絞吸挖泥船泥沙輸送系統(tǒng)計(jì)算分析軟件開發(fā)研究

李銘志， 何炎平、2， 劉亞東、2， 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．高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200120)

絞吸挖泥船泥沙輸送系統(tǒng)計(jì)算分析軟件開發(fā)研究

李銘志1， 何炎平1、2， 劉亞東1、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．高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200120)

分析了絞吸挖泥船泥沙輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作者、施工管理人員和施工操作者等相關(guān)人員對泥沙輸送系統(tǒng)計(jì)算分析功能的需求，據(jù)此制定并模塊化軟件的主要功能，給出了基于船舶數(shù)據(jù)庫、以工程項(xiàng)目為主導(dǎo)、工作點(diǎn)計(jì)算和優(yōu)化為核心、計(jì)算工具和數(shù)據(jù)管理為輔助的絞吸挖泥船泥沙輸送系統(tǒng)計(jì)算分析軟件結(jié)構(gòu)框架，提出了3級區(qū)域劃分的人性化界面方案，介紹了該軟件中多種計(jì)算方法及其計(jì)算結(jié)果比較分析、項(xiàng)目便捷管理、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)管理等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。軟件結(jié)構(gòu)清晰，易于軟件升級和功能擴(kuò)展，軟件界面簡潔、層次分明、表達(dá)形式多樣、表述詳細(xì)具體、能夠滿足多方使用需求，便于使用。

泥沙； 管道輸送； 絞吸挖泥船； 軟件開發(fā)

0 引 言

泥沙管道輸送不同于其他輸送方式，不需要裝載、卸載等工序，即無需因此中斷輸送作業(yè)，不受天氣、地理等因素的限制，可以實(shí)現(xiàn)不間斷全天候地連續(xù)運(yùn)行，因此相對更加高效、經(jīng)濟(jì)。同時，由于管道的封閉性，使得管道輸送更加環(huán)保。另外，管道系統(tǒng)施工方便，對配套設(shè)施的要求低。因此，泥沙管道輸送長久以來受到疏浚業(yè)界的廣泛應(yīng)用和大力推廣。到20世紀(jì)50年代后期，泥沙管道輸送已經(jīng)占據(jù)了疏浚工程的大部分市場。絞吸挖泥船就是泥沙管道輸送在疏浚行業(yè)中的最成功應(yīng)用的案例之一，目前國內(nèi)大小絞吸挖泥船近百艘，每年管道泥沙輸送系統(tǒng)消耗的燃油達(dá)數(shù)百萬t。

近幾年，每年的全球疏浚量高達(dá)到數(shù)十億m3，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)總量達(dá)上百億美元[1]，僅我國沿海，疏浚需求就達(dá)六七億m3，市場規(guī)模達(dá)幾十億美元[2]。挖泥船市場頻頻告急，各大疏浚公司都在建造更大型的絞吸挖泥船。

另外，由于國內(nèi)挖泥船的相關(guān)研發(fā)起步較晚，技術(shù)水平相對于發(fā)達(dá)國家，甚至國內(nèi)主流船型都還有一定差距，因此挖泥船中能量消耗占80%以上的泥沙輸送系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制還有較大的改進(jìn)空間和經(jīng)濟(jì)性潛力。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及自動化技術(shù)在船舶行業(yè)，尤其工程船舶上的廣泛應(yīng)用，為絞吸挖泥船及其管道輸送系統(tǒng)的優(yōu)化控制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

如果能夠通過技術(shù)手段使得絞吸挖泥船燃油消耗稍有降低，在每年疏浚業(yè)如此龐大的燃油消耗及其所產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)總量的基數(shù)上，無論多小的改進(jìn)都將產(chǎn)生巨大的節(jié)約，即使是1%的能耗提升，也將節(jié)省燃油數(shù)萬t，獲利上億元人民幣。

優(yōu)化控制的前提是能夠準(zhǔn)確的計(jì)算和分析各種施工條件下挖泥船關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況和產(chǎn)量效率等關(guān)鍵參數(shù)，為此，上海交通大學(xué)船舶設(shè)計(jì)研究所開發(fā)了“絞吸挖泥船泥沙輸送系統(tǒng)優(yōu)化分析軟件”作為基礎(chǔ)平臺，供挖泥船設(shè)計(jì)人員，施工設(shè)計(jì)人員，操縱人員和優(yōu)化控制軟件開發(fā)人員參考和使用。

1 功能需求

軟件主要面向絞吸挖泥船泥沙輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員、疏浚項(xiàng)目施工設(shè)計(jì)人員，絞吸挖泥船操縱人員和泥沙輸送系統(tǒng)優(yōu)化控制相關(guān)研究人員，為他們提供相關(guān)的服務(wù)和參考。

為此，從軟件開發(fā)前的功能需求到項(xiàng)目結(jié)題的評審會議，軟件開發(fā)過程中間多次和使用人員交流修改，總結(jié)各方用戶對軟件功能的需求。

1.1 絞吸挖泥船泥沙輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需求

(1) 不同設(shè)計(jì)工況(土質(zhì)、排距、挖深、排高等)在其特定的動力配置(泥泵配置)情況下，不同規(guī)格的輸送管道對產(chǎn)量和能效的影響；

(2) 不同規(guī)格、型號的泥泵在不同工況能夠提供的排壓及其效率、轉(zhuǎn)速等性能情況；

(3 不同土質(zhì)，不同濃度和不同流速對管道阻力、泥泵性能的影響。

1.2 疏浚工程施工設(shè)計(jì)人員需求

(1) 特定施工條件(排距、排高、挖深、管線坡度等)、環(huán)境參數(shù)(溫度、水密度、大氣壓等)，不同輸送路線、不同規(guī)格管道及其配置(不同段配不同規(guī)格和不同形式的管道，比如海上配塑料浮管、陸上埋設(shè)大管徑鋼管)的產(chǎn)量和能效情況；

(2) 施工條件下，使用不同挖泥船時的產(chǎn)量和能效情況。

1.3 挖泥船操縱人員需求

(1) 在施工條件下，如何操縱挖泥船(開幾臺泥泵，每臺泥泵多少轉(zhuǎn)速)使其達(dá)到產(chǎn)量最大(或者效率最高)；

(2) 在施工條件下，如何操縱才能避免危險(汽蝕，水錘)。

1.4 泥沙輸送系統(tǒng)優(yōu)化控制研究人員需求

(1) 土質(zhì)，濃度及流速等施工參數(shù)對管道阻力、泥泵性能的影響；

(2) 挖深、排高、管路規(guī)格等參數(shù)對管路阻力的影響；

(3) 各種施工條件下汽蝕、水錘、堵管等危險情況的邊界條件；

(4) 提供管道阻力、關(guān)鍵流速等核心計(jì)算方法，并能就當(dāng)前使用較多的和最新提出的算法之計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

2 模塊劃分

綜合各方用戶對軟件的功能需求可見：首先，不同施工條件下各關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)的產(chǎn)量、效率分析是所有使用人員最為關(guān)心的功能，因此，軟件系統(tǒng)必須能夠直觀、準(zhǔn)確的呈現(xiàn)泥沙輸送系統(tǒng)的流量、排壓、產(chǎn)量、效率以及關(guān)鍵設(shè)備的性能參數(shù)，例如泥泵的排壓、轉(zhuǎn)速、效率等。能夠給出各關(guān)鍵設(shè)備在各施工工況下的性能曲線和工作曲線。包括在各種施工土質(zhì)、輸送濃度和環(huán)境條件下的泥泵排壓曲線、軸功率曲線、效率曲線、凈正吸入揚(yáng)程曲線、泥管阻力曲線以及工作點(diǎn)產(chǎn)量、流量、泥泵排壓、效率等信息。

其次，軟件系統(tǒng)能夠就設(shè)定工況進(jìn)行優(yōu)化，給出最大產(chǎn)量和最經(jīng)濟(jì)施工曲線及相應(yīng)的泥泵運(yùn)行參數(shù)和管路阻力特性等。

另外，軟件系統(tǒng)還要能夠詳細(xì)的給出本軟件相關(guān)的當(dāng)前使用較多的和最新提出的核心計(jì)算分析方法(比如管道阻力計(jì)算、土質(zhì)分析、關(guān)鍵流速計(jì)算、泵性能分析等)，并能從界面上直接選擇相關(guān)算法進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算分析結(jié)果能夠直觀顯示，尤其多種算法的計(jì)算結(jié)果能夠在同一界面顯示，以便比較分析。

除此之外，軟件系統(tǒng)應(yīng)該具備一定的管理功能，包括各種公用數(shù)據(jù)、施工項(xiàng)目數(shù)據(jù)、船舶參數(shù)等。

為了使得軟件結(jié)構(gòu)清晰，使用方便，軟件的功能模塊劃分如下：

(1) 項(xiàng)目管理模塊。項(xiàng)目管理模塊實(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。客戶使用過程中，最好有符合其公司的項(xiàng)目參數(shù)命名的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一的命名規(guī)則會提升管理的效率。

(2) 參數(shù)設(shè)置模塊。為了方便操作，避免重復(fù)手動輸入，軟件需提供參數(shù)設(shè)置功能，包括船舶參數(shù)(包括泥泵數(shù)量、泥泵型號、管路長度、管路管徑等)、環(huán)境參數(shù)(水溫、氣壓、水密度等)、土質(zhì)參數(shù)(包括粒徑、級配、顆粒密度等)和工況參數(shù)(包括管道參數(shù)、排距、輸送濃度、局部損失系數(shù)等)。

(3) 計(jì)算分析模塊。主要包括下面幾個方面：①泵特性曲線計(jì)算。包括功率曲線、排壓曲線、揚(yáng)程曲線(基于離心泵[3]提供King[4]、Schiller[5]、Fairbank[6]等人公開發(fā)表的離心泵輸送漿體水頭修正方法)、效率曲線、凈正吸入揚(yáng)程曲線(基于文獻(xiàn)[5]所發(fā)表的公式)；②管阻曲線的計(jì)算(管阻計(jì)算采用本單位自主開發(fā)的計(jì)算方法，并提供采用王紹周[8]、Durand[9]、Wasp[10]、Turian[11]、Wilson[12]、[13]、Miedima[14]、[15]等人公開發(fā)表算法的計(jì)算工具，可實(shí)現(xiàn)多種計(jì)算方法相互比較分析、參考印證功能)；③工作點(diǎn)分析。包括產(chǎn)量、流速、各個泵的運(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。

(4) 計(jì)算結(jié)果顯示模塊。提供多種算法計(jì)算結(jié)果、多種工況施工分析結(jié)果、多種動力配置施工情況等各種曲線的對比分析界面。

(5) 實(shí)用工具模塊。提供輔助設(shè)計(jì)功能模塊實(shí)現(xiàn)對軟件計(jì)算分析過程中所涉及各種計(jì)算方法的解釋和對絞吸挖泥船施工中關(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。

(6) 數(shù)據(jù)管理模塊。提供對土質(zhì)、泥泵、閘閥等公共數(shù)據(jù)和營運(yùn)船舶的泥沙輸送系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的管理功能。

(7) 幫助模塊。為客戶提供軟件使用、計(jì)算方法說明等方面的幫助。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

基于功能需求分析，軟件系統(tǒng)分為四個大的部分：

(1) 主程序部分。實(shí)現(xiàn)各個施工項(xiàng)目、船舶項(xiàng)目的管理功能，包括新建、復(fù)制、粘貼及相關(guān)參數(shù)設(shè)置等；實(shí)現(xiàn)施工項(xiàng)目所有工況的優(yōu)化計(jì)算分析和結(jié)果比較分析及顯示說明功能。

(2) 實(shí)用工具部分。實(shí)現(xiàn)泥沙輸送系統(tǒng)關(guān)鍵流速分析、泵性能曲線分析、氣化壓力分析、漿體體積濃度分析、原狀土分析、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)、船舶參數(shù)、泵性能數(shù)據(jù)和閘閥參數(shù)等公用數(shù)據(jù)的管理功能。

(4) 幫助部分。幫助了解本軟件操作方法和計(jì)算方法。

其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。其中公共資料庫包括存儲公用數(shù)據(jù)的公共數(shù)據(jù)庫文件和存儲項(xiàng)目數(shù)據(jù)的項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫模板文件。公共數(shù)據(jù)主要指本項(xiàng)目施工區(qū)域或常見施工區(qū)域的土質(zhì)數(shù)據(jù)、管理單位的船舶數(shù)據(jù)、常用泥泵數(shù)據(jù)和典型呼吸閥數(shù)據(jù)等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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)。

4 界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言Visual Basic以及同屬微軟公司開發(fā)的ACCESS數(shù)據(jù)庫作為實(shí)現(xiàn)工具。主要運(yùn)行界面如圖2所示。

本系統(tǒng)所有界面采用如圖所示的3級模式，第1級為用Menu控件實(shí)現(xiàn)7大功能模塊的選擇；第2和第3級都采用TabControl控件，用其TabPages集合的Visible屬性實(shí)現(xiàn)與上級選項(xiàng)的聯(lián)動功能。

5 實(shí)現(xiàn)方法

(1) 多種計(jì)算方法及其計(jì)算結(jié)果比較分析功能的實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，在“工況設(shè)置”界面，可以對任意一段管路、泥泵選擇不同的計(jì)算方法。同樣，在關(guān)鍵流速計(jì)算、土質(zhì)分析等操縱界面都有類似的下拉組合框供選擇對應(yīng)的算法，并且提供了各種計(jì)算方法的說明界面。

在“結(jié)果顯示”菜單對應(yīng)的2級區(qū)域設(shè)置TreeView控件，并設(shè)置其CheckBoxes屬性為True，節(jié)點(diǎn)名稱采用工況名，在選擇復(fù)選框時，對應(yīng)工況的工作曲線將顯示在3級區(qū)域，這樣就實(shí)現(xiàn)了直觀比較的功能。

(2) 項(xiàng)目便捷管理功能的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)置一個用于文檔存儲的文件夾，文件夾中包含一個用來存儲公共數(shù)據(jù)和文件模板的以Module文件夾，及分別以每個項(xiàng)目編號為名稱的用以存儲其設(shè)置參數(shù)、計(jì)算結(jié)果等項(xiàng)目信息文件的文件夾。

以項(xiàng)目號命名的文件夾中包含一個存放項(xiàng)目數(shù)據(jù)的ACCESS 數(shù)據(jù)庫和一個設(shè)置項(xiàng)目編號、項(xiàng)目名稱等項(xiàng)目信息的txt文本文件。

圖2 系統(tǒng)界面

每次軟件打開都會根據(jù)項(xiàng)目文件夾的名稱更改txt文本文件中的項(xiàng)目編號，項(xiàng)目管理功能里也可以通過修改項(xiàng)目編號直接修改文件夾名稱和txt文本文檔中的項(xiàng)目編號，因此，用戶可以直接通過復(fù)制一個項(xiàng)目文件夾，并修改其名稱，實(shí)現(xiàn)對一個項(xiàng)目的復(fù)制和重新命名。

(3) 大量參數(shù)設(shè)置界面的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面同樣采用3級模式，第1級為菜單欄“參數(shù)設(shè)置”菜單；第2級采用TabControl控件，用其TabPages集合(包括船舶參數(shù)設(shè)置、環(huán)境參數(shù)設(shè)置、土質(zhì)參數(shù)設(shè)置和工況設(shè)置4項(xiàng))的Visible屬性實(shí)現(xiàn)與上級選項(xiàng)的聯(lián)動功能；第3級同樣采用TabControl控件，實(shí)現(xiàn)具體參數(shù)的設(shè)置、計(jì)算方法的說明、每個參數(shù)物理意義的解釋說明等功能。

(4) 數(shù)據(jù)管理功能的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)對泥泵、土質(zhì)、閘閥等公共數(shù)據(jù)和每個施工項(xiàng)目的各種工況分別設(shè)置了不同級別的數(shù)據(jù)庫，在軟件當(dāng)中通過設(shè)備型號調(diào)用公共數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備性能參數(shù)，通過土質(zhì)名稱調(diào)用土質(zhì)參數(shù)，通過船號調(diào)用船舶參數(shù)，而項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫中只包括船名、每個船舶只設(shè)置泥泵個數(shù)和型號等參數(shù)，而每個項(xiàng)目的每種工況只調(diào)用船號，設(shè)置排管、水溫、氣壓等參數(shù)。

這種數(shù)據(jù)分級的結(jié)構(gòu)大大減少了手工輸入數(shù)據(jù)的工作量，也減少了可能因此導(dǎo)致的錯誤，同時使得軟件界面更加簡潔明了。

6 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，使得軟件使用人員在不經(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、香港工程等多個疏浚項(xiàng)目中得到了實(shí)際驗(yàn)證，尤其泥沙管道輸送阻力的計(jì)算在上海機(jī)場工程中得到了詳細(xì)的多工況實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[5]。

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，為軟件的升級和維護(hù)打下了良好的基礎(chǔ)。

[1] 北京智研科信公司. 2016-2022年中國疏浚工程市場調(diào)查與行業(yè)前景預(yù)測報(bào)告[EB/OL]. http://www.ibaogao.com/baogao/12101C0062015.html.

[2] 中國港口網(wǎng). 多因素驅(qū)動我國疏浚工程行業(yè)發(fā)展 疏浚總量將超40億立方米[EB/OL]. http://www.zgsyb.com/html/channel/2014/08/2831018.html.

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DevelopmentofCalculationandAnalysissoftwareforCSDSlurryTransportationSystem

LIMingzhi1,HEYanping1、2,LIUYadong1、2,HUANGChao1

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China；2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200120, China)

The function requirement of calculation software, which is designed for cuter suction dredge (CSD) system, is analyzed in this issue for designers, operators and other relative people, respectively. The major function is determined and modularized. The project guiding structure of the software is putted forward based on database. The software framework constitutes of project management, computing, supporting tools, database managements and so on. The interface composed by triplex district is proposed for easy manipulation and increasing humanization. And the implementation of the comparative analysis of the results of various calculation methods is given, and projects management, data setting and management are illustrated. The precision and the applicability of the software have been proved by its practice data.

grads solid; pipeline transportation; cuter suction dredge; software development

U 616+.21

A

1006-7167(2017)11-0126-04

2016-11-08

海洋工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室自主研究課題(GKZD010068)

李銘志(1983-)，男，寧夏西吉人，博士生，主要從事挖泥船疏浚系統(tǒng)優(yōu)化方面的研究。

Tel.:15921227897;E-mail:Limz_2008@sjtu.edu.cn