王穎 隋國榮

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

關鍵詞：WPF；水下生產系統(tǒng)；臍帶纜；三維仿真

DOI：10.11907/rjdk.172466

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：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

水下生產系統(tǒng)臍帶纜主要由電纜、光纜、液壓或化學藥劑管（鋼管或軟管）、聚合物護套、鎧裝鋼絲以及填充物等組成，主要用于水上設備和水下生產系統(tǒng)之間電力、信號、水壓以及化學介質等的傳輸[1]。臍帶纜的結構設計不只是簡單地將各個單元進行羅列排布，而應根據工程應用要求，同時考慮材料選擇、結構分析、工藝設計、力學分析等要素，是多學科的綜合[2]。國外臍帶纜技術起步較早，已經有一些針對不用應用目的和使用需求的臍帶纜所開發(fā)的臍帶纜設計軟件。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)、結構分析系統(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構，可以同時計算極端應力和評估疲勞[3]。目前國內能用于臍帶纜設計與分析的軟件有“光電復合臍帶纜”和“水下生產系統(tǒng)臍帶纜”設計分析軟件。這兩款軟件是863計劃課題“水下生產系統(tǒng)臍帶纜關鍵技術研究”Ⅰ期的研究成果，但存在人機交互不夠友好、結構模型不夠豐富、分析功能不足等問題。因此，利用新技術研發(fā)的臍帶纜設計系統(tǒng)應具有更加友好的用戶界面、豐富的結構模型、完善的分析功能，并具有可擴展性、可配置性等特點。

根據臍帶纜設計系統(tǒng)的應用特點，結合各種先進軟件開發(fā)技術，并考慮到系統(tǒng)設計的通用性，提出以下設計思路：采用面向對象技術進行臍帶纜設計系統(tǒng)的分析與實現(xiàn)，利用模塊化軟件結構和框架提高系統(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 總體設計

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

為了滿足臍帶纜設計流程的要求，系統(tǒng)應具備以下基本功能：①一套完善的數據結構。對于確定的結構數據，有與之對應的唯一的2D、3D圖形和電磁熱與力學輸出；②對基本單元進行建模，基本單元亦可組合成自定義單元，便于進行結構上的組合。針對較為常見的臍帶纜結構，系統(tǒng)應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。通過系統(tǒng)設計得到的結構數據結合材料性能表，可得到力學性能和電磁熱性能輸出。

本軟件系統(tǒng)的邏輯結構主要圍繞：電纜模型、結構設計、參數輸入、結構輸出、電磁熱力輸出展開，如圖1所示。

2 系統(tǒng)架構設計及技術概述

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

臍帶纜設計系統(tǒng)的研發(fā)綜合應用多種語言和技術：開發(fā)工具使用Visual Studio 2013，軟件框架建立在Microsoft.NET Framework 4.6上，綜合應用C#、XML（eXtensible Markup Language，可擴展標記語言）、XAML（eXtensible Application Markup Language，可擴展應用程序標記語言）進行開發(fā)。C#是一種編程語言，用于軟件系統(tǒng)框架搭建與復雜邏輯控制；XML用于定義數據驅動文件及配置文件，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計，是WPF、Silverlight等技術的腳本語言。同時，應用WPF技術進行用戶界面開發(fā)。

WPF應用程序相對于傳統(tǒng)的Windows應用程序，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。通過對可擴展應用程序標記語言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，使設計人員和程序員可更好地協(xié)作。WPF運行在.NET架構下，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)功能模塊分析及設計

根據臍帶纜設計系統(tǒng)的功能需求，采用面向對象的方法對系統(tǒng)進行分析與設計。對臍帶纜結構本身及軟件系統(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 單元建模與數據結構

臍帶纜具有可按層次關系進行復雜組合的結構特性，一般為螺旋結構，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，由內到外層次分明，外層構件以一定角度螺旋纏繞于內層之上[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、角度等位置關系直接影響臍帶纜的力學性能，包括拉伸剛度、彎曲剛度等[9]。

本系統(tǒng)從臍帶纜復雜的幾何結構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計中。從臍帶纜的多層性出發(fā)，本系統(tǒng)遵循由內而外的設計原則，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計方案。

3.2 界面設計

用戶界面設計是對軟件操作邏輯、人機交互的整體設計，主要確定軟件界面的邏輯結構、分類和層級關系等[10]。臍帶纜設計系統(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雜邏輯控制，可做到界面顯示與底層邏輯的分離。

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

（1）設計樹：將當前臍帶纜結構以樹形顯示，在右鍵菜單中可方便地對某一單元或層進行屬性修改。

（2）屬性區(qū)：顯示當前選擇的單元或層的屬性信息。

（3）單元區(qū)/方案區(qū)：一個項目下可設計多個方案備選，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前層或下一層中。

（4）2D繪圖區(qū)：顯示當前設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，可在窗口內設定束絲單元參數和層參數。點擊“計算”按鈕，可在窗口中直接得到相關計算結果，包括截面積、電阻等參數，以輔助當前設計，判斷是否符合標準規(guī)范。計算結果隨當前添加的單元而不同。

3.3 三維圖形顯示

臍帶纜結構的3D顯示對于臍帶纜設計具有重要意義，可以直觀地發(fā)現(xiàn)設計中的問題，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）并設置其坐標，以決定整個臍帶纜模型的可見區(qū)域；②物體網格（Mesh）。通過利用GeometryModel3D類對象的Geometry屬性創(chuàng)建一個網格，從而定義一個三維臍帶纜模型的形狀；③物體材質（Material）。通過在模型表面創(chuàng)建一種材質，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構按由里到外不同的剝皮高度呈3D顯示，如圖4所示。如果想調整各層縱向長度的比例，可以修改層間高度差調節(jié)的數值；按住鼠標左鍵任意方向拖動鼠標，可以改變3D圖形視角；按住鼠標右鍵上下拖動，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)設計結果與CableCAD設計結果數值基本吻合。

5 總結與展望

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

參考文獻：

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（責任編輯：黃 ?。?/p>