙吸挖泥船的施工狀況有更加直觀的了解，并根據耙吸挖泥船的施工狀況及時調整相關控制參數，保持耙吸挖泥船的高效疏浚，其具有重要的工程應用價值與市場前景。

3)雖然各港口土質類型不一，施工所用船型各異，該指標僅依賴于實測數據，不受上述因素影響，可以廣泛應用到其他港口以及船型。