李铭志，何炎平，诸葛玮，黄超

（1.上海交通大学，海洋工程国家重点试验室，上海200240；2.中港疏浚有限公司，上海200120）

耙吸挖泥船艏吹计算分析软件开发

李铭志1，何炎平1，诸葛玮2，黄超1

（1.上海交通大学，海洋工程国家重点试验室，上海200240；2.中港疏浚有限公司，上海200120）

为了准确计算和分析耙吸挖泥船在各种施工条件下的产量、效率、能耗等关键参数及其核心设备的运行状况，分析了耙吸船泥浆艏吹计算中涉及到的主要内容；提出了基于数据库、以工程为主导、计算工具和数据管理为辅助的软件结构框架和人机交互界面；研究了基于多种常用计算方法辅助印证、集成计算工具、智能化处理、数据分层、计算结果比较分析等关键技术及其实现方法。软件已经得到了大量工程应用，结构框架清晰，人机交互界面友好，功能全面，运行流畅。对工程应用软件的开发具有一定的参考价值。

耙吸挖泥船；艏吹；软件开发

泥沙管道输送系统是个非常庞大繁杂的系统，包含诸多机械设备，涉及数个学术领域。这个庞杂的系统不单因为符合“木桶理论”会因受到某个因素的限制，而且其各因素之间还会相互影响和制约。正因为其复杂性，目前还没有商业化的相关计算软件，能获得的参考资料也只有不同学者在各个专业方向上的一些学术论文，例如Durand、Wasp、王绍周等人对管阻的研究[1-4]，倪福生、Sellgren等人对泥泵的研究[5-6]。各大疏浚行业科研机构及商业公司虽然都有一些自己的相关计算方法，但都作为核心技术从来不公开发表。

为了能够准确计算和分析各种施工条件下关键设备的运行状况和产量效率等关键参数，供船舶设计、项目规划人员参考和给施工人员提供指导，中港疏浚有限公司委托上海交通大学船舶设计研究所开发了“耙吸挖泥船艏吹计算分析软件”。

本文将详细介绍软件设计过程中的功能需求分析、结构框架设计、具体实现方法和应用案例。

1 系统设计

1.1 功能需求分析

首先，软件系统应该能够直观、准确地呈现各种施工条件下各关键设备的运行状态和系统的产量、效率等关键参数，能够给出各关键设备在特定工况条件下的工作曲线和性能曲线。例如在各种计算土质、输送浓度条件下的泥泵排压曲线、效率曲线、消耗功率曲线、净正吸入扬程曲线、泥管阻力曲线以及工作点流量、产量、泥泵排压、效率等信息。

其次，软件系统还要能够详细给出相关的计算分析方法，供设计人员和施工人员参考。如土质分析、关键流速计算、泵性能分析、呼吸阀计算、溢流堰设计等。

除此之外，软件系统应该具备一定的管理功能，包括各种公共数据、施工项目、船舶参数等。详细如下：

1）土质参数设置：实现对已知施工区域及其它典型土质参数的管理，包括颗粒密度、原浆体密度、粒径级配等。

2）泵参数的设定功能：实现对各种泥泵参数的管理，包括各种清水曲线、排压曲线、效率曲线、净正吸入扬程曲线等。

3）对设计项目的管理功能：实现对疏浚施工项目的管理，包括新建、删除、复制、项目参数修改等。

4）工作环境参数设置：实现对疏浚施工项目的工作环境参数管理，主要包括温度、气压、陆地增压泵等。

5）船舶参数的设定功能：实现对各施工船舶的参数管理，主要包括装载量、载重量、泵型号、个数、布置位置、船上泥管等参数。

6）工况管理设定功能：实现对某疏浚施工项目在不同阶段或者不同施工方案中的不同参数定义功能。工况定义部分包含两方面，①工况管理，包括工况添加、删除、复制等；②工况定义，包括管道参数、排距、输送浓度、局部损失系数等。

7）计算分析：主要包括：①泵特性曲线计算，包括功率曲线、排压曲线、扬程曲线、效率曲线、净正吸入扬程曲线；②管阻曲线的计算；③工作点分析，包括产量、流速、各个泵的运行特性；④优化分析，包括最大产量分析和最大效率分析。

8）辅助工具：实现对软件计算分析过程中所涉及各种计算方法的解释和对耙吸挖泥船艏吹施工中关键工艺技术的指导功能，主要包括体积浓度分析、原状土分析、关键流速分析、泵性能曲线分析、气化压力分析、呼吸阀计算、排水口设计、水上浮管受力计算和局部水头损失系数等。

9）帮助：帮助操作人员了解软件的操作方法和计算方法。

1.2 结构框架设计

基于功能需求分析，软件系统分为四个大的部分：

1）主程序部分：实现各个船舶项目、施工项目的管理、参数设置、计算分析和结果显示功能。

2）实用工具部分：实现浆体体积浓度分析、原状土分析、关键流速分析、泵性能曲线分析、气化压力分析、呼吸阀计算、排水口设计和局部水头损失系数显示等辅助分析功能。

3）公共数据管理部分：实现土质数据和泵性能数据等公用数据的管理功能。

4）帮助部分。

系统结构框架如图1所示，其中公共资料库包括存储公共数据的数据库文件和项目数据库的模板文件。公共数据主要指施工区域或常见的土质数据、常用泥泵数据和呼吸阀数据。

图1 系统结构图Fig.1 System structure

项目资料库包括所有需要计算或者已经计算完成的各项目数据。考虑到操作的便捷性，系统在新建项目时会自动为每个项目建立以其项目号为名称的文件夹，其中包含1个记录工程名、工

程号等工程参数的名称为Project的文本文档，1个记录计算结果的名称为Data的文本文档和1个记录船舶参数、环境参数、土质参数、施工工况信息的ACCESS格式项目数据库，操作人员只需复制、粘贴该文件夹，并修改文件夹名称为目标项目的项目号即可实现项目复制功能。

1.3 主要界面设计

根据软件系统框架设计，其主要界面包括项目管理、参数设置、计算分析、结果显示、实用工具、数据管理和帮助界面，如图2所示。其中典型的工况定义界面如图3所示。

图2 系统主要界面Fig.2 Main interface of the system

图3 工况定义界面Fig.3 Operating condition interface

2 软件实现

泥沙水力输送的相关计算，至今没有确切的理论公式，都是各家出于不同的理论模型通过不同的实验数据基于相关因素的量纲分析回归给出经验公式。由于各家公式出处的原始数据不一，考虑因素的主次不同等因素造成其形式各异，能保证一定精度的使用范围也各不相同。因此，软件系统在提供一整套相关计算方法的同时，还提供最新的、常用的经典计算方法作为参考和互相印证，并提供相关计算方法的解释说明，以供使用人员参考。同时，为了操作的便利性和人性化，软件采用了智能化处理方式、简单化人机交互、自由组合式比较分析和数据分层应用等处理方法。

2.1 多种计算方法辅助印证

软件在管路阻力计算、泥泵排压计算、关键流速计算、颗粒沉降速度计算等存在很多种计算方法的领域都提供最新、最常用的计算方法供选择和参考，其中管路阻力计算提供了在疏浚界使用了半个世纪的经典公式Durand公式，提供了适用范围较广、考虑因素较全面的Wilson公式，提供了涵盖各种流型的Turian公式，提供了国内尤其煤炭颗粒输送广泛使用的王绍周公式。软件使

用人员不但可以采用不同工况不同计算方法的形式进行不同计算方法之间的相互比较参考，还可以采用管路不同分段采用不同计算方法。

泥泵排压计算同样额外提供了Vlasblom计算方法和王绍周计算方法供参考。

2.2 实用工具集成

为了帮助解决挖泥船设计和施工过程中常遇到的其它计算分析，说明计算过程中采用的具体方法，软件系统在提供水力泥沙管道输送计算的基础上，集成了包括体积浓度分析、原状土分析、关键流速分析、泵性能曲线分析、气化压力分析、呼吸阀计算、排水口设计、水上浮管受力计算和局部水头损失系数等多种实用工具，并配备了存在多种算法和模糊概念的解释说明，比如关键流速、浆体体积浓度、极限体积浓度、原状土堆积密度、特征粒径、颗粒形状系数等，图4即为软件中关于原状土相关概念的解释界面。

图4 原状土相关概念解释说明Fig.4 Explanation of related conceptofundisturbed soil

2.3 智能化处理方式

为了能够用简单的形式表达复杂的施工现场，软件系统采用智能化处理方式。例如，排泥管道是由多段管径不一的泥管连接而成的，软件在工况定义时无需考虑泥管段数和泥泵数量的匹配，只需按照实际情况填写，系统会自动判断计算。如果软件使用人员有不当操作，软件都能够在故障判断的基础上提醒原因和处理方法。

2.4 自由组合式比较分析

软件提供了多种计算方法及多种工作状态的计算，因此，软件系统可以提供任意工况之间、任意计算方法之间、任意工作状态之间的比较分析，只需在结果查看界面选择想要比较分析的对象即可。图5为某项目选择界面的树结构。

图5 结果查看选择界面Fig.5 Selection interface of resultview

2.5 简单化人机交互

系统采用了简单化的模拟Offices风格的人机交互界面。系统可以直接复制粘贴ACCESS格式项目数据库，采用可以被软件系统识别和操作的文本文档记录项目参数和计算结果，实现了操作人员只需复制、粘贴即可进行项目复制功能。

系统在任何地方点击鼠标右键，都会弹出相应的快捷菜单，尤其是项目、工况的复制、粘贴、删除、新建等功能菜单。

系统还提供各种操作的帮助说明，只需点击菜单栏里的“帮助”菜单。

2.6 数据分层应用

数据的分层应用大大简化了软件系统的操作，简化了软件的结构框架，使软件操作方便、运行快、内存占用小。

软件数据分为两个大层：一是可在任意项目使用的公共数据层，二是只在某个项目内使用的项目数据层。在项目数据层，又分为贯穿于整个项目的船舶数据、环境数据、土质数据的项目数据层和只在某个工况下特有的工况数据层。

具体操作中，为提供更多可能的比较分析，项目数据层的数据依然会出现在工况数据层，只不过在项目数据管理界面更改以后将改变整个项目的相应参数，而在工况数据层更改后改变的只是当前工况下的相应参数，即有效范围有别而已。

3 结语

本软件设计的目标性明确，开发过程中与使用者密切联系和交流，再加上简单人性化的操作界面和软件内部的智能化处理，使软件使用人员在没有经过软件培训的情况下即可正常使用。

目前软件已经在船舶设计和疏浚工程规划方面得到了大量应用，并在巴西工程、香港工程和上海机场工程等多个疏浚项目中得到验证，尤其在上海机场工程中得到了详细的多工况实验验证。

另外，软件框架结构和数据结构层次划分详细分明，为软件升级和维护打下了良好基础。

[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]王绍周.粒装物料的浆体管道输送[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项目（SD0100121）

李铭志（1983—），男，宁夏固原市人，博士研究生，主要从事疏浚优化方面的研究。E-mail：limz_2008@sjtu.edu.cn