田俊峰，俞孟蕻，錢獻國

（1．中國交通建設集團有限公司，北京 100086；2．江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3．中國疏浚協(xié)會，北京 100028）

1 新世紀以來我國疏浚行業(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)研究與應用取得突破。通過采用現(xiàn)場總線技術(shù)、網(wǎng)絡技術(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。

2001年，中國交通建設集團承擔了國家“十五”重大技術(shù)裝備研制攻關項目，開發(fā)了“疏浚計算機輔助決策系統(tǒng)”，開創(chuàng)了我國挖泥船作業(yè)的數(shù)字化時代。2006年，該監(jiān)控系統(tǒng)首次升級為“綜合集成監(jiān)控平臺”，進一步將船舶航行、動力管理、挖掘機具、吸排泥系統(tǒng)等分平臺進行綜合集成，實現(xiàn)了船舶平臺和疏浚作業(yè)平臺的數(shù)字化和信息化。2009年，研制了“挖泥船施工遠程數(shù)據(jù)傳輸與工藝指導系統(tǒng)”、“挖泥船精確與高效疏?？刂葡到y(tǒng)”等，實現(xiàn)了疏浚監(jiān)控系統(tǒng)的第二次升級，提升了疏浚船舶的船岸協(xié)同能力。2011年，研制成功“耙吸挖泥船動力定位和動態(tài)跟蹤系統(tǒng)”，實現(xiàn)了疏浚監(jiān)控系統(tǒng)的第三次升級，拓展了耙吸挖泥船的作業(yè)能力。2017年，首次集成了自動挖泥控制、自動泥泵控制、能效管理、大數(shù)據(jù)分析[2]和疏浚三維土質(zhì)建模等功能，實現(xiàn)了疏浚過程的局部智能優(yōu)化。

1.2 挖泥船信息技術(shù)研究應用的突破

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，具備了實施遠海島礁、外海搜救、重要海運通道安全保障等深遠海工程的技術(shù)能力。

20世紀，中國疏浚行業(yè)核心技術(shù)受制于人，關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)絡系統(tǒng)（2010年），基于服務器，可靠性高，冗余度高，全信息共享。第三代計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)（2015年），云處理架構(gòu)、無服務器、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)。自動對負載設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、定點往復挖泥等特定作業(yè)能力。

6）挖泥船疏浚輔助決策系統(tǒng)?；诖澳Ｐ?、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?。

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用

數(shù)字化技術(shù)在疏浚工程管理中也得到全面推廣應用，其基本特點是工程管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡化實施，它有效推進了疏浚工程的應用效率和管理水平。

主要的典型應用見表1。

表1 數(shù)字化在工程管理中的推廣應用Table 1 Popularization and application of digitalization in engineering management

1.4 典型工程應用及對經(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，在遠海和沿海港口等國家大型工程建設中發(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設施建設需要。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備研究、設計和開發(fā)人才，頒布了一批國際標準[6]、國家標準和行業(yè)標準，形成了核心領域的發(fā)明專利、軟件著作權(quán)、軟件產(chǎn)品和高水平學術(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)的多個領域保持領先，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)方面保持領先，疏浚機具設計制造具有優(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)普遍應用，長期占領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，面臨著市場需求應變滯后、環(huán)保標準亟待提高、質(zhì)量效率不很穩(wěn)定、產(chǎn)業(yè)基礎尚存短板、國際化能力需要補強等方面的發(fā)展瓶頸，要適應海內(nèi)外高端市場業(yè)務需求，必將面對挑戰(zhàn)與轉(zhuǎn)型，通過新科技革命突破關鍵技術(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，機器學習技術(shù)的進步帶來人工智能領域的革命，深度學習技術(shù)是人工智能領域顛覆性創(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)”。我國國務院2017年7月發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》?！按笾翘栔悄苁痉洞绷腥?017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?？刂浦悄芑?、疏浚設備智能化[7]。主要表現(xiàn)為：

1）智能船體。對船體相關數(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)航路和航速進行設計和優(yōu)化。

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

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，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鍵技術(shù)，可概括為綠色智能疏浚船舶總體設計技術(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鍵是推動和保障疏浚行業(yè)向服務復雜工況工程、深水深海工程、水環(huán)境生態(tài)修復工程進軍。

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?？沙掷m(xù)發(fā)展的技術(shù)基礎，它的主要任務：一是引領、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“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，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)境修復與保護發(fā)揮基礎性作用；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鍵。它的基本標志是超常生產(chǎn)能力、超自適應能力、超機動性能、超級智能化和超級環(huán)保標準?；灸芰κ歉兄c認知能力、深度學習能力、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)和智能疏浚標準及技術(shù)體系指南研究與制定。

3.2 推動新一代疏浚技術(shù)及裝備研制與應用

2018年，中國交通建設集團已對智能疏浚立項研究，總體目標是：研究并確定新一代環(huán)保智能疏浚、海洋工程裝備基礎平臺的定義、主要特征、基本指標體系與關鍵技術(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)為主體的相關關鍵技術(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。主要研究內(nèi)容如圖1所示。

圖1 智能疏浚主要研究內(nèi)容Fig.1 Main research contents of intelligent dredging

研發(fā)設計多種船型（如耙吸、絞吸、抓斗）適應全球新市場需求，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)標準體系框架；帶動或促進新材料、智能挖泥機具及配套設施的技術(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，積極建設覆蓋行業(yè)、服務多方、開放合作、自主創(chuàng)新的技術(shù)平臺。

4 結(jié)語

中國交通建設集團聯(lián)合相關單位通過20多年的引進消化吸收和再創(chuàng)新，在超大型挖泥船整船研發(fā)設計與建造、超大型高效泥泵、挖掘珊瑚礁及硬質(zhì)黏土和密實砂等不同土質(zhì)的系列疏浚機具、高效綜合自動化疏?？刂葡到y(tǒng)等方面取得重大突破，整體技術(shù)水平國際先進。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)外交通基礎設施領域新的研究熱點，多學科新技術(shù)的交叉集成應用發(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)智能疏浚裝備及關聯(lián)系統(tǒng)技術(shù)體系復雜，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)化途徑有科學的掌握和規(guī)劃，有必要先開展系統(tǒng)預研和試點應用，為疏浚裝備的技術(shù)提升提供重要支撐。