耙吸挖泥船艏吹計(jì)算分析軟件開發(fā)

李銘志，何炎平，諸葛瑋，黃超

（1.上海交通大學(xué)，海洋工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海200240；2.中港疏浚有限公司，上海200120）

耙吸挖泥船艏吹計(jì)算分析軟件開發(fā)

李銘志1，何炎平1，諸葛瑋2，黃超1

（1.上海交通大學(xué)，海洋工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海200240；2.中港疏浚有限公司，上海200120）

為了準(zhǔn)確計(jì)算和分析耙吸挖泥船在各種施工條件下的產(chǎn)量、效率、能耗等關(guān)鍵參數(shù)及其核心設(shè)備的運(yùn)行狀況，分析了耙吸船泥漿艏吹計(jì)算中涉及到的主要內(nèi)容；提出了基于數(shù)據(jù)庫、以工程為主導(dǎo)、計(jì)算工具和數(shù)據(jù)管理為輔助的軟件結(jié)構(gòu)框架和人機(jī)交互界面；研究了基于多種常用計(jì)算方法輔助印證、集成計(jì)算工具、智能化處理、數(shù)據(jù)分層、計(jì)算結(jié)果比較分析等關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法。軟件已經(jīng)得到了大量工程應(yīng)用，結(jié)構(gòu)框架清晰，人機(jī)交互界面友好，功能全面，運(yùn)行流暢。對工程應(yīng)用軟件的開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

耙吸挖泥船；艏吹；軟件開發(fā)

泥沙管道輸送系統(tǒng)是個(gè)非常龐大繁雜的系統(tǒng)，包含諸多機(jī)械設(shè)備，涉及數(shù)個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域。這個(gè)龐雜的系統(tǒng)不單因?yàn)榉稀澳就袄碚摗睍蚴艿侥硞€(gè)因素的限制，而且其各因素之間還會相互影響和制約。正因?yàn)槠鋸?fù)雜性，目前還沒有商業(yè)化的相關(guān)計(jì)算軟件，能獲得的參考資料也只有不同學(xué)者在各個(gè)專業(yè)方向上的一些學(xué)術(shù)論文，例如Durand、Wasp、王紹周等人對管阻的研究[1-4]，倪福生、Sellgren等人對泥泵的研究[5-6]。各大疏浚行業(yè)科研機(jī)構(gòu)及商業(yè)公司雖然都有一些自己的相關(guān)計(jì)算方法，但都作為核心技術(shù)從來不公開發(fā)表。

為了能夠準(zhǔn)確計(jì)算和分析各種施工條件下關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況和產(chǎn)量效率等關(guān)鍵參數(shù)，供船舶設(shè)計(jì)、項(xiàng)目規(guī)劃人員參考和給施工人員提供指導(dǎo)，中港疏浚有限公司委托上海交通大學(xué)船舶設(shè)計(jì)研究所開發(fā)了“耙吸挖泥船艏吹計(jì)算分析軟件”。

本文將詳細(xì)介紹軟件設(shè)計(jì)過程中的功能需求分析、結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)、具體實(shí)現(xiàn)方法和應(yīng)用案例。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

首先，軟件系統(tǒng)應(yīng)該能夠直觀、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)各種施工條件下各關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)的產(chǎn)量、效率等關(guān)鍵參數(shù)，能夠給出各關(guān)鍵設(shè)備在特定工況條件下的工作曲線和性能曲線。例如在各種計(jì)算土質(zhì)、輸送濃度條件下的泥泵排壓曲線、效率曲線、消耗功率曲線、凈正吸入揚(yáng)程曲線、泥管阻力曲線以及工作點(diǎn)流量、產(chǎn)量、泥泵排壓、效率等信息。

其次，軟件系統(tǒng)還要能夠詳細(xì)給出相關(guān)的計(jì)算分析方法，供設(shè)計(jì)人員和施工人員參考。如土質(zhì)分析、關(guān)鍵流速計(jì)算、泵性能分析、呼吸閥計(jì)算、溢流堰設(shè)計(jì)等。

除此之外，軟件系統(tǒng)應(yīng)該具備一定的管理功能，包括各種公共數(shù)據(jù)、施工項(xiàng)目、船舶參數(shù)等。詳細(xì)如下：

1）土質(zhì)參數(shù)設(shè)置：實(shí)現(xiàn)對已知施工區(qū)域及其它典型土質(zhì)參數(shù)的管理，包括顆粒密度、原漿體密度、粒徑級配等。

2）泵參數(shù)的設(shè)定功能：實(shí)現(xiàn)對各種泥泵參數(shù)的管理，包括各種清水曲線、排壓曲線、效率曲線、凈正吸入揚(yáng)程曲線等。

3）對設(shè)計(jì)項(xiàng)目的管理功能：實(shí)現(xiàn)對疏浚施工項(xiàng)目的管理，包括新建、刪除、復(fù)制、項(xiàng)目參數(shù)修改等。

4）工作環(huán)境參數(shù)設(shè)置：實(shí)現(xiàn)對疏浚施工項(xiàng)目的工作環(huán)境參數(shù)管理，主要包括溫度、氣壓、陸地增壓泵等。

5）船舶參數(shù)的設(shè)定功能：實(shí)現(xiàn)對各施工船舶的參數(shù)管理，主要包括裝載量、載重量、泵型號、個(gè)數(shù)、布置位置、船上泥管等參數(shù)。

6）工況管理設(shè)定功能：實(shí)現(xiàn)對某疏浚施工項(xiàng)目在不同階段或者不同施工方案中的不同參數(shù)定義功能。工況定義部分包含兩方面，①工況管理，包括工況添加、刪除、復(fù)制等；②工況定義，包括管道參數(shù)、排距、輸送濃度、局部損失系數(shù)等。

7）計(jì)算分析：主要包括：①泵特性曲線計(jì)算，包括功率曲線、排壓曲線、揚(yáng)程曲線、效率曲線、凈正吸入揚(yáng)程曲線；②管阻曲線的計(jì)算；③工作點(diǎn)分析，包括產(chǎn)量、流速、各個(gè)泵的運(yùn)行特性；④優(yōu)化分析，包括最大產(chǎn)量分析和最大效率分析。

8）輔助工具：實(shí)現(xiàn)對軟件計(jì)算分析過程中所涉及各種計(jì)算方法的解釋和對耙吸挖泥船艏吹施工中關(guān)鍵工藝技術(shù)的指導(dǎo)功能，主要包括體積濃度分析、原狀土分析、關(guān)鍵流速分析、泵性能曲線分析、氣化壓力分析、呼吸閥計(jì)算、排水口設(shè)計(jì)、水上浮管受力計(jì)算和局部水頭損失系數(shù)等。

9）幫助：幫助操作人員了解軟件的操作方法和計(jì)算方法。

1.2 結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

基于功能需求分析，軟件系統(tǒng)分為四個(gè)大的部分：

1）主程序部分：實(shí)現(xiàn)各個(gè)船舶項(xiàng)目、施工項(xiàng)目的管理、參數(shù)設(shè)置、計(jì)算分析和結(jié)果顯示功能。

2）實(shí)用工具部分：實(shí)現(xiàn)漿體體積濃度分析、原狀土分析、關(guān)鍵流速分析、泵性能曲線分析、氣化壓力分析、呼吸閥計(jì)算、排水口設(shè)計(jì)和局部水頭損失系數(shù)顯示等輔助分析功能。

3）公共數(shù)據(jù)管理部分：實(shí)現(xiàn)土質(zhì)數(shù)據(jù)和泵性能數(shù)據(jù)等公用數(shù)據(jù)的管理功能。

4）幫助部分。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，其中公共資料庫包括存儲公共數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫文件和項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫的模板文件。公共數(shù)據(jù)主要指施工區(qū)域或常見的土質(zhì)數(shù)據(jù)、常用泥泵數(shù)據(jù)和呼吸閥數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

項(xiàng)目資料庫包括所有需要計(jì)算或者已經(jīng)計(jì)算完成的各項(xiàng)目數(shù)據(jù)。考慮到操作的便捷性，系統(tǒng)在新建項(xiàng)目時(shí)會自動(dòng)為每個(gè)項(xiàng)目建立以其項(xiàng)目號為名稱的文件夾，其中包含1個(gè)記錄工程名、工

程號等工程參數(shù)的名稱為Project的文本文檔，1個(gè)記錄計(jì)算結(jié)果的名稱為Data的文本文檔和1個(gè)記錄船舶參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、土質(zhì)參數(shù)、施工工況信息的ACCESS格式項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫，操作人員只需復(fù)制、粘貼該文件夾，并修改文件夾名稱為目標(biāo)項(xiàng)目的項(xiàng)目號即可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目復(fù)制功能。

1.3 主要界面設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，其主要界面包括項(xiàng)目管理、參數(shù)設(shè)置、計(jì)算分析、結(jié)果顯示、實(shí)用工具、數(shù)據(jù)管理和幫助界面，如圖2所示。其中典型的工況定義界面如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)主要界面Fig.2 Main interface of the system

圖3 工況定義界面Fig.3 Operating condition interface

2 軟件實(shí)現(xiàn)

泥沙水力輸送的相關(guān)計(jì)算，至今沒有確切的理論公式，都是各家出于不同的理論模型通過不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基于相關(guān)因素的量綱分析回歸給出經(jīng)驗(yàn)公式。由于各家公式出處的原始數(shù)據(jù)不一，考慮因素的主次不同等因素造成其形式各異，能保證一定精度的使用范圍也各不相同。因此，軟件系統(tǒng)在提供一整套相關(guān)計(jì)算方法的同時(shí)，還提供最新的、常用的經(jīng)典計(jì)算方法作為參考和互相印證，并提供相關(guān)計(jì)算方法的解釋說明，以供使用人員參考。同時(shí)，為了操作的便利性和人性化，軟件采用了智能化處理方式、簡單化人機(jī)交互、自由組合式比較分析和數(shù)據(jù)分層應(yīng)用等處理方法。

2.1 多種計(jì)算方法輔助印證

軟件在管路阻力計(jì)算、泥泵排壓計(jì)算、關(guān)鍵流速計(jì)算、顆粒沉降速度計(jì)算等存在很多種計(jì)算方法的領(lǐng)域都提供最新、最常用的計(jì)算方法供選擇和參考，其中管路阻力計(jì)算提供了在疏浚界使用了半個(gè)世紀(jì)的經(jīng)典公式Durand公式，提供了適用范圍較廣、考慮因素較全面的Wilson公式，提供了涵蓋各種流型的Turian公式，提供了國內(nèi)尤其煤炭顆粒輸送廣泛使用的王紹周公式。軟件使

用人員不但可以采用不同工況不同計(jì)算方法的形式進(jìn)行不同計(jì)算方法之間的相互比較參考，還可以采用管路不同分段采用不同計(jì)算方法。

泥泵排壓計(jì)算同樣額外提供了Vlasblom計(jì)算方法和王紹周計(jì)算方法供參考。

2.2 實(shí)用工具集成

為了幫助解決挖泥船設(shè)計(jì)和施工過程中常遇到的其它計(jì)算分析，說明計(jì)算過程中采用的具體方法，軟件系統(tǒng)在提供水力泥沙管道輸送計(jì)算的基礎(chǔ)上，集成了包括體積濃度分析、原狀土分析、關(guān)鍵流速分析、泵性能曲線分析、氣化壓力分析、呼吸閥計(jì)算、排水口設(shè)計(jì)、水上浮管受力計(jì)算和局部水頭損失系數(shù)等多種實(shí)用工具，并配備了存在多種算法和模糊概念的解釋說明，比如關(guān)鍵流速、漿體體積濃度、極限體積濃度、原狀土堆積密度、特征粒徑、顆粒形狀系數(shù)等，圖4即為軟件中關(guān)于原狀土相關(guān)概念的解釋界面。

圖4 原狀土相關(guān)概念解釋說明Fig.4 Explanation of related conceptofundisturbed soil

2.3 智能化處理方式

為了能夠用簡單的形式表達(dá)復(fù)雜的施工現(xiàn)場，軟件系統(tǒng)采用智能化處理方式。例如，排泥管道是由多段管徑不一的泥管連接而成的，軟件在工況定義時(shí)無需考慮泥管段數(shù)和泥泵數(shù)量的匹配，只需按照實(shí)際情況填寫，系統(tǒng)會自動(dòng)判斷計(jì)算。如果軟件使用人員有不當(dāng)操作，軟件都能夠在故障判斷的基礎(chǔ)上提醒原因和處理方法。

2.4 自由組合式比較分析

軟件提供了多種計(jì)算方法及多種工作狀態(tài)的計(jì)算，因此，軟件系統(tǒng)可以提供任意工況之間、任意計(jì)算方法之間、任意工作狀態(tài)之間的比較分析，只需在結(jié)果查看界面選擇想要比較分析的對象即可。圖5為某項(xiàng)目選擇界面的樹結(jié)構(gòu)。

圖5 結(jié)果查看選擇界面Fig.5 Selection interface of resultview

2.5 簡單化人機(jī)交互

系統(tǒng)采用了簡單化的模擬Offices風(fēng)格的人機(jī)交互界面。系統(tǒng)可以直接復(fù)制粘貼ACCESS格式項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫，采用可以被軟件系統(tǒng)識別和操作的文本文檔記錄項(xiàng)目參數(shù)和計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了操作人員只需復(fù)制、粘貼即可進(jìn)行項(xiàng)目復(fù)制功能。

系統(tǒng)在任何地方點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，都會彈出相應(yīng)的快捷菜單，尤其是項(xiàng)目、工況的復(fù)制、粘貼、刪除、新建等功能菜單。

系統(tǒng)還提供各種操作的幫助說明，只需點(diǎn)擊菜單欄里的“幫助”菜單。

2.6 數(shù)據(jù)分層應(yīng)用

數(shù)據(jù)的分層應(yīng)用大大簡化了軟件系統(tǒng)的操作，簡化了軟件的結(jié)構(gòu)框架，使軟件操作方便、運(yùn)行快、內(nèi)存占用小。

軟件數(shù)據(jù)分為兩個(gè)大層：一是可在任意項(xiàng)目使用的公共數(shù)據(jù)層，二是只在某個(gè)項(xiàng)目內(nèi)使用的項(xiàng)目數(shù)據(jù)層。在項(xiàng)目數(shù)據(jù)層，又分為貫穿于整個(gè)項(xiàng)目的船舶數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、土質(zhì)數(shù)據(jù)的項(xiàng)目數(shù)據(jù)層和只在某個(gè)工況下特有的工況數(shù)據(jù)層。

具體操作中，為提供更多可能的比較分析，項(xiàng)目數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)依然會出現(xiàn)在工況數(shù)據(jù)層，只不過在項(xiàng)目數(shù)據(jù)管理界面更改以后將改變整個(gè)項(xiàng)目的相應(yīng)參數(shù)，而在工況數(shù)據(jù)層更改后改變的只是當(dāng)前工況下的相應(yīng)參數(shù)，即有效范圍有別而已。

3 結(jié)語

本軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)性明確，開發(fā)過程中與使用者密切聯(lián)系和交流，再加上簡單人性化的操作界面和軟件內(nèi)部的智能化處理，使軟件使用人員在沒有經(jīng)過軟件培訓(xùn)的情況下即可正常使用。

目前軟件已經(jīng)在船舶設(shè)計(jì)和疏浚工程規(guī)劃方面得到了大量應(yīng)用，并在巴西工程、香港工程和上海機(jī)場工程等多個(gè)疏浚項(xiàng)目中得到驗(yàn)證，尤其在上海機(jī)場工程中得到了詳細(xì)的多工況實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

另外，軟件框架結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次劃分詳細(xì)分明，為軟件升級和維護(hù)打下了良好基礎(chǔ)。

[1]DURAND R.The hydraulic transportation of coal and other materials in pipes[M].London:Collage of National Coal Board, 1952.

[2]WASP E J,KENNY J P,CANDHI R L.Soild-liquid flow slurry pipeline transportation[M].Trans.Tech.Publications，1977.

[3]NIFu-sheng，ZHAO Li-juan，XU Li-qun，etal.A modelcalculation for flow resistance in the hydraulic transportofsand[C]//Proc. 18th world dredging congress.Florida,2007.

[4]王紹周.粒裝物料的漿體管道輸送[M].北京：海洋出版社，1998：64-66. WANG Shao-zhou.Slurry pipeline transportation for granular materials[M].Beijing:Ocean Press,1998:64-66.

[5]NI F，VLASBLOM W J,ZWARTBOL A.Effect of high solids concentration on characteristics of a slurry pump[C]//Proc.14th int. conference on the hydraulic transportofsolids in pipes.Maastricht, 1999.

[6]SELLGREN A，ADDIE G，WHITLOCK L.The effect of sand-clay slurries on the performance of centrifugal pumps[J].The Canadian JournalofChemical Eng.，2001(78):764-769.

Development of bow-blowing computational analysis software by trailing suction hoper dredger

LIMing-zhi1,HE Yan-ping1,ZHUGE Wei2,HUANG Chao1
（1.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai200240,China; 2.CHEC Dredging Co.,Ltd.,Shanghai200120,China）

In order to accurately calculate and analyze the critical parameters such as yield,efficiency,power consumption of trailing suction hopper dredger(TSHD)and its core equipment running status under all kinds of construction conditions,we analyzed the substance in bow-blowing computation analysis by TSHD,put forward the software framework and humancomputer interaction interface based on databases,guided by projects,supported by computing tools and data management, studied the implementation ofvarious calculation methods,integration tools,intelligent process,data hierarchy and comparable results.The software has received a large number of engineering application,its structure is clear,friendly man-machine interface,fully functional,and ran smoothly.It has a certain reference value for the software development of engineering application.

trailing suction hopper dredger;bow-blowing;software development

U616.21

A

2095-7874（2015）12-0007-04

10.7640/zggwjs201512002

2015-10-08

2015-11-18

中交上海航道局有限公司科研項(xiàng)目（SD0100121）

李銘志（1983—），男，寧夏固原市人，博士研究生，主要從事疏浚優(yōu)化方面的研究。E-mail：limz_2008@sjtu.edu.cn