耙吸挖泥船艏吹計算分析軟件開發(fā)

李銘志，何炎平，諸葛瑋，黃超

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

耙吸挖泥船艏吹計算分析軟件開發(fā)

李銘志1，何炎平1，諸葛瑋2，黃超1

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

為了準確計算和分析耙吸挖泥船在各種施工條件下的產量、效率、能耗等關鍵參數及其核心設備的運行狀況，分析了耙吸船泥漿艏吹計算中涉及到的主要內容；提出了基于數據庫、以工程為主導、計算工具和數據管理為輔助的軟件結構框架和人機交互界面；研究了基于多種常用計算方法輔助印證、集成計算工具、智能化處理、數據分層、計算結果比較分析等關鍵技術及其實現方法。軟件已經得到了大量工程應用，結構框架清晰，人機交互界面友好，功能全面，運行流暢。對工程應用軟件的開發(fā)具有一定的參考價值。

耙吸挖泥船；艏吹；軟件開發(fā)

泥沙管道輸送系統是個非常龐大繁雜的系統，包含諸多機械設備，涉及數個學術領域。這個龐雜的系統不單因為符合“木桶理論”會因受到某個因素的限制，而且其各因素之間還會相互影響和制約。正因為其復雜性，目前還沒有商業(yè)化的相關計算軟件，能獲得的參考資料也只有不同學者在各個專業(yè)方向上的一些學術論文，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)科研機構及商業(yè)公司雖然都有一些自己的相關計算方法，但都作為核心技術從來不公開發(fā)表。

為了能夠準確計算和分析各種施工條件下關鍵設備的運行狀況和產量效率等關鍵參數，供船舶設計、項目規(guī)劃人員參考和給施工人員提供指導，中港疏浚有限公司委托上海交通大學船舶設計研究所開發(fā)了“耙吸挖泥船艏吹計算分析軟件”。

本文將詳細介紹軟件設計過程中的功能需求分析、結構框架設計、具體實現方法和應用案例。

1 系統設計

1.1 功能需求分析

首先，軟件系統應該能夠直觀、準確地呈現各種施工條件下各關鍵設備的運行狀態(tài)和系統的產量、效率等關鍵參數，能夠給出各關鍵設備在特定工況條件下的工作曲線和性能曲線。例如在各種計算土質、輸送濃度條件下的泥泵排壓曲線、效率曲線、消耗功率曲線、凈正吸入揚程曲線、泥管阻力曲線以及工作點流量、產量、泥泵排壓、效率等信息。

其次，軟件系統還要能夠詳細給出相關的計算分析方法，供設計人員和施工人員參考。如土質分析、關鍵流速計算、泵性能分析、呼吸閥計算、溢流堰設計等。

除此之外，軟件系統應該具備一定的管理功能，包括各種公共數據、施工項目、船舶參數等。詳細如下：

1）土質參數設置：實現對已知施工區(qū)域及其它典型土質參數的管理，包括顆粒密度、原漿體密度、粒徑級配等。

2）泵參數的設定功能：實現對各種泥泵參數的管理，包括各種清水曲線、排壓曲線、效率曲線、凈正吸入揚程曲線等。

3）對設計項目的管理功能：實現對疏浚施工項目的管理，包括新建、刪除、復制、項目參數修改等。

4）工作環(huán)境參數設置：實現對疏浚施工項目的工作環(huán)境參數管理，主要包括溫度、氣壓、陸地增壓泵等。

5）船舶參數的設定功能：實現對各施工船舶的參數管理，主要包括裝載量、載重量、泵型號、個數、布置位置、船上泥管等參數。

6）工況管理設定功能：實現對某疏浚施工項目在不同階段或者不同施工方案中的不同參數定義功能。工況定義部分包含兩方面，①工況管理，包括工況添加、刪除、復制等；②工況定義，包括管道參數、排距、輸送濃度、局部損失系數等。

7）計算分析：主要包括：①泵特性曲線計算，包括功率曲線、排壓曲線、揚程曲線、效率曲線、凈正吸入揚程曲線；②管阻曲線的計算；③工作點分析，包括產量、流速、各個泵的運行特性；④優(yōu)化分析，包括最大產量分析和最大效率分析。

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

9）幫助：幫助操作人員了解軟件的操作方法和計算方法。

1.2 結構框架設計

基于功能需求分析，軟件系統分為四個大的部分：

1）主程序部分：實現各個船舶項目、施工項目的管理、參數設置、計算分析和結果顯示功能。

2）實用工具部分：實現漿體體積濃度分析、原狀土分析、關鍵流速分析、泵性能曲線分析、氣化壓力分析、呼吸閥計算、排水口設計和局部水頭損失系數顯示等輔助分析功能。

3）公共數據管理部分：實現土質數據和泵性能數據等公用數據的管理功能。

4）幫助部分。

系統結構框架如圖1所示，其中公共資料庫包括存儲公共數據的數據庫文件和項目數據庫的模板文件。公共數據主要指施工區(qū)域或常見的土質數據、常用泥泵數據和呼吸閥數據。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure

項目資料庫包括所有需要計算或者已經計算完成的各項目數據?？紤]到操作的便捷性，系統在新建項目時會自動為每個項目建立以其項目號為名稱的文件夾，其中包含1個記錄工程名、工

程號等工程參數的名稱為Project的文本文檔，1個記錄計算結果的名稱為Data的文本文檔和1個記錄船舶參數、環(huán)境參數、土質參數、施工工況信息的ACCESS格式項目數據庫，操作人員只需復制、粘貼該文件夾，并修改文件夾名稱為目標項目的項目號即可實現項目復制功能。

1.3 主要界面設計

根據軟件系統框架設計，其主要界面包括項目管理、參數設置、計算分析、結果顯示、實用工具、數據管理和幫助界面，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 軟件實現

泥沙水力輸送的相關計算，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驗數據基于相關因素的量綱分析回歸給出經驗公式。由于各家公式出處的原始數據不一，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，軟件系統在提供一整套相關計算方法的同時，還提供最新的、常用的經典計算方法作為參考和互相印證，并提供相關計算方法的解釋說明，以供使用人員參考。同時，為了操作的便利性和人性化，軟件采用了智能化處理方式、簡單化人機交互、自由組合式比較分析和數據分層應用等處理方法。

2.1 多種計算方法輔助印證

軟件在管路阻力計算、泥泵排壓計算、關鍵流速計算、顆粒沉降速度計算等存在很多種計算方法的領域都提供最新、最常用的計算方法供選擇和參考，其中管路阻力計算提供了在疏浚界使用了半個世紀的經典公式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算方法的形式進行不同計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算方法。

泥泵排壓計算同樣額外提供了Vlasblom計算方法和王紹周計算方法供參考。

2.2 實用工具集成

為了幫助解決挖泥船設計和施工過程中常遇到的其它計算分析，說明計算過程中采用的具體方法，軟件系統在提供水力泥沙管道輸送計算的基礎上，集成了包括體積濃度分析、原狀土分析、關鍵流速分析、泵性能曲線分析、氣化壓力分析、呼吸閥計算、排水口設計、水上浮管受力計算和局部水頭損失系數等多種實用工具，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、顆粒形狀系數等，圖4即為軟件中關于原狀土相關概念的解釋界面。

圖4 原狀土相關概念解釋說明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復雜的施工現場，軟件系統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，軟件在工況定義時無需考慮泥管段數和泥泵數量的匹配，只需按照實際情況填寫，系統會自動判斷計算。如果軟件使用人員有不當操作，軟件都能夠在故障判斷的基礎上提醒原因和處理方法。

2.4 自由組合式比較分析

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

圖5 結果查看選擇界面Fig.5 Selection interface of resultview

2.5 簡單化人機交互

系統采用了簡單化的模擬Offices風格的人機交互界面。系統可以直接復制粘貼ACCESS格式項目數據庫，采用可以被軟件系統識別和操作的文本文檔記錄項目參數和計算結果，實現了操作人員只需復制、粘貼即可進行項目復制功能。

系統在任何地方點擊鼠標右鍵，都會彈出相應的快捷菜單，尤其是項目、工況的復制、粘貼、刪除、新建等功能菜單。

系統還提供各種操作的幫助說明，只需點擊菜單欄里的“幫助”菜單。

2.6 數據分層應用

數據的分層應用大大簡化了軟件系統的操作，簡化了軟件的結構框架，使軟件操作方便、運行快、內存占用小。

軟件數據分為兩個大層：一是可在任意項目使用的公共數據層，二是只在某個項目內使用的項目數據層。在項目數據層，又分為貫穿于整個項目的船舶數據、環(huán)境數據、土質數據的項目數據層和只在某個工況下特有的工況數據層。

具體操作中，為提供更多可能的比較分析，項目數據層的數據依然會出現在工況數據層，只不過在項目數據管理界面更改以后將改變整個項目的相應參數，而在工況數據層更改后改變的只是當前工況下的相應參數，即有效范圍有別而已。

3 結語

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

目前軟件已經在船舶設計和疏浚工程規(guī)劃方面得到了大量應用，并在巴西工程、香港工程和上海機場工程等多個疏浚項目中得到驗證，尤其在上海機場工程中得到了詳細的多工況實驗驗證。

另外，軟件框架結構和數據結構層次劃分詳細分明，為軟件升級和維護打下了良好基礎。

[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