绞吸挖泥船模拟器在疏浚实验教学中的,应用探索

材料、土力学等多门学科，是一个实践性很强的专业。而且随着现代化大型绞吸式挖泥船设备的日益增多，疏浚作业过程日趋复杂，要在较短时间内对挖泥船设备和疏浚施工技术建立认识，就需要在课堂教学的基础上，利用实船参观、模拟器实验等手段加深学生对挖泥船的直观感受。由于实船参观所耗费的时间、精力及物力都较大，不适合于人数众多、课时有限的高校教学。因此，辅助课堂教学的重点主要放在绞吸挖泥船模拟器实验培训方面。

2 挖泥船模拟器发展概述

绞吸挖泥船模拟器的研发始于20世纪90年代。1994年，美国DACS公司开发出第一个基于现代计算机技术的绞吸挖泥船仿真模拟器，用于对绞刀挖掘和泥泵输送过程进行仿真[2]。1997年，荷兰RBW公司以某艘大型绞吸挖泥船为母船，开发了首次具有虚拟现实场景的挖泥船仿真模拟器，并首次将包括海底地形在内的真实作业环境融入模拟器中[3]。

进入21世纪以来，随着虚拟现实和计算机网络技术的发展，疏浚模拟器开始向远程化、精细化和逼真化等方向发展。2001年，荷兰TID公司联合比利时DEME公司开发一套远程小型疏浚模拟器系统，取消了模拟驾控台，增加了远程网络操作和系统更新的功能，使用更加便捷，疏浚模型的更新速度大大提升[4]。2005年，荷兰IHC公司为DEME公司研发了一套大型绞吸挖泥船模拟器，可以进行多种船型和多种挖掘、输送机具的设置、仿真，并首次引入疏浚故障中断系统，大大增强了模拟器的功能和逼真程度[5]。

我国挖泥船仿真系统的研制起步较晚。2001年，武汉理工大学和长江航道局联合开发我国首个疏浚模拟器“1750疏浚仿真器”，具有与母船相似的控制台和虚拟现实场景[6]。2007年，河海大学疏浚技术教育部工程研究中心和天津航道局联合研制成功大型绞吸挖泥船施工模拟系统，在国内首次实现系统操作培训、工艺优化和模拟施工等三大功能，可以模拟三种大型绞吸挖泥船、五类（0～15级）土质的疏浚施工情况，给操作者提供了在视觉、听觉、感觉上真实体验疏浚施工的操控作业环境[7]。2014年，中交疏浚技术装备国家工程研究中心研发成功大型耙吸船模拟仿真平台，实现作业环境、耙吸船机设备、工艺过程的仿真研究功能。

3 绞吸挖泥船模拟器功能

现代化的绞吸挖泥船模拟器通常都包括驾驶盘台、投影装置、环形屏幕、教练员工作站、仿真计算机、监控计算机等硬件设备，通过以太网交换机、服务器等设备构成一个有机整体。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。河海大学和天津航道局共同研发的绞吸挖泥船模拟器的实物照片如图1所示。

挖泥船模拟系统具有与实船驾驶台相同的状况和工作特性，指导教师可设置不同的疏浚船舶，方便地改变白天、夜晚、雨、雪、雾等天气状况，还可以连续改变各类土质的相关参数和管线条件，从而模拟各种情况下的施工过程。学生则通过操控台做出相应的操控动作和处置，系统的各个部分如船舶、设备、仪表、监控系统等将实时做出响应。通过一系列的实时操作、交互，学生能够感受到像在真船施工一样，从而逐步了解绞吸挖泥船的主要结构、组成和性能，挖掘和输送系统的主要参数，熟悉绞吸挖泥船施工环境、驾驶台及各种显示仪表和监控画面;掌握绞吸挖泥船基本的施工操作步骤和各种操作的前提条件及逻辑关系，锻炼提高操作水平、快速反应能力和心理承受力，同时为学生对机电一体化技术的创新应用打下基础。

4 绞吸挖泥船模拟器实验方法探索

模拟器教学实验不同于基本的认知性实验和验证性实验，而是面向实船操作，以提升学生对疏浚船舶的认知能力和实践操作能力为根本目的。因此，在实验大纲的制订和评分标准中，应更加注重对学生操作水平的考量，充分利用模拟器自带的评分体系对学生进行综合评判，并且给予学生自由发挥的空间。比如对于感兴趣的学生，可以尝试黏性土、长排距、地形剧烈起伏等难度较大的施工工程，还可以在模拟器上人为设置各类常见故障，从而对绞吸挖泥船的施工技术和施工过程进行全面、深入理解。

模拟器实验教学目的  通过绞吸挖泥船模拟系统，可以实现如下教学目的：

1）充分直观地了解绞吸挖泥船的结构、功能和组成;

2）了解模拟器的工作原理、基本构成和实现方法;

3）熟悉绞吸挖泥船吹水、横移和泥泵输送操作等基本施工工艺;

4）掌握绞吸挖泥船泥泵、绞刀、钢桩台车等关键机具的技术特性和运行原理;

5）培养学生的实际动手操作能力、团队合作能力以及施工过程的效率意识。

模拟器实验操作模式  绞吸挖泥船模拟器可设置为标准模式和故障模式两种。学生在任一种模式下的每项操作，系统都会留下记录，从而作为指导教师进行集中讲解、情景回放以及对学生进行综合评估的重要依据。

1）标准模式（或称学习模式）。指导教师在教练员机上设置好土质参数、船型和各设备性能参数后，船舶处于备妥状态;学生在规定的时间内（如挖掘一个台车），以最少错误达到指导教师规定的目标（产量最大化或稳定流速等）为优。在该过程中，学生可以通过调节横移速度、绞刀转速、泥泵转速、桥架深度、步进距离等各设备或工艺参数，在监控界面中实时直观地感受到改变所带来的设备状态或挖泥产量变化;而一些不当的操作，如调节过猛、次序错误等，则会引发报警，自动扣分，从而能够充分感受到工程施工的严肃性和逻辑性。

2）故障模式（或称挑战模式）。在正常疏浚过程中，指导教师可以通过教练员机，模拟出绞吸挖泥船施工过程中最常见的几种故障，比如堵管、爆管、糊绞刀等，使学生突然面对一些意外情况。此时，学生必须通过冷静思考，首先根据仪表状态和实时曲线，判断问题发生的原因，然后根据教师课上所讲授的内容，找出解决该问题的相应方法，并逐一操作对应的手柄、按钮等，排除故障。学生可以从故障模式中学习分析现象、解决问题的技巧，收获和实船几乎一致的操作经验，同时更加深入地体会疏浚工艺的制定标准及关键设备的运转特性。

模拟器实验授课模式  在进行绞吸挖泥船模拟器实验时，为了达到比较好的学习效果，一般采用分组授课的方式进行（每组8～10人），在实操过程中注重每个人的实际参与。通常在标准模式下单人逐个操作，每人一个台班。在故障模式下分小组进行训练，小组内部团结协作，共同解决问题;小组之间则相互比拼，激发彼此的竞争意识。指导教师除了课前对学生进行统一讲解外，在学生的实操过程中更多是扮演观察者和协助者的角色。在实操结束后，指导教师的角色回归到评判者和指导者的角色，对学生的表现进行综合评判和点评，使其对实操过程中所获得的经验和暴露的不足得到更加充分、深入的认识。实验前，教师进行统一讲解，如图2所示。

5 结语

综上所述，成本相对较低、功能较为完备、沉浸感较好的绞吸挖泥船施工模拟系统对于增强疏浚方向学生的实践经验，加深对疏浚技术和关键设备机具的理解，具有较为明显的优势和作用。通过设置合理的实验环节和考核办法，能够大大激发学生的学习主动性和合作、竞争意识。因此，未来几年必将有越来越多高校选择利用挖泥船模拟器进行疏浚方向学生的培养。同时，挖泥船模拟器在中交集团各大疏浚公司新入职员工的培训乃至驾驶员技术比武等方面也将起到更为重要的作用。■

参考文献

[1]田俊峰，吴兴元，侯晓明，等.我国疏浚技术与装备“十五”“十一五”十年发展回顾[J].水运工程，2010（12）：

93-97.

[2]M. W. Miertschin， R. E. Randall. Dredge Operator

Training Course， Using Cutter head Dredge Simulator

[R].CDS Report No.355，1997.

[3]Cox C M， Rygeaam J A， Grannerman C C 0 N， et al.絞吸式挖泥船培训模拟器：沟通理论与实践的桥梁[J].航道科技译文，1997（3）：31-41.

[4]TID. Web-based distance learning： The key to effi-

cient training for cutter suction dredger operators

[J].HOLLAND： Ports and Dredging，2003，160：27-29.

[5]IHC. Training simulator for cutter suction dredgers

[J].HOLLAND： Ports and Dredging，2005，164：10-12.

[6]高海波，陈明昭，陈辉，等.绞吸式挖泥船疏浚作业仿真训练器的研制[J].水运工程，2002（3）：4-6.

[7]倪福生，赵立娟，顾磊，等.绞吸挖泥船疏浚仿真研究[J].系统仿真学报，2012，24（11）：2271-2274.

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