项目名称：

中交天津航道局有限公司耙吸挖泥船教学实训模拟器挖泥工艺及培训体系建设项目。

完工期：

自合同签订日期起至 2027年 5月，具体时间以甲方要求为准。

项目实施地点：

中交天津航道局有限公司

资金来源：

公司科研经费

是否允许联合体投标：

否

投标文件递交地点：

中国交建供应链管理信息系统平台网

投标文件递交方法：

所有的投标文件必须在投标文件递交截止时间（*开通会员可解锁*09:00）通过登录中交集团供应链管理信息系统平台上传投标材料。

开标地点：

中交集团供应链管理信息系统平台网。

特殊说明：

本项目采用线上投标。投标人必须在投标截止时间前上传投标材料，否则将视为无效投标。

序号

名称

设备规格

数量

备注

1、设计依据与参考标准

国家标准：GB/T 39656-2020 《自航耙吸挖泥船疏浚系统设计技术要求》。

行业实践：参考中交疏浚集团等国内主力疏浚企业在主动耙头设计、施工优化方面的前沿研究成果与成功应用案例。

母型船：“通途”轮。

2、总体功能

耙吸挖泥船模拟器的数学模型遵循“环境或参数输入-模型解算-性能输出”的逻辑。教练员软件具备教练员功能、任务管理和数据管理等功能，支持子模型的关键状态变量（如航速、泥浆浓度、舱内土方量）数据共享与迭代计算。模型核心架构流程如下。

环境与指令输入：底质土力学参数、风浪流环境数据、船舶期望航迹与航速指令。

船体运动与控制模型：根据输入，计算船舶在风浪流及耙头拖曳力作用下的实时位置、姿态与运动响应，并通过控制算法输出所需的推力/舵角。

耙头挖掘与吸入模型：基于船舶运动、底质参数，计算耙头的切削阻力、挖掘产量以及泥水混合物的吸入浓度。

泥泵管道输送模型：根据吸入浓度和流量，计算泥泵工作点、管道输送阻力和泵送效率。

泥舱沉降与溢出模型：模拟泥浆在舱内的沉降过程，计算实时装舱量、清水溢出量及溢出损失。

优化与决策输出：综合各模型结果，输出优化后的推荐航速、耙头设定、泥泵转速等，并预测最终产量与能耗。

3、总体要求

（1）建模要求

借助教练员软件和图形化建模工具，数学模型具备图形化、模块化、参数化和耦合化设计，能自动生成数学模型。数学模型符合物理原理、工作机理，或经广泛验证的半经验公式构建，模型具备扩展性与可维护性。

（2）精度要求

可模拟从耙头触底挖掘至泥舱满载的完整疏浚作业循环，为耙吸挖泥船模拟器提供物理真实、反馈准确的数值计算。在典型工况下，模型输出与实测数据的吻合度需达到85%以上。

（3）运算速度要求

在典型工况下，模型运算速度不低于50次/秒，从输入到核心状态变量输出的计算延迟应小于50毫秒，以满足模拟器实时交互要求。

4、模型耦合

耙吸挖泥船模拟器与驾驶模拟器是高度融合的一体化系统。疏浚流程属于非线性反馈与互锁，各子系统模型动态耦合与实时数据交互。

船舶的航速与姿态（受风浪流模型影响）对耙头的对地轨迹与压力影响，压力与土壤模型耦合计算出瞬时切削的泥沙量，泥沙量与泥浆输送模型耦合，计算吸入浓度与泵的负载，泵负载变化导致工况点变化会影响柴油机或发电机组的转速与油耗，反馈后要求调整航速以维持系统平衡。

5、模型验证与标定要求

（1）数据来源

为保证模型实用性与预测可靠性，模型选取淤泥和细粉沙两种土质，来自“通途”轮不少两个港口的5船次的不同工况的施工数据集。

（2）验证指标

各子模型及整体模型的输出，必须与实船测量的关键参数进行对比验证。主要验证指标包括但不限于：船舶实际轨迹与航速、耙头切削压力、泥泵出口压力与浓度、泥舱装载量随时间变化曲线等。

（3）标定方法

允许通过参数反演等方法，利用实测数据对模型中的特定系数（如土体切削系数、管道摩擦系数等）进行精细化标定，使模型预测误差控制在可接受的工程范围内，如关键产量预测误差小于20%。

6、子系统功能及要求

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船体运动与操控模型

功能：

从放耙、沉深、反移、触耙、切削、装舱（泥舱重量和压载变化）、收耙、抛泥、艏吹和艏喷等挖泥过程中，计算对船舶运动状态和运动姿态的影响。将该参数传递给驾驶模拟器，驾驶模拟能够模拟船舶在风、浪、流联合作用下的六自由度运动，以及推进器、舵、侧推器等产生的操纵响应，通过驾驶模拟器视景系统实时显示。

要求：

模型可根据船舶装载状态（空载、满载、压载）动态调整影响船舶运动状态和姿态的水动力系数。计算耙头和耙臂在水中运动产生的时变拖曳力。驾驶模拟器能够实现典型的操控模式，包括手动操舵、自动航向保持（Auto-Pilot）及适用于挖泥作业的动态跟踪（DT）模式模拟。

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2

耙头-土壤相互作用模型

功能：

模拟耙头挖掘与泥土切削、产量与吸入和挖掘效率，揭示耙齿-土体相互作用的微观机理。模拟耙头（惰性/主动型）对海底土壤（淤泥和细粉沙）的切削、破碎与搅吸过程。

要求：

模型应能根据土壤类型、剪切强度、耙头对地速度、切削深度等参数，实时计算挖掘产量、耙头阻力及吸入泥浆的初始浓度。

切削力模型：建立土体力学参数（内聚力、内摩擦角、饱和度等）和切削参数（切削深度、宽度、速度）的耙齿切削阻力定量关系式。模型能反应切削淤泥和细粉沙时产生的孔隙水压力（剪胀效应） 对切削阻力的显著影响。

产量与吸入模型：基于运动学与流体力学，建立耙头挖掘产量模型。该模型需关联船舶对地航速、耙头宽度、切削厚度，并计算生成泥浆的初始浓度。

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3

泥泵-管道输送系统模型

功能：

模拟泥浆从耙头经耙臂、船内管道至泥舱的输送过程，评估输送效率与泵机性能匹配度。需模拟常见的输送工况，如低浓度启动、高浓度输送及潜在的管道堵塞现象。

要求：

泥泵特性模型：建立泥泵的扬程-流量-浓度-效率特性曲线族，能够根据输送的泥浆浓度、流速、管道几何参数计算系统阻力，根据输送泥浆的密度和流速进行动态求解系统工作点。

管道阻力模型：建立包括水平管、垂直弯管在内的全管道系统阻力模型。阻力计算需考虑泥浆浓度、流速、管径、沿程及局部损失，并与泥泵模型联立求解系统工作点。

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4

泥舱装舱与溢流模型

功能：

模拟装舱过程，预测最佳装舱时间，减少溢流造成的细颗粒物料损失。装舱与溢流耦合模型。

要求：

模型需基于颗粒沉降理论，模拟不同粒径颗粒的沉降分离，动态计算舱内各层的浓度分布、总装载方量及溢流水的浓度与流量，评估装舱效率。

沉降过程模拟：建立基于颗粒沉降速度的泥舱内浆体分层沉降模型，能够模拟不同粒径颗粒在舱内的沉降轨迹与浓度分布随时间的变化。

溢流计算：动态计算清水溢出层的流量与密度，实时估算因溢流导致的细颗粒物损失量，为优化装舱过程（如调节吸入浓度）提供依据。

耦合模型：从“挖泥”转入“溢流”阶段，模拟泥舱液位预设阈值。溢流过程中动态计算舱内泥沙的沉降速度、溢流口排出水的含沙量变化，以及由此反作用于泥泵管道系统的背压变化。模拟泥浆在舱内的沉降、浓缩过程以及清水溢流耦合模型。

在装舱溢流阶段，舱内多相流沉降模型与管道输送模型实时耦合，溢流导致的舱内流体静压变化对泵送系统的扬程-流量平衡影响。

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控制器与控制算法

功能：

从挖泥、浓缩装舱、运输到卸泥的完整疏浚作业循环中，为确保各作业阶段转换的逻辑严谨性与物理连续性，须模拟一个与真实操作完全同步的“逻辑控制器”，它能根据当前船位、舱容、设备状态等参数，自动或响应用户指令。DP模式（定点作业/艏喷）、DT模式（疏浚航行）控制算法模拟。

要求：

控制器要求：在“航行定位”、“挖泥装舱”、“溢流浓缩”、“航行转运”及“卸泥”等主要阶段间进行无缝切换。任何阶段转换的系列联锁操作与控制，如阀门开关、泵速调整、耙头的微升或波浪补偿器工作模式的切换。

控制算法：DP模式（定点作业/艏喷），实现零航速或低航速下的高精度定位控制。DT模式（疏浚航行）：采用融合“视线法”（LOS）的分区控制策略。针对疏浚过程中船舶吃水、质量变化导致的模型不确定性，采用模糊控制算法在线调整控制参数，以应对疏浚作业的强非线性。

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6

系统集成

功能：

开发评估与培训系统自动评分软件、半实物数据采集软件、网络通讯软件、预留开发接口和通讯接口。

要求：

自动评分软件：提供人机交互界面，用于评估题目、评分步骤和标准、每步骤评分权重等设置，评分标准与操作逻辑绑定与实时记录，操作完毕自动生成评估分数，存储管理学员评估信息。

数据采集软件：采集挖泥操作台PLC模拟量和数字量的输入输出数据，采集程序具备实时性和可靠性。

网络通讯：基于局域网和主流通讯协议，实现操作台PLC采集数据、教练员站、SCADA系统、数学模型、水下三维视景以及驾驶模拟器之间的双向实时交互。数据丢包率低于0.1%，时延（延迟）小于1秒，具备断点续传能力。

开发（预留）接口：教练员软件支持模型新增、删除、修改、扩展和多任务运行，支持Fortran语言自定义数学模型编写、编译、扫描、变量入库、任务生成，支持百万级内存数据实时解算。提供图形化建模工具，支持图形化、模块化、参数化、可视化自动化建模。

通讯接口：须提供 C++动态链接库（DLL）和提供应用程序编程接口（API），供外部调用模型运算结果。

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质量体系建设

完成“船员教育和培训质量体系建设”内容。

（1）质量因素研究

分析并研究质量方针、职责和权限、教学计划、学员录取与管理、教学与管理人员、教学与培训设备、教学和训练的实施、质量记录控制、教学和训练的检查与评估、纠正与预防措施、文件与资料的控制、内部审核、管理评审等质量体系要素。

（2）体系文件建设

形成质量手册、程序文件、业务指导书、岗位职责、管理文件、上级指导文件等质量体系文件。