鄭 凱

(中交天航濱海環(huán)保浚航工程有限公司,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，它對生產(chǎn)過程進(jìn)行分析評價，根據(jù)反饋信息及時發(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、檢測結(jié)果質(zhì)量控制、生產(chǎn)工藝參數(shù)、測量標(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參數(shù)范圍進(jìn)行設(shè)定，從而對挖泥操作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時控制，有助于在出現(xiàn)異常情況時及時追查原因并處理。利用控制上限和下限來設(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，對駕駛臺相關(guān)操作手柄、旋鈕和撥鈕實(shí)現(xiàn)挖泥操作。橫移時，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時，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時，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，主要關(guān)注絞刀壓力和吸入真空參數(shù)來調(diào)整橫移速度。

2)濃度和流速。工程條件確定時，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)主要來源于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所記錄的實(shí)時數(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、倒臺車和移錨等工序。針對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)或故障時的數(shù)據(jù)。4)同一挖泥深度的橫移數(shù)據(jù)。選取臺車行程無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個數(shù)據(jù)，即n=1的情況下，可以采用單值-移動極差控制圖分析工藝過程的統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。移動極差指相鄰兩批數(shù)據(jù)之差的絕對值。將移動極差值標(biāo)示在控制圖上就是單值-移動極差控制圖?？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為移動平均極差；E2為常數(shù)。

移動極差圖：

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)船員操作水平對比。利用不同船員的生產(chǎn)效率數(shù)據(jù)繪制直方圖，對比操作差異，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，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、水下管線長分別為900、3 050 m，陸地管線長168 m，總長為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在一個班次(6 h)的操作數(shù)據(jù)。

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

3)臺車行程穩(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，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 絞刀電壓單值控制圖

2)移動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)算移動極差控制限得知，中心線為29 kPa，移動極差在96 kPa以內(nèi)，控制圖見圖3。

圖3 絞刀壓力移動極差控制圖

3.4.2水下泵吸入真空單值-移動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)移動極差控制界限及控制圖。UCL=3.27Rs=13 kPa，LCL=0，CL=Rs=4 kPa。由移動極差控制限得知，連續(xù)2次操作時應(yīng)保持水下泵吸入真空值波動在13 kPa以內(nèi),控制圖見圖5。

圖5 水下泵吸入真空移動極差控制圖

移動極差控制圖與通常的極差控制圖相對應(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)。在每批只有一個數(shù)據(jù)的情況下，同時使用單值控制圖和移動極差控制圖就可以同時檢測工藝參數(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)由移動極差控制限得知，連續(xù)左右橫移操作時應(yīng)保持絞刀壓力波動在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)由移動極差控制限得知，連續(xù)左右橫移時應(yīng)保持水下泵吸入真空波動在13 kPa以內(nèi)。