王穎 隋國榮

摘 要：水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜作為水下控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，是連接上部設(shè)施和水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間的“神經(jīng)和生命線”。根據(jù)不同用途臍帶纜的應(yīng)用特點，以及國內(nèi)外主要臍帶纜制造商的產(chǎn)品現(xiàn)狀和技術(shù)特點，明確了臍帶纜設(shè)計系統(tǒng)的功能需求。結(jié)合各種先進的軟件開發(fā)技術(shù)，對臍帶纜基本組件進行建模，研發(fā)出一套基于WPF（Windows Presentation Foundation）的臍帶纜設(shè)計系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式實現(xiàn)靈活的可編輯與可配置性，3D技術(shù)可以準(zhǔn)確展現(xiàn)臍帶纜截面設(shè)計過程中各組件的分布情況以輔助設(shè)計，從而有效地縮短項目生產(chǎn)周期，節(jié)省人力物力成本，具有很強的實用性。

關(guān)鍵詞：WPF；水下生產(chǎn)系統(tǒng)；臍帶纜；三維仿真

DOI：10.11907/rjdk.172466

中圖分類號：TP319

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）004-0097-04

Abstract：As one of the key components of the underwater control system， umbilical cable is the “nerve and lifeline” between the upper facilities and underwater production system. According to the characteristics of umbilical application for different purposes， and the product status and technical characteristics of the major umbilical manufacturers at home and abroad， the functional requirements of umbilical cable design system are clarified， and the basic components of umbilical cable are modeled with various advanced software development technique. A set of WPF （Windows Presentation Foundation） based umbilical cable design system is developed， using data-driven way to achieve flexible editableFlexible edition and configurability is achieved by the data-driven method， 3D technology can accurately show the componet distribution in the process of umbilical cable cross-section design to assist the design， which can effectively shorten the project production cycle， save manpower and material resources and has strong practicality.

Key Words：WPF； underwater production system； umbilical cable； three-dimensional simulation

0 引言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜主要由電纜、光纜、液壓或化學(xué)藥劑管（鋼管或軟管）、聚合物護套、鎧裝鋼絲以及填充物等組成，主要用于水上設(shè)備和水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間電力、信號、水壓以及化學(xué)介質(zhì)等的傳輸[1]。臍帶纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計不只是簡單地將各個單元進行羅列排布，而應(yīng)根據(jù)工程應(yīng)用要求，同時考慮材料選擇、結(jié)構(gòu)分析、工藝設(shè)計、力學(xué)分析等要素，是多學(xué)科的綜合[2]。國外臍帶纜技術(shù)起步較早，已經(jīng)有一些針對不用應(yīng)用目的和使用需求的臍帶纜所開發(fā)的臍帶纜設(shè)計軟件。例如，Knapp研發(fā)的CableCAD軟件具有較為完備的圖形建模系統(tǒng)、有限單元自動生成系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)等，但目前仍局限于二維模型的建立與分析；USAP是Aker Solution公司開發(fā)的軟件，主要針對單獨螺旋單元纏繞中心核的臍帶纜結(jié)構(gòu)，可以同時計算極端應(yīng)力和評估疲勞[3]。目前國內(nèi)能用于臍帶纜設(shè)計與分析的軟件有“光電復(fù)合臍帶纜”和“水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜”設(shè)計分析軟件。這兩款軟件是863計劃課題“水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)研究”Ⅰ期的研究成果，但存在人機交互不夠友好、結(jié)構(gòu)模型不夠豐富、分析功能不足等問題。因此，利用新技術(shù)研發(fā)的臍帶纜設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)具有更加友好的用戶界面、豐富的結(jié)構(gòu)模型、完善的分析功能，并具有可擴展性、可配置性等特點。

根據(jù)臍帶纜設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用特點，結(jié)合各種先進軟件開發(fā)技術(shù)，并考慮到系統(tǒng)設(shè)計的通用性，提出以下設(shè)計思路：采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進行臍帶纜設(shè)計系統(tǒng)的分析與實現(xiàn)，利用模塊化軟件結(jié)構(gòu)和框架提高系統(tǒng)的通用性和擴展性，優(yōu)化界面布局和功能實現(xiàn)方法，提升人機交互界面的友好性和靈活性。

1 總體設(shè)計

臍帶纜設(shè)計是一個循環(huán)往復(fù)的過程，需要進行反復(fù)設(shè)計和修改。首先根據(jù)掌握的各構(gòu)件材料性能、功能要求以及工藝可行性，進行初步的截面設(shè)計，然后根據(jù)實際工況要求進行力學(xué)計算，初步判斷各單元位置和結(jié)構(gòu)尺寸是否滿足力學(xué)要求，并利用計算中得出的外徑重量比等參數(shù)，對初步截面設(shè)計進行修正，之后再進行力學(xué)計算，循環(huán)數(shù)次，最后得到符合要求的臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]。

為了滿足臍帶纜設(shè)計流程的要求，系統(tǒng)應(yīng)具備以下基本功能：①一套完善的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對于確定的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，有與之對應(yīng)的唯一的2D、3D圖形和電磁熱與力學(xué)輸出；②對基本單元進行建模，基本單元亦可組合成自定義單元，便于進行結(jié)構(gòu)上的組合。針對較為常見的臍帶纜結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)應(yīng)具有一定的自動布局能力；③可配置的材料性能表，可添加材料密度、電阻率、拉伸模量、泊松比等參數(shù)。通過系統(tǒng)設(shè)計得到的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)合材料性能表，可得到力學(xué)性能和電磁熱性能輸出。

本軟件系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)主要圍繞：電纜模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)輸入、結(jié)構(gòu)輸出、電磁熱力輸出展開，如圖1所示。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及技術(shù)概述

臍帶纜設(shè)計系統(tǒng)采用三層架構(gòu)體系，底層為數(shù)據(jù)層，用于臍帶纜設(shè)計數(shù)據(jù)存儲；中間層為數(shù)據(jù)交換及邏輯處理層，用于與數(shù)據(jù)層進行數(shù)據(jù)交換以及進行系統(tǒng)運行的邏輯處理；最高層為表示層，實現(xiàn)用戶界面，將數(shù)據(jù)和流程展示給用戶[5]。

臍帶纜設(shè)計系統(tǒng)的研發(fā)綜合應(yīng)用多種語言和技術(shù)：開發(fā)工具使用Visual Studio 2013，軟件框架建立在Microsoft.NET Framework 4.6上，綜合應(yīng)用C#、XML（eXtensible Markup Language，可擴展標(biāo)記語言）、XAML（eXtensible Application Markup Language，可擴展應(yīng)用程序標(biāo)記語言）進行開發(fā)。C#是一種編程語言，用于軟件系統(tǒng)框架搭建與復(fù)雜邏輯控制；XML用于定義數(shù)據(jù)驅(qū)動文件及配置文件，具有簡單開放、自我描述、統(tǒng)一規(guī)范等特性；XAML是XML的子集，用于軟件界面布局和外觀設(shè)計，是WPF、Silverlight等技術(shù)的腳本語言。同時，應(yīng)用WPF技術(shù)進行用戶界面開發(fā)。

WPF應(yīng)用程序相對于傳統(tǒng)的Windows應(yīng)用程序，主要有以下區(qū)別和優(yōu)勢：

（1）界面描述與程序代碼可分離。通過對可擴展應(yīng)用程序標(biāo)記語言XAML的聲明式編程，WPF可實現(xiàn)軟件系統(tǒng)界面描述與程序代碼的分離，使設(shè)計人員和程序員可更好地協(xié)作。WPF運行在.NET架構(gòu)下，為用戶界面、2D/3D圖形、文檔和媒體提供了統(tǒng)一的描述和操作方法。

（2）圖形效果豐富。WPF應(yīng)用程序在底層使用DirectX（一套硬件加速的圖形API），這意味著可以使用豐富的圖形效果，創(chuàng)建出現(xiàn)代化的用戶界面和可視化效果。用戶可定義集合表面、材料、3D變換、燈光和攝像機，從而高效地完成3D圖形開發(fā)[6]。

3 系統(tǒng)功能模塊分析及設(shè)計

根據(jù)臍帶纜設(shè)計系統(tǒng)的功能需求，采用面向?qū)ο蟮姆椒▽ο到y(tǒng)進行分析與設(shè)計。對臍帶纜結(jié)構(gòu)本身及軟件系統(tǒng)進行分析，將對象的共性抽象出來，對其進行分類，使用類來描述同一類問題，然后對類進行封裝和繼承。通過類的封裝、繼承和多態(tài)3種重要特性作為基本建模原則，采用自底向上的分析、設(shè)計方法，極大地提高了軟件的通用性和擴展性[7]。

3.1 單元建模與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

臍帶纜具有可按層次關(guān)系進行復(fù)雜組合的結(jié)構(gòu)特性，一般為螺旋結(jié)構(gòu)，由以下基本單元組成：電單元、光單元、管單元、填充單元、護套單元和鎧裝鋼絲單元等。臍帶纜具有多層性，由內(nèi)到外層次分明，外層構(gòu)件以一定角度螺旋纏繞于內(nèi)層之上[8]。不同功能的臍帶纜由不同的基本單元組成，單元的排列方式、角度等位置關(guān)系直接影響臍帶纜的力學(xué)性能，包括拉伸剛度、彎曲剛度等[9]。

本系統(tǒng)從臍帶纜復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)中對基本單元進行抽象，歸納為束絲單元、圓線單元、管單元和包帶單元。其中，束絲單元可派生為導(dǎo)體、光纖和鋼絲；圓線單元可派生為鎧裝和填充；管單元可派生為鋼管、軟管、絕緣、護套和編織。每個單元有各自的屬性，包括內(nèi)外徑、材料、顏色、排列方式（直或絞合）等。這些單元可先組合成自定義單元，最后再附加到臍帶纜整體設(shè)計中。從臍帶纜的多層性出發(fā)，本系統(tǒng)遵循由內(nèi)而外的設(shè)計原則，每一層可添加基本單元或自定義單元。層也有自己的屬性，包括內(nèi)外徑、節(jié)徑比、排列方式等，每一層疊加組合成最終的臍帶纜設(shè)計方案。

3.2 界面設(shè)計

用戶界面設(shè)計是對軟件操作邏輯、人機交互的整體設(shè)計，主要確定軟件界面的邏輯結(jié)構(gòu)、分類和層級關(guān)系等[10]。臍帶纜設(shè)計系統(tǒng)采用XAML語言實現(xiàn)界面元素的外觀、布局和顯示，采用C#語言實現(xiàn)界面元素的行為和復(fù)雜邏輯控制，可做到界面顯示與底層邏輯的分離。

臍帶纜設(shè)計系統(tǒng)的主界面窗口主要由菜單欄、功能區(qū)、2D繪圖區(qū)、設(shè)計樹、屬性區(qū)、單元區(qū)和方案區(qū)組成，如圖2所示。

（1）設(shè)計樹：將當(dāng)前臍帶纜結(jié)構(gòu)以樹形顯示，在右鍵菜單中可方便地對某一單元或?qū)舆M行屬性修改。

（2）屬性區(qū)：顯示當(dāng)前選擇的單元或?qū)拥膶傩孕畔ⅰ?/p>

（3）單元區(qū)/方案區(qū)：一個項目下可設(shè)計多個方案備選，保存在方案區(qū)；一個方案下可保存多個自定義單元，保存在自定義單元區(qū)，點擊自定義單元即可添加至臍帶纜的當(dāng)前層或下一層中。

（4）2D繪圖區(qū)：顯示當(dāng)前設(shè)計臍帶纜的二維截面圖，可對圖形進行放大、縮小、更改背景顏色等操作。

（5）功能區(qū)：包含回退/重做、打印、顯示3D圖、添加單元、配置材料性能表等操作。

臍帶纜設(shè)計系統(tǒng)添加單元的窗口如圖3所示。圖3為添加束絲單元的窗口，可在窗口內(nèi)設(shè)定束絲單元參數(shù)和層參數(shù)。點擊“計算”按鈕，可在窗口中直接得到相關(guān)計算結(jié)果，包括截面積、電阻等參數(shù)，以輔助當(dāng)前設(shè)計，判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。計算結(jié)果隨當(dāng)前添加的單元而不同。

3.3 三維圖形顯示

臍帶纜結(jié)構(gòu)的3D顯示對于臍帶纜設(shè)計具有重要意義，可以直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，比如絞合方向錯誤、單元重疊等問題，并使用戶在設(shè)計時具有直觀概念。在本系統(tǒng)中，臍帶纜三維圖形的顯示使用WPF中的以下組件共同創(chuàng)建：①建立一個透視相機（Perspective Camera）并設(shè)置其坐標(biāo)，以決定整個臍帶纜模型的可見區(qū)域；②物體網(wǎng)格（Mesh）。通過利用GeometryModel3D類對象的Geometry屬性創(chuàng)建一個網(wǎng)格，從而定義一個三維臍帶纜模型的形狀；③物體材質(zhì)（Material）。通過在模型表面創(chuàng)建一種材質(zhì)，以定義臍帶纜模型的表面顯示；④一個光源（Light）。通過定義一個光源以照亮模型，使其可見[11]。

在上述方法下，本系統(tǒng)實現(xiàn)了將臍帶纜中各小結(jié)構(gòu)按由里到外不同的剝皮高度呈3D顯示，如圖4所示。如果想調(diào)整各層縱向長度的比例，可以修改層間高度差調(diào)節(jié)的數(shù)值；按住鼠標(biāo)左鍵任意方向拖動鼠標(biāo)，可以改變3D圖形視角；按住鼠標(biāo)右鍵上下拖動，可以改變3D圖形大小。

4 功能測試

為了證明本文所研究的臍帶纜截面設(shè)計系統(tǒng)的有效性，針對南海東部海域流花油田的某一項目，將本文系統(tǒng)與國外流行的臍帶纜設(shè)計軟件CableCAD進行對比，如表1所示。

從表中可以看出，本系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果與CableCAD設(shè)計結(jié)果數(shù)值基本吻合。

5 總結(jié)與展望

本文成功開發(fā)了一套基于WPF的臍帶纜設(shè)計系統(tǒng)，介紹了臍帶纜建模過程，分析了界面設(shè)計及3D顯示功能中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并對功能進行了測試。結(jié)果表明，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，顯示內(nèi)容豐富，界面友好，計算結(jié)果可靠，操作方便快捷，具有重要的工程應(yīng)用價值。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?/p>