智能疏浚新時代與我國疏浚行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:摘 要：系統(tǒng)回顧了近 20 年來我國疏浚技術(shù)和疏浚船舶的發(fā)展歷程，總結(jié)了挖泥船信息技術(shù)研究應(yīng)用的典型系統(tǒng)， 并針對深遠(yuǎn)海復(fù)雜惡劣工況和海內(nèi)外高端市場的業(yè)務(wù)需求，提出開展以適應(yīng)環(huán)境生態(tài)要求、高濃度、精準(zhǔn)化、大挖 深等為特征的新型疏浚技術(shù)研究，構(gòu)建我國疏浚行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展生態(tài)，建設(shè)綠色智能化疏浚體系，實現(xiàn)向疏浚技 術(shù)向生態(tài)、智能化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：疏浚技術(shù)；疏浚船舶；智能疏浚；綠色疏浚

1 新世紀(jì)以來我國疏浚行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新

1.1 數(shù)字化技術(shù)促進疏浚行業(yè)的快速發(fā)展

新世紀(jì)以來，通過引進、借鑒和自主創(chuàng)新， 采用疏浚技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展的技術(shù)路線， 挖泥船信息技術(shù)研究與應(yīng)用取得突破。通過采用現(xiàn)場總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制 技術(shù)和計算機技術(shù)等，徹底取代了傳統(tǒng)的模擬顯 控、信息孤立、操控分散的模式，實現(xiàn)了從依靠 模擬技術(shù)的儀器儀表到數(shù)字化系統(tǒng)的跨越，具有 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)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(fā)展變化。

1.2 挖泥船信息技術(shù)研究應(yīng)用的突破

挖泥船信息技術(shù)走自主創(chuàng)新發(fā)展道路，助力了我國疏浚技術(shù)由簡單粗放到國際先進的轉(zhuǎn)變， 具備了實施遠(yuǎn)海島礁、外海搜救、重要海運通道 安全保障等深遠(yuǎn)海工程的技術(shù)能力。

20 世紀(jì)，中國疏浚行業(yè)核心技術(shù)受制于人， 關(guān)鍵裝備主要依賴進口，沒有形成現(xiàn)代化的民族 疏浚產(chǎn)業(yè)。 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(tǒng)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(shù)字化、信息化技術(shù)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(shè)計建 造了以“4011 輪”、“新?；⑤啞?、“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(yīng)用進入了快速發(fā)展期[3]。

挖泥船集成控制系統(tǒng)是挖泥船的大腦，其發(fā) 展可概括為 3 個階段。第一代計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) （2005 年），主要特點是基于工作站，數(shù)據(jù)采集分散，系統(tǒng)維護門檻高，可靠性低。第二代計算機 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（2010 年），基于服務(wù)器，可靠性高，冗 余度高，全信息共享。第三代計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) （2015 年），云處理架構(gòu)、無服務(wù)器、嵌入式控 制，維護簡單，冗余度更高[4]。 挖泥船信息技術(shù)研究應(yīng)用的典型系統(tǒng)及功能 分析：

1） 水下三維軌跡系統(tǒng)。采用船舶航跡優(yōu)化、 自動識別和虛擬現(xiàn)實、計算機軟件等技術(shù)，綜合 多波束測深儀、GPS、MRU、電羅經(jīng)等傳感器采集的信息，開發(fā)了水下定位、跟蹤、測深三維可 視作業(yè)輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)了作業(yè)和土質(zhì)的三維顯示， 提高了生產(chǎn)作業(yè)效率和施工精度。

2） 耙臂絞車自動化系統(tǒng)。由耙管絞車控制 器、疏浚軌跡監(jiān)測系統(tǒng)、疏浚深度預(yù)測控制器構(gòu) 成，實現(xiàn)自動定深挖泥控制。

3） 能量管理系統(tǒng)。自動對負(fù)載設(shè)備功率進行 分配和調(diào)節(jié)，保證主機功率在各個工況下得到充 分利用，實現(xiàn)自動降耗和安全作業(yè)。

4） 船舶機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)。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(shè) 備，構(gòu)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(wù)體系。

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

6） 挖泥船疏浚輔助決策系統(tǒng)。基于船舶模 型、管線模型、泥艙模型等，對疏浚性能連續(xù)評 估并采取必要的控制策略，實現(xiàn)疏浚過程和生產(chǎn) 效率的自動優(yōu)化[5]。

7） 遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。主要包括船舶位置智能監(jiān) 控、船舶生產(chǎn)日報、船機監(jiān)控及施工狀態(tài)、海況 氣象播報、短消息、水深數(shù)據(jù)管理、潮位數(shù)據(jù)管 理、系統(tǒng)管理等，為施工作業(yè)、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(shù)系統(tǒng)。采用智能控 制和智能感知技術(shù)實現(xiàn)了耙吸挖泥船挖泥、拋泥、 吹泥等整船級的全自動疏?？刂啤?

9） 自主研制大型泥泵。實現(xiàn)挖泥船“心臟” 部件的數(shù)字化創(chuàng)造。

10） 自主研制大型耙頭。實現(xiàn)耙吸船水下 “挖掘機械手”的數(shù)字化創(chuàng)造。 目前，中交疏浚（集團）股份有限公司已發(fā)展 成為世界第一大疏浚企業(yè)，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(jù)不完全統(tǒng)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(chǎn)率為 2 000~ 4 500 m3 /h 的大 型絞吸挖泥船 40 多艘。

1.3 數(shù)字化在工程管理中的推廣應(yīng)用

數(shù)字化技術(shù)在疏浚工程管理中也得到全面推廣應(yīng)用，其基本特點是工程管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò) 化實施，它有效推進了疏浚工程的應(yīng)用效率和管理水平。 主要的典型應(yīng)用見表 1。

1.4 典型工程應(yīng)用及對經(jīng)濟社會作用

疏浚技術(shù)和疏浚船舶建造技術(shù)取得的成果， 在遠(yuǎn)海和沿海港口等國家大型工程建設(shè)中發(fā)揮了 巨大作用，滿足了我國“十五”到“十三五”持 續(xù)高速發(fā)展時期大批港口、航道及吹填造地等交 通運輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要。同時，還實施了一批 海外重點工程。疏浚數(shù)字化、信息化促進了我國 高技術(shù)船舶制造行業(yè)和疏浚行業(yè)技術(shù)進步，培養(yǎng) 了一大批高水平疏浚設(shè)備研究、設(shè)計和開發(fā)人才， 頒布了一批國際標(biāo)準(zhǔn)[6]、國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，形 成了核心領(lǐng)域的發(fā)明專利、軟件著作權(quán)、軟件產(chǎn) 品和高水平學(xué)術(shù)論文，獲得了國家級科技進步和 技術(shù)發(fā)明獎項。

 2 疏浚行業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

2.1 全球可持續(xù)發(fā)展背景下疏浚行業(yè)的新機遇與新挑戰(zhàn)

推動全球可持續(xù)發(fā)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(yè)轉(zhuǎn)型與創(chuàng) 新提出新挑戰(zhàn)，也提供了長期發(fā)展的環(huán)境條件。 近年來，荷蘭 IHC 公司在疏浚技術(shù)的多個領(lǐng)域保 持領(lǐng)先，通過數(shù)字化和信息化的技術(shù)積累，正向 智能化方向邁進。德國在大功率推進技術(shù)、電力 驅(qū)動技術(shù)方面保持領(lǐng)先，疏浚機具設(shè)計制造具有 優(yōu)勢。荷蘭、比利時四大國際疏浚公司數(shù)字化、 信息化技術(shù)普遍應(yīng)用，長期占領(lǐng)國際高端市場的 主要份額。我國疏浚行業(yè)在經(jīng)歷了近 20 年的黃金增長期后，面臨著市場需求應(yīng)變滯后、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn) 亟待提高、質(zhì)量效率不很穩(wěn)定、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)尚存短 板、國際化能力需要補強等方面的發(fā)展瓶頸，要 適應(yīng)海內(nèi)外高端市場業(yè)務(wù)需求，必將面對挑戰(zhàn)與 轉(zhuǎn)型，通過新科技革命突破關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 智能科技將成為世界新技術(shù)革命的新引擎

近年來，機器學(xué)習(xí)技術(shù)的進步帶來人工智能 領(lǐng)域的革命，深度學(xué)習(xí)技術(shù)是人工智能領(lǐng)域顛覆 性創(chuàng)新，大數(shù)據(jù)成為人工智能持續(xù)快速發(fā)展的基 石，基于網(wǎng)絡(luò)的群體智能技術(shù)和自主智能系統(tǒng)成 為新興發(fā)展方向，人機協(xié)同正在催生新型混合智 能形態(tài)。 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(shù)”。我國國務(wù)院 2017 年 7 月發(fā)布了《 新一代人 工智能發(fā)展規(guī)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(shù)、新產(chǎn) 業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式層出不窮，低碳化、信息化、 智能化已成為未來發(fā)展的重要方向，體現(xiàn)為廣泛 性、體系性和深刻性。新一代智能制造進一步彰 顯數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)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(shù)革命的重心， 就能助力經(jīng)濟發(fā)展新超越。 2.3 人工智能技術(shù)為疏浚突破高質(zhì)量發(fā)展提供了 “良方” 人工智能技術(shù)是新一輪疏浚技術(shù)實現(xiàn)高質(zhì)量 發(fā)展的方向，它利用傳感器、通信、物聯(lián)網(wǎng)、互 聯(lián)網(wǎng)、計算機、自動控制和大數(shù)據(jù)處理分析等技 術(shù)實現(xiàn)疏浚工程智能化、疏浚能耗智能化、疏浚 控制智能化、疏浚設(shè)備智能化[7]。主要表現(xiàn)為：

1） 智能船體。對船體相關(guān)數(shù)據(jù)進行自動采集 與監(jiān)測，提供船舶操縱輔助決策[8]。

2） 智能航行。通過大數(shù)據(jù)分析對作業(yè)航路和 航速進行設(shè)計和優(yōu)化。

3） 智能機艙?？蓪χ鳈C、輔機、推進系統(tǒng)等 設(shè)備的運行狀態(tài)和健康狀況進行分析和評估，制 定相應(yīng)的維護策略。

4） 智能能效。對船舶航行及作業(yè)狀態(tài)、耗能 狀況等進行在線監(jiān)測，通過大數(shù)據(jù)分析進行船舶 能效的評估及優(yōu)化。

5） 智能作業(yè)。通過疏浚土質(zhì)智能感知，建立 疏浚區(qū)域土質(zhì)模型，尋求疏浚最佳作業(yè)參數(shù)的自 適應(yīng)，實現(xiàn)疏浚過程的自主分析與決策[9]。

6） 智能平臺。它是數(shù)據(jù)的統(tǒng)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(tǒng)數(shù)據(jù)的需求，具備開放性和船岸實時數(shù)據(jù)交 互，以實現(xiàn)對船舶的監(jiān)控與智能化管理。 疏浚行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展就是要解決綠色智能挖 泥船的系列關(guān)鍵技術(shù)，可概括為綠色智能疏浚船 舶總體設(shè)計技術(shù)、基于云技術(shù)的疏浚智能信息平 臺技術(shù)、智能感知技術(shù)、浚/駕一體化自動駕駛技 術(shù)、智能疏浚作業(yè)技術(shù)、設(shè)備運維與生命周期綜 合保障智能技術(shù)、綠色智能疏浚船舶仿真驗證評 估技術(shù)、綠色智能大型挖泥船示范應(yīng)用技術(shù)等方 面。人工智能技術(shù)必將催生綠色智能挖泥船的軟 硬件策略?！坝布辈呗缘年P(guān)鍵是智能疏浚船舶、 智能機具、智能系統(tǒng)、智能疏浚共性技術(shù)平臺、 數(shù)據(jù)體與數(shù)據(jù)鏈、模塊等?！败浖辈呗缘年P(guān)鍵 是推動和保障疏浚行業(yè)向服務(wù)復(fù)雜工況工程、深 水深海工程、水環(huán)境生態(tài)修復(fù)工程進軍。

3 中國疏浚新一代核心技術(shù)的基本方位

3.1 培育和發(fā)展新一代綠色智能疏浚技術(shù)體系

培育和發(fā)展綠色智能疏浚技術(shù)體系是支撐中 國疏浚可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)，它的主要任務(wù)： 一是引領(lǐng)、推進中國疏浚向綠色、中高端產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn) 型升級，加速構(gòu)建我國新型疏浚以及海工裝備研 發(fā)制造產(chǎn)業(yè)鏈，推動中國制造創(chuàng)新發(fā)展；二是把 握新技術(shù)革命戰(zhàn)略機遇，加快提升中國疏浚創(chuàng)新 能力和核心競爭力；三是主動適應(yīng)“一帶一路” 及國際化戰(zhàn)略要求，支持全行業(yè)全球化經(jīng)營，滿 足國際高端市場需求；四是帶動行業(yè)協(xié)同能力建 設(shè)，支撐疏浚行業(yè)為我國水環(huán)境生態(tài)及更大范圍 的環(huán)境修復(fù)與保護發(fā)揮基礎(chǔ)性作用；五是構(gòu)建綠 色、開放、共享、協(xié)作的智能疏浚產(chǎn)業(yè)生態(tài)。 智能化是提升中國疏浚創(chuàng)新能力和核心競爭 力的關(guān)鍵。它的基本標(biāo)志是超常生產(chǎn)能力、超自 適應(yīng)能力、超機動性能、超級智能化和超級環(huán)保 標(biāo)準(zhǔn)?；灸芰κ歉兄c認(rèn)知能力、深度學(xué)習(xí)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(tǒng)協(xié)同能力。因此，其主要技術(shù) 方案可概括為智能船舶共性技術(shù)、智能化設(shè)備與 智能疏浚工程勘測監(jiān)測技術(shù)、智能疏浚裝備專項 技術(shù)、智能疏浚作業(yè)平臺技術(shù)和智能疏浚標(biāo)準(zhǔn)及 技術(shù)體系指南研究與制定。

3.2 推動新一代疏浚技術(shù)及裝備研制與應(yīng)用

2018 年，對智能疏浚立項研究，總體目標(biāo)是：研究并確定新一代環(huán)保智 能疏浚、海洋工程裝備基礎(chǔ)平臺的定義、主要特 征、基本指標(biāo)體系與關(guān)鍵技術(shù)，形成研發(fā)總體方 案控制性計劃；研究以環(huán)保、高效為主線，以智 能疏浚技術(shù)為主體的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，掌握新一代 疏浚及海洋工程的核心技術(shù)，構(gòu)建綠色疏浚和智 能疏浚技術(shù)體系基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容如圖 1 所示。

研發(fā)設(shè)計多種船型（如耙吸、絞吸、抓斗）適 應(yīng)全球新市場需求，以綠色化與智能化為核心技 術(shù)支撐及基本特征，國際領(lǐng)先的疏浚工程裝備； 研究并制定新一代疏浚裝備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系框架； 帶動或促進新材料、智能挖泥機具及配套設(shè)施的 技術(shù)進步；培育支撐行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的智能疏浚 技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新團隊和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，積極建設(shè)覆蓋行 業(yè)、服務(wù)多方、開放合作、自主創(chuàng)新的技術(shù)平臺。

4 結(jié)語

綠色智能挖泥船和 疏浚裝備是未來發(fā)展趨勢，將成為國內(nèi)外交通基 礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域新的研究熱點，多學(xué)科新技術(shù)的交叉 集成應(yīng)用發(fā)展迅速，人工智能將有力推進疏浚行 業(yè)進入新時代。組織有效的集成創(chuàng)新體系和產(chǎn)業(yè)鏈深度合作將是智能疏浚技術(shù)發(fā)展的要因。生態(tài) 智能疏浚裝備及關(guān)聯(lián)系統(tǒng)技術(shù)體系復(fù)雜，為了對 生態(tài)智能疏浚裝備的技術(shù)內(nèi)涵、技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè) 化途徑有科學(xué)的掌握和規(guī)劃，有必要先開展系統(tǒng) 預(yù)研和試點應(yīng)用，為疏浚裝備的技術(shù)提升提供重 要支撐。

原標(biāo)題:智能疏浚新時代與我國疏浚行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展