基于控制圖的絞吸船橫移挖泥操作參數(shù)范圍設(shè)定

鄭 凱

(中交天航濱海環(huán)?？：焦こ逃邢薰?天津 300450)

絞吸挖泥船挖泥操作參數(shù)一般在試挖后結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，這種經(jīng)驗(yàn)式的挖泥參數(shù)設(shè)定方法很難對(duì)挖泥操作過程進(jìn)行嚴(yán)格控制，不可避免地出現(xiàn)隨意性和盲目性操作，即使出現(xiàn)異常操作，也不易追查問題原因。因此為彌補(bǔ)依靠人經(jīng)驗(yàn)判斷的不足，增加駕駛員挖泥操作的可衡量性和科學(xué)性就必須采取科學(xué)的方法控制挖泥過程。

統(tǒng)計(jì)過程控制(statistical process control,SPC)是一種借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行過程控制的工具，它對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，根據(jù)反饋信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性因素出現(xiàn)的征兆，并采取措施以消除其影響，使過程維持在僅受隨機(jī)性因素影響的受控狀態(tài)，以達(dá)到控制質(zhì)量的目的。通過借鑒控制圖在定額管理、檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量控制、生產(chǎn)工藝參數(shù)、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量控制等領(lǐng)域的應(yīng)用，創(chuàng)新地將該種統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用于船舶施工中，利用控制圖對(duì)絞吸船橫移挖泥操作過程中絞刀壓力和水下泵吸入真空兩個(gè)參數(shù)范圍進(jìn)行設(shè)定，從而對(duì)挖泥操作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，有助于在出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)追查原因并處理。利用控制上限和下限來(lái)設(shè)定挖泥操作參數(shù)，可為船員操作提供參考，有助于船員操作的標(biāo)準(zhǔn)化，并提供改善的基礎(chǔ)，進(jìn)而提高船舶生產(chǎn)率。

1 絞吸挖泥船橫移挖泥操作特點(diǎn)

疏浚施工的挖泥操作屬于水下工程，其最大特點(diǎn)是“看不見、摸不著”。操作過程中，駕駛員可以參考儀表反映出的參數(shù)信號(hào)，對(duì)駕駛臺(tái)相關(guān)操作手柄、旋鈕和撥鈕實(shí)現(xiàn)挖泥操作。橫移時(shí)，一般結(jié)合絞刀壓力、吸入真空值、排出壓力值及流速等參數(shù)判斷實(shí)際挖泥狀況。當(dāng)儀表指針接近參數(shù)范圍上限而仍有上升趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)降低橫移速度；當(dāng)儀表指針接近參數(shù)范圍下限而仍有下降趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)提高橫移速度。橫移過程主要關(guān)注的參數(shù)是：

1)絞刀壓力和吸入真空。由于儀表尤其是濃度儀表的反應(yīng)滯后，而絞刀壓力和吸入真空反應(yīng)相對(duì)較快，因此在橫移過程中，當(dāng)其他挖泥參數(shù)在正常范圍內(nèi)時(shí)，主要關(guān)注絞刀壓力和吸入真空參數(shù)來(lái)調(diào)整橫移速度。

2)濃度和流速。工程條件確定時(shí)，流速由濃度決定，濃度與真空度相關(guān)，控制思路為：以橫移速度保持真空的穩(wěn)定，據(jù)真空變化調(diào)整橫移速度，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的流速和排壓。平穩(wěn)的高產(chǎn)量取決于合理的流速和持續(xù)較高的濃度，單獨(dú)的高濃度或高流速，難以保持高生產(chǎn)率。

2 橫移挖泥操作參數(shù)控制圖的繪制方法

2.1 參數(shù)控制圖的數(shù)據(jù)選取原則

橫移挖泥操作參數(shù)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行挖泥操作的過程中，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)每2 s記錄1次。挖泥操作一般可分解為橫移、換向、倒臺(tái)車和移錨等工序。針對(duì)不同工序必須從大量的數(shù)據(jù)中篩選出適用的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1.1數(shù)據(jù)篩選原則

1)工況條件一致。數(shù)據(jù)應(yīng)選自同一艘挖泥船在相同的施工區(qū)域，可以保證施工土質(zhì)等級(jí)相近、施工環(huán)境相似。2)操作平穩(wěn)，具有連續(xù)性。3)產(chǎn)量持續(xù)維持在正常水平，排除發(fā)生意外停機(jī)或故障時(shí)的數(shù)據(jù)。4)同一挖泥深度的橫移數(shù)據(jù)。選取臺(tái)車行程無(wú)變化并且絞刀深度相近的數(shù)據(jù)。

2.1.2控制圖參數(shù)數(shù)據(jù)的選取

選擇絞刀壓力和水下泵吸入真空兩個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)繪制控制圖[1]。橫移是實(shí)現(xiàn)挖泥的主要工序，橫移過程中重點(diǎn)關(guān)注絞刀壓力、吸入真空等參數(shù)，結(jié)合實(shí)際工況變化調(diào)整橫移速度，目標(biāo)是獲得持續(xù)較高的濃度和流速，實(shí)現(xiàn)較高的生產(chǎn)率。

2.2 參數(shù)范圍設(shè)定方法

2.2.1控制圖的原理

控制圖是用來(lái)分析和判斷過程是否處于穩(wěn)定狀態(tài)并帶有控制界限的圖形。控制圖法是一種將顯著性檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)原理應(yīng)用于控制生產(chǎn)過程的圖形方法，是將過程核查數(shù)據(jù)畫到有預(yù)定控制界限的控制圖上，若數(shù)據(jù)處于控制界限以內(nèi)，表明測(cè)量過程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)；反之就是過程失控，應(yīng)采取糾正措施直到再受控。

1)控制界限的設(shè)定。在統(tǒng)計(jì)原理中，一組數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，則有99.73%在μ±3σ(μ為期望值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差)的范圍內(nèi)。根據(jù)正態(tài)分布的性質(zhì)，取μ±3σ作為控制圖的控制界限，這樣參數(shù)值出現(xiàn)在界限以外的概率為0.27%，如果在橫移操作過程中有參數(shù)值超過界限以外，就可以判定為異常[2]。控制界限的一般公式為：

UCL=E(x)+3σ(x)

(1)

LCL=E(x)-3σ(x)

(2)

CL=E(x)

(3)

式中：UCL 為單側(cè)上界；LCL 為單側(cè)下界；CL為中心線；E(x)為期望值；σ(x)為標(biāo)準(zhǔn)差。

2)控制圖的選擇。根據(jù)控制圖控制的數(shù)據(jù)不同，可以分為兩大類，即計(jì)量值控制圖和計(jì)數(shù)值控制圖。橫移挖泥操作參數(shù)屬于計(jì)量值，因此適用于計(jì)量值控制圖[3]。計(jì)量值控制圖又分為平均值-極差控制圖、單值-移動(dòng)極差控制圖以及中位數(shù)-極差控制圖。根據(jù)橫移挖泥操作參數(shù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，選擇單值-移動(dòng)極差控制圖，單值控制圖用于控制平均值，極差控制圖用于控制離散程度。

每批樣本中只包含1個(gè)數(shù)據(jù)，即n=1的情況下，可以采用單值-移動(dòng)極差控制圖分析工藝過程的統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。移動(dòng)極差指相鄰兩批數(shù)據(jù)之差的絕對(duì)值。將移動(dòng)極差值標(biāo)示在控制圖上就是單值-移動(dòng)極差控制圖?？刂平缦薜囊话愎綖?

單值圖：

CL=X

(4)

UCL=X+E2Rs

(5)

LCL=X-E2Rs

(6)

式中：X為過程均值；Rs為移動(dòng)平均極差；E2為常數(shù)。

移動(dòng)極差圖：

CL=Rs

(7)

UCL=D4Rs

(8)

LCL=D3Rs

(9)

式中：D4、D3為常數(shù)。各常數(shù)取值見表1。

表1 單值-極差控制圖的常用系數(shù)

2.2.2參數(shù)范圍設(shè)定過程

1)整理數(shù)據(jù)。按照上文數(shù)據(jù)篩選原則篩選數(shù)據(jù)后，按不同船員的操作數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理。

2)船員操作水平對(duì)比。利用不同船員的生產(chǎn)效率數(shù)據(jù)繪制直方圖，對(duì)比操作差異，選取生產(chǎn)效率均值較大、離散程度較小的船員作為標(biāo)桿。

3)利用標(biāo)桿船員在橫移操作過程的絞刀電壓和水下泵吸入真空數(shù)據(jù)計(jì)算控制界限，繪制單值-移動(dòng)極差控制圖[4]。

3 實(shí)例

3.1 工況條件

工程地點(diǎn)屬盤錦航道，土質(zhì)3～4級(jí)，分2層進(jìn)行施工,第1層挖深為7.5 m,第2層挖深為10.0～11.5 m。水上、水下管線長(zhǎng)分別為900、3 050 m，陸地管線長(zhǎng)168 m，總長(zhǎng)為4 118 m。使用水下泥泵+艙內(nèi)2#泥泵的泵機(jī)組合；絞刀轉(zhuǎn)速為25～30 rmin，絞刀壓力為9～15 MPa，水下泥泵轉(zhuǎn)速為940～950 rmin,2#泵柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為910～940 rmin，負(fù)荷65%～75%，水下泵功率為1 300～1 600 kW，真空-70～-30 kPa，流速4.0～5.0 ms,泥漿濃度20%～50%,橫移速度5～15 mmin。

3.2 數(shù)據(jù)整理

1)選取船員A和B在一個(gè)班次(6 h)的操作數(shù)據(jù)。

2)參數(shù)：臺(tái)車行程、絞刀深度、絞刀壓力、水下泵吸入真空、生產(chǎn)率。

3)臺(tái)車行程穩(wěn)定，絞刀深度為9 m，生產(chǎn)率大于5 000 m3h。

3.3 船員A和船員B的生產(chǎn)率對(duì)比

船員A和B的生產(chǎn)率見圖1。由圖可知，船員A和B的平均生產(chǎn)率相近，船員B為8 487 m3h，稍高于船員A，船員B生產(chǎn)率的標(biāo)準(zhǔn)差為593.4 m3h，遠(yuǎn)小于船員A的777.2 m3h，說明船員B的橫移操作較為穩(wěn)定，因此將船員B的橫移操作作為橫移操作的標(biāo)桿。

圖1 船員A和B 的生產(chǎn)率

3.4 計(jì)算控制界限并繪制控制圖

3.4.1絞刀壓力單值-移動(dòng)極差控制界限及控制圖

1)單值控制界限及控制圖[5]。UCL=X+2.66Rs=1 189 kPa，LCL=X-2.66Rs=1 033 kPa，CL=X=1 111 kPa由計(jì)算控制上下限得知，在進(jìn)行橫移操作時(shí)，絞刀壓力參數(shù)值范圍為[1 033 kPa，1 111 kPa]，控制圖見圖2。

圖2 絞刀電壓?jiǎn)沃悼刂茍D

2)移動(dòng)極差控制界限及控制圖。UCL=3.27Rs=96 kPa，LCL=0，CL=Rs=29 kPa。通過計(jì)算移動(dòng)極差控制限得知，中心線為29 kPa，移動(dòng)極差在96 kPa以內(nèi)，控制圖見圖3。

圖3 絞刀壓力移動(dòng)極差控制圖

3.4.2水下泵吸入真空單值-移動(dòng)極差控制界限及控制圖

1)單值控制界限及控制圖。UCL=X+2.66·Rs=-27 kPa，LCL=X-2.66Rs=-49 kPa，CL=X=-38 kPa。由計(jì)算控制上下限得知，水下泵吸入真空參數(shù)值范圍為[-27 kPa，-49 kPa]，控制圖見圖4。

圖4 水下泵吸入真空單值控制圖

2)移動(dòng)極差控制界限及控制圖。UCL=3.27Rs=13 kPa，LCL=0，CL=Rs=4 kPa。由移動(dòng)極差控制限得知，連續(xù)2次操作時(shí)應(yīng)保持水下泵吸入真空值波動(dòng)在13 kPa以內(nèi),控制圖見圖5。

圖5 水下泵吸入真空移動(dòng)極差控制圖

移動(dòng)極差控制圖與通常的極差控制圖相對(duì)應(yīng)，用于判斷工藝參數(shù)分散性的變化情況是否處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。在每批只有一個(gè)數(shù)據(jù)的情況下，同時(shí)使用單值控制圖和移動(dòng)極差控制圖就可以同時(shí)檢測(cè)工藝參數(shù)中心值和分散性的起伏變化是否處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)，通過控制圖使量化數(shù)據(jù)可視化，便于駕駛員進(jìn)行施工過程中的參數(shù)控制。

4 結(jié)論

1)由計(jì)算控制上下限得知，進(jìn)行橫移操作，絞刀壓力參數(shù)值范圍為[1 033 kPa，11.89 kPa]，一般將絞刀電壓控制在1 111 kPa左右。

2)由移動(dòng)極差控制限得知，連續(xù)左右橫移操作時(shí)應(yīng)保持絞刀壓力波動(dòng)在96 kPa以內(nèi)。

3)水下泵吸入真空參數(shù)值范圍為[-49 kPa，-27 kPa]，一般將水下泵吸入真空值控制在-38 kPa左右。

4)由移動(dòng)極差控制限得知，連續(xù)左右橫移時(shí)應(yīng)保持水下泵吸入真空波動(dòng)在13 kPa以內(nèi)。